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
LIU Feng
Outpatient Dental Centre , School & Hospital of Stomatology, Pekjing
University
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－Ｌ２
Δa*= a*１－a*２
Δb *= b*１－b*２
ΔE*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(metric chroma)，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；H oab称为计量心理量色相角(Metric Hue Angle)，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)1/2
H oab=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*２
ΔＣ*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：。