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五彩繽紛顏色的數字表示方法（1）

2010-09-17

五彩繽紛顏色的數字表示方法

    除了我們人類告訴計算機要做什么和怎么做以外，計算機本身對顏色一竅不通。它們僅僅是計算速度非常快的加法機器，變幻著一堆0和1的次序，而我們在計算機上使用這些數字的用途之一就是來表示顏色。為了做到這點，我們需要一些表示顏色的數學模型。通常把數學模型應用于實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尤為困難。偉大的數學家和物理學家Isaac Newton爵士對顏色現象做出了許多重大發現，但即便如此，我們知道，他也從未試圖為顏色感覺建立數學模型。他轉而去研究一些反映客觀規律的學科，如發明微積分和發現宇宙間普遍存在的力學定律。
     顏色其實是在我們頭腦中產生的某些東西，它是我們對于不同波長的光所做出的視覺響應，因而就產生了一種顏色感覺。在我們討論顏色測量問題時，我們說實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，即測量的是到達到我們眼睛視網膜上的光。我們能夠建立光的測量與人類顏色感受之間的關聯，只是這種關聯還不很理想而已。
一、顏色的數字表示方法（1）
     我們解釋了如何能將人們可以看到的所有顏色都用紅、綠和藍顏色的光來混合出來，這三個顏色就是“加色”三原色。當用物理設備產生顏色時，無論它是一臺顯示器、一張透明膠片或是一頁印刷品，所做的全部事情其實都是在操控紅、綠和藍三種顏色的光。
     當使用真正的RGB設備，如顯示器、掃描儀和數字相機時，我們是在直接利用紅、綠和藍顏色的光。對于膠片及印刷品的情況，我們仍然是在操控紅、綠和藍顏色的光，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的光，其中青色吸收紅光，品紅色吸收綠光，黃色吸收藍光，青、品紅和黃顏色就是所謂的“減色”三原色。大多數數字化顏色的方法都是以編碼的形式表示不同數量的R、G和B色光，或在商業印刷和一些（不是全部）桌面打印機中，用數字編碼表示C、M、Y和K（代表黑色）油墨的數量。
     遺憾的是，這樣表示顏色的數學模型非常不確切。你可以想像，一個RGB或CMYK文件中包含的不是顏色感覺，而是一個如烹調出顏色感覺的菜譜，是每一臺設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，讓他們根據菜譜烹制相同的菜肴，則你幾乎肯定會得到20盤味道不太相同的菜。同樣地，假如你將同一個RGB文件發送到20臺不同的顯示器上，或者將一個CMYK文件發送到20臺不同的印刷機上，你將獲得20幅顏色稍微（在某些時候還不止是稍微）不同的圖像。在任何一個銷售電視機的商店里，你很容易地發現這種情況，你會看到20臺生產廠家和型號不同的電視機排在一起，盡管它們都調到相同的節目，顯示相同的畫面，但每一臺電視機呈現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致了不同的視覺效果，這種情況甚至發生在相同廠家及型號的電視機上。
     所有RGB與CMYK顏色模型都起源于模擬方式（連續量）而非數字化方式。但這兩個顏色模型都不是為了準確描述顏色感覺而設計的數學方法；它們實際是一些控制信號的數值，我們將這些控制信號發送到各種彩色復制設備上，讓這些設備產生我們需要的顏色感覺。所以你應當永遠將RGB或CMYK數值看做調諧特定設備的量。
     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，因為我們知道，宇宙中的完全黑體是黑洞，而我們是不能直接看到它的）。當一種或多種著色劑的顏色不是百分之百純色時，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條件，比如要有與紙張及其他材料附著的性能，在合理的時間內盡快干燥的性能，抗褪色的性能，以及價格還要讓人承受起得。這些指標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。
     你也許還會問，為什么是CMYK而不是CMYB？因為“B”很容易與藍色的英文單詞“Blue”混淆，造成誤解。印刷工人經常將青和品紅色說成是藍與紅，這當然是不對的，我們也認為不應該提倡。然而這卻是一個長久以來形成的、根深蒂固的習慣，如果想改變它也不是一件容易的事情。
     有很多種關于為什么要選擇字母“K”的說法，但是我們覺得，有道理的說法應該是，它是“key”的縮寫，它表示這是起關鍵作用的印版，而其余三人印版都要以它對齊。因為黑色是深的顏色，它通常起到圖像中的骨架作用，這是因為黑色的視覺感覺強烈。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文件中的數值并不真的表示顏色感覺，它們實際表示的是著色劑的數量，也就是我們的用的設備在產生顏色時使用的著色劑數量。在用數字化方式表示RGB和CMYK之前，這類顏色在很早上前就以模擬的方式被應用于彩色復制領域了。
     CMYK印刷自20世紀20年代初就大規模商業化應用了，直到20世紀70年代印前制作進入數字化之前，CMYK分色一直采用C、M、Y和中性灰（為了制作黑版）濾色片對藝術原稿進行光學照相分色的方法。早的掃描儀（電分機）采用的就是模擬RGB信號，掃描儀采集的RGB信號又直接地轉換為CMYK模擬量，用來曝光制作印版用的膠片。當在開始將顏色數字化時，只是用數字化的RGB和CMYK數值來仿效以前的模擬生產過程。簡而言之，這是向數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。當我們在一臺顯示器上顯示顏色時，我們實際是在發射電子速來轟擊熒光屏上的熒光粉，使其發光。熒光粉是化學物質和礦物質的化合物，當它們受到電子束轟擊時（技術術語叫做受激發）就能夠發光。彩色顯示器將三種熒光粉涂在面板內側，分別能夠使熒光粉發現不同強度的紅、綠和藍色光，從而產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、特定的電路結構和顯示器的其他特性，甚至與這臺顯示器所處環境的磁場強弱有關。雖然所有顯示器熒光粉發出的光我們都說是紅、綠和藍三種顏色，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的熒光粉，它們的顏色也可能有很大的差別，加上各臺顯示器對亮度和對比度的設置參數也有差別，因此任何兩臺顯示器在同樣的控制信號下，產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完全相同的顯示器也會存在這樣的問題。
     掃描儀RGB。當我們用掃描儀或數字相機采集或捕獲顏色時，我們使用對單一色調色敏感的傳感器，在其前面分別加上紅、綠和藍顏色的濾色片。每一個傳感器產生一個與通過濾色片到達它內部的光總量成正比的電壓值，我們再將這些模擬電壓信號作為R、G和B的數值進行編碼。掃描儀或數字相機對于給定顏色樣品所產生的確切RGB數值，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，掃描儀與數字相機的濾色片特性隨出產廠家而不同，同時也隨使用時間的長度發生變化。掃描儀所使用的光源特性也同樣隨出產廠家的不同和使用年限的長短而發生變化，數字相機拍攝時的照明情況，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來說，還會隨每次曝光過程的不同而發生變化。所以，對于同一個顏色樣品，使用兩臺不同的彩色圖像采集設備來采集，不太可能得到相同的RGB值。
     印刷（打印）機CMYK。當我們在紙上打印或印刷彩色圖像時，我們通常要將青、品紅、黃和黑油墨網點按一定方法排列在紙面上。在傳統的網目調圖像中，一個網點與下一個網點的中心距離是不變的，但在印制深淺不同的顏色時，每個網點的大小要改變。許多桌面打印機和一些商業印刷品采用了不同類型的加網方式，如各種被稱為誤差擴散抖動加網或隨機加網的方式，這種加網方式的每一個網點大小都相同，顏色的改變就靠在給定面積內印刷網點數量的多少來決定（見圖2-2）。

（圖2-2:CMYK網目調）

然而，打印機所產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合的化學和物理方式。對于一般的彩色噴墨打印機，當油墨與紙張不太相配時，經過一段時間后顏色就會發生變化（尤其是中性色）。彩色激光打印機與彩色復印機復制顏色的效果非常容易受濕度變化的影響。對于商業印刷，顏色會隨溫度、濕度、空氣流通情況而改變，還會受到操作人員的喜好和婚姻生活狀況的影響，但這已經是另外的話題了！所以，兩臺不同的打印或印刷設備即使采用同一套CMYK數據，也不太可能產生相同的顏色效果。