一、电磁波谱（可见光谱）
色是光之子，光是色之母。—— 约翰内斯·伊顿
1、色彩的本质（色彩产生的原因）
色彩是光波和视觉系统相互作用的结果。为了弄懂色彩的本质，得先搞清楚光的特性，如光的波动性等。
2、电磁波的特性
光波具有二种特性：既有波动性，又有粒子性。
光波的最高点叫做波峰，最低点叫做波谷，二者的垂直距离叫做振幅，这也是一个点上下位移的最大值；两个波峰或者波谷之间的距离叫做波长。光波沿着前进的方向高速运动。
振幅越大，能量越大，频率越高。
光速是固定的，它是一个常数，这种情况下，单位时间（比如1秒）通过一个点的波峰数量就是频率。光速是c，波长是λ，那么c/λ就可以了理解为1秒中经过了多少个波长，这就是频率，使用 ν表示，频率的单位是Hz（赫兹）。
3、电磁波谱
在电磁波谱中，从上到下，波长递增，波频递减。
我们人类能够看见的电磁波仅仅只是其中一小段，其他部分我们是看不见的，我们把人类能够看见的波段称之为可见光。可见光对应的这段波谱，我们称之为可见光谱。
光也是电磁波，只不过因为我们能够看见它，因此专门叫做光波。紫外线的波长低于紫光，红外线的波长大于红光。
4、可见光谱（单色光）
从红光到紫光，这一范围内的可见光谱中，每一条电磁波都是单色的。
人类可以感知的这一小段电磁波谱，被称之为“可见光谱”，可见光谱之外的电磁波，人眼是无法感知的。
5、牛顿的色散实验
该实验说明了太阳光不是单色的，而是由多种单色光组成的。牛顿将这个实验反过来做，将7种单色光通过凸面镜又重新聚合成了白色的太阳光。结论：白色的太阳光是多种单色光组合而成的，它们分别是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
（1）为什么会发生光的色散？
因为频率不同的电磁波，其折射率也不同。因此，当太阳光进入三棱镜时，由于7种单色光的波长（频率）不同导致折射率不同，它们通过棱镜后发生了不同程度的偏折，最终的结果就是被分散了。
（2）关于波的折射
当电磁波由一种介质进入另一种介质的时候，就会发生折射，波长越长折射率越低，反之越高。
可见光谱中红光的波长最长，蓝色与紫色最低，每当阳光从真空中进入大气层的时候，红光的折射率低，能够很好地穿透大气层；而蓝色波长较小则会在大气层中不断被折射，最终让大气层显影成蓝色，这就是为什么天空是蓝色的原因；紫色的波长最低，在经过多次折射和吸收之后，已经可以忽略了。
二、波的反射、折射与吸收
电磁波（光）的行为特征：当电磁波遇到物体表面的时候会产生三种情况，那就是反射、折射、吸收。
1、光的反射
如果没有光的反射特征，就不会有反射光进入我们的视觉系统，那么我们的眼前将一片漆黑。
2、光的漫反射
物体的表面并非绝对光滑水平的，因此光波会发生不同程度的偏转，这就是漫反射。漫反射与物体表面的粗糙程度有关。
3、光的镜面反射
在绝对光滑的平面上发生反射，入射光平行入射，反射光平行反射。因此，你可以看到光源的真实面貌，却看到不镜面物体上的任何信息。生活中，反光的黑板就属于镜面反射。
4、光的折射
光（电磁波）从一种介质进入另一种介质时，在发生反射的同时，还会发生光的折射。波长越长，折射率越低。
5、光的吸收
光线抵达物体表面时，并非只有反射和折射。物体表面还会对光线进行吸收。吸收的规则取决于物体材质和光线。因此在相同的光源下，我们可以看到多姿多彩的物理世界。
小结：光源的光经过物体反射、吸收、折射之后，“幸存”下来的光线进入到我们的眼睛。
三、人类的视觉系统
问题：为什么在阳光下我们可以看见一支铅笔并且可以感知它的颜色？而在黑夜里却不可以？
物体本身是没有颜色的，我们能看到物体的颜色，是因为光的反射、漫反射。被反射的光波进入到人的视觉系统后，是由大脑来识别颜色的，这是人类的主观感受。
1、人类的视觉系统
人类的眼球是一个十分复杂精密的器官，当可见光谱进入我们的眼球时，光通过瞳孔，最终会在视网膜上成像。
在视网膜上有两种非常重要的细胞，一种是视杆细胞，一种是视锥细胞。
视杆细胞可以感知到微弱的光线刺激，但是不能感知为色彩，它感知的是光的明暗，我们能够在黑夜中借助微弱的光线看到物体就是视杆细胞的功劳，在这方面猫科动物则远远强于我们，它们能够在黑夜看清猎物。
视锥细胞感知了色彩。这种细胞接受了电磁波的刺激，并将刺激信号传递给了视神经，大脑便能感知为色彩。进一步讲，这种细胞可以感受红、绿、蓝三种光波。
有些生物是可以感知人类无法感知的电磁波谱，它们的视觉系统也比我们发达。所以啊，尽管客观世界是一样的，但是每个生物眼中却是一个独一无二、多彩各异的世界。
2、光的本质 与 色彩的本质
光的本质，即电磁波。理解了人类的视觉感知系统后，你就理解了色彩的本质。你看到的世界，是光和视觉系统相互作用而产生的结果，这便是色彩的本质。
结论：事实上，色彩的感知是大脑给我们的错觉，客观上并没有色彩。这就是为什么物体没有色彩的原因，因为客观上根本不存在色彩。
四、光与影
点光源：太阳离我们很远很远，我们可以把太阳看成是“点光源”。
漫反射：物体表面并非绝对光滑，发生漫反射，因此天花板等地方被照亮。
光的吸收：每次漫反射，物体表面都会对光线有不同程序的吸收。因此光线会不断变弱。
漫反射与光的吸收：天花板和地面反射的光线再次发生漫反射，因为房间里各种物体表面材质的缘故，它们都在吸收光线，这种漫反射和吸收不停地进行下去，直到这些光线被全部吸收，阳光中的色光能量渐渐降低，最终超出人眼的可见强度。
现实中不止一处光源。光线在物体表面的漫反射处处可见，这些漫反射会再次发生，直到强度不足以被感知。
观察与实践：观察是最好的设计学习方法，你身边有太多的案例可以分析，养成这种习惯，你会得到更多启示。每当你分析一个事物的时候，你可以随手把他们画下来。但是这需要绘画技法吗？不，并不需要，你不需要会绘画，事实上是，如果你经常性地按照这种方式实践，你会发现你会绘画了，尽管比不上专业的艺术家们，但是，利用绘画进行想法的表达则完全驾轻就熟了。
镜面高光：上图 1 处发生了镜面反射，导致南瓜表面的信息丢失，即“镜面高光”。（光源与物体之间会形成镜面高光）
锐利的阴影：上图的南瓜，其阴影十分锐利，且阴影距离南瓜非常近。这是高强光所致。
3D建模：在计算机上进行3D建模，对光与影的实践。
五、阴影
1、阴影是如何产生的？
阴影总是躲在光线的背后。每当物体挡住光线，就会在自己身后形成阴影。
2、多光源下的阴影
因为有了多个光源，每个光源都将各自下方的阴影照亮，因此这两个阴影会变得比原先更明亮，边界也更模糊。如果我们继续增加灯光，阴影会变得越来越模糊，甚至不可见，手术台上的无影灯就是利用这个方法来降低几乎所有阴影，以便医生能够看清楚病人的手术部位。每个灯光都将彼此产生的阴影照亮。
3、锐利的阴影
由于阳光的强烈和平行入射所致，产生了非常明显的锐利阴影。此时其他光源，如大气环境的光源对人的刺激不足，我们忽视了这部分光源形成的弱阴影。
4、漫反射下的阴影
漫反射灯光的方向千变万化，导致阴影也在不同的方向形成，并且漫反射灯光在被吸收，因此，阴影在衰减，形成了一种阴影的渐变效果。在漫反射灯光的影响下，阴影离物体越远，越模糊。
5、柔和的阴影
为了得到柔和的阴影，我们需要多光源。越靠近南瓜的底部，阴影表现愈加强烈。
6、动态吸收
阴影能够动态吸收，形成形状和距离。阴影是距离的艺术。它教会了人们分辨世界的棱角和物体之间的距离。
参考资源：每天十分钟，成为设计师
EDN 2019年06月14日