物体的光谱特性与颜色生成过程

从上两节内容已经知道，颜色的形成是光线对人眼（和大脑）作用的结果，无光就无色。本身不发光的物体的颜色也必定是在光的参与下由光所形成的，事实上是物体透射或反射的光所形成的。透明物体透射光的颜色即是透明物体的颜色，不透明物体反射光的颜色即是不透明物体的颜色。

从物理现象看，当光照到物体表面后将会发生四种主要的作用：光在物体的第一表面的镜面反射，也称规则反射（产生光泽）；光在物体材料内部的散射，产生漫反射和漫透射；光在物体材料内部的被吸收；光直接透过物体的规则透射（产生物体的透明度）。不同的物体与光线的这四种作用程度不同。例如，金属表面主要产生镜面反射光，有明显的反射光谱选择性，因而看上去该金属表面具有一定的颜色。如金和银，看上去具有不同的颜色，又都有很强的镜面反射光，习惯上称其为金属光泽。不透明的非金属表面则主要产生漫反射光，且具有自己的选择吸收性，表现为反射光中只有入射照明光中的某些波长成分，看起来具有与入射光不同的颜色。如红色的衣服，是因为衣服材料主要反射了照明光中的长波段光谱；黄色的桌面，是因为桌子表面材料吸收了照明光中的蓝光成分，剩余的反射光综合感觉为黄色。

因此，除了照射光的特性（光谱能量分布）外，物体本身的光谱吸收、反射、透射特性也是其形成颜色的一个重要因素。

对于物体表面对光的反射，只有镜面反射和完全漫反射（各个反射方向具有相同的辐亮度，称为朗伯表面）的极端情况是极少的，绝大多数情况界于两者之间，其反射光强如图1-5所示。

图1-5　一般物体对光的反射强度

在颜色定量研究技术中，常关心光反射的两个概念：

1.光谱反射比（spectral reflectance）ρ（λ）

在波长为λ的光照射下，物体反射的光通量φp（λ）与入射的光通量φi（λ）之比。公式表示为：

2.光谱反射因数（spectral reflectance factor）β（λ）

在规定的照明条件下，在规定方向的立体角内，从物体反射的波长为λ的光谱辐通量φS（λ），与在相同条件下，从完全漫反射体反射的波长为λ的光谱辐通量φn（λ）之比。公式表示为：

在给定的立体角ω接近2π时，测得的光谱反射因数β（λ）即为光谱反射比ρ（λ）。

国际照明委员会（CIE）推荐用完全漫反射体作为测量光谱反射因数的标准。实际中不存在理想的完全漫反射材料，但能找到近似的材料，如烟熏氧化镁、硫酸钡喷涂或压粉。它们具有高的光谱反射比，接近完全漫反射体的特性，常用来作为工作标准。

图1-6给出了常作为工作标准白板材料的光谱反射比曲线，为相对于氧化镁的测量结果。

图1-6　标准白板材料的光谱反射比曲线(www.xing528.com)

有了工作标准的光谱反射特性曲线，可以测量计算出物体的光谱反射特性，可用于一定光照下物体颜色数值的计算。

颜色复制中，肤色的准确再现非常重要。因而，人类皮肤的光谱反射特性的测定和研究对现代彩色电视、彩色摄影、印刷、照明等行业的颜色再现具有非常重要的意义。光源开发、广播电视、电影等部门，以及彩色摄影材料和设备的生产厂家都测定了大量各种人种的肤色，定出了标准的肤色反射特性曲线，作为上述各行业检验颜色再现质量的标准。

图1-7为三种肤色的平均光谱反射比曲线。其中，浅色人种的肤色白，对光的反射比高；深色人种的肤色对光的反射比较低；棕色人种的肤色则反射比介于两者之间。但肤色对光反射的共同特点是：在短波范围内反射比均比较低，随着波长的增大反射比逐步升高，在波长550～600nm范围内均有一个陡升。

有些材料在不同的方向上具有不同光谱反射因数，如图1-8所示。在照明光不变的情况下，从不同的角度看物体会有不同的颜色。

图1-7　不同人种的平均肤色光谱反射比曲线

图1-8　不同方向测量的光谱反射因数

图1-9　加有荧光增白剂白纸的光谱反射因数

还有一种材料为荧光材料。它与上述材料不同，除了反射、吸收、散射和透射外，它还能将吸收的一定波长的光，转化为其他波长的光向各个方向发射出去。荧光增白剂（FWAs）吸收波长在300～400nm的紫外辐射，然后以400～500nm内以可见光的形式发射出去，如图1-9所示。这样的白纸看上去会比光源的光色偏蓝。在颜色测量技术中，针对这种加有荧光增白剂的情况，需要给予特别的技术处理。

对于透射材料也定义有类似的光谱透射特性量，反映的是物体的光谱透射特性，也是其在光照下颜色形成的重要决定因素。

从物理成因的角度看（非发光）物体的颜色，可以概括为：颜色不是物体的固有属性，但物体的光谱反射和光谱透射特性是由其自身性能决定的，是其本征属性。同一光源下，不同的物体呈现不同颜色的原因是它们的光谱反射或光谱透射特性不同。

物体颜色研究和测量的落脚点落在了物体光谱特性的研究和测量上。

需要说明的是，至此所讨论的光源颜色、物体颜色的成因和形成，具有一个默认的前提，即光源发出的光和物体透射、反射的光是在人眼的感知下形成的。