与牙科比色相关的色彩学基本知识

《色彩学知识与牙科比色》系列讲座之一与牙科比色相关的色彩学基本知识刘峰北京大学口腔医学院·口腔医院·门诊部LIUFengOutpatientDentalCentre,School&HospitalofStomatology,PekjingUniversity与牙科比色相关的色彩学基本知识色彩学知识一直是口腔医学生、口腔临床医生培养中比较欠缺的内容。很多医生比色时仅仅是凭感觉，或者说眼睛的直觉，致使比色“没有把握”、“比不准”。一些非专门研究色彩问题修复专业的硕士、博士研究生，也经常对色彩学知识一知半解。然而色彩问题是在美学修复过程中医生、患者高度关注的问题，仿真修复时首先考虑的就是怎样把颜色描述、再现准确。天然牙齿的颜色千差万别，文献报道需要有400多种容颜可以分辨的颜色才能全面描述正常天然牙的各种颜色。牙科比色不应是一项盲目的工作，而应该是在色彩学知识的指导下科学的进行。本系列讲座希望通过通俗的语言，向大家简要介绍与牙科比色相关的色彩学基本知识，以及这些知识与临床比色工作之间的关系，促进修复专业医生科学的运用比色工具、比色系统及比色方法，掌握科学的思路解决修复中的颜色问题。本讲座分为四讲，分别为与牙科比色相关的色彩学基本知识、影响牙科比色的因素、正确的牙科比色方法、与色彩学有关的科研问题。一、色彩的感知色彩与光密不可分，没有光的空间人看不到颜色。光波是电磁波中的一部分，光波作用到人的视杆细胞、视锥细胞，会使人产生色觉，辨别出各种颜色。人眼可感知的可见光波长在380nm-780nm之间，波长从长到短分别为赤橙黄绿蓝靛紫等不同彩色光(图1)。物体的颜色可想象为经过物体透射或反射出来的“光”的颜色。经过透明或半透明物体透射出来的光刺激到人眼，人感受到的颜色叫做物体的“体积色”；经过不透明或半透明物体表面反射出来的光刺激到人眼，人感受到的颜色叫做物体的“表面色”。临床比色时一般关注的是牙齿的“表面色”，即牙齿表面反射的光的颜色；由于牙齿及修复材料都具有一定的半透明性，因此透射也是色彩学研究的重要内容。人对色彩感知、判断的过程与光源、被观察物体、观察者感知系统三个要素相关。光源是人感知色彩最基本的要素；光照射到物体上，哪部分波长的光被吸收、透射或反射，取决于物体本身的性质，是物体颜色的本质；光波进入观察者的眼睛，刺激视网膜的视杆细胞或视锥细胞，形成神经生物电脉冲讯号，通过视神经传入大脑，形成对颜色的感觉、判断，感知系统决定对色彩感知的准确性。任何要素发生改变都会影响感知结果，在临床比色中需要注意避免各要素变化给颜色识别带来的不利影响。图1：太阳光谱及可见光谱二、色彩的三个属性准确定位色彩需要描述色相、明度、饱和度三个属性，这也是探讨牙科比色中各种色彩问题的基础。1、色相（hue）：又称色调，是不同色彩之间彼此区分的本质特性，取决于光的主波长。物体的色相决定于反射或透射的光的主波长，牙齿的色相由牙齿表面反射光的主波长决定。2、明度（value）：又称亮度，是指色彩由明到暗的变化，取决于物体反射或透射光线的能力。物体能够反射或透射光线的比率高，物体的明度就高，反之明度就低。物体“表面色”的明度取决于光的反射率（反射率=反射光的强度/入射光的强度）。明度可通过黑、白、灰一系列的梯度变化来理解。白色可以将所有光线反射，明度最高；黑色吸收所有光线，明度最低；按照对光吸收和反射所占的比例将各种灰色分为若干梯度，这些梯度就代表了不同的明度（图2）。各种色相都存在不同的明度梯度（图3）。同色相、不同明度的颜色，可想象为在中间色里掺入黑或白所得到的效果，掺入白色减少光吸收、增加光反射、明度升高，掺入黑色增加光吸收、减少光反射或透射、明度降低。3、饱和度（chroma）：又称为彩度、浓度、纯度，指色彩的浓淡、纯净程度，即色彩的鲜艳或黯淡的性质。同色相、不同饱和度的颜色，可想象为把水逐渐加入到纯色的液体中，随着水的不断加入色彩浓度逐渐降低；同色相、同明度的颜色，饱和度的变化可想象为在纯色中加入同明度的灰色，由于没有改变反射光的主波长及反射率，因此色相、明度没有改变，只是饱和度逐渐降低，颜色越来越黯淡（图4）。图2：黑白灰的明度梯度图3：同色相、不同明度的颜色图4：同色相、同明度、不同饱和度的颜色三、表色系统通过领悟表色系统的结构原理，可以科学的理解各种颜色之间的关系，对牙科比色能够发挥重要的指导作用。常用的表色系统包括孟塞尔表色系统、La*b*表色系统、LCH表色系统等，各个表色系统具有不同的特点。1、孟塞尔（Munsell）表色系统：美国艺术家Munsell于1898年发明，1905年正式确立。孟塞尔表色系统用3000多张色卡组成色彩空间，直接表达色彩三要素（图5），至今仍然是色彩学界广泛应用的、指导视觉比色的表色体系。孟塞尔表色系统的色彩空间的垂直轴表示明度，最上为白色，最下为黑色，中间为一系列的中性灰色，同明度平面的颜色明度相同；每明度平面上，按照角度逐渐变化的是色相，其极坐标角度可以表示该位置的色相；色彩到垂直轴之间的距离代表的是饱和度，越靠近垂直轴饱和度越低，越靠近周边饱和度越高。（图6）图5：孟塞尔表色系统的色彩空间图6：孟塞尔表色系统的结构2、L*a*b*表色系统：1976年由国际照明协会（CIE）确认，用假想球形三维立体结构表示色彩（图7），是用于仪器测色的表色系统，可以测定连续的、精确的色度值。L*轴（纵轴）代表明度，意义与孟塞尔表色系统相同；色相、饱和度水平截面上利用假象的a*b*轴表达，a*表示从绿(-a*)到红(+a*)的变化，b*表示从黄(+b*)到蓝(-b*)的变化（图8）。L*a*b*表色系统中可以计算出两种色彩的色差ΔE*ab，目前包括口腔色彩学研究在内的学术界都广泛采用L*a*b*表色系统。但也很多文献认为，总色差ΔE*ab并不能准确的表达两种色彩给人带来的心理差距，在评价颜色差距时仅依据ΔE*ab并不完全科学。常用的色差计算的方法如下：ΔＬ*=Ｌ１－Ｌ２Δa*=a*１－a*２Δb*=b*１－b*２ΔE*ab=(ΔL*２+Δa*２+Δb*２)1/2图7：L*a*b*表色系统的色彩空间图8：L*a*b*表色系统的结构3、L*C*h表色系统：由于L*a*b*表色系统中的a*和b*不能单独、明确表达彩度及色相，为此CIE又制定了L*C*h表色系统。L*C*h表色系统也是针对仪器测色的表色系统，采用与L*a*b*表色系统相同的色彩空间，可以定位连续的色度值。L*、C*、h三个参数与孟塞尔表色系统结构相似，可反映色彩给人的心理感受。L*同样代表明度；C*ab称为计量心理量饱和度(metricchroma)，表现为对象的坐标点与纵轴之间的垂直距离，用以表示饱和度；Hoab称为计量心理量色相角(MetricHueAngle)，表现为对象的坐标点与原点连结成的直线与a*轴（红色方向）之间的夹角，用以表示不同的色相。（图9）根据三角函数，L*C*h表色系统的色度值与L*a*b*表色系统的色度值可互相换算：C*ab=(a*2+b*2)1/2Hoab=tan-1(b*/a*)在L*C*h表色系统内可以计算明度L*和彩度C*ab的差异：ΔＬ*＝Ｌ*１－Ｌ*２ΔＣ*ab=Ｃ*ab１－Ｃ*ab２色相的差异ΔＨoab需通过L*a*b*表色系统计算出的总色差ΔE*ab间接计算得出，即：ΔＨoab=(ΔＥ*ab２－ΔＬ*２－ΔＣ*ab２)1/2正是由于L*C*h表色系统不能直接计算总色差，因此不能被科研工作采用；但由于L*C*h表色系统的结构与指导视觉比色的孟塞尔系统一致，因此其色度值更容易被口腔临床医生和技师所理解。对于临床应用比色板进行视觉比色、理解颜色差异等工作，L*C*h表色系统的色度值更有指导意义。图9：L*C*h表色系统的色彩空间及结构参考资料来自Vita丰达牙科：