色彩學(xué)大師羅伯韓特的臺(tái)灣講座（上）

英國最著名的當(dāng)代色彩學(xué)泰斗professor robert w.g. hunt羅伯韓特教授，應(yīng)工研院光電研究所邀請于06年9月4至5日，為臺(tái)灣薄膜晶體管液晶顯示器產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，講述「色彩科學(xué)與影像應(yīng)用技術(shù)」color scienc and image application講座，在這次難得的機(jī)會(huì)與享譽(yù)國際的英國色彩科學(xué)大師面對面的聽講，看這位科學(xué)家實(shí)事求是的表演色彩原理風(fēng)范，做很多色彩及影像學(xué)方面表現(xiàn)就像魔術(shù)般的技巧，同時(shí)在韓特教授身上得到孔圣的「學(xué)不厭、教不倦」教誨印證。韓特教授獲得博士學(xué)位近60年仍著述不斷，在專業(yè)上力求精進(jìn)，中午時(shí)間有幸和大師用餐，其平易近人的風(fēng)范也讓有人即之也溫的感受。
筆者對韓特教授推崇備至乃緣于1950年左右，當(dāng)時(shí)韓特博士即任職于柯達(dá)公司的色彩研究室工作，柯達(dá)出版一系列色彩及影像復(fù)制的相關(guān)彩色圖書，是最有內(nèi)容、最精美的色彩復(fù)制范本，家父陳耿彬先生在1951年、52年開始研究彩色攝影時(shí)，很多彩色知識(shí)就來自這一套叢書，1958年筆者進(jìn)到印刷界當(dāng)學(xué)徒，有幸讀到這一系列由韓特教授們所撰寫的十多本叢書，可說受益無窮，像一本書名colors as see and photograph色彩視覺及攝影的書，敘述很基礎(chǔ)的色彩四種產(chǎn)生模式「吸收、折射(色散)、干涉及變化表面」，使得長年在印刷業(yè)只用吸收性顏料來做色彩表現(xiàn)之外，對其他免顏料的色彩表現(xiàn)方式也存有好奇和期待，今天有很多利用干涉波制作的冷燙、熱燙金錫箔，就是利用很精細(xì)的干涉波細(xì)凹陷溝槽條紋來完成。color separation彩色分色則是當(dāng)時(shí)最迫切被應(yīng)用在研發(fā)工作上，使用相機(jī)、濾鏡及修色片，做修色及分色工作的理解和學(xué)習(xí)，包括當(dāng)時(shí)最好的magenta masking，對漂白過的銀鹽干板，使用magenta洋紅染料做修色片染色的方法，可惜筆者并沒有去完成它。以dye transfer彩色染色印像法的制程，和印刷以分色及復(fù)合cmy三色染料影像，彩色相紙影像形成幾乎百年不變，這種印像法使用近五十年才停止。它給予印刷分色者一個(gè)最大的流程啟示，因?yàn)橹挥凶詈蟮某上癫糠荩琩ye transfer是在分色陰片轉(zhuǎn)分色陽片做染料染色再轉(zhuǎn)寫于接收相紙上，而印刷工程就要用過網(wǎng)片再曬版印刷才能得到彩色印紋。當(dāng)年柯達(dá)這一系列色彩及照相應(yīng)用叢書，是我學(xué)習(xí)分色的最大啟蒙恩師，將近五十年后又能和參與著作者之一的韓特教授面對面聽講、對談，是一份很殊勝因緣。
目前韓特教授有the reproduction of colour彩色的復(fù)制(第六版)及measuring colour色彩量測(第三版)，兩本書為代表作。韓特教授不只著作等身并且桃李滿天下，也經(jīng)常參與很多色彩學(xué)上面量測、表現(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)的制定，如今天仍在研究所、大學(xué)教書，在1978年從柯達(dá)研發(fā)單位退休下來，仍在色彩及影像基礎(chǔ)及應(yīng)用上不停的研究。本次講題在上述兩本書中可以看到全貌，由英國wiley-is & t series in imaging science and technology公司出版。
第一節(jié)　視覺系統(tǒng)(the visual system)
可見光頻譜演色
彩色科學(xué)源自光源、被照體及人類視覺系統(tǒng)而成的，在色彩科學(xué)里我們需要彩色頻譜，而這些彩色頻譜一如掛在天際彩虹的色彩頻譜一樣。比400nm稍短的紫光到500nm綠光一直到700nm或稍長一點(diǎn)點(diǎn)的紅光，是形成人類視覺上完整的色彩頻譜。一個(gè)奈米nm等于一公尺的負(fù)九次方，也就負(fù)三次方為mm、負(fù)六次方為µm微米、負(fù)九次方(十億分之一)為nm(奈米)。紅色光頻譜分布只在550nm之后的較強(qiáng)烈能量，低于500nm紅光則含很少能量。不過自然界和人造色光的頻譜并不如想象完整平順，在視覺系統(tǒng)上，兩個(gè)看來相同顏色，可能色域頻譜上有相當(dāng)?shù)牟町惔嬖冢愖Vmetamerism現(xiàn)象，也一直使色彩復(fù)制和人類視覺，在光源變化下，會(huì)有時(shí)看來同色、有時(shí)看來不同色的困擾存在。人類接受光和影像是使用眼球，retina網(wǎng)膜是感受光成像的基礎(chǔ)感應(yīng)層，而成像于網(wǎng)膜上的連續(xù)影像，腦視神經(jīng)仍要做很多補(bǔ)償、組合、模擬工作，才能使視覺完成必要的辨識(shí)、反應(yīng)及儲(chǔ)存工作。在眼球底部視覺窩狀部，只有0.5mm尺寸上布滿數(shù)百計(jì)視神經(jīng)及光的接受體，這里面使用微電子訊號來傳遞訊息，色彩辨識(shí)是有賴于不同色彩顏料組織在視網(wǎng)膜層底部作用，可避免強(qiáng)光在網(wǎng)膜上發(fā)生折射、漫射。由總數(shù)600萬個(gè)視覺神經(jīng)錐(錐狀體)在分辨顏色、以及1億個(gè)視覺神經(jīng)桿在分辨影像形狀，使用一百萬單位神經(jīng)系統(tǒng)在傳遞訊息，使其中錐狀體才能有色彩感覺，而桿狀體只有光的強(qiáng)弱訊號接收，是沒有色彩感覺。由網(wǎng)膜傳輸電子訊號大約在70m volt伏特，也就是維持在0.07v的一定電壓程度，以頻率變化維持訊號變化。在視網(wǎng)膜上錐狀體以p視神經(jīng)錐最多，它對長波長紅光敏感，占了視神經(jīng)錐的多數(shù)，是r視神經(jīng)錐2倍、是β視神經(jīng)錐20倍，所以在影像構(gòu)成上是以p視神經(jīng)錐為主體，再輔以r視神經(jīng)錐，β視神經(jīng)錐在數(shù)量上少，而且在眼球光學(xué)體系折射角大，焦點(diǎn)也不準(zhǔn)確。在人類視網(wǎng)膜斷面，最向外面的是1.視覺神經(jīng)纖維、2.神經(jīng)結(jié)、3.連結(jié)組織、4.視神經(jīng)桿、視神經(jīng)錐感光部份、5.背面是顏料辨色及防光折射、眩光層，所以在構(gòu)造上傳輸訊號的神經(jīng)纖維、神經(jīng)結(jié)反而更面向眼球受光前方。在三色敏感神經(jīng)錐各有不同光線頻譜的分布，這三色訊號和今天電視用彩色訊號很相近。因?yàn)橹鞑ㄒ曰旌?p波+1r波及(1/20) β波的訊號，它是明度訊號，主要形成整體黑白畫面，另外由p-r訊號為紅到綠的訊號，代表lab中的a到a-的橫軸訊號，另外一個(gè)由p+r-2β的黃到藍(lán)訊號，代表lab中的b到b-訊號，這樣的彩色影像構(gòu)成，就是以明度訊號的黑白影像為主體，構(gòu)成a到a-及b到b-的色彩訊號，形成整體色立體空間表示法，在訊號上變成更為簡約，而構(gòu)成影像也比較銳利鮮明，(編者注：事實(shí)上今天我們所用的ccd相機(jī)，其感光綠色g或y畫素占二分之一，構(gòu)成影像形狀主體，紅色r畫素及藍(lán)b畫素各占四分之一，在影像形成時(shí)再做結(jié)合，形成新的計(jì)算后影像。)三訊號形態(tài)取代三色的視神經(jīng)錐(錐狀體)平均訊號，一如在地圖上以二維東西、南北方向，加上等高線表面從海平面向上或往下到海底、海床的深度，形成三維立體的標(biāo)示原理是一樣的道理。在色彩上如果把明度降低往往可得到更濃的色彩感覺，在視覺體系及電視視訊上都采用這類技術(shù)，一方面提高影像銳利度、另一方面可以使主訊號之外，其它紅－綠、黃－藍(lán)訊號大幅減少，而產(chǎn)生更好的傳輸效率。
在視網(wǎng)膜上影像要經(jīng)視覺處理才是我們習(xí)見影像
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第二節(jié)　以光源及波長頻譜(light sources and spectrophotometry)
世界上很多物體本身是不會(huì)發(fā)光，必須有光源做照明顯現(xiàn)，否則在暗夜中看不見風(fēng)景、綠樹、紅花，電視屏幕自身帶有發(fā)光體，所以可以在沒有外界光線下，顯現(xiàn)色彩和影像來。在人造光源里和日光有相當(dāng)程度不同頻譜，像熾熱的鎢絲燈光和各種氣體用電流脈沖發(fā)出的色光，都俱備不同的光譜分布特質(zhì)。一張紅紙?jiān)谌展饣蛟阪u絲燈光底下，可以充份給予足夠的紅色光譜，來顯現(xiàn)它紅紙反射光譜分布領(lǐng)域，如果一朵紫色的花，在日光底下能表現(xiàn)出它紫色充份的色彩光譜，但放在鎢絲燈光底下，則變得黑黯無色，因?yàn)殒u絲燈光未能提供足夠或只有很少的藍(lán)紫色光的光頻譜，所以無法呈現(xiàn)出紫色花的色彩特質(zhì)。很多光源來自熾熱體所產(chǎn)生的輻射光，如日光、火焰或熾熱的鎢絲，某些則是黑體發(fā)光planckian radiators，由500k的溫度則只發(fā)生紅外線輻射，而沒有可見光只感到熱，2000k就有部份可見光、3000k則紅光多、藍(lán)紫色光少，5600k較平均、10000k則紅光比藍(lán)紫光少，20,000k則在藍(lán)紫及紫外光更大比例，所以色溫是以黑體發(fā)光的溫度的相同比例色光稱為色溫度color temperature。和人類息息相關(guān)的太陽光能源，其表面溫度達(dá)到數(shù)百萬度高溫，在太陽表面色溫度則在5800°k左右，在地球上有大氣層、云彩的變化下，色溫成為5500°k左右，不過如果云層變厚或其它云霧作用下色溫變化也很大。地球因?yàn)橛写髿鈱觼碚凵涮柟猓谟钪嫔峡雌饋砣缤粋€(gè)藍(lán)色星球，地球上的色溫平均為5630°k的數(shù)據(jù)。在日光斜射地球，因折射角關(guān)系，色溫會(huì)降得很低，帶有黃橙顏色。在日光c的光頻譜和cie所訂定d65光頻譜分布最為相近，稱為d光源。而其它d75光源為(7504k)室內(nèi)高藍(lán)光燈，用于分辨黃色系油漆及顏料。d65(6504k)在室內(nèi)廣泛使用，白紙檢測比d55更敏銳。d55(5503k)以日光加天空藍(lán)光，對攝影顏色再現(xiàn)很相宜。d50(5003k)是室內(nèi)暖白光，印刷業(yè)喜用d-50色光判讀色彩再現(xiàn)。某些人造光源其色光頻譜分布不只不平均，而且有時(shí)只有很窄幅的一小段光譜，像低壓水銀鈉氣燈，只有在595nm及600nm間窄幅發(fā)光，所以光頻譜非常窄化，不適于做判讀色彩的光源。日光燈有不同熒光粉涂布，其發(fā)光頻譜也是十分不平均的，有很多窄頻凸出現(xiàn)象。由于發(fā)光頻譜存在相當(dāng)差異，所以同色異譜現(xiàn)象也就會(huì)常常發(fā)生，在不同光源下，有時(shí)看來顏色相同有時(shí)又不同。如果使用較低色溫的鎢絲燈，加上藍(lán)色系dichroic反光罩，整個(gè)發(fā)光頻譜和d50就有極為相似的完整發(fā)色，這一點(diǎn)是很少光源可以模擬的。水銀燈加碘素可改善光的頻譜接近自然光，但仍有距離，倒是xenon氙氣燈的發(fā)光頻譜和自然光分布十分相近，以前拿來做照相分色和掃描分色的原稿照明光源，現(xiàn)在汽車、機(jī)車車燈也改用hid氙氣燈做為照明光源。led(發(fā)光二極管、light emitting diodes)窄幅只有40nm寬的光頻譜，以藍(lán)、青綠及紅光，做交通號志、發(fā)光展示牌、車燈到未來照明，它有長壽、低發(fā)熱、高電能效益等優(yōu)點(diǎn)，如果led加磷化合物，可產(chǎn)生紫外線uv光的led。另外視角和光源角度的變化，對顏色判讀有很大影響，像macbeth的霧面色標(biāo)，由45°角到20°、10°角都可以看到相同色彩表現(xiàn)，但是復(fù)制后亮面的色標(biāo)在45°角、30°角表現(xiàn)良好，如果20°角、10°角的照明下，就產(chǎn)生一大片反光的色彩變化，因此一些評價(jià)光源角度和色彩再現(xiàn)，都必須十分小心處理，所以色彩量測頭的投光角度和色樣擷取角度，都要十分用心加以安排。熒光涂料或染料，是可以將紫外光變成可見光的物質(zhì)，對于紙張?jiān)谧瞎狻⑺{(lán)光的反射改善有效果，如果添加于粉紅色的油墨，也可大幅改善對橙紅色域的反射效果，可攜式量測儀器也有0/45°角的光譜量測，供做色彩樣本的量測。
第三節(jié)　色彩的調(diào)配(colour matching)
韓特教授做洋紅色由r+b混合而來
首先韓特教授做色殘留現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，表示視覺上仍有相當(dāng)大的變因存在，在色彩的調(diào)配中，如果有色盲的人將無法勝任這項(xiàng)工作，這種從母系遺傳色盲基因，有全色盲、部份色盲或是色素顏料不全問題的色盲，但帶有色盲基因的女性，在色盲呈現(xiàn)人口比例上只有五分之一到十分之一少數(shù)，而男性高于女性五倍、十倍之比例以上的差異。由于視覺上只有p錐狀體、r錐狀體及β錐狀體，三種分布的光頻譜接收，所以有時(shí)判定相同顏色時(shí)，仍有同色異譜現(xiàn)象發(fā)生，有的色樣是寬頻譜，有的分散很窄頻譜的色彩，在人類視覺評價(jià)上有時(shí)會(huì)歸類為同色，卻有異譜存在，因不同光源色溫下看起色彩就不相同。常用的r、g、b濾鏡為雷登w25(r)、w57(g)、w47(b)的三色濾鏡，在配色理論是由馬蹄型色域xyz空間，取三角r、g、b坐標(biāo)，去量測，有偏差產(chǎn)生再做調(diào)節(jié)，在配色時(shí)如果r=8、g=48、b=24時(shí)，總量為80%，r=10%、g=60%及b=30%比例，所以有時(shí)藍(lán)綠色仍有10%紅色，來促進(jìn)色彩明度上升，這樣配色方式和視覺也不完全相同，因?yàn)橐曈X以2p+r+(1/20)b波的能量，做為主體影像明度配置，和三角型r、g、b理則性化配置并不相同的，因此無法全面吻合使用。
第四節(jié)　(the x, y, z system)
講述從rgb的頻譜比例，轉(zhuǎn)換成xyz色域表現(xiàn)以及如何計(jì)算，假設(shè)x+y+z=1，x=x/(x+y+z)、y=y/(x+y+z)、z=z/(x+y+z)，在加色法上，尤其是電視色彩再現(xiàn)，是使用這一套系統(tǒng)在每一個(gè)畫素色彩描述的方式。
xyz馬蹄型藍(lán)紫色光很窄小
第五節(jié)　色域圖形的統(tǒng)一(uniform chromaticity diagrams)
使用馬蹄型xyz圖法，基本上仍有rgb的數(shù)據(jù)所衍生出來，以前在1931年制定2°角所量測出來rgb光頻譜數(shù)據(jù)，和后來10°角所量測出來光的頻譜數(shù)據(jù)有所不同，尤其在藍(lán)光450nm部份，2°角量測相當(dāng)部份顯示不明訊號，與10°角量測不相同，而發(fā)展至今從1931年cie 2°角的色彩量測在450mm距離約為15mm的直徑、另一方面10°角在同樣450mm距離則有77mm視野直徑，所以2°角視野多用于影像界、10°角則多用于色彩界的量測。在不同角度如果換成xyz的數(shù)值，2°視角會(huì)比較平緩、10°視角就會(huì)高一點(diǎn)濃度，換成xy馬蹄型色域也有不同色域表現(xiàn)，在影像界要找像藍(lán)天畫面有10°角都是同一色彩、濃度的十分不尋常，因此2°角同一色彩由cie 1931年制定視角規(guī)范也就沿用下來。像繁花遍地的影像2°視角也算太大一些的，這和色彩立體是和實(shí)景相似，大家都認(rèn)為平面地圖容易使用，但地球一旦攤開來，往往北極和格林蘭都放大，而且看起來格林蘭要比在赤道的印度面積大一些。這種壓擠和放大效應(yīng)，在xy圖上也有黃、紅、綠部份放大，而藍(lán)紫色域有被壓縮很多的缺陷存在。將xy圖改變一下，似乎情況好多了。hue各色相的色飽和度，就是離開灰色、灰白、灰黑色越遠(yuǎn)的顏色越飽和，則hue色相上飽和度越高，在小朋友玩具不論什么色，都要用hue各色相色飽和度高的色彩，才容易引起孩童們注意力。在明亮地方我們?nèi)菀装l(fā)現(xiàn)色彩的飽和情況，在陰影、暗處就很難知道顏色是否飽和，由白點(diǎn)到色彩發(fā)生點(diǎn)的距離長短，市表現(xiàn)出該色的飽和度情況。在明度來講有時(shí)是很相對的，如果暗夜里一個(gè)小燈泡、led光就很明亮，到了白天就變得非常不明亮的現(xiàn)象，同樣白度也和亮度照度息息相關(guān)，照度不足也就無法顯現(xiàn)白度出來，人眼以prb的三波段在感知色彩，在2p+r+(1/20)b的主波分布，色彩p-r p+r-2b副波顯示，色度計(jì)以rgb及r'g'b'表現(xiàn)，cie xyz則以r0g0b0產(chǎn)生xy及z的明度坐標(biāo)和色立體表現(xiàn)，呈現(xiàn)馬蹄型色立體圖。色溫是由高緯度地方的科學(xué)家所制定的，所以d-65有點(diǎn)偏藍(lán)感覺。這不一定和全世界平均值一樣。
第六節(jié)　色域空間(uniform colour spaces)
孟賽爾的一頁色環(huán)
世界地形本來就不是平的，色域同樣也是立體空間三維的結(jié)構(gòu)。孟賽爾把色立體變成一株樹的形狀，樹干代表沒有色彩的中性色，往上面明度越高，往下面一直到黑色部份明度最低。在色彩「hue」色相方面除rgb三原光之外加上cmy共六色，另加yr橙色、gy黃綠色、bg藍(lán)綠色、pb藍(lán)紫代表b、p紫色及pr洋紅代表m，所以加了六色。在孟賽爾的色彩樹干越往上部份色彩明度越高。在「l」明度上l=100代表最白、最明亮，l=0代表全黑為最暗色，明度的階以3、7、12、20、30、43、60、80幾何級數(shù)等比的間距排列較合宜，侕10、20、30、40～100的算術(shù)級數(shù)不合宜，在明亮色的色飽和變化很容易知道，反之在暗部同一色彩的量變卻不容易察覺。「chroma」彩度是越遠(yuǎn)離中心灰色部份越遠(yuǎn)，色彩彩度越高，cie的luv是以算術(shù)級數(shù)呈現(xiàn)，y坐標(biāo)0°角是red紅、180°角是green綠色、90°角是yellow黃色、對面270°角是blue藍(lán)色色盤空間，用l明度值產(chǎn)生上下立體空間的呈現(xiàn)。△e色差是以三角立體空間來計(jì)算量測色和樣品色的色彩差距，除了前后飽和色誤差之外，上下明度差也在計(jì)算△e之列，另外一個(gè)是△h色相上的角度方位偏差，成為三維立體空間誤差上的量測及校正工具。cie luv系統(tǒng)用于加色法電視系統(tǒng)上，cie lab則用于減色法紡織、印刷系統(tǒng)上的計(jì)算。形成色彩計(jì)算的lightness明度是立體上下軸、a到a-是紅色至綠色平面軸、b到b-是黃色到藍(lán)色相對于a-b-90°另一條平面軸，a-a-及b至b-構(gòu)成色立體錐的一個(gè)平面部，距離軸線和軸線交叉點(diǎn)a0、b0的中心點(diǎn)越近，色彩越少，灰份越大，到a0、b0代表無色只有明度上、下位差而已，反之和a0、b0點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，表示色彩的彩度越大，在不同角度上也代表不同色相的色彩，這里面也涉及很多數(shù)學(xué)演算公式和演算方法，儀器有一定的敏感度和安定性數(shù)據(jù)，但人眼有區(qū)域性的補(bǔ)償效果，所以往往和儀器有相當(dāng)不同的差異和變化結(jié)果出現(xiàn)。


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