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產品知識  Product Knowledge

在五種感官裡,視覺裡包含「光」與「色」,都是可以量化來表示的,這是因為視覺反應具有加成性與較少的個人差,色彩的量化屬於色度學的領域,光的量化屬於光度學的領域。

顏色是什麼?
https://www.youtube.com/watch?v=UZ5UGnU7oOI&vl=zh-Hant

色度學主要目的在解決「色彩」的問題,色彩是我們人體五種感官(視、聽、觸、味、嗅)裡的「視覺」,任何具有視覺能力的人都可以輕易感知色彩,不過大部份的人都會覺得很難去描述什麼是「色彩」,這是因為色彩是一種心理的反應。我們偵測到的外部刺激有80%來自於視覺,關於視覺感知的中文字有217種,但是嗅覺感知的中文字只有18種,明顯得知視覺提供比其它感官還多的資訊。自從國際照明委員會制定配色函數(CIE 1931)以來,色度學已經成功應用在電視、印刷、照相與照明等產業的色彩複製與色彩評估之應用上,而屬於照明領域的LED更是必須應用到色度學。色度學不單只是屬於科學的領域,也是探索視覺藝術的終極問題。

色光三原色

在正常視覺的群體中,每個人對色彩認知都會存在一定程度的差異,因此就有必要利用科學的方式讓所有人對色彩有統一的認知。目前在色度學上被國際所引用的資料,是由許多正常視覺人群中觀測得出的平均結果,就技術應用的理論上,已具備足夠的代表性和可靠的準確性。在日常生活中,人們習慣把顏色歸屬於某一物體本身的特性,把它當作物體本身所具有的基本性質。例如人們常講的橘子的橘色,或是皮膚的膚色等對顏色的認知;但在實際上,人們眼中所看到的顏色,除了物體本身的光譜反射特性之外,和照明條件所造成的現象也有密切關聯。如果一個物體對於所有可見光波長都具有相同的反射特性,我們稱這個物體是「白色」,而這個「白色物體」是白色的結論是在「全部可見光同時照射下」所得出的;同樣的,這個白色物體,如果只用「單色光照射」,那這個物體呈現的顏色就不會是白色。

上面這種現象可以說明,人們眼中呈現出的顏色,不單取決於物體本身的特性,而且還與照明光源的光譜成分有密切的關係。所以,人們眼中呈現的顏色,是物體本身的特性與照明條件的綜合效果,色度學就是用來定義這些綜合效果的結論。

集數學、物理學、天文學、自然哲學於一身的英國人「艾薩克.牛頓(1643~1727)」,利用實驗證明,太陽白光是各種色光的集合。

透過三稜鏡的實驗,可以將太陽光分解出如彩虹般的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七色光,按照波長順序排列即形成光譜(Spectrum),可見光的波長與顏色的對應關係如圖:

這七色光當中,不能再進一步分解出其它色光者稱為單色光(Monochromatic light);因此,太陽白光可說成是所有單色光的混合。若這七色光減去其中任一種色光再混合,都得不到原來的白光,而會得到帶有顏色的光;這種現象可以用來解釋紅色物體因不會反射紫色與黃色的光,只能反射紅光,因而得到視覺效果為紅色。色彩可以想像是白光因物體反射或透射產生「破壞」所造成,可說成「色彩是被破壞的白光」。

自然界中所有物體表現出來的色彩,都可以由三種光按適當比例混合出來,便會對物體造成不同程度的吸收率與反射率,進而呈現在我們眼中。所以,紅、綠、藍就是組成各種色彩的基本成分,我們把這三色稱為「色光三原色」

三原色的光譜波長為:
435.8nm 波長約400~500nm的範圍屬光範圍;
546.1nm 波長約500~600nm的範圍屬光範圍;
700.0nm 波長約600~700nm的範圍屬光範圍。
這三原色的光波長在可見光光譜中各占三分之一。三原色中的任一色與另外兩個原色或其中一個原色等量相加,就可得到其它的顏色。

人眼色覺構造

人眼是透過何種構造來感知色彩?自古以來有非常多派系的學說,因為人眼能分辨由三稜鏡色散出多種的光譜色,所以可以假設人眼中含有感受各種光譜色的光接收器;如果是這樣,因為人眼大約能夠分辨1~3nm波長寬度的兩種顏色,那麼在可見光範圍內,人眼就必須具備100多種的光譜感知接收器,而且還必須存在於視網膜上,而這顯然與現實不合。也有人提出人眼中存在3種或四種甚至6~7種的光譜感度接收器的理論學說。

「三原色說(Trichromatic theory)」是「楊格Thomas Young(1773~1829)」在1802年提出,並於1894年由「亨姆.霍茲HermannVon Helmholtz(1821~1894)」定量發展而成。該學說指出「在網膜上存在能感受紅、綠、藍色的三種光接收器(錐狀細胞體),一切色彩特性都可以用這三種光接收器應答量的比例來表示」。例如,黃色被認為是紅色和綠色光接收器同時應答而產生。三原色學說中,光接收器只有三種,較少也單純易於理解;通過適當混合紅、綠、藍色就能再現幾乎所有顏色的實驗基礎,並不是由理論推導的學說,像是彩色電視、照相和印刷的再現原理,都是基於三原色學說而開發出來的,且色彩再現性相當充分,因此,三原色學說被認為是合乎現實且具說服力的學說。

「對立色說(Opponent-colors theory)」由「赫林Ewald Hering(1834~1918)」在1878年提出,他指出「網膜上存在著感應紅-綠、黃-藍、白-黑的三種光接收器,所有色彩特性都可以用這些光接收器的應答量比例來表示」。此學說是基於以下的事實得到的:即存在有帶黃的紅色而無帶綠的紅色,從而認為綠和紅是互為對立色,因此才稱為「對立色說」。在對立色說當中,認為有紅、綠、黃、藍四種色,因此也稱為「四色學說」

「三原色說」跟「對立色說」都是基於視覺經驗事實所建立的,兩者都能無矛盾的說明許多色覺現象。因此,不能判斷何者才是在網膜上真正產生的現象。但利用顯微光譜測定法,可以測定出人眼網膜上錐狀細胞體的光譜吸收反應,Brown和Wald於1964年發表了人眼錐狀細胞體的光譜吸收測定結果,證實確實存在波峰分別約為450nm、525nm、555nm的三種錐狀細胞體。另外,隨著電生理學的技術進步,可以將0.1um的微小電極插入網膜,研究其電感應,這種方式不需要測定光譜吸收,而是採用電子方式測定錐狀細胞體對色光應答的直接測定法,Tomita於1967年對鯉魚錐狀細胞體進行測定,也同樣清楚記綠了三原色應答的結果。

由這些結果可得知「三原色說」確實能夠解釋色覺構造,但Svaetichin於1953年將微小電極插入網膜中,發現了稱為「S電位」的電位光譜應答,S電位呈現出亮度應答和對立色應答,從而支待了對立色說。最初S電位被認為是錐狀細胞體應答,但經過Tomita的詳細測定後,得到了S電位是距離錐狀細胞體相隔數10um的位置上所產生的應答。

Crescitelli和Dartnall於1953年測得了暗視覺狀態下「桿狀細胞體」的吸收光譜。如同預料,桿狀細胞體的吸收光譜相似於暗視覺的。結果進一步證實了網膜上同時存在桿狀細胞體和三種錐狀細胞體,它們巧妙的分工,讓人眼能夠適應從0.0003~100,000 lux照度範圍的色彩變化,擔任控制視覺的重要作用。

此外,還有以四種光接收器組合來說明色覺現象的「色覺模型(Color vision model)」。

但是,根據心理實驗、顯微光譜、電生理學等的測定結果,還是以錐狀細胞體為主的三原色應答與後階段作用的對立色應答模型(階段學說Stage theory)最具說服力。

Vos和Walraven於1971年提出的色覺模型,認為第一階段是桿狀細胞的亮度應答和錐狀細胞的R、G、B三色應答,桿狀細胞應答直接成為暗視覺的亮度應答 ,在三種錐狀體的R、G、B應答中,R和G輸出的一部份合成為黃光(Y)信號,其後再進行各信號的減法運算,得到兩組對立色應答(R-G和R-B)。另外,原本認為在明視覺下桿狀細胞不起作用,但最近研究出桿狀細胞在500 cd/m²內仍有活性的報導;今後,階段學說等色覺模型預料仍有更進一步發展的空間。

表色系統及其術語

定量表示顏色稱為「表色(Color specification)」,所表示的數值稱為「表色值(Color specification values)」。為了表色而採用的一系列規則和定義,所形成的體系統稱為「表色系統(Color system)」, 開頭先將表色系統的分類和術語(Terminology)進行說明。

表色系統分為「顯色系統(Color appearance system)」「混色系統(Color mixing system)」。顯色系統以物體色外貌(Color appearance)為發展基礎,例如色票。混色系統是以光的混色(Color mixing)實驗為基礎,求出某一顏色調配所必要的色光混合量。下表列出顯色系統和混色系統的比較:

顯色系統中的色外貌是基於心理(Psychological)的主觀感覺,此感覺稱為「色覺(Color perception)」,其對象色稱為「知覺色(Perceived)」,知覺色一般包含「表面質感」、「距離感」和「周圍狀況」等知覺因素。在知覺色中,因對象的不同又再分為「物體色」、「光源色」、「開口色」等。「物體色(Object color)」是屬於物體本身並為人們感知的顏色,其下可分為反射光的「表面色(Surface color)」和透射光的「穿透色(Transmitted color)」。「光源色(Light-source color)」是指光源發出光的顏色。「開口色(Aperture color)」屬於無法判斷為何種發光物體所顯現的顏色,例如由通過小孔窺探藍色天空時看到的顏色。

在顯色系統中,會先分類為紅、綠、藍……等不同種類的顏色,稱其為「色相(Hue)」。另外,針對某一色相又可分類出亮色系和暗色系,例如紅色再區分成亮紅色跟暗紅色,即可將這群色系按照明暗感覺進行「明度(Lightness)」的分類。又另外,將同樣明度的色系,系如鮮紅和淡紅,再利用表示鮮豔的「彩度(Chroma)」來分類。所以,顯色系統具有色相、明度、彩度這三種「色彩三顯性」。在顯色系統當中,以「孟塞爾表色系統Munsell Color System」最具代表性。

除了「孟塞爾表色系統」之外,還有1923年奧斯華德(Ostwald)提出的「奧斯華德表色系統」、1955年德國工業標準(DIN)採用的「DIN表色系統」,以及1978年美國光學學會(OSA)發表的「OSA表色系統」等。也有以花、葉、皮膚或毛髮等特殊物質製作成的「色票表色系統」,但和「孟塞爾表色系統」相比不易量化。

在混色系統中,從知覺色中去除物體特有的知覺因素後,所取得的顏色感覺最單純,稱為「色感(Color sensation)」。開口色也可以說是一種色感,在侷限的觀察條件下觀察其他知覺色也能得到色感。從開口色產生的光進入人眼產生色感,我們把這樣的光稱為「色刺激(Color stimulus)」,任何色刺激都可以用相當於三種錐狀細胞應答量的三種色光之混色與其匹配,因此,一般不直接採用三種錐狀細胞的應答量,而是這三種色光混合量來表示該色的色刺激。

混色系統就是基於色刺激的性質而發展出來的,它採用三個數值來表示三種色的刺激程度,因此又稱為「三色表色系統(Trichromatic system)」,並且可把三種色光的混合量稱為該色刺激的「三刺激值(Tristimulus values)」,把色刺激值的光譜分佈稱為「色刺激函數(Color stimulus function)」。三刺激值是由色刺激函數和人眼心理上的光譜應答之組合而求出,因此屬於一種心理物理(Psychophysical)的數值。我們可以把表示色刺激值特性的三刺激值稱為「色度值(Colorimetric values)」,把用色度值表示的色刺激值稱為「心理物理色(Psychophysical color)」。因此,混色系統的表色值可用色度值來表達。

在一定的條件之下,混色系統的三刺激值與顯色系統的表示方式有一定的對應關係;為了進一步理解三刺激值,有時也變換成色相、明度和彩度。不論採用哪種表色系統來表示顏色,採用這三種獨立數值就已經足夠。在明暗的描述中多採用「明亮度(Brightness)」「明度(Lightness)」兩種用語,明亮度用在描述單純和明亮有關之視覺屬性,主用用於非相關色;而明度用在描述和相對明暗有關的視覺屬性,主要用於相關色。

CIE 1931標準色度系統(CIE 1931 Standard colorimetric system),簡稱「CIE 1931」

孟塞爾表色系統採用實際的色票,直覺上容易理解,但在表示任意顏色時,必須額外進行內插、外插等操作過程,其精密度較低;若採用三刺激值就能夠提高精密度,即使對於實際上不存在的顏色也能進行表色,如此才能被工業或應用到色彩的相關產業電子產業所採用。

在顏色感知的研究中,「CIE 1931表色系統是最先採用數學方式來定義的「色彩表色系統」,它由「國際照明委員會(CIE)」於1931年創立。CIE在配色方程式定義中,將[R]、[G]、[B]當成是單位向量,如同三維空間的x、y、z軸那樣的向量系統,稱為「色彩空間(Color space)」,任何顏色都可以用代表[R]、[G]、[B]的x、y、z軸的向量形式來表示。如下圖:

利用三維空間來表示任意顏色的值並不是很方便,尤其是在平面(二維)空間的紙本上更是難以完整表達。因此,改採用能夠在平面空間表達的「R+G+B=1」的方式來表示交點( r , g , b ),( r , g , b )可由下列公式求出:

由上述公式可知r + g + b = 1,因此,只要有( r , g , b )的其中兩項數值就能得知第三項數值。這樣的( r , g )條件式稱為「色度座標(Chromaticity coordinates)」,將色度座標表示成x y軸二維平面上的圖形稱為「色度圖(Chromaticity diagram)」,如下圖所示;利用( r , g )條件式的色度座標在色度圖上得到的位置點稱為「色度點(Chromaticity point)」,( r , g )也可表達成( x , y )。

把一系列不同絕對溫度的黑體輻射色度點連成一線,稱為「黑體軌跡(Blackbody locus))」「蒲朗克軌跡(Plancking locus)」,而照明常用的「色溫」一詞,可視為黑體軌跡上對應的絕對溫度並可直接求出。如下圖:

由色溫交點垂直延伸的垂線稱為「等色溫線(Isotemperture line)」,等色溫線上皆視為同色溫,但若將等色溫線無線延長,例如6000K垂線延長後會得到綠色光的值,這樣的方式是不妥當的。

均等色度圖

「CIE 1931」自1931年發表已來,在產業間得到廣泛的使用,但其中也發現了一些缺點。特別是色度圖的不均等,在應用上也產生了一些問題。定量表示色覺的差異稱為「色差(Color difference)」,如果利用xy色度圖上的距離來表示色差,會造成知覺的不均等。假設明亮度相同的色光A、B、C、D,當這些色光表示在色度圖時,A和B與C和D的兩距離相同,因距離相同,這時會被認為感知差異量也應相同,但在實際上,隨著色度圖的位置不同會有相當距離的差異產生;對於相同距離會出現較大的感知差異量,或是出現難以分辨的感知差異量,這種情形顯然不是很合理。

如下圖,相同顏色的感知差異量,在不同的位置,呈現的橢圓大小範圍也不盡相同。

實踐色度圖的均等性是非常重要的工作,迄今為止,有不少的實驗結果被發表出來。麥克爾當David L. MacAdam(1910~1998)對x y色度圖的不均等性做了更詳細的研究,他針對特定顏色(中心色)的許多方向上採用加法混色進行多次配色實驗,針對亮度相等的顏色、距離相等代表感知差異量也相等的色度圖稱為「均等色度圖(Uniform-chromaticity-scale diagram)」或稱為「UCS色度圖(UCS diagram)」。MacAdam提出的色度圖,對x y色度圖的不均等性進行了某種程度的改差,變換公式也相當簡單,因此,CIE於1960年將它當作「CIE 1960 UCS色度圖(CIE 1960 UCS diagram)」向各國推薦。

在該色度圖中,將色度座標x , y或三刺激值X, Y, Z按照下式公式可變換成新的色度座標u , v

因該色度圖採用u , v來當作色度座標,也稱為u v色度圖」,如下圖:

下圖為u v色度圖上的橢圓和 x y 色度圖上的橢圓比較圖:

橢圓的均等性稍有改善,但如果要達到一個完全均等的色度圖,橢圓應該變為半徑相等的圖才對,因此,目前還不能說u v色度圖是完美的。

自1960年u v色度圖被推薦以來,已得到廣泛的應用,像是LED色溫的定義,或光源顯色性評價上的應用。後來Eastwood又提出了將縱軸v值擴大1.5倍使色度圖均等性改差的作法。CIE以此為基礎為u v色度圖繼續進行改良,並於1976年推薦可以採用下列公式進行轉換的u’, v’色度圖,


此色度圖稱為「CIE 1976 UCS色度圖」或稱u’ v’色度圖」。不過Eastwood的做法對於CIE 1960不均等性的改善程度並不明顯。

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