五彩缤纷颜色的数字表示方法（1）

2010-09-17

                                         五彩缤纷颜色的数字表示方法

    除了我们人类告诉计算机要做什么和怎么做以外，计算机本身对颜色一窍不通。它们仅仅是计算速度非常快的加法机器，变幻着一堆0和1的次序，而我们在计算机上使用这些数字的用途之一就是来表示颜色。为了做到这点，我们需要一些表示颜色的数学模型。通常把数学模型应用于实际工作中是很棘手的，而在处理很怪异的、由主观感觉所决定的颜色时尤为困难。伟大的数学家和物理学家Isaac Newton爵士对颜色现象做出了许多重大发现，但即便如此，我们知道，他也从未试图为颜色感觉建立数学模型。他转而去研究一些反映客观规律的学科，如发明微积分和发现宇宙间普遍存在的力学定律。
     颜色其实是在我们头脑中产生的某些东西，它是我们对于不同波长的光所做出的视觉响应，因而就产生了一种颜色感觉。在我们讨论颜色测量问题时，我们说实际测量的并不真是颜色感觉本身，而是引起颜色感觉的那种刺激，即测量的是到达到我们眼睛视网膜上的光。我们能够建立光的测量与人类颜色感受之间的关联，只是这种关联还不很理想而已。
一、颜色的数字表示方法（1）
     我们解释了如何能将人们可以看到的所有颜色都用红、绿和蓝颜色的光来混合出来，这三个颜色就是“加色”三原色。当用物理设备产生颜色时，无论它是一台显示器、一张透明胶片或是一页印刷品，所做的全部事情其实都是在操控红、绿和蓝三种颜色的光。
     当使用真正的RGB设备，如显示器、扫描仪和数字相机时，我们是在直接利用红、绿和蓝颜色的光。对于胶片及印刷品的情况，我们仍然是在操控红、绿和蓝颜色的光，只不过不是直接地使用，而是利用CMY颜料从白色光中吸收这些颜色对应的光，其中青色吸收红光，品红色吸收绿光，黄色吸收蓝光，青、品红和黄颜色就是所谓的“减色”三原色。大多数数字化颜色的方法都是以编码的形式表示不同数量的R、G和B色光，或在商业印刷和一些（不是全部）桌面打印机中，用数字编码表示C、M、Y和K（代表黑色）油墨的数量。
     遗憾的是，这样表示颜色的数学模型非常不确切。你可以想像，一个RGB或CMYK文件中包含的不是颜色感觉，而是一个如烹调出颜色感觉的菜谱，是每一台设备依照自身颜色特性解释颜色的配方。如果你给20名厨师同样的菜谱，让他们根据菜谱烹制相同的菜肴，则你几乎肯定会得到20盘味道不太相同的菜。同样地，假如你将同一个RGB文件发送到20台不同的显示器上，或者将一个CMYK文件发送到20台不同的印刷机上，你将获得20幅颜色稍微（在某些时候还不止是稍微）不同的图像。在任何一个销售电视机的商店里，你很容易地发现这种情况，你会看到20台生产厂家和型号不同的电视机排在一起，尽管它们都调到相同的节目，显示相同的画面，但每一台电视机呈现的颜色效果都有所不同。它们接收了同样的菜谱，但由于它们不同的颜色特性导致了不同的视觉效果，这种情况甚至发生在相同厂家及型号的电视机上。
     所有RGB与CMYK颜色模型都起源于模拟方式（连续量）而非数字化方式。但这两个颜色模型都不是为了准确描述颜色感觉而设计的数学方法；它们实际是一些控制信号的数值，我们将这些控制信号发送到各种彩色复制设备上，让这些设备产生我们需要的颜色感觉。所以你应当永远将RGB或CMYK数值看做调谐特定设备的量。
     为什么是CMYK     为什么是CMYK而不是CMY？从理论上说，理想的青色油墨吸收100%的红光、理想的品红油墨完全吸收绿光，而理想的黄油墨完全吸收蓝光，理想的青、品红和黄油墨组合在一起将完全吸收所有的入射光线，看到的将是黑色（如果人们真能看到它的话，因为我们知道，宇宙中的完全黑体是黑洞，而我们是不能直接看到它的）。当一种或多种着色剂的颜色不是百分之百纯色时，一些本该被吸收的光线就没有被吸收，而被反射出来了。这就是为什么许多使用墨粉的设备打印出的三色黑是偏绿的，而印刷油墨的三色墨往往是土褐色的原因。着色剂没有完美的。照相机的染料比较接近理想的原色，而油墨与墨粉由于要满足许多颜色以外的物理条件，比如要有与纸张及其他材料附着的性能，在合理的时间内尽快干燥的性能，抗褪色的性能，以及价格还要让人承受起得。这些指标都是要由颜色的纯度来换取的。所以，为了获得更好的，能够吸收尽可能多光线的，达到尽可能不偏色的黑色，我们就需要使用黑油墨。让我们使用黑油墨来印刷的另一个重要理由是，要能够很方便地印刷单色黑的印刷品，比如课本中的文字，用单色黑印刷文字要比用青、品红和黄三色油墨套印容易得多。
     你也许还会问，为什么是CMYK而不是CMYB？因为“B”很容易与蓝色的英文单词“Blue”混淆，造成误解。印刷工人经常将青和品红色说成是蓝与红，这当然是不对的，我们也认为不应该提倡。然而这却是一个长久以来形成的、根深蒂固的习惯，如果想改变它也不是一件容易的事情。
     有很多种关于为什么要选择字母“K”的说法，但是我们觉得，有道理的说法应该是，它是“key”的缩写，它表示这是起关键作用的印版，而其余三人印版都要以它对齐。因为黑色是深的颜色，它通常起到图像中的骨架作用，这是因为黑色的视觉感觉强烈。无论如何，我们使用的都是CMYK油墨，而不是CMYB油墨。
     起源于模拟方式     RGB和CMYK文件中的数值并不真的表示颜色感觉，它们实际表示的是着色剂的数量，也就是我们的用的设备在产生颜色时使用的着色剂数量。在用数字化方式表示RGB和CMYK之前，这类颜色在很早上前就以模拟的方式被应用于彩色复制领域了。
     CMYK印刷自20世纪20年代初就大规模商业化应用了，直到20世纪70年代印前制作进入数字化之前，CMYK分色一直采用C、M、Y和中性灰（为了制作黑版）滤色片对艺术原稿进行光学照相分色的方法。早的扫描仪（电分机）采用的就是模拟RGB信号，扫描仪采集的RGB信号又直接地转换为CMYK模拟量，用来曝光制作印版用的胶片。当在开始将颜色数字化时，只是用数字化的RGB和CMYK数值来仿效以前的模拟生产过程。简而言之，这是向数字化颜色过渡的简单方法，但并不是必需的，也不是更好的方式。
     显示器RGB。当我们在一台显示器上显示颜色时，我们实际是在发射电子速来轰击荧光屏上的荧光粉，使其发光。荧光粉是化学物质和矿物质的化合物，当它们受到电子束轰击时（技术术语叫做受激发）就能够发光。彩色显示器将三种荧光粉涂在面板内侧，分别能够使荧光粉发现不同强度的红、绿和蓝色光，从而产生出不同的混合颜色（见图2-1）。

（图2-1:显示器荧光粉）

     但是，显示器产生的确切颜色感觉还取决于所使用的荧光粉类型、使用年限、特定的电路结构和显示器的其他特性，甚至与这台显示器所处环境的磁场强弱有关。虽然所有显示器荧光粉发出的光我们都说是红、绿和蓝三种颜色，但通常使用的荧光粉至少有五种非常不同的系列，并且即便是同一批次生产的荧光粉，它们的颜色也可能有很大的差别，加上各台显示器对亮度和对比度的设置参数也有差别，因此任何两台显示器在同样的控制信号下，产生相同颜色感觉的可能性是非常小的，即便是同一天购买的两台完全相同的显示器也会存在这样的问题。
     扫描仪RGB。当我们用扫描仪或数字相机采集或捕获颜色时，我们使用对单一色调色敏感的传感器，在其前面分别加上红、绿和蓝颜色的滤色片。每一个传感器产生一个与通过滤色片到达它内部的光总量成正比的电压值，我们再将这些模拟电压信号作为R、G和B的数值进行编码。扫描仪或数字相机对于给定颜色样品所产生的确切RGB数值，取决于照明光源的光谱组成与滤色片的光谱透射特性。与显示器的荧光粉一样，扫描仪与数字相机的滤色片特性随出产厂家而不同，同时也随使用时间的长度发生变化。扫描仪所使用的光源特性也同样随出产厂家的不同和使用年限的长短而发生变化，数字相机拍摄时的照明情况，也从精心布置的摄影棚灯光到露天的日光有很大不同，随每一次曝光的不同也都有变化，甚至对于扫描后背式相机来说，还会随每次曝光过程的不同而发生变化。所以，对于同一个颜色样品，使用两台不同的彩色图像采集设备来采集，不太可能得到相同的RGB值。
     印刷（打印）机CMYK。当我们在纸上打印或印刷彩色图像时，我们通常要将青、品红、黄和黑油墨网点按一定方法排列在纸面上。在传统的网目调图像中，一个网点与下一个网点的中心距离是不变的，但在印制深浅不同的颜色时，每个网点的大小要改变。许多桌面打印机和一些商业印刷品采用了不同类型的加网方式，如各种被称为误差扩散抖动加网或随机加网的方式，这种加网方式的每一个网点大小都相同，颜色的改变就靠在给定面积内印刷网点数量的多少来决定（见图2-2）。

（图2-2:CMYK网目调）

     然而，打印机所产生的确切颜色感觉有赖于油墨、颜料或染料、使用纸张的颜色，以及着色剂与纸张相结合的化学和物理方式。对于一般的彩色喷墨打印机，当油墨与纸张不太相配时，经过一段时间后颜色就会发生变化（尤其是中性色）。彩色激光打印机与彩色复印机复制颜色的效果非常容易受湿度变化的影响。对于商业印刷，颜色会随温度、湿度、空气流通情况而改变，还会受到操作人员的喜好和婚姻生活状况的影响，但这已经是另外的话题了！所以，两台不同的打印或印刷设备即使采用同一套CMYK数据，也不太可能产生相同的颜色效果。