為什麼等能光譜看起來是白色？

02-01

這是個因果顛倒的問題……
因為光譜本身就是用來方便數學描述人類對顏色的感知的工具，等能光譜是白色是因為白色被定義為了等能光譜。

碰巧看到這個問題以及 @向小雨的回答，這裡談談自己的看法。關心結論的知友可直接跳到文末。
問題中的兩個關鍵字是「等能光譜」與「白色」。回答這個問題之前，我覺得有必要先搞清楚白色是什麼。任何一個學習過顏色理論的人都知道，顏色是一種感覺，是人類的色覺對可見光的光譜功率分布的一種感知。所以，白色實際上是人類視覺在長久的進化中對自然光（日光、天空光等）以及自然界的常見物體進行自適應的結果。具體來說，觀察光源時，色溫在3000K-9000K時都能使人產生白色感覺，而觀察反光物體時，不改變光源光譜組成的中性色，大都會被我們看作白色。從CIE xy色品圖上看，白色的範圍也比較廣。
那麼，等能白光看起來是什麼顏色呢？實際上，等能白光在自然界並不天然存在，只是為了計算方便，人為定義的一種功率譜密度處處相等的光譜，又稱CIE照明體E。這種光的顏色大體上是一種偏粉或偏黃的白色（參看What is white?），在CIE xy色品圖上看，等能白色並不在普朗克軌跡上，而是在坐標(1/3,1/3)處。這是由於在CIE 1931 RGB三基色的定義中， $ar{r}(lambda), ar{g}(lambda), ar{b}(lambda)$ 的歸一化條件為： $int_0^infty ar{r}(lambda)d(lambda)=int_0^infty ar{g}(lambda)d(lambda)=int_0^infty ar{b}(lambda)d(lambda)$ ，因此等能白光產生的RGB三刺激值相等，從而CIE XYZ三刺激值也相等，於是 $x=y=z=1/3$ 。
言歸正傳，等能白光看起來之所以接近白色，可以說是個巧合。因為日光的光譜組成比較接近等能白光，而由於千百萬年的進化，日光在我們看起來是白色，因此等能白光大體上也呈現白色。假如日光的光譜組成和白熾燈相似，人類的進化也以此為基礎，那麼，可以想像，「等能光譜」便不再是白色了。

一句話放個結論：色度學中的等能量點(equal energy point)：在CIE xyz坐標系下的值為(1/3, 1/3, 1/3)，這個點也即equal energy spectrum，是作為參考的白點(white point)。
詳細解釋如下。
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正好在上相關的課，試著答一發：
首先，什麼是顏色？

顏色是人類對於視覺刺激的一種感覺。
產生這種感覺的根本原因在於人眼內的視錐細胞對於不同波長的光產生了不同的響應。而具體的生理學原理尚有爭議，所以在此不提。如果我們把人眼視作一個黑箱的話，我們只需要知道它對刺激的響應規律，就可以知道對於特定的刺激，人眼中對應的響應，也就是感覺了。
一個叫國際照明委員會（CIE）的組織，就試圖用短波、中波、長波的三種主要顏色來描述我們看到的顏色。你可以把這三種基本的顏色看作一個三維空間里的xyz基本矢量，而其他的顏色就作為這個三維色彩空間的一個點存在。於是，所有的顏色都可以用 $ax+by+cz$ 這樣的形式表示出來。於是我們就獲得了CIE xyz坐標系。它的厲害之處在於，它是基於人類顏色視覺的用實驗直接測出來的，於是它也就可以起到一個「標準觀察者」的作用。
而人類所能看到的顏色是有限的，我們把人類能看到的顏色在這個空間中標記出來，產生的區域就是人類的色域（gamut）。於是，我們用來表徵「這個東西看起來更像是什麼顏色」的指標，就是色相（hue），就是用一組數字（不是波長）來代指你看到的顏色，紅色是0。黃色60，綠色120.等等。你可以打開Photoshop拉一拉色相，試著感覺一下。

上面這張圖是調色軟體里的色相條，出現在上面的都是飽和度很高的非常有代表性的顏色。對應到CIE xyz坐標中，它們是靠外的一圈。而越往裡走，就是飽和度越低的顏色，也即越不純凈的顏色。
所以最不純凈的顏色，就是 $x=y=z$ 的時候咯。為了方便，再來個歸一化，讓 $x+y+z=1$ ,於是這個點的坐標就是(1/3, 1/3, 1/3)，也就是CIE xyz坐標下的等能量點(equal energy point)，是理想的參考白點(white point)。位置如圖所示：
喏，我們所說的「白色」，其實都是靠這個點定義出來的。

但是，這個等能點定義的白色只是一個非常理想的狀況，因為它是沒有色溫的。所以實際上也沒有任何一個照明體可以達到這種白色。所以CIE又針對不同的應用場景，制訂了一系列的有色溫的標準照明，分別有對應的白點(white point)。
例如戶外陽光（D65）的白點，就是x=0.31271, y=0.32902的位置，色相上有點偏橙；
紙張（D50）的白點顏色就更加橙黃色一些(x=0.34567, y=0.35850)；
而電腦的白點則偏藍一些，因為人眼對藍色的寬容度較高。
以上的這些「白」，都實際上不是真正的純白無色，而是在等能白點附近稍稍偏離一點的地方。但是它們在各自的系統中，都是作為「白色」的參考的。

今天拿這個問題問了一下教授。他想了一下，認為「白色」是個文化學上的問題。他說，因紐特人有幾十種辭彙來描述雪的白色，而在其他文化中出現的對「白色」的描述雖然都存在，但也不盡相同。我們盡可以設計一個實驗，拿光譜中不同的顏色給被試者，讓他們選擇自己定義的白色。很有可能，你們會選擇等能白光。但是可能我的白色比你的藍一點，他的白色比我的紅一點，等等。你當然可以規定一個「最白的」白色是什麼樣的，但這依然不能改變其他人眼中的感覺。
希望以上解釋能回答你的問題~

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