睜開眼外面變白了，然而我卻陷入了思考：眼前的白真的是白嗎？_風聞

原創：中科院物理所

　　初雪來啦！！！

　　昨天晚上北京初雪的消息席捲而來，不知道你有沒有加入到朋友圈攝影大賽中呢？

　　物理所凝聚園雪景

　　每年的初雪都帶着一些浪漫的氣息，給大家帶來了冬季的喜悦，然而降温和初雪終究是比暖氣來早了一步…

　　看着漫天純白無暇的初雪…你不知道的是純白背後隱藏的——紅橙黃綠藍靛紫！

　　人眼：我靠混合

　　我們都從小學起就都知道，白色光是所有單色光混合疊加的結果，那麼人眼是如何識別單色光之間的疊加的呢？

　　要想弄搞清楚顏色的問題，首先讓我們一起回顧一下小學知識——顏色是什麼？

　　圖片來源：pixabay

　　實際上，在我們常見的電磁波譜中，不同波長的光不僅對應着不同的能量，也對應着不同的顏色，例如532 nm對應着綠色，而440 nm則對應着藍色。

　　在電磁波譜中只有一小部分波長的光可以被人眼識別，被稱為可見光波譜，大約在400 nm到780 nm之間。

　　圖片來源：網絡

　　那麼人眼是如何識別不同顏色的呢？人眼視網膜中的視錐細胞具備感知色彩的能力，即對不同顏色（波長）光子的感知能力不同。

　　視錐細胞分為3種，**分別包含光譜吸收峯在光譜黃、綠、藍區的視色素，**這種對顏色的感知能力由視錐細胞中視蛋白的特異性所決定。

　　圖片來源：維基百科

　　上圖中，白色曲線代表人眼對不同顏色光的感知能力，縱座標的值越高，表示人眼對該點橫座標所對應波長的光越敏感。

　　從圖中可以清晰的看出，S、M、L三條曲線分別對應着藍色、綠色和紅色。

　　嗯？？？這不是代表着我們只能看到紅、綠、藍三種顏色？那我們看到的其他顏色都是假的嗎？！

　　別急別急，當然不是假的。我們看到各種各樣豐富的顏色其實是紅、綠、藍三種視錐細胞對某種顏色光混色的結果。

　　事實上，我們在生活中接觸的單色光是很少的，類似於焰色反應、激光等才會產生單色光。

　　焰色反應 | 圖片來源：網絡

　　顯示器：我們不僅靠混合

　　既然人眼是通過紅、綠、藍三種視錐細胞感光、混色從而產生對眾多顏色的感知，那麼充斥在我們身邊的數碼產品是如何進行顯色的呢？

　　在瞭解顯色原理之前，讓我們先一起來認識一下屏幕像素（Pixel）——一個像素就是一個顯像點，橫向、縱向各若干像素點排列佔據整個屏幕。

　　每個像素點都包含紅、綠、藍三個子像素，三個子像素參與顯示的量不同，像素呈現出的顏色就不同。

　　當不同像素點按照一定的規律呈現不同顏色時，整個屏幕上就出現了五花八門的圖像。

　　像素點 | 圖片來源：pixabay

　　像素點非常微小，並且非常密集，超過人眼視距在正常的範圍的分辨能力。因此，我們就可以在顯示屏上看到各種各樣色彩豐富的畫面。

　　儘管都是通過三原色原理進行混色，但我們常見的液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）和有機發光半導體OLED(Organic Light-emitting Diode)最小組成單元的發光原理卻是不一樣的。

　　液晶顯示屏LCD為多層結構，其發光原理是通過在顯示面板最下方的一層背光面板發射白光，光線透過顯示面板的多層結構，包括下偏光板、薄膜電晶體、彩色濾光片、上偏光板等，背光面板發射的白光照亮整個顯示面板實現發光和顯色。

　　在液晶顯示器LCD中，同上文介紹的一樣，**每一個物理像素點，由紅、綠、藍（RGB）三個顏色的子像素組成。**如何控制三個子像素來實現顯色就是最核心的技術。

　　液晶顯示器LCD的基本結構 | 圖片來源【1】

　　**RGB 3個子像素都是可以被單獨控制的透光單元，**雖然子像素分別負責RGB 3三種顏色的顯色程度，但其本身卻是不帶顏色的，而是通過最外層RGB三種顏色的塗層，被背光面板發射出的白光照亮而顯示出顏色。

　　**通過控制RGB子像素的進光量，可以使紅、綠、藍三基色分別以不同亮度的組合，類似於三個獨立變量的疊加，**通過設置合理的像素大小來配合人眼的明視距離，可以達到人眼無法分辨子像素的程度，組合出特定顏色的像素點。

　　例如，當一個像素的3個子像素中，對綠色光透過率為100%，其餘色光的透過率均為0%，該像素點就會呈現為綠色；若3個子像素對紅、綠、藍三種色光的透過率為100%，該像素點就會呈現為白色，也就是我們看到純潔無暇的初雪色啦~

　　而對於有機發光半導體OLED(Organic Light-emitting Diode)，其發光原理為：在外加電壓的驅動下，空穴和電子分別從正和負極注入到有機材料中。

　　在有機層中空穴與電子會發生複合，從而釋放出能量，將能量傳遞給有機發光物質的分子使其從基態躍遷到激發態。

　　由於激發態不穩定，有機材料中的受激分子很容易就會從激發態回到基態，輻射躍遷而產生髮光現象。

　　電子空穴複合 | 圖片來源：網絡

　　OLED不同於LCD，並不需要一個專門的背光面板用於發光，而是通過有機發光物質的分子輻射躍遷而發光。

　　由於OLED這樣的特性，它在顯示黑色時更具優勢，並不需要濾光，可以顯現真正的黑色。

　　有機發光半導體OLED的顯色與有機材料本身有着密不可分的關係，最重要的就是有機材料的熒光特性。

　　如果對客發光體的添加量比較少，並添加較大含量的主發光體，可以將發光效率提升，並且其發出的色光可以覆蓋整個可見光波段。

　　目前，有機發光半導體OLED的顯色方式有三種思路：第一，藉助白髮光層，添加濾色片，這是顯色最方便的一種方法；第二，藉助有機發光材料本身的發光特性，設計三層發光層，分別為——紅色、綠色和藍色，實現混色顯色；第三，應用藍色有機發光材料，再通過顏色轉換材料，即可顯色。

　　色彩模式：我還是混合

　　除了顯示屏這類硬件之外，算法又是怎麼處理顏色的呢？

　　我們最熟悉的色彩模式就是RGB和CMYK了，不同的色彩模式代表着不同的成色原理。顯示器、投影儀、掃描儀等主要依靠色光直接混合生成色彩，而打印機、印刷機則靠使用顏料混合生成顏色。

　　印刷製品 | 圖片來源：pixabay

　　這説明對於不同類型的顏色設備，需要使用不同的色彩模式來進行適配。

　　最普遍的RGB模式（R=紅色，G=綠色，B=藍色），與人眼識色和顯示屏顯色的思路相同，算法同樣也是通過混合紅、綠、藍這三種顏色來進行混合，獲得全綵。

　　色光三原色 | 圖片來源：pixabay

　　通過對R、G、B這三個分量進行賦值，即可描述出任一顏色。

　　計算機定義顏色時R、G、 B三種成分的取值範圍是0-255，0表示沒有刺激量，255表示刺激量達最大值。

　　類似於液晶顯示屏LCD的混色原理，例如：R=200，G=10，B=13時，大概對應為紅色，當RGB均為255時，對應為白色，當RGB均為0時，對應於黑色。

　　不同RGB值混色顯色很好理解，但當RGB 3個值均相等時，該如何顯色呢？

　　為了更好的理解，我們先來了解一下色彩的三個屬性——色相，飽和度，明度。

　　Adobe對色相官方的解釋是：反射自物體或投射自物體的顏色。在 0 到 360°的標準色輪上，按位置度量色相。在通常的使用中，色相由顏色名稱標識，如紅色、橙色或綠色。簡單來説，色相就是指不同的顏色。

　　而飽和度是指顏色的強度或純度（有時稱為色度）。飽和度表示色相中灰色分量所佔的比例，它使用從 0%（灰色）至 100%（完全飽和）的百分比來度量。在標準色輪上，飽和度從中心到邊緣遞增。飽和度也可以理解為色彩的純度。

　　最後，亮度是顏色的相對明暗程度，通常使用從 0%（黑色）至 100%（白色）的百分比來度量。

　　當RGB 3個值處於0-255之間且相等時，則不顯示任何色相，分別對應於從白色到黑色之間不同的灰度。

　　不同灰度 | 圖片來源【6】

　　值得注意的是，RGB模式的媒介是發光物體，也就是適用於我們日常生活中使用的大部分電子產品。

　　那麼對於印刷機這一類需要顏料混色獲得全綵的設備，採用的是我們熟悉的另一種色彩模式——CMYK。

　　前文提到的RGB為光的三原色，而油墨也同樣具有三種原色，即青、品紅、黃（青色，品紅，黃色），通過不同的配比產生不同的顏色。

　　原來小時候學美術學到的三原色是紅黃藍，而長大後聽到的三原色卻是紅綠藍，這兩者的區別是顏料的三原色與光的三原色。

　　與RGB不同的是，CMY不是以0-255的數值來劃分，而是按油墨的濃度來劃分，即0-100%。CMY就是將三種油墨按照不同濃度混合，獲得想要的顏色。

　　圖片來源：pixabay

　　不同於顯示屏，印刷品的載體是紙張，本身並不會發光，而是通過外界的光反射在紙上，具有一定的吸收和漫反射，而後再回到我們的眼睛裏，從而識別出顏色。

　　當晚上週圍光線很微弱的時候，我們也就看不清印刷品的顏色了，這是印刷機等設備需要和顯示屏區分色彩模式的重要原因。

　　瞭解了CMY，那麼K去哪兒了？

　　再CMY三種顏色混合想要獲得黑色時，也是三種顏色均為100%，但在實際應用中這樣混色的效果比較差，所以加入了單獨的黑色油墨，也就是缺失的K啦。

　　怎麼樣，讀到這裏不僅回味了昨晚的初雪，還把顏色大軍搞得明明白白，物理人眼中的初雪，可沒有純白那麼簡單！

　　參考文獻

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　　[4]王雄飛.TFT-LCD液晶顯示技術與應用[J].電子世界,2020(14):206.

　　[5]https://helpx.adobe.com/cn/photoshop/using/color.html

　　[6]https://zhuanlan.zhihu.com/p/40347096