گرچه فرایند ادراک رنگ در مغز انسان پدیده‌ای روانی - جسمی است که تا کنون به طور کامل شناخته نشده است‌، اما ماهیت فیزیکی رنگ را می‌توان بر اساس مجموعه‌ای از نتایج ازمایشی و نظری بیان کرد ‌.

در سال 1666 میلادی اسحاق نیوتن کشف کرد که وقتی نور خورشید از میان یک منشور شیشه‌ای عبور می‌کند‌، خروجی ان نور سفید نیست‌، بلکه شامل طیف پیوسته‌ای از رنگ‌ها در محدوده بنفش تا قرمز می‌باشد‌. همان طور که در تصویر 2 - 1 مشاهده می‌شود طیف رنگی را به 6 ناحیه وسیع می‌توان تقسیم کرد: بنفش‌، ابی‌، سبز‌، زرد‌، نارنجی و قرمز‌. هیچ رنگی در طیف یکباره قطع نمی شود بلکه هر رنگ به ارامی با رنگ بعدی مخلوط می‌گردد(تصویر 2 - 2) ‌.

شکل2 - 2 - طیف الکترومغناطیسی 

به طور کلی رنگ هایی که انسان از شی ‌ای دریافت می‌کند‌، به وسیله ماهیت نور منعکس شده از ان شی معین می‌شود‌. همان طور که در تصویر 2 - 2 دیده می‌شود نور مرئی‌، نوار نسبتاً باریکی در طیف انرژی الکترومغناطیسی می‌باشد‌. جسمی که در تمام طول موج‌های مرئی‌، نور نسبتاً متوازنی را منعکس می‌کند‌، برای ناظر‌، به صورت سفید ظاهر می‌شود‌، اما جسمی که تنها در محدوده کوچکی از طیف مرئی به خوبی انعکاس داشته باشد‌، برای ناظر رنگی به نظر می‌رسد‌. به عنوان مثال اشیاء سبز‌، طول موج‌های نوری در محدوده 500 تا 570 نانو متر را منعکس می‌کنند‌، در حالی که بیشتر انرژی موجود در سایر طول موج‌ها را جذب می‌کنند ‌.

توصیف نور‌، اساس علم رنگ است‌. اگر نور غیر رنگی( بدون رنگ) باشد‌، تنها مشخصه ان شدت یا مقدارش می‌باشد‌. نور غیر رنگی همانند نوری است که بینندگان تلویزیون سیاه و سفید می‌بینند‌. بنابر این اصطلاح سطح خاکستری به اندازه عددی شدت که در محدوده سیاه تا خاکستری‌ها و در نهایت سفید تغییر می‌کند‌، اشاره دارد ‌.

نور رنگی طیف انرژی الکترومغناطیسی تقریباً از 400 تا 700 نانو متر را می‌پوشاند‌. سه کمیت اصلی برای توصیف کیفیت منبع نور رنگ استفاده می‌شوند: تشعشع[1]‌، لومینانس[2]و روشنی[3]‌. تشعشع مقدار کل انرژی است که از منبع نور صادر گردیده و اغلب با وات (W) سنجیده می‌شود‌. لومینانس که بر حسب لومن[4] (lm) اندازه گرفته می‌شود‌، مقدار انرژی است که ناظر از منبع نور دریافت می‌کند‌. به عنوان مثال نوری که از منبعی در ناحیه انتهایی مادون قرمز طیف صادر می‌شود‌، ممکن است انرژی قابل ملاحظه‌ای داشته باشد اما ناظر به سختی ان را احساس می‌کند؛ بنابراین لومینانس ان تقریباً صفر است‌. در نهایت روشنی توصیف گری ذهنی است که اندازه گیری ان عملاً غیر ممکن است‌. روشنی‌، بخش غیر رنگی شدت را مجسم می‌کند و یکی از عوامل مهم در توصیف احساس رنگ است ‌.

به دلیل ساختمان چشم انسان‌، تمام رنگ‌ها به صورت ترکیبات مختلف سه رنگ اولیه قرمز(R)‌، سبز(G) و ابی(B) دیده می‌شوند‌. به منظور استاندارد سازی‌، [5]CIE(مجمع جهانی درباره روشنایی) در سال 1931 مقادیر طول موج‌های مشخص زیر را به سه رنگ اولیه منتسب کرد :

ابی=8/435nm‌، سبز= 1/546nm‌، قرمز= 700nm

توجه کنید که هیچ رنگی را به تنهایی نمی توان قرمز‌، ابی و یا سبز نامید‌. بنابراین داشتن سه طول موج رنگی مشخص و استاندارد بدین معنا نیست که سه مؤلفه ثابت RGBبه تنهایی می‌توانند تمام رنگ‌های طیف را تولید کنند‌. این نکته مهمی است‌، زیرا در بسیاری از موارد به هنگام استفاده از کلمه اولیه‌، این گمان رفته است که اگر سه رنگ اولیه استاندارد در نسبت‌های مختلف با هم مخلوط شوند‌، می‌توانند تمام رنگ‌های مرئی را تولید کنند‌. این تعبیر درست نیست مگر این که طول موج هم امکان تغییر داشته باشد ‌.
با مخلوط کردن رنگ‌های اولیه می‌توان رنگ‌های ثانویه بنفش روشن (قرمز به اضافه ابی)‌، ابی فیروزه‌ای (سبز به اضافه ابی) و زرد (قرمز به اضافه سبز) را تولید نمود‌. با مخلوط کردن سه رنگ اولیه با هم و یا یک رنگ ثانویه با رنگ اولیه متضادش‌، البته با شدت‌های صحیح‌، نور سفید تولید می‌شود‌. این نتیجه در تصویر2 - 3 (الف) قابل مشاهده است‌. این تصویر سه رنگ اولیه و ترکیبات انها را نمایش می‌دهد ‌.

تفکیک بین رنگ‌های اولیه نوری و رنگ‌های اولیه مادی (Colorant) مهم است‌. در مورد اخیر رنگ اولیه به عنوان رنگی تعریف می‌شود که رنگ اولیه نوری را جذب یا تفریق می‌کند و دو رنگ دیگر را انعکاس یا عبور می‌دهد‌. بنابراین رنگ‌های اولیه مادی بنفش‌، ابی فیروزه‌ای و زرد بوده و رنگ‌های ثانویه مادی قرمز‌، سبز و ابی هستند‌. ‌. این رنگ‌ها در تصویر 2 –3 (ب) مشاهده می‌شود‌. ترکیب مناسب سه رنگ اولیه مادی‌، یا یک رنگ ثانویه با رنگ اولیه متضادش‌، رنگ سیاه تولید می‌کند ‌.

تصویر تلویزیون رنگی مثال مناسبی از ترکیب جمعی رنگ‌های نوری است‌. بسیاری از لامپ‌های تلویزیون رنگی از ارایه بزرگی از الگوهای نقطه‌ای مثلثی از جنس فسفر حساس به الکترون تشکیل شده اند‌. هر نقطه در مثلث‌، اگر تحریک شود یکی از رنگ‌های اولیه را تولید می‌نماید‌. شدت نور نقاط فسفری مولد نور قرمز به وسیله تفنگ الکترونی داخل لامپ مادوله می‌شود‌. این تفنگ تکانه هایی متناظر با توان نور قرمز که توسط دوربین تلویزیونی احساس می‌شود‌، تولید می‌کند‌. نقاط فسفر سبز و ابی در هر مثلث نیز به همین روش مادوله می‌شوند‌. تصویری که روی گیرنده تلویزیون مشاهده می‌شود‌، حاصل فرایند مخلوط شدن سه رنگ اولیه تولید شده با هر مثلث فسفری‌، دریافت نور حاصل به وسیله مخروط‌های حساس به رنگ در چشم‌، و در نهایت درک تصویر تمام رنگی می‌باشد‌. مشاهده 30 تصویر متوالی در هر ثانیه در سه رنگ‌، تصور پیوستگی نمایش تصویر روی صفحه را کامل می‌کند ‌.

مشخصاتی که برای تشخیص یک رنگ از سایر رنگ‌ها استفاده می‌شوند‌، روشنی[6]‌، اصل رنگ[7] و اشباع[8] هستند‌. همان طور که قبلاً بیان شد‌، روشنی‌، بخش رنگی شدت را مجسم می‌کند‌. اصل رنگ صفت مرتبط با طول موج غالب در ترکیب امواج نوری است‌. بنابراین اصل رنگ بیان گر رنگ غالب که بیننده دریافت می‌کند‌، است؛ وقتی شی ‌ای را قرمز‌، نارنجی یا زرد می‌خوانیم‌، در واقع اصل رنگ ان را مشخص می‌کنیم‌. اشباع به خلوص نسبی یا مقدار نور سفید مخلوط با اصل رنگ مربوط است‌. رنگ‌های طیفی خالص کاملاً اشباع شده هستند‌. رنگ هایی نظیر صورتی (قرمز به اضافه سفید) و بنفش کمرنگ (بنفش به اضافه سفید) کم اشباع تر هستند‌. درجه اشباع با نور سفید اضافه شده نسبت معکوس دارد ‌.

اصل رنگ و اشباع روی هم‌، رنگینگی نامیده می‌شوند‌، بنابراین هر رنگ را می‌توان با روشنی و رنگینگی ان توصیف کرد‌. مقادیر قرمز‌، سبز وابی مورد نیاز برای تشکیل یک رنگ خاص‌، مقادیر محرکه سه گانه[9]نامیده شده و به ترتیب با X‌، Yو Zنشان داده می‌شوند‌. هر رنگ با ضرایب سه گانه رنگینگی ان که به صورت زیر تعریف می‌شوند‌، مشخص می‌گردد :

به وضوح از این معادلات نتیجه می‌شود که :

برای هر طول موج نور در طیف مرئی می‌توان مقادیر محرکه سه گانه مورد نیاز برای تولید رنگ متناظر با ان طول موج را به طور مستقیم از روی منحنی‌ها یا جداولی که نتیجه ازمایشات گسترده هستند‌، بدست اورد ‌.

روش دیگر برای توصیف رنگ ها‌، نمودار رنگینگی[10] (شکل 2 - 4) است که ترکیب رنگ را به صورت تابعی از x( قرمز) و y(سبز) نشان می‌دهد‌. برای هر مقدار xو y‌، مقدار z( ابی) متناظر طبق روابط بالا‌، با استفاده از رابطه z=1 - (x+y)بدست می‌اید‌. برای مثال نقطه‌ای در تصویر 2 - 4 که به عنوان سبز مشخص شده است‌، حاوی تقریباً 62 در صد سبز و 25 در صد قرمز می‌باشد‌. بنابراین طبق معادله ‌، ترکیب ابی ان تقریباً 13 در صد است ‌.

محل رنگ‌های گوناگون طیف - از بنفش در 380 نانو متر تا قرمز در 780 نانو متر –حول مرز زبانه‌ای شکل نمودار رنگینگی نشان داده شده اند‌. این ها‌، رنگ‌های خالصی هستند که در تصویر 2 - 2 دیده می‌شوند‌. هر نقطه که روی مرز نباشد اما درون نمودار باشد‌، بیانگر مخلوطی از رنگ‌های طیف است‌. در نقطه تساوی انرژی‌ها که در تصویر 2 - 4 دیده می‌شود‌، سهم سه رنگ اولیه با هم برابر است‌. این نقطه در استاندارد CIEنمایانگر نور سفید است‌. هرنقطه‌ای که روی مرز نمودار رنگینگی باشد‌، کاملاً اشباع شده خوانده می‌شود‌. هرچه از مرز دورتر شده و به نقطه تساوی انرژی‌ها نزدیک می‌شویم‌، نور سفید بیشتری به رنگ افزوده می‌شود‌. اشباع در نقطه تساوی انرژی‌ها ( نور سفید )‌، صفر است ‌.
نمودار رنگینگی برای ترکیب رنگ‌ها نیز مفید است‌، زیرا هر پاره خط راست که دو نقطه دلخواه از نمودار را به هم وصل کند‌، تمام رنگ‌های متفاوتی که می‌توان با ترکیب جمعی ان دو رنگ بدست اورد‌، را شامل می‌شود‌. برای مثال خط راستی را که از نقطه قرمز به نقطه سبز کشیده شده است و در تصویر 2 - 4 دیده می‌شود‌، در نظر بگیرید‌. اگر در رنگی نسبت نور قرمز به سبز بیشتر باشد‌، نقطه متناظر با ان رنگ روی پاره خط خواهد بود‌، اما به نقطه قرمز نزدیک تر است‌. به طور مشابه‌، خطی که از نقطه تساوی انرژی‌ها به نقطه دلخواهی روی مرز نمودار کشیده شود‌، تمام سایه‌های ان رنگ طیفی خاص را شامل می‌شود ‌.

شکل 2 - 4 - نمودار رنگینگی

 تعمیم این روال به سه رنگ ساده است‌. برای تعیین محدوده رنگ هایی که می‌توان از هر سه رنگ معین شده در نمودار رنگینگی‌، بدست اورد‌، کافی است خطوطی بین ان یه نقطه رسم کنیم‌. حاصل یک مثلث است و هر رنگ درون این مثلث را می‌توان با ترکیب جمعی سه رنگ اولیه تولید کرد‌. یک مثلث دلخواه که رئوس ان سه نقطه رنگی ثابت در تصویر2-4 باشند‌، نمی‌تواند تمام ناحیه رنگی را بپوشاند‌. مشاهده این موضوع به طور گرافیکی بر این نکته که نمی‌توان تنها با سه رنگ اولیه تمام رنگ‌ها را بدست اورد‌، تایید می‌کند‌.