色彩技术基础及理论

色彩技术基础及理论

　　一、认识色彩

　　色彩是怎么形成的，自古以来就受到人们的注意，从1930年代开始，以色彩为研究对象的色彩科学即成为一门新兴的应用科技，受到科技界及工业界的重视。在我们生活的周边环境中，色彩几乎无所不在的围绕着你，色彩与每个人都发生了极为密切的关系，举凡食、衣、住、行、育、乐等方面；而色彩对于每个人的情绪、情感、个性亦有深入的影响。那么什么是色彩呢？色彩是怎样产生的？又物体受到光刺激后如何形成色彩呢？形成色彩的基本要件为何？一般人对于诸如此等问题想必是相当模糊，其原因在于人们对于色彩的知识较为贫乏，而且色彩技术领域包括数学、物理、化学、生理及心理等科学的知识，所以为了建立读者正确的色彩技术基本概念，将于往后的文章中予一一阐述，介绍有关色彩技术观念及知识。

　　色彩的感觉是一种错综的复杂的过程，根据科学上的解释及定义——色彩形成的主要因素是因为光源照射到物体后，其透（或反）射的光再刺激肉眼以产生色彩的感觉，所以色彩的形成不仅是与光的刺激有关，也与肉眼的视觉器官有关。针对上述解释及定义的说明，我们可以很清楚的了解色彩形成的基本要件：1.光源（light；source），2. 物体（object；attenuator），3.观看者（viewer；observer），为色彩形成的基本要素。既然色彩是肉眼的视网膜受光刺激所引发的现象，所以光对于色彩的形成就扮演着关键性的角色。

　　然而光是什么呢？光是一种电磁波，因为光具有反射、干涉、偏振等波的特性，而且光与物体作用的光吸收现象，它又是一种带有能量的光量子，所以光兼具有波动及量子的物理特性。光的物理特性由光的波洚及能量来决定——光的波长决定光的颜色；光的能量决定光的强度。由于电磁波的范围相当大，其包含宇宙射线、紫外线、可见光、红外线、微波等，但是真正能够在人眼的视觉系统上产生色彩感觉的电磁波是可见光波，其波长范围大约在380nm到780nm，在这段可见光谱中，不同波长的电磁波则产生不同的色彩感觉。

　　一般的光源是由不同波长的单色光所混合而成的复色光，所谓的“单色光”是指白光或太阳光经三菱镜折射所分离出光谱色光——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七个颜色，因为这种被分解的色光，即使再一次通过三菱镜也不会再分解为其他的色光，所以将这种不能再分解的色光叫做单色光；而由“单色光”所混合的光称为“复色光”。自然界中的太阳光及人工制造的日光灯等所发出的光都复色光。

　　对于光的本质有初步的了解之后，我们将进一步的探讨光照射到物体所产生色彩的效应及作用。自然界的物体可以区分为两类：　　

　　1. 发光体——是指能向周围空间辐射光的物体，亦称为光源。

　　2. 非发光体——是指自然界中发光体以外的所有物质。

　　非发光体只有地光源照射下才能显现出色彩，所以没有光，就看不到物体的颜色，也就没有色彩感觉。不同的物体因为其分子及原子结构不同，因此，当入射光照射在物体上时，某一波长的入射光与物体本身的特性相符时，物体就吸收此一波长的入射光，而将剩余的色光反射出来，显现出物体的色彩，所以物体表面形成色彩的原因在于物体对于光的选择性吸收与反射的结果。人们所看到的物体颜色是光与物作用后，所反射或透射的色光。另外物体吸收与物体本身的特性相符的波长入射光，会使得物体的电子能阶跳运至高能级的轨道上，这种现象称为光吸收；而因为电子能阶跳运至位于高能级的轨道上时是较不稳定的，所以电子随后又回到原来稳定的轨道上，并将吸收的光幅射能以热的形式释放出来，或部分以光幅射能形式释放出来。

　　所以物体呈现什么颜色，与该物体对可见光中各波长单色光的选择性吸性有关，而物体对可见光中各波长单色光的选择性吸收则取决于物体本身的物理性质及化学结构。光是人眼感受到色彩的唯一原因；物体的颜色是物体本身对光刺激所拥有的特性。最后，我们可以得到以下的结论——“自然界的物质本身可以说是无色的，因为物体本身对于光源中不同波长的色光，产生光波的选择性吸收，才决定物体本身的颜色。故无光则无色，是光源赋予自然界多彩多姿的缤纷色彩；光源是色彩显现的第一要件，光源的变化对于色彩的显现具有绝对性的影响。”

　　二、人眼视觉色彩系统

　　色彩的产生主要是因为人眼接收来自物体表面或内部对于光源的反射或透射，因此色彩是由光、物体特性与人眼视觉机构等三大因素所涵盖，在前期的文章中对于光源照射到物体而产生的作用已经予以说明，而在本文中将针对有关物体反射或透射的光进入人眼视觉系统后，如何感觉到色彩的原由来加以阐述。

　　眼睛是灵魂之窗，扮演着评估、观看及判断的角色，然而眼睛究竟是如何接受外界物体反射（透射）或是发出的光线，使人们感受到色彩的感觉呢？首先我们要了解真正能够在人眼的视觉系统上产生色彩感觉的电磁波是可见光波，其波长范围大约在380nm到780nm，然而在这段可见光谱中，各种不同波长的电磁波可产生不同的色彩感觉，而自然蜀的色彩有数亿万种颜色，那么人眼的视觉系统上对于物体反射或透射的光所产生的色彩刺激辨识，究竟是如何进行的呢？究其主要原因在于人眼的视觉系统中的感光细胞？杆状细胞及锥状细胞作用的结果，以下将针对上述视觉感光细胞的视觉特性来加以说明：

　　1. 杆状细胞

　　杆状细胞只有在较暗条件下才会作用，其亮度为0.01尼特（nits）以下，是属于高感度、低解析度的细胞，只能辨识明暗的变化，对于色彩无感觉作用，也就是说杆状细胞对于光只有黑白明暗的感觉作用。其感度范围在400~600nm。

　　2. 锥状细胞

　　由于在微弱的光线下，锥状细胞并无法产生作用，所以它是属于低感度的细胞，适合于日间视觉；但是当光亮度达几尼特的光亮条件下时，锥状细胞即能够分辨色彩和物体的细节，为低感度、高解析度的细胞。锥状细胞包含了三种不同种类感色细胞，其分别为感受长波长的红色色光——（锥状细胞、中波长的绿色色光——（锥状细胞以及短波长的蓝色色光——（锥状细胞，所以锥状细胞可以分辨色彩。其感度范围在400~700nm 。三种不同种类感色细胞对于光谱波长的最大感度点（peak sensitivity）分别位于可见光谱中的蓝色色光范围——420nm、绿色色光——530nm及黄绿色光——560nm，在视网膜上的三种不同种类感色细胞其数量比例大约为ρ:γ:β=40:20:1。

　　所以经由上述的解释说明，我们可以了解人眼视觉感受到色彩的主要原因是由于视网膜上的三种不同种类感色细胞的重叠光谱（overlapping spectra）特性，使可见光谱中的每一波长均具有唯一的吸收率，经由这三种锥状细胞的吸收比例，人眼的视觉系统就能分辨出物体的颜色。此外，由于人眼具有三种不同的锥状细胞，所以在色彩视觉理论上便发展出多年来一直在色彩科学上居于主导地位的“视觉色彩三原色说”——（Three-cimponent or Trichromatic theory），有关“视觉色彩三原色说”将于下次色彩技术专文中来予以说明。

　　三、视觉色彩三原色说

　　色彩视觉理论（Theory of Color Vision）是基于人眼视觉系统对色彩辨识机制所发展出来的，其目的在于希望藉由此等色彩视觉理论来解释或协助研究人员了解并掌握肉眼视觉与色彩产生的现象及关系。经过多年的研究，在色彩视觉理论上可以归纳为下列三种理论：

　　1. 视觉色彩三原色理论（Three-component or Trichromatic Theory）

　　2. 对立色色彩理论（Opponent-colors Theory）

　　3. 阶段视觉色彩理论（Zone Theory of Color Vision）

　　有关“视觉色彩三原色理论”是最早被提出的学说，也一直在色彩科学上居于主导的地位；其后“对立色色彩理论”才被提出，这项理论是除了视觉色彩三原色理论外的另外一个重要的学说，亦受到色彩科学界所重视；虽然这二种色彩视觉学说都可以解释大部分的视觉色彩现象，但也有最近几年有“阶段视觉色彩理论”的提出，并且为大家所接受，而此——学说是综合“视觉色彩三原色理论”和“对立色色彩理论”的基本概念，加以统合并相互补充配合而成。至于此三种色彩视觉理论的详细内容，将陆续在色彩技术专文中来加以解说，在本文中将首先来探讨“视觉色彩三原色理论”。

　　在1802年时，英国Tomas Young发现利用红、绿、蓝三种色光混合，可以产生各种色彩，于是发表并提出了色彩三原色理论；而在1861年英国Maxwell利用三原色光的混合法，制作了第一张彩色照片；此一理论到了19世纪末？1892年德国Helmholtz则加以验证并阐述其学说，因此将视觉色彩三原色理论又称为“Young-helmholtz色彩三原色理论”。

　　其学说认为在人类的视网膜上的三种视觉细胞，名自与脑皮层中的三种不同的神经细胞相连，每种细胞的刺激都会引起一种原色感觉？分别为红、绿、蓝三种色彩的感觉，此一论点在上一期文章中有详细资料说明，读者应该有些印象。当光线照射物全所反射（或透射）的光进入人眼视觉系统后，会同时引起三种不同细胞的刺激，而光的波长特性，使得三种细胞各自总合刺激的强弱比例不同，产生各种不同色彩的感觉。此一理论是由英国的Tomas Young所提出的。由于发生某一种色彩感觉时，三种细胞中会有某一种感光细胞的刺激最为强烈，但另外两种细胞也会多少产生刺激，也就是说三种细胞均会受到刺激，所以对于每一种色彩都会有白光成份，亦即有明度感觉。而亮度的感觉则为三种细胞各自提供的亮度感觉总和。后来，德国helmholtz补充Tomas Young的理论，认为光谱的不同部分能引起三种不同细胞不同强弱比例的刺激，在混合色光所见的色彩是三种不同细胞的刺激结果，而此一论点的提出，对于眼睛可以看到红、绿、蓝三种色彩以外的单色光就得到更合理的解释。总而言之，眼睛所看到的任何色彩都是光刺激三种视觉细胞后总合刺激的结果。

　　Young-Helmholtz色彩三原色理论最大的优点是可以充分解释说明各种色彩的混合现象，解决色彩再现问题，如彩色电影、彩色电视的色彩复制都是根据此一理论基础所发展的；而其所提出的三种感光细胞的假设，在实验结果也得到了证明，奠定光谱三刺激值的基本概念，此一学说更可以说是现代“色度学”发展的根源。但是此一色彩视觉理论的缺点是不能满意的解释色盲（Color Blindness）现象。就色盲（Color Blindness）现象而言，Helmholtz认为色盲是因为缺乏某一种（单色盲）或某二种，甚至三种（全色盲）锥状细胞所造成，所以按照其理论，红色盲、绿色盲和蓝色盲是可以单独存在的，但是事实上所有红色盲的人几乎同时也是绿色盲者，也就是说红色盲的人一般都不能分辨红色和绿色，称为红-绿色盲；同时根据其理论推断，红-绿色盲者应该不会有黄色感觉——因为红-绿色盲是缺乏红色和绿色锥状细胞的，而黄色色彩感觉是由红色和绿色锥状细胞感应形成，但是事实上红-绿色盲者一样有黄色感觉；另外依据其学理，三种感光细胞同时作用才会有中性色——白色或灰色感觉，色盲者至少缺乏其中一种锥状细胞，应该不会有中性色？白色或灰色感觉，然而即使是全色盲的人一样有明度或白色的感觉。所以就“视觉色彩三原色理论”而言是有其矛盾之处及其无法解释之现象，因此就有另一学派的色彩视觉理论产生——Hering之“对立色色彩理论”。至于“对立色色彩理论”将留待下一期的专文中再来加以探讨与说明。

　　四、对立色色彩理论

　　在前一期文章中，我们针对“视觉色彩三原色”的色彩视觉理论做了一番详细的探讨，接下来我们将持续来研究“对立色色彩理论”。在1878年时，德国的生理学家Ewald，根据精神物理学的研究观察发现，红-绿、黄-蓝、黑-白总是呈现对立关系的色彩现象；也说是说红和绿、黄和蓝、黑和白不可能同时存在于任何的色彩感觉当中。所以Hering提出了“对立色色彩理论”学说（Opponent Colors Theory或Opponenyt Process Theory），他是假设在视觉机构中的感光细胞存在有上述三种对立色的反应。而根据上述的假设说明，可以知道Hering学说主张：“色彩空间是属于三度空间，其分别为红-绿、黄-蓝、黑-白等三个双极座标轴，而三个对立色的反应作用组合，则产生各种色彩感觉和各种色彩混合现象”。所以Hering的“对立色学说”又称为“四原色学说”，因为他认为产生各种色彩感觉现象是由红、绿、黄、蓝等四种颜色所形成。

　　Hering“对立色色彩理论”学说的提出，解释子下列几个事实与现象：

　　1. 补色残像：此一现象是因为当某一色彩刺停止时，与该色彩相关的对立色彩便开始作用，因而产生该色的对立色——互补色。

　　2. 同时对比：当视网膜正发生某一对之对立色彩的刺激反应时，其相临部分便会产生同时对比的现象。

　　3. 色盲现象：由于色盲现象是因为人眼的某一对（红-绿或黄-蓝）或两对的对立色反应作用过程无法进行所造成，所以色盲常常成对的出现，即色盲通常是红-绿色盲或者是黄-蓝色盲，而两对的对立色反应作用过程无法进行时，则产生全色盲现象，此一论点解释了先前色彩视觉理论中“视觉色彩三原色”学说无法说明的色盲现象。

　　虽然如此，Hering学说也有其缺点，就是对于红、绿、蓝三原色能够产生所有光谱色彩的现象并无法得到满意的解释。但是无论如何Hering所提的对立色学说，在近年的色度学理论中是一相当重要的学理，最明显的例子就是CIE的Lab、Luv等色彩空间座标都是应用Hering所提的对立色，红—绿、黄—蓝、黑—白三个座标所组成，所以Hering的此一色彩视觉理论对于近代色度学来说也是相当重要的基础理论。

　　五、阶段视觉色彩学说

　　阶段视学色彩学说最早是由G.E.Muller（1930）及Judd（1949）所提出，他们认为长久以来，一直在色彩视觉理论（Color Vision Theory）处于对立的状态的视觉色彩三原色理论与对立色色彩理论，经过实验研究证实两者是可以加以统合与相互配合的，并且对于人眼色彩视觉的现象做了更为完整的解释与说明。但是阶段视觉色彩理论是如何将“对立色色彩理论”的四种对立色代谢反应过程与“视觉色彩三原色理论”加以整合而成的呢？以下我拉就来加以探讨。

　　当光线理入人眼视网膜内时，锥状细胞中的感色物质（photo pigments）会选择性在吸收不同波长光谱的辐射，同时每一种锥状细胞根据光刺激量又可独自产生明度（黑或白）与色彩（红、绿、蓝）的反应。在此一阶段中即可应用Young-Helmholtz视觉色彩三原色理论及色光混合实验来解释视觉色彩的现象。

　　由于锥状细胞是与视神经细胞相连结，所以锥状细胞受到光刺激后引发的神经脉冲会再形成视觉色彩信号，其信号内容分析如下：

　　（1） 中性色信号（achromatic signal）——负责明度信号的整合，接收由三种锥状细胞所形成的明视觉明度信号（photopic achromatic signal）。

　　（2） 彩色信号（chromatic signal）——负责色彩信号的整合，接收由三种锥状细胞。

　　所形成的红色、绿色及蓝色等彩色信号；在此一阶段其色彩信号以下列三个色差信号来表示：C1=R-G；C2=G-B；C3=B-R（R、G、B分别代表三种锥状细胞所产生的信号）。而这三个色差信号C1、C2、C3经由神经纤维向神经中枢传输过程时，则产生及整合成两种彩色信号，其为C1与C3-C2。

　　所以在此阶段中形成三对对立色的神经脉冲反应，其信号如下所示：

　　（1） 明度信号…………黑色与白色的对立色

　　（2） 彩色信号C1…………红色与绿色的对立色

　　（3） 彩色信号C3-C2…………黄色与蓝色的对立色

　　而在锥状细胞接收光刺激向神经中枢传输过程，所产生的三对对立色的神经脉冲反应，刚好就符合Hering的对立色色彩理论。

　　如果我们把上述的文字说明以下面图形来表示，更可以清楚地了解阶视觉色彩理论如何整合两项视觉色彩理论，以产生色彩视觉现象。