[平面知識] 色彩 構成 定義

一、認識色彩   
　　色彩是怎么形成的，自古以來就受到人們的注意，從1930年**始，以色彩為研究對象的色彩科學即成為一門新興的應用科技，受到科技界及工業界的重視。在我們生活的周邊環境中，色彩幾乎無所不在的圍繞著你，色彩與每個人都發生了極為密切的關系，舉凡食、衣、住、行、育、樂等方面；而色彩對于每個人的情緒、情感、個性亦有深入的影響。那么什么是色彩呢？色彩是怎樣產生的？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，而且色彩技術領域包括數學、物理、化學、生理及心理等科學的知識，所以為了建立讀者正確的色彩技術基本概念，將于往后的文章中予一一闡述，介紹有關色彩技術觀念及知識。  

　　色彩的感覺是一種錯綜的復雜的過程，根據科學上的解釋及定義——色彩形成的主要因素是因為光源照射到物體后，其透（或反）射的光再刺激肉眼以產生色彩的感覺，所以色彩的形成不僅是與光的刺激有關，也與肉眼的視覺器官有關。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膜受光刺激所引發的現象，所以光對于色彩的形成就扮演著關鍵性的角色。  

　　然而光是什么呢？光是一種電磁波，因為光具有反射、干涉、偏振等波的特性，而且光與物體作用的光吸收現象，它又是一種帶有能量的光量子，所以光兼具有波動及量子的物理特性。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度。由于電磁波的范圍相當大，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上產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生不同的色彩感覺。1. 發光體——是指能向周圍空間輻射光的物體，亦稱為光源。  

　　2. 非發光體——是指自然界中發光體以外的所有物質。

　　非發光體只有地光源照射下才能顯現出色彩，所以沒有光，就看不到物體的顏色，也就沒有色彩感覺。不同的物體因為其分子及原子結構不同，因此，當入射光照射在物體上時，某一波長的入射光與物體本身的特性相符時，物體就吸收此一波長的入射光，而將剩余的色光反**，顯現出物體的色彩，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至高能級的軌道上，這種現象稱為光吸收；而因為電子能階跳運至位于高能級的軌道上時是較不穩定的，所以電子隨后又回到原來穩定的軌道上，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，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及化學結構。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論——“自然界的物質本身可以說是無色的，因為物體本身對于光源中不同波長的色光，產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；光源是色彩顯現的第一要件，光源的變化對于色彩的顯現具有絕對性的影響�！�  

　　二、人眼視覺色彩系統

　　色彩的產生主要是因為人眼接收來自物體表面或內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構等三大因素所涵蓋，在前期的文章中對于光源照射到物體而產生的作用已經予以說明，而在本文中將針對有關物體反射或透射的光進入人眼視覺系統后，如何感覺到色彩的原由來加以闡述。  

　　1. 桿狀細胞

桿狀細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. 錐狀細胞

　　由于在微弱的光線下，錐狀細胞并無法產生作用，所以它是屬于低感度的細胞，適合于日間視覺；但是當光亮度達幾尼特的光亮條件下時，錐狀細胞即能夠分辨色彩和物體的細節，為低感度、高解析度的細胞。錐狀細胞包含了三種不同種類感色細胞，其分別為感受長波長的紅**光——（錐狀細胞、中波長的綠**光——（錐狀細胞以及短波長的藍**光——（錐狀細胞，所以錐狀細胞可以分辨色彩。其感度范圍在400~700nm 。三種不同種類感色細胞對于光譜波長的最大感度點（peak sensitivity）分別位于可見光譜中的藍**光范圍——420nm、綠**光——530nm及黃綠色光——560nm，在視網膜上的三種不同種類感色細胞其數量比例大約為ρ:γ:β=40:20:1。  

　　所以經由上述的解釋說明，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膜上的三種不同種類感色細胞的重疊光譜（overlapping spectra）特性，使可見光譜中的每一波長均具有唯一的吸收率，經由這三種錐狀細胞的吸收比例，人眼的視覺系統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胞，所以在色彩視覺理論上便發展出多年來一直在色彩科學上居于主導地位的“視覺色彩三原色說”——（Three-cimponent or Trichromatic theory），有關“視覺色彩三原色說”將于下次色彩技術專文中來予以說明。  

　　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對色彩辨識機制所發展出來的，其目的在于希望藉由此等色彩視覺理論來解釋或協助研究人員了解并掌握肉眼視覺與色彩產生的現象及關系。經過多年的研究，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**彩理論（Opponent-colors Theory）

　　3. 階段視覺色彩理論（Zone Theory of Color Vision）

　　有關“視覺色彩三原色理論”是最早被提出的學說，也一直在色彩科學上居于主導的地位；其后“對立**彩理論”才被提出，這項理論是除了視覺色彩三原色理論外的另外一個重要的學說，亦受到色彩科學界所重視；雖然這二種色彩視覺學說都可以解釋大部分的視覺色彩現象，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——學說是綜合“視覺色彩三原色理論”和“對立**彩理論”的基本概念，加以統合并相互補充配合而成。至于此三種色彩視覺理論的詳細內容，將陸續在色彩技術專文中來加以解說，在本文中將首先來探討“視覺色彩三原色理論”。  

　　在1802年時，英國Tomas Young發現利用紅、綠、藍三種色光混合，可以產生各種色彩，于是發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世紀末？1892年德國Helmholtz則加以驗證并闡述其學說，因此將視覺色彩三原色理論又稱為“Young-helmholtz色彩三原色理論”。  

　　四、對立**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的探討，接下來我們將持續來研究“對立**彩理論”。在1878年時，德國的生理學家Ewald，根據精神物理學的研究觀察發現，紅-綠、黃-藍、黑-白總是呈現對立關系的色彩現象；也說是說紅和綠、黃和藍、黑和白不可能同時存在于任何的色彩感覺當中。所以Hering提出了“對立**彩理論”學說（Opponent Colors Theory或Opponenyt Process Theory），他是假設在視覺機構中的感光細胞存在有上述三種對立色的反應。而根據上述的假設說明，可以知道Hering學說主張：“色彩空間是屬于三度空間，其分別為紅-綠、黃-藍、黑-白等三個雙極座標軸，而三個對立色的反應作用組合，則產生各種色彩感覺和各種色彩混合現象”。所以Hering的“對立色學說”又稱為“四原色學說”，因為他認為產生各種色彩感覺現象是由紅、綠、黃、藍等四種顏色所形成。  
        1. 補色殘像：此一現象是因為當某一色彩刺停止時，與該色彩相關的對立色彩便開始作用，因而產生該色的對立色——互補色。  

　　2. 同時對比：當視網膜正發生某一對之對立色彩的刺激反應時，其相臨部分便會產生同時對比的現象。

　　3. 色盲現象：由于色盲現象是因為人眼的某一對（紅-綠或黃-藍）或兩對的對立色反應作用過程無法進行所造成，所以色盲常常成對的出現，即色盲通常是紅-綠色盲或者是黃-藍色盲，而兩對的對立色反應作用過程無法進行時，則產生全色盲現象，此一論點解釋了先前色彩視覺理論中“視覺色彩三原色”學說無法說明的色盲現象。  

　　雖然如此，Hering學說也有其缺點，就是對于紅、綠、藍三原色能夠產生所有光譜色彩的現象并無法得到滿意的解釋。但是無論如何Hering所提的對立色學說，在近年的色度學理論中是一相當重要的學理，最明顯的例子就是CIE的Lab、Luv等色彩空間座標都是應用Hering所提的對立色，紅—綠、黃—藍、黑—白三個座標所組成，所以Hering的此一色彩視覺理論對于近代色度學來說也是相當重要的基礎理論。  

　　五、階段視覺色彩學說

　　階段視學色彩學說最早是由G.E.Muller（1930）及Judd（1949）所提出，他們認為長久以來，一直在色彩視覺理論（Color Vision Theory）處于對立的狀態的視覺色彩三原色理論與對立**彩理論，經過實驗研究證實兩者是可以加以統合與相互配合的，并且對于人眼色彩視覺的現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**彩理論”的四種對立色代謝反應過程與“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。  

　　當光線理入人眼視網膜內時，錐狀細胞中的感色物質（photo pigments）會選擇性在吸收不同波長光譜的輻射，同時每一種錐狀細胞根據光刺激量又可獨自產生明度（黑或白）與色彩（紅、綠、藍）的反應。在此一階段中即可應用Young-Helmholtz視覺色彩三原色理論及色光混合實驗來解釋視覺色彩的現象。  
             由于錐狀細胞是與視神經細胞相連結，所以錐狀細胞受到光刺激后引發的神經脈沖會再形成視覺色彩信號，其信號內容分析如下：  

　�。�1） 中**信號（achromatic signal）——負責明度信號的整合，接收由三種錐狀細胞所形成的明視覺明度信號（photopic achromatic signal）。  

　�。�2） 彩色信號（chromatic signal）——負責色彩信號的整合，接收由三種錐狀細胞。

　　所形成的紅色、綠色及藍色等彩色信號；在此一階段其色彩信號以下列三個色差信號來表示：C1=R-G；C2=G-B；C3=B-R（R、G、B分別代表三種錐狀細胞所產生的信號）。而這三個色差信號C1、C2、C3經由神經纖維向神經中樞傳輸過程時，則產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脈沖反應，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…………**與藍色的對立色

　　而在錐狀細胞接收光刺激向神經中樞傳輸過程，所產生的三對對立色的神經脈沖反應，剛好就符合Hering的對立**彩理論。