色彩学原理

色 彩 學

色彩產生的要素：光源、被照射物體、眼睛、大腦 光（能量）－＞物體－＞眼睛－＞腦－＞視覺形成 1.1 光 1666年牛頓(Issac Newton 1643~1727)以三稜鏡分解太陽光， 發現其由許多不同色光諸如紅、橙、黃、綠、藍、靛 (indigo)、紫等等所組成。
圖1.1-1 牛頓 (Sir Issac Newton 1643~1727)

圖1.1-2 可見光譜 380nm以下：紫外線 (Ultraviolet) 380nm~450nm：紫 (Violet) 450nm~490nm：藍 (Blue) 490nm~560nm：綠 (Green) 560nm~590nm：黃 (Yellow) 590nm~630nm：橙 (orange) 630nm~780nm：紅 (red) 780nm以上：紅外線(Infrared) --R. W. G. Hunt, Measuring Colour, 2d, Ellis Horwood, London, p. 22, (1992). Nm: nanometer，百萬分之一公釐(a millionth of a millimeter)或 10-9 公尺。

振幅：光波之高低起伏，影響彩量。 波長：兩個振幅間之距離，影響色相。 頻率=光速／波長 (frequency=velocity/wavelength)
圖1.1-3 光波 光通過介質時其波長變短而光速(velocity)變慢，但頻率不變。 真空中之光速約為2.998X108 m/sec

1.2 人眼 眼睛等於捕捉光線的攝影機，而大腦是組成影像的機構。 1.2.1 眼睛的構造 角膜 (cornea)：如同相機的濾鏡 虹彩 (iris)：控制瞳孔的縮放，如同相機的光圈。 水晶體 (lens)：如同相機的鏡片。 玻璃體 (vitreous humor) ：如同相機的暗箱 視網膜 (retina)：如同底片 視神經 (optic nerve)：將收集到的光線轉化為脈沖傳向大腦，如同光纖。 中心窩 (fovea)：視細胞最密集之處，為視線投影到網膜上的焦點。 盲點 (blind spot)：視神經與眼球的接點，該處無視細胞所以無法感光。 眼皮 (eyelid)：如同相機的快門
圖1.2.1-1 人眼構造圖

據波馬克與達特諾之研究，視細胞對光的敏感度在光譜上高低不一，呈曲線分布。 三種錐狀細胞：r, g, b r細胞或R細胞：最高感度點在紅(橙)色區564nm處 g細胞或G細胞：最高感度點在綠色區534nm處 b細胞或B細胞：最高感度點在藍色區420nm處 桿狀細胞：最高感度點在綠色區約500nm處
圖1.2.1-2 柱狀細胞與錐狀細胞光譜敏感度曲線圖 (Bowmaker & Dartnall, 1980)

2.1.1 Young-Helmholtz 三原色學說 (Trichromatic Theory 或 Three Component) 英國心理學家楊格(Thomas Young 1773-1829)於1802年提出三原色說。 他發現混合紅、綠、藍三色光可得到各種不同的色彩。 德國心理學家亨姆霍茲(Herman L. F. von Helmholtz1821-1894) 驗證其學說並發表於其＜生理光學＞(Physiological Optics 1866)一書中。
圖2.1.1-1亨姆霍茲(Herman L. F. von Helmholtz1821-1894)

三原色學說假設在視網膜上有三種錐狀細胞，各自和腦皮層中的三種神經纖維連結。 各種細胞若受到刺激便產生各一種不同的色覺，分別為紅、綠、藍。由於光波長有異， 三種細胞所受到刺激的比例不同，所總合得到的色彩便不相同。 例如：等量紅與綠刺激產生黃色覺，等量綠與藍刺激產生青色覺，等量藍與紅刺激產生紫紅色覺。 英國馬克斯威爾(James C. Maxwell)於1861年利用三原色光的混合法，製作出第一張彩色照片。
圖2.1.1-2馬克斯威爾(James Clerk Maxwell, 1831-1879) 亨姆霍茲並發現色光之加法混色與色料之減法混色的差異。 三原色學說的缺點是無法解釋色盲現象。

2.1.2 Hering 對立學說 (Opponent-Process Theory) 德國心理學家赫林(Edward Hering 1834-1918)以心理物理，研究刺激與感覺的關係)的方法進行研究， 發現視覺具有紅－綠，黃－藍，黑－白的對立關係。人眼無法同時看到對立的色彩。 他認為此過程由同化作用(anabolic process與異化作用(katabolic process)引起。 異化作用所產生的神經刺激可導致上述三色對之紅、黃、白的色覺，而同化作用可引起綠、藍、黑色覺。 赫林的學說解釋了補色殘像與色盲的現象。 2.1.3 階段學說 (Zone Theory或Stages Theory) 階段學說由G. E. Miller (1930)及Deane B. Judd (1949, 1951)提出。此學說認為色覺分為三階段形成： 第一階段：同Young-Helmholtz學說 第二階段：錐狀細胞受刺激後產生神經脈衝經由視神經傳向大腦。 第三階段：大腦皮層(cortex)的視覺中樞分析所收到的無彩色訊號Aa，及彩色訊號C1、C2、C3，作出色彩判斷。 無彩色訊號(achromatic signal) Aa：三種錐狀細胞之明度訊號總合 Aa=2Ra+Ga+Ba/20 （白－黑） 彩色訊號(chromatic signal) C1, C2, C3：三種色差訊號 C1=Ra-Ga （紅－綠） C2=Ga-Ba C3=Ba-Ra C２-C３=Ga-Ba-(Ba-Ra)=Ga-2Ba+Ra （黃－藍） 最後形成Aa, C1, C3-C2三個訊號，分別顯示灰階、紅或綠量、黃或藍量。

2.1.4 馬克斯威爾轉盤 牛頓於1670年代發現旋轉的色盤所生成的色彩融合現象，但直到1850年代馬克斯威爾(James Clerk Maxwell)闡明， 在上述方法中色彩之光學性融合現象符合色光混合的理論。因此，若轉動一個半綠且半紫的圓盤會呈現藍色。 他也說明，在色盤上不同色彩因轉動而產生的混色現象僅為看起來混色，非生理上因不同色光之刺激而得的混色， 而是色盤表面反射的光之總合，所以其色的彩度無法如真正的加法混色所得色彩那樣高。 2.2 色彩三屬性 色彩三屬性為色相、明度、彩度