色彩技術(shù)基礎(chǔ)及理論
發(fā)布時(shí)間：2024-05-08 點(diǎn)擊：137
一、認(rèn)識色彩
色彩是怎么形成的，自古以來就受到人們的注意，從1930年代開始，以色彩為研究對象的色彩科學(xué)即成為一門新興的應(yīng)用科技，受到科技界及工業(yè)界的重視。在我們生活的周邊環(huán)境中，色彩幾乎無所不在的圍繞著你，色彩與每個(gè)人都發(fā)生了極為密切的關(guān)系，舉凡食、衣、住、行、育、樂等方面；而色彩對于每個(gè)人的情緒、情感、個(gè)性亦有深入的影響。那么什么是色彩呢？色彩是怎樣產(chǎn)生的？又物體受到光刺激后如何形成色彩呢？形成色彩的基本要件為何？一般人對于諸如此等問題想必是相當(dāng)模糊，其原因在于人們對于色彩的知識較為貧乏，而且色彩技術(shù)領(lǐng)域包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生理及心理等科學(xué)的知識，所以為了建立讀者正確的色彩技術(shù)基本概念，將于往后的文章中予一一闡述，介紹有關(guān)色彩技術(shù)觀念及知識。
色彩的感覺是一種錯(cuò)綜的復(fù)雜的過程，根據(jù)科學(xué)上的解釋及定義——色彩形成的主要因素是因?yàn)楣庠凑丈涞轿矬w后，其透（或反）射的光再刺激肉眼以產(chǎn)生色彩的感覺，所以色彩的形成不僅是與光的刺激有關(guān)，也與肉眼的視覺器官有關(guān)。針對上述解釋及定義的說明，我們可以很清楚的了解色彩形成的基本要件：1.光源（light；source），2. 物體（object；attenuator），3.觀看者（viewer；observer），為色彩形成的基本要素。既然色彩是肉眼的視網(wǎng)膜受光刺激所引發(fā)的現(xiàn)象，所以光對于色彩的形成就扮演著關(guān)鍵性的角色。
然而光是什么呢？光是一種電磁波，因?yàn)楣饩哂蟹瓷洹⒏缮妗⑵竦炔ǖ奶匦裕夜馀c物體作用的光吸收現(xiàn)象，它又是一種帶有能量的光量子，所以光兼具有波動(dòng)及量子的物理特性。光的物理特性由光的波洚及能量來決定——光的波長決定光的顏色；光的能量決定光的強(qiáng)度。由于電磁波的范圍相當(dāng)大，其包含宇宙射線、紫外線、可見光、紅外線、微波等，但是真正能夠在人眼的視覺系統(tǒng)上產(chǎn)生色彩感覺的電磁波是可見光波，其波長范圍大約在380nm到780nm，在這段可見光譜中，不同波長的電磁波則產(chǎn)生不同的色彩感覺。
一般的光源是由不同波長的單色光所混合而成的復(fù)色光，所謂的“單色光”是指白光或太陽光經(jīng)三菱鏡折射所分離出光譜色光——紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等七個(gè)顏色，因?yàn)檫@種被分解的色光，即使再一次通過三菱鏡也不會再分解為其他的色光，所以將這種不能再分解的色光叫做單色光；而由“單色光”所混合的光稱為“復(fù)色光”。自然界中的太陽光及人工制造的日光燈等所發(fā)出的光都復(fù)色光。
對于光的本質(zhì)有初步的了解之后，我們將進(jìn)一步的探討光照射到物體所產(chǎn)生色彩的效應(yīng)及作用。自然界的物體可以區(qū)分為兩類：
1. 發(fā)光體——是指能向周圍空間輻射光的物體，亦稱為光源。
2. 非發(fā)光體——是指自然界中發(fā)光體以外的所有物質(zhì)。
非發(fā)光體只有地光源照射下才能顯現(xiàn)出色彩，所以沒有光，就看不到物體的顏色，也就沒有色彩感覺。不同的物體因?yàn)槠浞肿蛹霸咏Y(jié)構(gòu)不同，因此，當(dāng)入射光照射在物體上時(shí)，某一波長的入射光與物體本身的特性相符時(shí)，物體就吸收此一波長的入射光，而將剩余的色光反射出來，顯現(xiàn)出物體的色彩，所以物體表面形成色彩的原因在于物體對于光的選擇性吸收與反射的結(jié)果。人們所看到的物體顏色是光與物作用后，所反射或透射的色光。另外物體吸收與物體本身的特性相符的波長入射光，會使得物體的電子能階跳運(yùn)至高能級的軌道上，這種現(xiàn)象稱為光吸收；而因?yàn)殡娮幽茈A跳運(yùn)至位于高能級的軌道上時(shí)是較不穩(wěn)定的，所以電子隨后又回到原來穩(wěn)定的軌道上，并將吸收的光幅射能以熱的形式釋放出來，或部分以光幅射能形式釋放出來。
所以物體呈現(xiàn)什么顏色，與該物體對可見光中各波長單色光的選擇性吸性有關(guān)，而物體對可見光中各波長單色光的選擇性吸收則取決于物體本身的物理性質(zhì)及化學(xué)結(jié)構(gòu)。光是人眼感受到色彩的唯一原因；物體的顏色是物體本身對光刺激所擁有的特性。最后，我們可以得到以下的結(jié)論——“自然界的物質(zhì)本身可以說是無色的，因?yàn)槲矬w本身對于光源中不同波長的色光，產(chǎn)生光波的選擇性吸收，才決定物體本身的顏色。故無光則無色，是光源賦予自然界多彩多姿的繽紛色彩；光源是色彩顯現(xiàn)的第一要件，光源的變化對于色彩的顯現(xiàn)具有絕對性的影響。”
二、人眼視覺色彩系統(tǒng)
色彩的產(chǎn)生主要是因?yàn)槿搜劢邮諄碜晕矬w表面或內(nèi)部對于光源的反射或透射，因此色彩是由光、物體特性與人眼視覺機(jī)構(gòu)等三大因素所涵蓋，在前期的文章中對于光源照射到物體而產(chǎn)生的作用已經(jīng)予以說明，而在本文中將針對有關(guān)物體反射或透射的光進(jìn)入人眼視覺系統(tǒng)后，如何感覺到色彩的原由來加以闡述。
眼睛是靈魂之窗，扮演著評估、觀看及判斷的角色，然而眼睛究竟是如何接受外界物體反射（透射）或是發(fā)出的光線，使人們感受到色彩的感覺呢？首先我們要了解真正能夠在人眼的視覺系統(tǒng)上產(chǎn)生色彩感覺的電磁波是可見光波，其波長范圍大約在380nm到780nm，然而在這段可見光譜中，各種不同波長的電磁波可產(chǎn)生不同的色彩感覺，而自然蜀的色彩有數(shù)億萬種顏色，那么人眼的視覺系統(tǒng)上對于物體反射或透射的光所產(chǎn)生的色彩刺激辨識，究竟是如何進(jìn)行的呢？究其主要原因在于人眼的視覺系統(tǒng)中的感光細(xì)胞？桿狀細(xì)胞及錐狀細(xì)胞作用的結(jié)果，以下將針對上述視覺感光細(xì)胞的視覺特性來加以說明：
1. 桿狀細(xì)胞
桿狀細(xì)胞只有在較暗條件下才會作用，其亮度為0.01尼特（nits）以下，是屬于高感度、低解析度的細(xì)胞，只能辨識明暗的變化，對于色彩無感覺作用，也就是說桿狀細(xì)胞對于光只有黑白明暗的感覺作用。其感度范圍在400~600nm。
2. 錐狀細(xì)胞
由于在微弱的光線下，錐狀細(xì)胞并無法產(chǎn)生作用，所以它是屬于低感度的細(xì)胞，適合于日間視覺；但是當(dāng)光亮度達(dá)幾尼特的光亮條件下時(shí)，錐狀細(xì)胞即能夠分辨色彩和物體的細(xì)節(jié)，為低感度、高解析度的細(xì)胞。錐狀細(xì)胞包含了三種不同種類感色細(xì)胞，其分別為感受長波長的紅色色光——（錐狀細(xì)胞、中波長的綠色色光——（錐狀細(xì)胞以及短波長的藍(lán)色色光——（錐狀細(xì)胞，所以錐狀細(xì)胞可以分辨色彩。其感度范圍在400~700nm 。三種不同種類感色細(xì)胞對于光譜波長的最大感度點(diǎn)（peak sensitivity）分別位于可見光譜中的藍(lán)色色光范圍——420nm、綠色色光——530nm及黃綠色光——560nm，在視網(wǎng)膜上的三種不同種類感色細(xì)胞其數(shù)量比例大約為ρ:γ:β=40:20:1。
所以經(jīng)由上述的解釋說明，我們可以了解人眼視覺感受到色彩的主要原因是由于視網(wǎng)膜上的三種不同種類感色細(xì)胞的重疊光譜（overlapping spectra）特性，使可見光譜中的每一波長均具有唯一的吸收率，經(jīng)由這三種錐狀細(xì)胞的吸收比例，人眼的視覺系統(tǒng)就能分辨出物體的顏色。此外，由于人眼具有三種不同的錐狀細(xì)胞，所以在色彩視覺理論上便發(fā)展出多年來一直在色彩科學(xué)上居于主導(dǎo)地位的“視覺色彩三原色說”——（three-cimponent or trichromatic theory），有關(guān)“視覺色彩三原色說”將于下次色彩技術(shù)專文中來予以說明。
三、視覺色彩三原色說
色彩視覺理論（theory of color vision）是基于人眼視覺系統(tǒng)對色彩辨識機(jī)制所發(fā)展出來的，其目的在于希望藉由此等色彩視覺理論來解釋或協(xié)助研究人員了解并掌握肉眼視覺與色彩產(chǎn)生的現(xiàn)象及關(guān)系。經(jīng)過多年的研究，在色彩視覺理論上可以歸納為下列三種理論：
1. 視覺色彩三原色理論（three-component or trichromatic theory）
2. 對立色色彩理論（opponent-colors theory）
3. 階段視覺色彩理論（zone theory of color vision）
有關(guān)“視覺色彩三原色理論”是最早被提出的學(xué)說，也一直在色彩科學(xué)上居于主導(dǎo)的地位；其后“對立色色彩理論”才被提出，這項(xiàng)理論是除了視覺色彩三原色理論外的另外一個(gè)重要的學(xué)說，亦受到色彩科學(xué)界所重視；雖然這二種色彩視覺學(xué)說都可以解釋大部分的視覺色彩現(xiàn)象，但也有最近幾年有“階段視覺色彩理論”的提出，并且為大家所接受，而此——學(xué)說是綜合“視覺色彩三原色理論”和“對立色色彩理論”的基本概念，加以統(tǒng)合并相互補(bǔ)充配合而成。至于此三種色彩視覺理論的詳細(xì)內(nèi)容，將陸續(xù)在色彩技術(shù)專文中來加以解說，在本文中將首先來探討“視覺色彩三原色理論”。
在1802年時(shí)，英國tomas young發(fā)現(xiàn)利用紅、綠、藍(lán)三種色光混合，可以產(chǎn)生各種色彩，于是發(fā)表并提出了色彩三原色理論；而在1861年英國maxwell利用三原色光的混合法，制作了第一張彩色照片；此一理論到了19世紀(jì)末？1892年德國helmholtz則加以驗(yàn)證并闡述其學(xué)說，因此將視覺色彩三原色理論又稱為“young-helmholtz色彩三原色理論”。
其學(xué)說認(rèn)為在人類的視網(wǎng)膜上的三種視覺細(xì)胞，名自與腦皮層中的三種不同的神經(jīng)細(xì)胞相連，每種細(xì)胞的刺激都會引起一種原色感覺？分別為紅、綠、藍(lán)三種色彩的感覺，此一論點(diǎn)在上一期文章中有詳細(xì)資料說明，讀者應(yīng)該有些印象。當(dāng)光線照射物全所反射（或透射）的光進(jìn)入人眼視覺系統(tǒng)后，會同時(shí)引起三種不同細(xì)胞的刺激，而光的波長特性，使得三種細(xì)胞各自總合刺激的強(qiáng)弱比例不同，產(chǎn)生各種不同色彩的感覺。此一理論是由英國的tomas young所提出的。由于發(fā)生某一種色彩感覺時(shí)，三種細(xì)胞中會有某一種感光細(xì)胞的刺激最為強(qiáng)烈，但另外兩種細(xì)胞也會多少產(chǎn)生刺激，也就是說三種細(xì)胞均會受到刺激，所以對于每一種色彩都會有白光成份，亦即有明度感覺。而亮度的感覺則為三種細(xì)胞各自提供的亮度感覺總和。后來，德國helmholtz補(bǔ)充tomas young的理論，認(rèn)為光譜的不同部分能引起三種不同細(xì)胞不同強(qiáng)弱比例的刺激，在混合色光所見的色彩是三種不同細(xì)胞的刺激結(jié)果，而此一論點(diǎn)的提出，對于眼睛可以看到紅、綠、藍(lán)三種色彩以外的單色光就得到更合理的解釋。總而言之，眼睛所看到的任何色彩都是光刺激三種視覺細(xì)胞后總合刺激的結(jié)果。
young-helmholtz色彩三原色理論最大的優(yōu)點(diǎn)是可以充分解釋說明各種色彩的混合現(xiàn)象，解決色彩再現(xiàn)問題，如彩色電影、彩色電視的色彩復(fù)制都是根據(jù)此一理論基礎(chǔ)所發(fā)展的；而其所提出的三種感光細(xì)胞的假設(shè)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果也得到了證明，奠定光譜三刺激值的基本概念，此一學(xué)說更可以說是現(xiàn)代“色度學(xué)”發(fā)展的根源。但是此一色彩視覺理論的缺點(diǎn)是不能滿意的解釋色盲（color blindness）現(xiàn)象。就色盲（color blindness）現(xiàn)象而言，helmholtz認(rèn)為色盲是因?yàn)槿狈δ骋环N（單色盲）或某二種，甚至三種（全色盲）錐狀細(xì)胞所造成，所以按照其理論，紅色盲、綠色盲和藍(lán)色盲是可以單獨(dú)存在的，但是事實(shí)上所有紅色盲的人幾乎同時(shí)也是綠色盲者，也就是說紅色盲的人一般都不能分辨紅色和綠色，稱為紅-綠色盲；同時(shí)根據(jù)其理論推斷，紅-綠色盲者應(yīng)該不會有黃色感覺——因?yàn)榧t-綠色盲是缺乏紅色和綠色錐狀細(xì)胞的，而黃色色彩感覺是由紅色和綠色錐狀細(xì)胞感應(yīng)形成，但是事實(shí)上紅-綠色盲者一樣有黃色感覺；另外依據(jù)其學(xué)理，三種感光細(xì)胞同時(shí)作用才會有中性色——白色或灰色感覺，色盲者至少缺乏其中一種錐狀細(xì)胞，應(yīng)該不會有中性色？白色或灰色感覺，然而即使是全色盲的人一樣有明度或白色的感覺。所以就“視覺色彩三原色理論”而言是有其矛盾之處及其無法解釋之現(xiàn)象，因此就有另一學(xué)派的色彩視覺理論產(chǎn)生——hering之“對立色色彩理論”。至于“對立色色彩理論”將留待下一期的專文中再來加以探討與說明。
四、對立色色彩理論
在前一期文章中，我們針對“視覺色彩三原色”的色彩視覺理論做了一番詳細(xì)的探討，接下來我們將持續(xù)來研究“對立色色彩理論”。在1878年時(shí)，德國的生理學(xué)家ewald，根據(jù)精神物理學(xué)的研究觀察發(fā)現(xiàn)，紅-綠、黃-藍(lán)、黑-白總是呈現(xiàn)對立關(guān)系的色彩現(xiàn)象；也說是說紅和綠、黃和藍(lán)、黑和白不可能同時(shí)存在于任何的色彩感覺當(dāng)中。所以hering提出了“對立色色彩理論”學(xué)說（opponent colors theory或opponenyt process theory），他是假設(shè)在視覺機(jī)構(gòu)中的感光細(xì)胞存在有上述三種對立色的反應(yīng)。而根據(jù)上述的假設(shè)說明，可以知道hering學(xué)說主張：“色彩空間是屬于三度空間，其分別為紅-綠、黃-藍(lán)、黑-白等三個(gè)雙極座標(biāo)軸，而三個(gè)對立色的反應(yīng)作用組合，則產(chǎn)生各種色彩感覺和各種色彩混合現(xiàn)象”。所以hering的“對立色學(xué)說”又稱為“四原色學(xué)說”，因?yàn)樗J(rèn)為產(chǎn)生各種色彩感覺現(xiàn)象是由紅、綠、黃、藍(lán)等四種顏色所形成。
hering“對立色色彩理論”學(xué)說的提出，解釋子下列幾個(gè)事實(shí)與現(xiàn)象：
1. 補(bǔ)色殘像：此一現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)某一色彩刺停止時(shí)，與該色彩相關(guān)的對立色彩便開始作用，因而產(chǎn)生該色的對立色——互補(bǔ)色。
2. 同時(shí)對比：當(dāng)視網(wǎng)膜正發(fā)生某一對之對立色彩的刺激反應(yīng)時(shí)，其相臨部分便會產(chǎn)生同時(shí)對比的現(xiàn)象。
3. 色盲現(xiàn)象：由于色盲現(xiàn)象是因?yàn)槿搜鄣哪骋粚Γt-綠或黃-藍(lán)）或兩對的對立色反應(yīng)作用過程無法進(jìn)行所造成，所以色盲常常成對的出現(xiàn)，即色盲通常是紅-綠色盲或者是黃-藍(lán)色盲，而兩對的對立色反應(yīng)作用過程無法進(jìn)行時(shí)，則產(chǎn)生全色盲現(xiàn)象，此一論點(diǎn)解釋了先前色彩視覺理論中“視覺色彩三原色”學(xué)說無法說明的色盲現(xiàn)象。
雖然如此，hering學(xué)說也有其缺點(diǎn)，就是對于紅、綠、藍(lán)三原色能夠產(chǎn)生所有光譜色彩的現(xiàn)象并無法得到滿意的解釋。但是無論如何hering所提的對立色學(xué)說，在近年的色度學(xué)理論中是一相當(dāng)重要的學(xué)理，最明顯的例子就是cie的lab、luv等色彩空間座標(biāo)都是應(yīng)用hering所提的對立色，紅—綠、黃—藍(lán)、黑—白三個(gè)座標(biāo)所組成，所以hering的此一色彩視覺理論對于近代色度學(xué)來說也是相當(dāng)重要的基礎(chǔ)理論。
五、階段視覺色彩學(xué)說
階段視學(xué)色彩學(xué)說最早是由g.e.muller（1930）及judd（1949）所提出，他們認(rèn)為長久以來，一直在色彩視覺理論（color vision theory）處于對立的狀態(tài)的視覺色彩三原色理論與對立色色彩理論，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)兩者是可以加以統(tǒng)合與相互配合的，并且對于人眼色彩視覺的現(xiàn)象做了更為完整的解釋與說明。但是階段視覺色彩理論是如何將“對立色色彩理論”的四種對立色代謝反應(yīng)過程與“視覺色彩三原色理論”加以整合而成的呢？以下我拉就來加以探討。
當(dāng)光線理入人眼視網(wǎng)膜內(nèi)時(shí)，錐狀細(xì)胞中的感色物質(zhì)（photo pigments）會選擇性在吸收不同波長光譜的輻射，同時(shí)每一種錐狀細(xì)胞根據(jù)光刺激量又可獨(dú)自產(chǎn)生明度（黑或白）與色彩（紅、綠、藍(lán)）的反應(yīng)。在此一階段中即可應(yīng)用young-helmholtz視覺色彩三原色理論及色光混合實(shí)驗(yàn)來解釋視覺色彩的現(xiàn)象。
由于錐狀細(xì)胞是與視神經(jīng)細(xì)胞相連結(jié)，所以錐狀細(xì)胞受到光刺激后引發(fā)的神經(jīng)脈沖會再形成視覺色彩信號，其信號內(nèi)容分析如下：
（1） 中性色信號（achromatic signal）——負(fù)責(zé)明度信號的整合，接收由三種錐狀細(xì)胞所形成的明視覺明度信號（photopic achromatic signal）。
（2） 彩色信號（chromatic signal）——負(fù)責(zé)色彩信號的整合，接收由三種錐狀細(xì)胞。
所形成的紅色、綠色及藍(lán)色等彩色信號；在此一階段其色彩信號以下列三個(gè)色差信號來表示：c1=r-g；c2=g-b；c3=b-r（r、g、b分別代表三種錐狀細(xì)胞所產(chǎn)生的信號）。而這三個(gè)色差信號c1、c2、c3經(jīng)由神經(jīng)纖維向神經(jīng)中樞傳輸過程時(shí)，則產(chǎn)生及整合成兩種彩色信號，其為c1與c3-c2。
所以在此階段中形成三對對立色的神經(jīng)脈沖反應(yīng)，其信號如下所示：
（1） 明度信號…………黑色與白色的對立色
（2） 彩色信號c1…………紅色與綠色的對立色
（3） 彩色信號c3-c2…………黃色與藍(lán)色的對立色
而在錐狀細(xì)胞接收光刺激向神經(jīng)中樞傳輸過程，所產(chǎn)生的三對對立色的神經(jīng)脈沖反應(yīng)，剛好就符合hering的對立色色彩理論。
如果我們把上述的文字說明以下面圖形來表示，更可以清楚地了解階視覺色彩理論如何整合兩項(xiàng)視覺色彩理論，以產(chǎn)生色彩視覺現(xiàn)象。
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色彩是怎么形成的，自古以來就受到人們的注意，從1930年代開始，以色彩為研究對象的色彩科學(xué)即成為一門新興的應(yīng)用科技，受到科技界及工業(yè)界的重視。在我們生活的周邊環(huán)境中，色彩幾乎無所不在的圍繞著你，色彩與每個(gè)人都發(fā)生了極為密切的關(guān)系，舉凡食、衣、住、行、育、樂等方面；而色彩對于每個(gè)人的情緒、情感、個(gè)性亦有深入的影響。那么什么是色彩呢？色彩是怎樣產(chǎn)生的？又物體受到光刺激后如何形成色彩呢？形成色彩的基本要件為何？一般人對于諸如此等問題想必是相當(dāng)模糊，其原因在于人們對于色彩的知識較為貧乏，而且色彩技術(shù)領(lǐng)域包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生理及心理等科學(xué)的知識，所以為了建立讀者正確的色彩技術(shù)基本概念，將于往后的文章中予一一闡述，介紹有關(guān)色彩技術(shù)觀念及知識。
色彩的感覺是一種錯(cuò)綜的復(fù)雜的過程，根據(jù)科學(xué)上的解釋及定義——色彩形成的主要因素是因?yàn)楣庠凑丈涞轿矬w后，其透（或反）射的光再刺激肉眼以產(chǎn)生色彩的感覺，所以色彩的形成不僅是與光的刺激有關(guān)，也與肉眼的視覺器官有關(guān)。針對上述解釋及定義的說明，我們可以很清楚的了解色彩形成的基本要件：1.光源（light；source），2. 物體（object；attenuator），3.觀看者（viewer；observer），為色彩形成的基本要素。既然色彩是肉眼的視網(wǎng)膜受光刺激所引發(fā)的現(xiàn)象，所以光對于色彩的形成就扮演著關(guān)鍵性的角色。
然而光是什么呢？光是一種電磁波，因?yàn)楣饩哂蟹瓷洹⒏缮妗⑵竦炔ǖ奶匦裕夜馀c物體作用的光吸收現(xiàn)象，它又是一種帶有能量的光量子，所以光兼具有波動(dòng)及量子的物理特性。光的物理特性由光的波洚及能量來決定——光的波長決定光的顏色；光的能量決定光的強(qiáng)度。由于電磁波的范圍相當(dāng)大，其包含宇宙射線、紫外線、可見光、紅外線、微波等，但是真正能夠在人眼的視覺系統(tǒng)上產(chǎn)生色彩感覺的電磁波是可見光波，其波長范圍大約在380nm到780nm，在這段可見光譜中，不同波長的電磁波則產(chǎn)生不同的色彩感覺。
一般的光源是由不同波長的單色光所混合而成的復(fù)色光，所謂的“單色光”是指白光或太陽光經(jīng)三菱鏡折射所分離出光譜色光——紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等七個(gè)顏色，因?yàn)檫@種被分解的色光，即使再一次通過三菱鏡也不會再分解為其他的色光，所以將這種不能再分解的色光叫做單色光；而由“單色光”所混合的光稱為“復(fù)色光”。自然界中的太陽光及人工制造的日光燈等所發(fā)出的光都復(fù)色光。
對于光的本質(zhì)有初步的了解之后，我們將進(jìn)一步的探討光照射到物體所產(chǎn)生色彩的效應(yīng)及作用。自然界的物體可以區(qū)分為兩類：
1. 發(fā)光體——是指能向周圍空間輻射光的物體，亦稱為光源。
2. 非發(fā)光體——是指自然界中發(fā)光體以外的所有物質(zhì)。
非發(fā)光體只有地光源照射下才能顯現(xiàn)出色彩，所以沒有光，就看不到物體的顏色，也就沒有色彩感覺。不同的物體因?yàn)槠浞肿蛹霸咏Y(jié)構(gòu)不同，因此，當(dāng)入射光照射在物體上時(shí)，某一波長的入射光與物體本身的特性相符時(shí)，物體就吸收此一波長的入射光，而將剩余的色光反射出來，顯現(xiàn)出物體的色彩，所以物體表面形成色彩的原因在于物體對于光的選擇性吸收與反射的結(jié)果。人們所看到的物體顏色是光與物作用后，所反射或透射的色光。另外物體吸收與物體本身的特性相符的波長入射光，會使得物體的電子能階跳運(yùn)至高能級的軌道上，這種現(xiàn)象稱為光吸收；而因?yàn)殡娮幽茈A跳運(yùn)至位于高能級的軌道上時(shí)是較不穩(wěn)定的，所以電子隨后又回到原來穩(wěn)定的軌道上，并將吸收的光幅射能以熱的形式釋放出來，或部分以光幅射能形式釋放出來。
所以物體呈現(xiàn)什么顏色，與該物體對可見光中各波長單色光的選擇性吸性有關(guān)，而物體對可見光中各波長單色光的選擇性吸收則取決于物體本身的物理性質(zhì)及化學(xué)結(jié)構(gòu)。光是人眼感受到色彩的唯一原因；物體的顏色是物體本身對光刺激所擁有的特性。最后，我們可以得到以下的結(jié)論——“自然界的物質(zhì)本身可以說是無色的，因?yàn)槲矬w本身對于光源中不同波長的色光，產(chǎn)生光波的選擇性吸收，才決定物體本身的顏色。故無光則無色，是光源賦予自然界多彩多姿的繽紛色彩；光源是色彩顯現(xiàn)的第一要件，光源的變化對于色彩的顯現(xiàn)具有絕對性的影響。”
二、人眼視覺色彩系統(tǒng)
色彩的產(chǎn)生主要是因?yàn)槿搜劢邮諄碜晕矬w表面或內(nèi)部對于光源的反射或透射，因此色彩是由光、物體特性與人眼視覺機(jī)構(gòu)等三大因素所涵蓋，在前期的文章中對于光源照射到物體而產(chǎn)生的作用已經(jīng)予以說明，而在本文中將針對有關(guān)物體反射或透射的光進(jìn)入人眼視覺系統(tǒng)后，如何感覺到色彩的原由來加以闡述。
眼睛是靈魂之窗，扮演著評估、觀看及判斷的角色，然而眼睛究竟是如何接受外界物體反射（透射）或是發(fā)出的光線，使人們感受到色彩的感覺呢？首先我們要了解真正能夠在人眼的視覺系統(tǒng)上產(chǎn)生色彩感覺的電磁波是可見光波，其波長范圍大約在380nm到780nm，然而在這段可見光譜中，各種不同波長的電磁波可產(chǎn)生不同的色彩感覺，而自然蜀的色彩有數(shù)億萬種顏色，那么人眼的視覺系統(tǒng)上對于物體反射或透射的光所產(chǎn)生的色彩刺激辨識，究竟是如何進(jìn)行的呢？究其主要原因在于人眼的視覺系統(tǒng)中的感光細(xì)胞？桿狀細(xì)胞及錐狀細(xì)胞作用的結(jié)果，以下將針對上述視覺感光細(xì)胞的視覺特性來加以說明：
1. 桿狀細(xì)胞
桿狀細(xì)胞只有在較暗條件下才會作用，其亮度為0.01尼特（nits）以下，是屬于高感度、低解析度的細(xì)胞，只能辨識明暗的變化，對于色彩無感覺作用，也就是說桿狀細(xì)胞對于光只有黑白明暗的感覺作用。其感度范圍在400~600nm。
2. 錐狀細(xì)胞
由于在微弱的光線下，錐狀細(xì)胞并無法產(chǎn)生作用，所以它是屬于低感度的細(xì)胞，適合于日間視覺；但是當(dāng)光亮度達(dá)幾尼特的光亮條件下時(shí)，錐狀細(xì)胞即能夠分辨色彩和物體的細(xì)節(jié)，為低感度、高解析度的細(xì)胞。錐狀細(xì)胞包含了三種不同種類感色細(xì)胞，其分別為感受長波長的紅色色光——（錐狀細(xì)胞、中波長的綠色色光——（錐狀細(xì)胞以及短波長的藍(lán)色色光——（錐狀細(xì)胞，所以錐狀細(xì)胞可以分辨色彩。其感度范圍在400~700nm 。三種不同種類感色細(xì)胞對于光譜波長的最大感度點(diǎn)（peak sensitivity）分別位于可見光譜中的藍(lán)色色光范圍——420nm、綠色色光——530nm及黃綠色光——560nm，在視網(wǎng)膜上的三種不同種類感色細(xì)胞其數(shù)量比例大約為ρ:γ:β=40:20:1。
所以經(jīng)由上述的解釋說明，我們可以了解人眼視覺感受到色彩的主要原因是由于視網(wǎng)膜上的三種不同種類感色細(xì)胞的重疊光譜（overlapping spectra）特性，使可見光譜中的每一波長均具有唯一的吸收率，經(jīng)由這三種錐狀細(xì)胞的吸收比例，人眼的視覺系統(tǒng)就能分辨出物體的顏色。此外，由于人眼具有三種不同的錐狀細(xì)胞，所以在色彩視覺理論上便發(fā)展出多年來一直在色彩科學(xué)上居于主導(dǎo)地位的“視覺色彩三原色說”——（three-cimponent or trichromatic theory），有關(guān)“視覺色彩三原色說”將于下次色彩技術(shù)專文中來予以說明。
三、視覺色彩三原色說
色彩視覺理論（theory of color vision）是基于人眼視覺系統(tǒng)對色彩辨識機(jī)制所發(fā)展出來的，其目的在于希望藉由此等色彩視覺理論來解釋或協(xié)助研究人員了解并掌握肉眼視覺與色彩產(chǎn)生的現(xiàn)象及關(guān)系。經(jīng)過多年的研究，在色彩視覺理論上可以歸納為下列三種理論：
1. 視覺色彩三原色理論（three-component or trichromatic theory）
2. 對立色色彩理論（opponent-colors theory）
3. 階段視覺色彩理論（zone theory of color vision）
有關(guān)“視覺色彩三原色理論”是最早被提出的學(xué)說，也一直在色彩科學(xué)上居于主導(dǎo)的地位；其后“對立色色彩理論”才被提出，這項(xiàng)理論是除了視覺色彩三原色理論外的另外一個(gè)重要的學(xué)說，亦受到色彩科學(xué)界所重視；雖然這二種色彩視覺學(xué)說都可以解釋大部分的視覺色彩現(xiàn)象，但也有最近幾年有“階段視覺色彩理論”的提出，并且為大家所接受，而此——學(xué)說是綜合“視覺色彩三原色理論”和“對立色色彩理論”的基本概念，加以統(tǒng)合并相互補(bǔ)充配合而成。至于此三種色彩視覺理論的詳細(xì)內(nèi)容，將陸續(xù)在色彩技術(shù)專文中來加以解說，在本文中將首先來探討“視覺色彩三原色理論”。
在1802年時(shí)，英國tomas young發(fā)現(xiàn)利用紅、綠、藍(lán)三種色光混合，可以產(chǎn)生各種色彩，于是發(fā)表并提出了色彩三原色理論；而在1861年英國maxwell利用三原色光的混合法，制作了第一張彩色照片；此一理論到了19世紀(jì)末？1892年德國helmholtz則加以驗(yàn)證并闡述其學(xué)說，因此將視覺色彩三原色理論又稱為“young-helmholtz色彩三原色理論”。
其學(xué)說認(rèn)為在人類的視網(wǎng)膜上的三種視覺細(xì)胞，名自與腦皮層中的三種不同的神經(jīng)細(xì)胞相連，每種細(xì)胞的刺激都會引起一種原色感覺？分別為紅、綠、藍(lán)三種色彩的感覺，此一論點(diǎn)在上一期文章中有詳細(xì)資料說明，讀者應(yīng)該有些印象。當(dāng)光線照射物全所反射（或透射）的光進(jìn)入人眼視覺系統(tǒng)后，會同時(shí)引起三種不同細(xì)胞的刺激，而光的波長特性，使得三種細(xì)胞各自總合刺激的強(qiáng)弱比例不同，產(chǎn)生各種不同色彩的感覺。此一理論是由英國的tomas young所提出的。由于發(fā)生某一種色彩感覺時(shí)，三種細(xì)胞中會有某一種感光細(xì)胞的刺激最為強(qiáng)烈，但另外兩種細(xì)胞也會多少產(chǎn)生刺激，也就是說三種細(xì)胞均會受到刺激，所以對于每一種色彩都會有白光成份，亦即有明度感覺。而亮度的感覺則為三種細(xì)胞各自提供的亮度感覺總和。后來，德國helmholtz補(bǔ)充tomas young的理論，認(rèn)為光譜的不同部分能引起三種不同細(xì)胞不同強(qiáng)弱比例的刺激，在混合色光所見的色彩是三種不同細(xì)胞的刺激結(jié)果，而此一論點(diǎn)的提出，對于眼睛可以看到紅、綠、藍(lán)三種色彩以外的單色光就得到更合理的解釋。總而言之，眼睛所看到的任何色彩都是光刺激三種視覺細(xì)胞后總合刺激的結(jié)果。
young-helmholtz色彩三原色理論最大的優(yōu)點(diǎn)是可以充分解釋說明各種色彩的混合現(xiàn)象，解決色彩再現(xiàn)問題，如彩色電影、彩色電視的色彩復(fù)制都是根據(jù)此一理論基礎(chǔ)所發(fā)展的；而其所提出的三種感光細(xì)胞的假設(shè)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果也得到了證明，奠定光譜三刺激值的基本概念，此一學(xué)說更可以說是現(xiàn)代“色度學(xué)”發(fā)展的根源。但是此一色彩視覺理論的缺點(diǎn)是不能滿意的解釋色盲（color blindness）現(xiàn)象。就色盲（color blindness）現(xiàn)象而言，helmholtz認(rèn)為色盲是因?yàn)槿狈δ骋环N（單色盲）或某二種，甚至三種（全色盲）錐狀細(xì)胞所造成，所以按照其理論，紅色盲、綠色盲和藍(lán)色盲是可以單獨(dú)存在的，但是事實(shí)上所有紅色盲的人幾乎同時(shí)也是綠色盲者，也就是說紅色盲的人一般都不能分辨紅色和綠色，稱為紅-綠色盲；同時(shí)根據(jù)其理論推斷，紅-綠色盲者應(yīng)該不會有黃色感覺——因?yàn)榧t-綠色盲是缺乏紅色和綠色錐狀細(xì)胞的，而黃色色彩感覺是由紅色和綠色錐狀細(xì)胞感應(yīng)形成，但是事實(shí)上紅-綠色盲者一樣有黃色感覺；另外依據(jù)其學(xué)理，三種感光細(xì)胞同時(shí)作用才會有中性色——白色或灰色感覺，色盲者至少缺乏其中一種錐狀細(xì)胞，應(yīng)該不會有中性色？白色或灰色感覺，然而即使是全色盲的人一樣有明度或白色的感覺。所以就“視覺色彩三原色理論”而言是有其矛盾之處及其無法解釋之現(xiàn)象，因此就有另一學(xué)派的色彩視覺理論產(chǎn)生——hering之“對立色色彩理論”。至于“對立色色彩理論”將留待下一期的專文中再來加以探討與說明。
四、對立色色彩理論
在前一期文章中，我們針對“視覺色彩三原色”的色彩視覺理論做了一番詳細(xì)的探討，接下來我們將持續(xù)來研究“對立色色彩理論”。在1878年時(shí)，德國的生理學(xué)家ewald，根據(jù)精神物理學(xué)的研究觀察發(fā)現(xiàn)，紅-綠、黃-藍(lán)、黑-白總是呈現(xiàn)對立關(guān)系的色彩現(xiàn)象；也說是說紅和綠、黃和藍(lán)、黑和白不可能同時(shí)存在于任何的色彩感覺當(dāng)中。所以hering提出了“對立色色彩理論”學(xué)說（opponent colors theory或opponenyt process theory），他是假設(shè)在視覺機(jī)構(gòu)中的感光細(xì)胞存在有上述三種對立色的反應(yīng)。而根據(jù)上述的假設(shè)說明，可以知道hering學(xué)說主張：“色彩空間是屬于三度空間，其分別為紅-綠、黃-藍(lán)、黑-白等三個(gè)雙極座標(biāo)軸，而三個(gè)對立色的反應(yīng)作用組合，則產(chǎn)生各種色彩感覺和各種色彩混合現(xiàn)象”。所以hering的“對立色學(xué)說”又稱為“四原色學(xué)說”，因?yàn)樗J(rèn)為產(chǎn)生各種色彩感覺現(xiàn)象是由紅、綠、黃、藍(lán)等四種顏色所形成。
hering“對立色色彩理論”學(xué)說的提出，解釋子下列幾個(gè)事實(shí)與現(xiàn)象：
1. 補(bǔ)色殘像：此一現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)某一色彩刺停止時(shí)，與該色彩相關(guān)的對立色彩便開始作用，因而產(chǎn)生該色的對立色——互補(bǔ)色。
2. 同時(shí)對比：當(dāng)視網(wǎng)膜正發(fā)生某一對之對立色彩的刺激反應(yīng)時(shí)，其相臨部分便會產(chǎn)生同時(shí)對比的現(xiàn)象。
3. 色盲現(xiàn)象：由于色盲現(xiàn)象是因?yàn)槿搜鄣哪骋粚Γt-綠或黃-藍(lán)）或兩對的對立色反應(yīng)作用過程無法進(jìn)行所造成，所以色盲常常成對的出現(xiàn)，即色盲通常是紅-綠色盲或者是黃-藍(lán)色盲，而兩對的對立色反應(yīng)作用過程無法進(jìn)行時(shí)，則產(chǎn)生全色盲現(xiàn)象，此一論點(diǎn)解釋了先前色彩視覺理論中“視覺色彩三原色”學(xué)說無法說明的色盲現(xiàn)象。
雖然如此，hering學(xué)說也有其缺點(diǎn)，就是對于紅、綠、藍(lán)三原色能夠產(chǎn)生所有光譜色彩的現(xiàn)象并無法得到滿意的解釋。但是無論如何hering所提的對立色學(xué)說，在近年的色度學(xué)理論中是一相當(dāng)重要的學(xué)理，最明顯的例子就是cie的lab、luv等色彩空間座標(biāo)都是應(yīng)用hering所提的對立色，紅—綠、黃—藍(lán)、黑—白三個(gè)座標(biāo)所組成，所以hering的此一色彩視覺理論對于近代色度學(xué)來說也是相當(dāng)重要的基礎(chǔ)理論。
五、階段視覺色彩學(xué)說
階段視學(xué)色彩學(xué)說最早是由g.e.muller（1930）及judd（1949）所提出，他們認(rèn)為長久以來，一直在色彩視覺理論（color vision theory）處于對立的狀態(tài)的視覺色彩三原色理論與對立色色彩理論，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)兩者是可以加以統(tǒng)合與相互配合的，并且對于人眼色彩視覺的現(xiàn)象做了更為完整的解釋與說明。但是階段視覺色彩理論是如何將“對立色色彩理論”的四種對立色代謝反應(yīng)過程與“視覺色彩三原色理論”加以整合而成的呢？以下我拉就來加以探討。
當(dāng)光線理入人眼視網(wǎng)膜內(nèi)時(shí)，錐狀細(xì)胞中的感色物質(zhì)（photo pigments）會選擇性在吸收不同波長光譜的輻射，同時(shí)每一種錐狀細(xì)胞根據(jù)光刺激量又可獨(dú)自產(chǎn)生明度（黑或白）與色彩（紅、綠、藍(lán)）的反應(yīng)。在此一階段中即可應(yīng)用young-helmholtz視覺色彩三原色理論及色光混合實(shí)驗(yàn)來解釋視覺色彩的現(xiàn)象。
由于錐狀細(xì)胞是與視神經(jīng)細(xì)胞相連結(jié)，所以錐狀細(xì)胞受到光刺激后引發(fā)的神經(jīng)脈沖會再形成視覺色彩信號，其信號內(nèi)容分析如下：
（1） 中性色信號（achromatic signal）——負(fù)責(zé)明度信號的整合，接收由三種錐狀細(xì)胞所形成的明視覺明度信號（photopic achromatic signal）。
（2） 彩色信號（chromatic signal）——負(fù)責(zé)色彩信號的整合，接收由三種錐狀細(xì)胞。
所形成的紅色、綠色及藍(lán)色等彩色信號；在此一階段其色彩信號以下列三個(gè)色差信號來表示：c1=r-g；c2=g-b；c3=b-r（r、g、b分別代表三種錐狀細(xì)胞所產(chǎn)生的信號）。而這三個(gè)色差信號c1、c2、c3經(jīng)由神經(jīng)纖維向神經(jīng)中樞傳輸過程時(shí)，則產(chǎn)生及整合成兩種彩色信號，其為c1與c3-c2。
所以在此階段中形成三對對立色的神經(jīng)脈沖反應(yīng)，其信號如下所示：
（1） 明度信號…………黑色與白色的對立色
（2） 彩色信號c1…………紅色與綠色的對立色
（3） 彩色信號c3-c2…………黃色與藍(lán)色的對立色
而在錐狀細(xì)胞接收光刺激向神經(jīng)中樞傳輸過程，所產(chǎn)生的三對對立色的神經(jīng)脈沖反應(yīng)，剛好就符合hering的對立色色彩理論。
如果我們把上述的文字說明以下面圖形來表示，更可以清楚地了解階視覺色彩理論如何整合兩項(xiàng)視覺色彩理論，以產(chǎn)生色彩視覺現(xiàn)象。
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