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五彩繽紛顏色的數(shù)字表示方法（1）

2010-09-17

                                         五彩繽紛顏色的數(shù)字表示方法

    除了我們?nèi)祟惛嬖V計(jì)算機(jī)要做什么和怎么做以外，計(jì)算機(jī)本身對顏色一竅不通。它們僅僅是計(jì)算速度非?？斓募臃C(jī)器，變幻著一堆0和1的次序，而我們在計(jì)算機(jī)上使用這些數(shù)字的用途之一就是來表示顏色。為了做到這點(diǎn)，我們需要一些表示顏色的數(shù)學(xué)模型。通常把數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)際工作中是很棘手的，而在處理很怪異的、由主觀感覺所決定的顏色時(shí)尤為困難。偉大的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家Isaac Newton爵士對顏色現(xiàn)象做出了許多重大發(fā)現(xiàn)，但即便如此，我們知道，他也從未試圖為顏色感覺建立數(shù)學(xué)模型。他轉(zhuǎn)而去研究一些反映客觀規(guī)律的學(xué)科，如發(fā)明微積分和發(fā)現(xiàn)宇宙間普遍存在的力學(xué)定律。
     顏色其實(shí)是在我們頭腦中產(chǎn)生的某些東西，它是我們對于不同波長的光所做出的視覺響應(yīng)，因而就產(chǎn)生了一種顏色感覺。在我們討論顏色測量問題時(shí)，我們說實(shí)際測量的并不真是顏色感覺本身，而是引起顏色感覺的那種刺激，即測量的是到達(dá)到我們眼睛視網(wǎng)膜上的光。我們能夠建立光的測量與人類顏色感受之間的關(guān)聯(lián)，只是這種關(guān)聯(lián)還不很理想而已。
一、顏色的數(shù)字表示方法（1）
     我們解釋了如何能將人們可以看到的所有顏色都用紅、綠和藍(lán)顏色的光來混合出來，這三個(gè)顏色就是“加色”三原色。當(dāng)用物理設(shè)備產(chǎn)生顏色時(shí)，無論它是一臺(tái)顯示器、一張透明膠片或是一頁印刷品，所做的全部事情其實(shí)都是在操控紅、綠和藍(lán)三種顏色的光。
     當(dāng)使用真正的RGB設(shè)備，如顯示器、掃描儀和數(shù)字相機(jī)時(shí)，我們是在直接利用紅、綠和藍(lán)顏色的光。對于膠片及印刷品的情況，我們?nèi)匀皇窃诓倏丶t、綠和藍(lán)顏色的光，只不過不是直接地使用，而是利用CMY顏料從白色光中吸收這些顏色對應(yīng)的光，其中青色吸收紅光，品紅色吸收綠光，黃色吸收藍(lán)光，青、品紅和黃顏色就是所謂的“減色”三原色。大多數(shù)數(shù)字化顏色的方法都是以編碼的形式表示不同數(shù)量的R、G和B色光，或在商業(yè)印刷和一些（不是全部）桌面打印機(jī)中，用數(shù)字編碼表示C、M、Y和K（代表黑色）油墨的數(shù)量。
     遺憾的是，這樣表示顏色的數(shù)學(xué)模型非常不確切。你可以想像，一個(gè)RGB或CMYK文件中包含的不是顏色感覺，而是一個(gè)如烹調(diào)出顏色感覺的菜譜，是每一臺(tái)設(shè)備依照自身顏色特性解釋顏色的配方。如果你給20名廚師同樣的菜譜，讓他們根據(jù)菜譜烹制相同的菜肴，則你幾乎肯定會(huì)得到20盤味道不太相同的菜。同樣地，假如你將同一個(gè)RGB文件發(fā)送到20臺(tái)不同的顯示器上，或者將一個(gè)CMYK文件發(fā)送到20臺(tái)不同的印刷機(jī)上，你將獲得20幅顏色稍微（在某些時(shí)候還不止是稍微）不同的圖像。在任何一個(gè)銷售電視機(jī)的商店里，你很容易地發(fā)現(xiàn)這種情況，你會(huì)看到20臺(tái)生產(chǎn)廠家和型號(hào)不同的電視機(jī)排在一起，盡管它們都調(diào)到相同的節(jié)目，顯示相同的畫面，但每一臺(tái)電視機(jī)呈現(xiàn)的顏色效果都有所不同。它們接收了同樣的菜譜，但由于它們不同的顏色特性導(dǎo)致了不同的視覺效果，這種情況甚至發(fā)生在相同廠家及型號(hào)的電視機(jī)上。
     所有RGB與CMYK顏色模型都起源于模擬方式（連續(xù)量）而非數(shù)字化方式。但這兩個(gè)顏色模型都不是為了準(zhǔn)確描述顏色感覺而設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)方法；它們實(shí)際是一些控制信號(hào)的數(shù)值，我們將這些控制信號(hào)發(fā)送到各種彩色復(fù)制設(shè)備上，讓這些設(shè)備產(chǎn)生我們需要的顏色感覺。所以你應(yīng)當(dāng)永遠(yuǎn)將RGB或CMYK數(shù)值看做調(diào)諧特定設(shè)備的量。
     為什么是CMYK     為什么是CMYK而不是CMY？從理論上說，理想的青色油墨吸收100%的紅光、理想的品紅油墨完全吸收綠光，而理想的黃油墨完全吸收藍(lán)光，理想的青、品紅和黃油墨組合在一起將完全吸收所有的入射光線，看到的將是黑色（如果人們真能看到它的話，因?yàn)槲覀冎?，宇宙中的完全黑體是黑洞，而我們是不能直接看到它的）。當(dāng)一種或多種著色劑的顏色不是百分之百純色時(shí)，一些本該被吸收的光線就沒有被吸收，而被反射出來了。這就是為什么許多使用墨粉的設(shè)備打印出的三色黑是偏綠的，而印刷油墨的三色墨往往是土褐色的原因。著色劑沒有完美的。照相機(jī)的染料比較接近理想的原色，而油墨與墨粉由于要滿足許多顏色以外的物理?xiàng)l件，比如要有與紙張及其他材料附著的性能，在合理的時(shí)間內(nèi)盡快干燥的性能，抗褪色的性能，以及價(jià)格還要讓人承受起得。這些指標(biāo)都是要由顏色的純度來換取的。所以，為了獲得更好的，能夠吸收盡可能多光線的，達(dá)到盡可能不偏色的黑色，我們就需要使用黑油墨。讓我們使用黑油墨來印刷的另一個(gè)重要理由是，要能夠很方便地印刷單色黑的印刷品，比如課本中的文字，用單色黑印刷文字要比用青、品紅和黃三色油墨套印容易得多。
     你也許還會(huì)問，為什么是CMYK而不是CMYB？因?yàn)椤癇”很容易與藍(lán)色的英文單詞“Blue”混淆，造成誤解。印刷工人經(jīng)常將青和品紅色說成是藍(lán)與紅，這當(dāng)然是不對的，我們也認(rèn)為不應(yīng)該提倡。然而這卻是一個(gè)長久以來形成的、根深蒂固的習(xí)慣，如果想改變它也不是一件容易的事情。
     有很多種關(guān)于為什么要選擇字母“K”的說法，但是我們覺得，有道理的說法應(yīng)該是，它是“key”的縮寫，它表示這是起關(guān)鍵作用的印版，而其余三人印版都要以它對齊。因?yàn)楹谏巧畹念伾ǔＦ鸬綀D像中的骨架作用，這是因?yàn)楹谏囊曈X感覺強(qiáng)烈。無論如何，我們使用的都是CMYK油墨，而不是CMYB油墨。
     起源于模擬方式     RGB和CMYK文件中的數(shù)值并不真的表示顏色感覺，它們實(shí)際表示的是著色劑的數(shù)量，也就是我們的用的設(shè)備在產(chǎn)生顏色時(shí)使用的著色劑數(shù)量。在用數(shù)字化方式表示RGB和CMYK之前，這類顏色在很早上前就以模擬的方式被應(yīng)用于彩色復(fù)制領(lǐng)域了。
     CMYK印刷自20世紀(jì)20年代初就大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用了，直到20世紀(jì)70年代印前制作進(jìn)入數(shù)字化之前，CMYK分色一直采用C、M、Y和中性灰（為了制作黑版）濾色片對藝術(shù)原稿進(jìn)行光學(xué)照相分色的方法。早的掃描儀（電分機(jī)）采用的就是模擬RGB信號(hào)，掃描儀采集的RGB信號(hào)又直接地轉(zhuǎn)換為CMYK模擬量，用來曝光制作印版用的膠片。當(dāng)在開始將顏色數(shù)字化時(shí)，只是用數(shù)字化的RGB和CMYK數(shù)值來仿效以前的模擬生產(chǎn)過程。簡而言之，這是向數(shù)字化顏色過渡的簡單方法，但并不是必需的，也不是更好的方式。
     顯示器RGB。當(dāng)我們在一臺(tái)顯示器上顯示顏色時(shí)，我們實(shí)際是在發(fā)射電子速來轟擊熒光屏上的熒光粉，使其發(fā)光。熒光粉是化學(xué)物質(zhì)和礦物質(zhì)的化合物，當(dāng)它們受到電子束轟擊時(shí)（技術(shù)術(shù)語叫做受激發(fā)）就能夠發(fā)光。彩色顯示器將三種熒光粉涂在面板內(nèi)側(cè)，分別能夠使熒光粉發(fā)現(xiàn)不同強(qiáng)度的紅、綠和藍(lán)色光，從而產(chǎn)生出不同的混合顏色（見圖2-1）。

（圖2-1:顯示器熒光粉）

     但是，顯示器產(chǎn)生的確切顏色感覺還取決于所使用的熒光粉類型、使用年限、特定的電路結(jié)構(gòu)和顯示器的其他特性，甚至與這臺(tái)顯示器所處環(huán)境的磁場強(qiáng)弱有關(guān)。雖然所有顯示器熒光粉發(fā)出的光我們都說是紅、綠和藍(lán)三種顏色，但通常使用的熒光粉至少有五種非常不同的系列，并且即便是同一批次生產(chǎn)的熒光粉，它們的顏色也可能有很大的差別，加上各臺(tái)顯示器對亮度和對比度的設(shè)置參數(shù)也有差別，因此任何兩臺(tái)顯示器在同樣的控制信號(hào)下，產(chǎn)生相同顏色感覺的可能性是非常小的，即便是同一天購買的兩臺(tái)完全相同的顯示器也會(huì)存在這樣的問題。
     掃描儀RGB。當(dāng)我們用掃描儀或數(shù)字相機(jī)采集或捕獲顏色時(shí)，我們使用對單一色調(diào)色敏感的傳感器，在其前面分別加上紅、綠和藍(lán)顏色的濾色片。每一個(gè)傳感器產(chǎn)生一個(gè)與通過濾色片到達(dá)它內(nèi)部的光總量成正比的電壓值，我們再將這些模擬電壓信號(hào)作為R、G和B的數(shù)值進(jìn)行編碼。掃描儀或數(shù)字相機(jī)對于給定顏色樣品所產(chǎn)生的確切RGB數(shù)值，取決于照明光源的光譜組成與濾色片的光譜透射特性。與顯示器的熒光粉一樣，掃描儀與數(shù)字相機(jī)的濾色片特性隨出產(chǎn)廠家而不同，同時(shí)也隨使用時(shí)間的長度發(fā)生變化。掃描儀所使用的光源特性也同樣隨出產(chǎn)廠家的不同和使用年限的長短而發(fā)生變化，數(shù)字相機(jī)拍攝時(shí)的照明情況，也從精心布置的攝影棚燈光到露天的日光有很大不同，隨每一次曝光的不同也都有變化，甚至對于掃描后背式相機(jī)來說，還會(huì)隨每次曝光過程的不同而發(fā)生變化。所以，對于同一個(gè)顏色樣品，使用兩臺(tái)不同的彩色圖像采集設(shè)備來采集，不太可能得到相同的RGB值。
     印刷（打?。C(jī)CMYK。當(dāng)我們在紙上打印或印刷彩色圖像時(shí)，我們通常要將青、品紅、黃和黑油墨網(wǎng)點(diǎn)按一定方法排列在紙面上。在傳統(tǒng)的網(wǎng)目調(diào)圖像中，一個(gè)網(wǎng)點(diǎn)與下一個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的中心距離是不變的，但在印制深淺不同的顏色時(shí)，每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的大小要改變。許多桌面打印機(jī)和一些商業(yè)印刷品采用了不同類型的加網(wǎng)方式，如各種被稱為誤差擴(kuò)散抖動(dòng)加網(wǎng)或隨機(jī)加網(wǎng)的方式，這種加網(wǎng)方式的每一個(gè)網(wǎng)點(diǎn)大小都相同，顏色的改變就靠在給定面積內(nèi)印刷網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量的多少來決定（見圖2-2）。

（圖2-2:CMYK網(wǎng)目調(diào)）

     然而，打印機(jī)所產(chǎn)生的確切顏色感覺有賴于油墨、顏料或染料、使用紙張的顏色，以及著色劑與紙張相結(jié)合的化學(xué)和物理方式。對于一般的彩色噴墨打印機(jī)，當(dāng)油墨與紙張不太相配時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間后顏色就會(huì)發(fā)生變化（尤其是中性色）。彩色激光打印機(jī)與彩色復(fù)印機(jī)復(fù)制顏色的效果非常容易受濕度變化的影響。對于商業(yè)印刷，顏色會(huì)隨溫度、濕度、空氣流通情況而改變，還會(huì)受到操作人員的喜好和婚姻生活狀況的影響，但這已經(jīng)是另外的話題了！所以，兩臺(tái)不同的打印或印刷設(shè)備即使采用同一套CMYK數(shù)據(jù)，也不太可能產(chǎn)生相同的顏色效果。