为了传输和交流颜色信息、首先必须能准确地表述颜色,这就需要一种描述颜色的语言或系统,颜色系统有混色系统和颜色感如系统之分,混色系统是以原色的定义和着色工艺为基础的,如CIE色度系统就是基于每一种颜色都能用三个选定的原色以适当的比例混合而成这一原理,用三刺激值来定量地描述颜色,它是应用心理物理学的方法来表示在特定条件下的颜色量,可用于颜色的计算和测量;颜色感知系统是从一套视觉感知的定义开始的,基于视觉料断对自然界存在的各种颜色进行分类和排 而形成的体系,即所谓的色序系统(color order system).
色序系统以感知原理为基础,通常要有足够的视觉试验才可以证实其体系是正确和清晰的。因此,色序系统是组织颜色感知的概念性体系,是描述感知色表的某些定义和法则的集合,换言之,色序系统是将颜色按照感知色表的特性在颜色空间进行有序的排列所构成的系统,而表面色按照特定的色序系统在颜色空间中排列所占有的空间部分即为颜色立体。
一、颜色立体
牛顿于1704年发现太阳光色散现象为加混色实验奠定了基础,他将色散后的光谱重新组合成白光,并且调整光谱的不同组合可产生各种不同的颜色。牛顿根据其色散实验给出了如图4-1所示的加混色系统图,其中由7种光谱色组成了圆环,这是最早期的颜色分类。
1905年美国画家孟塞尔(A. H. Munsell)总结了两个世纪以来颜色科学工作者的经验和研究成果,选择了5种色调即红、黄、绿、蓝、紫等颜色组成一个色调环。采用心理物理学方法从颜色的知觉特点出发,对颜色进行分类,形成了一个包括色调、明度、饱和度在内的颜色空间立体。在该颜色空间中的各个位置代表了特定的颜色,并以一定的标记予以说明。 孟塞尔颜色分类的方法属于纯粹的心理颜色分类方法，已经被国际上广泛采用。它是物体色分类和标定和最常用方法。除了孟塞尔颜色系统这种圆柱状外，颜色立体的空间排列也有其他不同的形式，如圆柱形极坐标、直角坐标、球形、锥形和八面立方体等机构。其颜色空间在视觉上都是等间隔的。
二、孟塞尔颜色系统
孟塞尔系统是目前世界上应用最广泛的颜色系统,是美国国家标准研究院和美国材料测试协会的颜色标准。由孟塞尔创立的该颜色系统是用立体模型来表示物体色的方法之一、其立体空间表征了颜色的三个基本视觉参数,即明度、色调、饱和度。该系统基于心理学方法和视觉特性,将各种颜色的明度、色调、饱和度进行分类和排列,并采用统一的标号,汇编成颜色图册。
图4-3是孟塞尔颜色立体的示意图，其中包括孟塞尔明度、孟塞尔彩度、孟塞尔色调等三维视觉属性。孟塞尔颜色立体的中央轴代表了无彩色的黑白中性颜色，从上到下由自到黑划分为各个明度等级,称为孟塞尔明度值,以符号V表示。将亮度因数Y等于102的理想白定义为明度10,把亮度因数为0的理想黑定义为明度0，由0~10的11个明度等级在视觉上是等间隔的,每一明度等级代表了某一种颜色在标准照明体C下的亮度因数。在实际应用中,通常只用到1~9级明度值,所以在孟塞尔颜色图册中主要给出明度值从1.75(Y=2.5)到9.5(Y=90)的各级中性色卡。彩色的明度值在颜色立体中以离开基底平面(理想黑)的高度来表示,并用与其相等明度的灰色来度量。
在孟塞尔颜色立体中,某一颜色样品离开中央轴的水平距离代表了颜色饱和度的变化,称为孟塞尔彩度,它表示离开相同孟塞尔明度值的中性灰色的程度,以符号C表示。具有相同明度等级的颜色其彩度按照离开中央轴距离的大小被分成许多视觉上等间隔的等级,在中央·轴上的中性色的彩度为0,离开中央轴愈远其彩度则愈大。在孟塞尔颜色图册中,以每两个影度等级为间隔制成颜色样卡,并且各种颜色的最大彩度并不相同,图4-4为颜色立体中某一垂直截面的示意图,而图4-5是孟塞尔颜色立体中明度值为5的水平剖面,它们分别反映了不同明度值或不同色调所对应颜色的彩度分布情况。
在孟塞尔颜色立体的水平截面上,从中央轴所在的中心指向其圆周的各个方向代表了备种孟塞尔色调,以符号H表示。孟塞尔色调圆周分成10个等距的部分，包括红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)等5种主要色调以及黄红(YR)、绿黄(GY)、蓝绿(BG)、紫蓝(PB)、红紫(RP)等5种中间色调。为了对色调作更细的划分，每种色调分为1~10共10个等级,并规定每种主要色调及其中间色调均定为5。在孟塞尔颜色图册中，同一种色调的颜色根据彩度的大小排列成一页，称为色调页。
在自然界中存在的任何颜色都可以在孟塞尔颜色立体中以其色调H、明度值V、彩度C坐标确定一个唯一的位置点,并用其专门的颜色标号来表示,即：HV/C(色调、明度值/彩度)，对于无彩色的白黑系列中性色用符号N表示，其标号为：NV/(中性色、明度值/)。
孟塞尔新标系统：1937年美国光学学会(OSA)颜色测量委员会成立了一个专门研究孟塞尔系统的分会，由纽哈尔(Newhall)、尼克逊(Nickerson)、贾德(Judd)等人组成。他们经过了六年的实验研究，对原孟塞尔颜色系统的每个色卡进行了精确的测量和视觉评价,在既保持原来孟塞尔颜色体系的视觉等色差性又没有物理学上的不合理性的原则下,对原孟塞尔系统作了修正,并于1943年公布了经过修正的孟塞尔新标系统。孟塞尔新标系统的具体介绍这里不作赘述。
三、自然色系统
自然色系统(Natural Color System, NCS)是由瑞典物理学家约翰森(Johansson)在对赫林的对抗色视觉理论进行整理和阐释的基础上于1937年提出而创立的,成立于1964年的瑞典色彩中心基金会(Swedish Color Center Foundation)对NCS进行了大量的视觉测试和深入的理论探讨,对最初的NCS进行了严格修正和改进,经过15年的研究与发展,NCS于1979年成为瑞典的国家颜色标准,并正式出版了自然色系统的色谱,即瑞典标准颜色图谱集(SwedishStandard Color Atlas)。之后,挪威和西班牙分别于1984年和1994年将NCS确立为国家颜色标准、目前,自然色系统已经成为欧洲最广泛采用的色彩编号系统,并在包括中国在内的许多国家设立了色彩中心,得到世界各国的关注和日益广泛的应用。
自然色系统为每一个具有正常色觉的人提供了一种进行颜色评价的有效手段,人们不需要使用测色仪器,也不必经过色样比较,就可以用NCS的方法直接评价物体的颜色、如房间内墙壁的颜色、室外远处树叶的颜色、具有同时对比现象的画面的颜色以及电视屏幕上一个光点的颜色等等,均可以直接用NCS来确定。NCS的基本概念来源于赫林的视觉对抗学说,即人眼视觉模型中存在黑-白、红-绿和黄-蓝等对抗信号通道,这样便产生了被赫林认为是“自然色”的6种基本色,即黑色(S)、白色(W)、黄色(Y)、蓝色(B)、绿色(G)、红色(R) ,由此便形成了自然色系统的理论基础。
1、自然色系统颜色立体
自然色系统的颜色立体如图4-20所示,其中由4种有彩原色黄、红、绿、蓝组成色调环,并由无彩色黑和白分别作为两个端点形成无彩色轴。
1.1 NCS基本色
基于赫林的对抗色理论,自然色系统定义了前面提及的6种基本色感知,其中包括白(W)和黑(S)两种无彩色以及黄(Y)、红(R)、蓝(B)、绿(G)四种有彩色,这些基本色都是单色调色,它们中的任何一种都与其他五种不相似。所有实际的感知颜色仅由其与基本色的相似程度来描述,这是具有正常颜色视觉的人所固有的颜色感知特性。按照对抗色学说,在有彩原色中的黄色与蓝色、红色与绿色互为对抗色;而人的视觉感知认为,黄色和红色属于腰暖色,蓝色和绿色则属于冷色,可见,对抗色在形式上反映了人的“暖”与“冷"的颜色感知。
NCS的指导原则是用与赫林的基本色的相似度来定义颜色,并表示成百分数。按照其相似性原理,任何颜色最多相近于两种有彩基本色及黑与白,它并不需要参考有彩色样品或无彩,色样品,可对颜色进行直接的判断。如图4-21所示为NCS的色调环,其表示顺时针方向的色调分度。整个色调环分为4个象限,即Y-R、R-B、BG、G-Y。色调的标注方法以两种有彩基本色在对应颜色中所占的百分比例来表示,如色调B40G表示一种蓝绿色调,其中蓝色(B)占60%,绿色(G)占40%.
1.2 NCS基本属性
按照相似性原理的指导原则,任何实际的颜色与NCS基本色的相似程度可以用黄度(y)、红度(r)、蓝度(b)、绿度(g)、白度(w)及黑度(s)等NCS的基本属性来描述,并且均以百分数表示。NCS定义其6个基本属性之和为100,即：w+s+y+r+b+g=100，其中4个有彩单色调色的基本属性之和为艳度(c),所以：c=y+r+b+g。艳度表示了一个颜色与单色调的纯彩色相近时程度，那么：w+s+c=100。可见,艳度、黑度和白度这三者相加总是等于100,换言之,只要给出其中的两个量即可知道第三个属性,因此在NCS的标记中只记录艳度(c)和黑度(s)。由此,再加上前面提到的由与两个基本有彩色相似的比例确定的色调,就组成了NCS的标注表达式为：S sscc-AhhB。其中，S表示第二版(Second Edition) ,ss为黑度值,cc为艳度值,A和B为与被测颜色相似的两个相邻的基本有彩色,hh表示在色调环上由基本色A向基本色B沿顺时针方向按0-100分度的两位数色调角。如有一个带有10%黄色调的红色(90%),其中含有20%的黑色(s)和30%的有彩色(艳度c),那么该颜色的NCS标号应为S 2030-Y90R,并由公式(4-7)可知该颜色中白色的含量(白度w)为50%(即w= 100-20-30=50)。.对于所有的无彩中性色即白、黑和纯灰色,它们的艳度c均为0,而且也没有色调之分,所以在NCS标号中只需指出其黑度(s)即可,其标注形式为：S ss00-N，其中大写字母N表示无彩的中性色。如NCS标号S 3000-N表示一个含有30%黑色和70%,自色的纯灰色。
如果一个颜色既没有黑度也没有白度,即w=s=0,那么其艳度c=100,这样的颜色称为NCS全色,这种全色是假想的纯彩色,在现实世界中并不存在,但是人们在判新颜色时却能象出它的外貌。
NCS颜色立体中的一个恒定色调平面可以用一个NCS色调三角形来表示,如图4-22所示即为恒定色调平面B70G的色调三角形,图4-22中纵向直线表示恒定的NCS艳度,斜线为恒定NCS黑度,黑点代表在NCS色谱中,色调为B70G的颜色样品(色卡)。作为例子,图4-22中P点的黑度s-20,艳度c-50,所以该点颜色的NCS标号为S 2050-B70G。
1.3 NCS饱和度和明度
在自然色系统中,除了其标注中包含的基本属性之外,"还有一些其他的颜色感知量如饱和度、明度等,它们在实际应用中也常常会被涉及,这里只将相关公式作简单介绍。
饱和度是一种视觉感知特性,在NCS中定义为颜色的艳度与白度之比,并用符号m(来源于瑞典语"Mattnad")来表示NCS饱和度,其范围为0~1，即： 
NCS明度是以与W-S轴上的灰色为参照通过目视比较而定义的,而有彩色的NCS明度是由特定的无彩色的黑度s导出的,并用符号l表示,其取值范围是0~1,即：
四、OSA均匀颜色标尺系统
前面介绍的孟塞尔颜色系统和自然色系统在本质上都是柱坐标,中央的明度轴(孟塞尔明度或NCS黑度)被有彩色面(孟塞尔色调和彩度或NCS色调和艳度)环绕,这些有彩色面构成一个色调环。对于给定的色序系统,其色调应该具有相等的视觉间距,但是上述两个系统的相邻色调间距都随彩度的增高而增大。美国光学学会(OSA)下属的均匀颜色标度委员会从1947年至1977年期间在长达30年的研究中创立了一种新的色序系统,它能解决这个缺陷,该系统就称为美国光学学会均匀颜色标尺系统(OSA-UCS),简称OSA勾色标。为了验证该颜色系统,OSA出版了一套共558张实用的丙烯光泽色卡。
OSA均匀颜色标尺系统的主要特点是尽量使颜色空间中任意两点的间距代表它们相应的两个色样之间的感知色差,因此它没有包括与色调、彩度或饱和度有关的变量。在OSA-UCS色卡中,除了位于色域边缘上的少数颜色之外,每种颜色都有12个邻近色,并且所有邻近色与该颜色之间在视觉感知上具有同样的差别。OSA匀色标颜色空间就是由许多13个点组成的这样的点群构成的,类似于晶体的晶格。这13个点在OSA-UCS颜色空间中的排列如图4-28所示,包括在几何体中心处的O点以及在几何体12个角上的12个点。这个几何形体是将立方体的8个角切去而得到的一个14面体,切去角后留下的截面是8个面积相等的三角形,其中任何一个三角形的三个顶点都正好与其他三角形的顶点相衔接,在这些三角形之间又夹着6个正方形,它们是原立方体的6个面切割后剩下的部分。如图4-28所示包围O点的12个点中的每一个点又都被其各自对应的12个相邻点等距离包围着,由此,这样的点群不断扩展而形成了整个OSA-UCS颜色空间。
五、其它颜色系统
除了上述介绍的颜色系统外，有兴趣的还可以了解一些其他颜色系统：奥斯瓦尔颜色系统、德国DIN系统、颜色体系统、亨特系统、颜色曲线系统、日本实用颜色坐标系统（PCCS）、中国颜色系统、555色调分类系统等。
