色彩原理

1. 色彩原理 • 色彩科學的先驅 - 牛頓 • 早在西元1666年初，牛頓進行磨制球面玻璃以外其他形式的光學玻璃時，突發奇想做了一個三角形的玻璃棱柱，利用它研究光線折射現象。 • 在一間漆黑的房間之中，牛頓從窗戶上一個小孔，讓適量的日光射進來，接著他把棱鏡放在光的入口處，使光能夠折射到對面的牆上去。接著，牛頓看到人類史上第一道由三棱鏡完成的人造彩虹。

2. 光是粒子 • 早在牛頓之前，人們基於對光的好奇，驅動了一系列的探討。缺乏系統的整理，終究不能形成一致性的理論傳世。 • 牛頓結合自己的實驗引導出光粒子理論，主張光是由『微小粒子』組成，並以極大的速度運動；而證據就是光的顏色分解及直線傳播。 • 牛頓用三棱鏡將自然白光分解從紅到紫的七種色光，證明白光並不是單一的，而是幾種不同色光的複合。 • 不同色光就是有不同的微粒（綜合染料實驗和助手導論），其中紫光微粒的質量最大，紅光微粒的質量最小。利用這種學說牛頓成功的解釋了光的折射、反射和玻璃透鏡發生之色散現象。光粒子說完美的合乎人們的日常直觀要求，就是光是直線行進的粒子流

3. 光是波動 • 十九世紀初葉，更多科學家發現了光的干涉、繞射和偏振現象，這些行為只適合以『光波動』論來解釋。加上牛頓的光粒子論解釋光在水中的傳播速度要大於在空氣中的傳播速度（因為水對光的折射），但相對地波動論則認為光在水中受到介質改變的影響，速度會減慢。 • 原始牛頓理論中假設，由介質對光微粒的吸引，使它們的速度發生變化，即造成光的折射。此假設中介質的光速將大於真空中的光速。 • 牛頓的微粒說，成功解釋光的直進、影的形成、反射、折射，加上這個時期人們還無法精確測量光速，因此光性質的爭論並未有一個完整的解答。

4. 1862年法國人福科首次測得了光在水中的傳播速度，證實了光在水中的傳播速度確實小於真空，這時光的粒子說才徹底被打敗了。1862年法國人福科首次測得了光在水中的傳播速度，證實了光在水中的傳播速度確實小於真空，這時光的粒子說才徹底被打敗了。 • 到了1863年麥克斯威爾發表著名的電磁方程式，揭示了光波其實也是電磁波的一種，這時波動理論的最後的一個難題 - 傳播介質（以太）問題被解決了。但麥克斯韋的理論告訴我們，電磁波的傳播不需要介質。變化的電場產生變化的磁場，變化的磁場再產生變化的電場。這樣，電磁場的交替就構成了電磁波由近及遠的傳播。 • 如果我們把光視為一種電磁波，則就不需要『以太』作為介質（事實上『以太』本身就是一個假設，而當假設不存在難題自然迎刃而解）

5. 愛因斯坦發表光二相性 • 光的微粒性質被推翻還不到百年，應用麥斯偉爾理論解釋雖可當時已知所有光學現象，卻又再十九世紀末，發現了一連串令人困惑的實驗結果『光電效應』。 • 光電效應是由赫茲（H.R.Hertz，1857一1894）在1887年發現，他發現部分金屬在受到光的照射而放出電子，這些電子的能量與光的頻率有關，此現象稱爲光電效應。 • 光電效應實驗又使光波動學說被打回原形，進而受到嚴峻考驗。 愛因斯坦於1905年一口氣提出了四篇影響甚鉅的理論，其中之一即是愛因斯坦根據一九○○年德國物理學家普朗克觀察熱物體會以離散量發出被稱為『量子』特定頻率的光，而提出『光量子說』來解釋該現象。 • 愛因斯坦認爲光是一束束以光速運動的粒子流，每一個光粒子（Photon ) 都攜帶著一份能量，當光粒子與金屬物質作用時，其攜帶的能量會傳導到物質上，形成光電效應。

6. 愛因斯坦的光理論成功之處，在於一方面既解釋了光所具有波動的性質，另一方面也可以反應出光確實具有粒子的表現。愛因斯坦的光理論成功之處，在於一方面既解釋了光所具有波動的性質，另一方面也可以反應出光確實具有粒子的表現。 • 這兩方面綜合說明了光不是單純的波和粒子，而是具有波粒二相性。這畫時代的認識，啟發了未來對量子力學的研究。 • 愛因斯坦的努力，成功化解長達數百年對光性質的爭論，也因此獲得諾貝爾獎（而非相對論）。 • 愛因斯坦這項光電效應理論讓後世生產了無數光電控制設備，包括數位相機，電動門感應器，影印機等，都利用到光電效應。

7. 從光線到色彩 • 色彩的呈現與光有密不可分的關係，物理界為了光的波動和粒子表現，打了近300年的論戰，終於得出了『波粒兼容』的結論。對光的徹底瞭解，使之在人的世界中，將寬廣的光電磁波譜，至終可劃分可見光線描述範圍，並簡化為頻率與波長的表示。 • 人眼可見光的波長從 400nm – 700nm，頻率為 750TeraHZ – 430THZ。這段光譜色彩表現，正好呈現了由紅到紫的七色彩虹。在這道彩虹的兩端雖也是光線，但為不可見光，我們所熟知的紅外與紫外線就是這兩種光。所有色彩的表現正是集中在這短短的波長範圍之中 ，瞭解之中的原理色彩學才能不斷的延續。

8. 人眼視覺解析 • 瞭解人眼所看到色彩其實是根源於可見光波波長和頻率之反應。 • 1801年，此時歐洲眼科學界大致確定人類眼睛視網膜是由兩種不同的細胞所組成：『柱狀 - ROD』細胞負責感光，『椎狀 – Cone』細胞負責感色。 • 單一的椎狀細胞並不包含能辨認每一種可見色彩的受體，反而是有3種不同受體的混合體，即對紅色（R）、綠色（G）和藍（B）色敏感。 • 這三色被定名為光之原色，也就是三原色。

9. 複雜的色彩環境 • 『色溫』的概念，一直要到19世紀英國物理學家威廉·湯姆遜·凱爾文男爵（William Thomson Baron Kelvin 1824-1907），也就是眾所周知『絕對溫度 K』定義者，才算真正的擁有完整答案。 • 他制定出了一套色溫計算法，測量一黑體（例如：低溫鐵塊）不斷升溫後所散發出來的波長光線轉以顏色呈現之結果。此一概念的想法是熱量（能量）以『光』的形式釋放出來時，不同溫度高低將形成不同的顏色。 • 凱氏經過不斷的實驗發現，光源顏色確實與該黑體所受之熱力溫度是對應地，從而色溫以凱爾文(。K)為單位表示絕對溫度高低。

10. 量度色彩表現的主要考量 • 如何將色彩量化：色彩可以透過數字或圖表計量與表現。 • 如何將環境量化：顏色的表現會隨不同的環境及條件變化，同時還受 諸觀測者心理上的的反應影響。因此，必須制訂能表現整體色彩感受 範圍的標準與邊界。 • 如何將不同色域統一：利用顏料或染料表現影像色彩時，由於這些化 學製品無法像光線一樣，而是採用吸收和反射光源中特定波長的，來達到顯色的目的。因此，在測量這類色彩時，必須對光源標準和環境參數作統一規範。 早期色彩座標示意圖

11. 色彩產生的方式 • 反射，透射和吸收入射光的顏色和染料：染料所呈現的色彩受到光的顏色和染料塗佈物體表面的顏色（透射）影響很大。 • 通過漫射和散射從白光中獲得的顏色：大自然的顏色產生方式，例如：大氣中水和灰塵，日光中波長較短的光經散射造成晴朗的天空藍。 • 由光線的干涉形成的顏色：常見的有肥皂泡或水面上的汽油油漬反射的顏色。這些變化著的顏色都是由於薄薄的透明膜的內面和外面反光造成的。由於發生了取代干涉並抵消特定波長的顏色，剩餘的波長即組合成其他顏色。 • 由衍射產生的顏色：仔細觀察CD 的讀寫面所反射出的色彩。這個效果是由於當整齊的線條複蓋於表面反射時，白光中特定波長的光方向發生變化所造成的。一些品種之亮彩蝴蝶翅膀上的鱗片，也有這樣的功用。

12. 螢光：利用特殊的墨水或藥劑將太陽光中或其他光源中之紫外線反射出來，並轉變為可見色光，增加物體的明亮度。這類應用最廣的是在洗衣劑中添加的螢光增白劑，可以讓白襯衫看起來更加醒目耀眼。一些舞廳或DISCO 企圖製造夢幻效果，也有應用這類染料的習慣。 • 磷光：磷光和螢光不同，螢光是藉由反射、轉變光線達到顯色的效果，磷光則將光能存儲起來，然後以一種有色方式釋放出來。例如：手表指針上的綠色發光數字。

13. 人眼所看到的色彩 • 色彩適應性的不同 • 色疲勞 • 個人的彩色差異 • 心理因素

14. 色彩管理的重要性 • 攝影作品的故事性與色彩表現 • 大部分的攝影作品表現型態在於尋找『主題』與『色彩』之間平衡點，當故事性強調超過色彩與光線的表現時， 觀眾對於攝影者用色的敏感度降低；反之如果是大範圍風景攝影，主題表現不那麼明確時，觀眾對於構圖和色彩的應用感度就會相對的提高

15. 硬體設備 • 即使攝影師本身從頭到尾全程掌握作業流程也不一定能夠百分之百保證色彩的重現性！特別是數位硬軟體設備在處理色彩的過程中所產生的影響，假設一組全套的色彩處理程序如下：

16. 色彩管理的重要性 • 『色彩管理』並不是解決色偏的萬靈丹，而是將色偏的影響盡可能的減少並控制在可接受的範圍內；另一方面『色彩管理』本身也是提供一個管道，讓攝影師瞭解當色偏不可不避免時，如何將極限色導入可以接受的色彩範圍內，使得作品本身的色彩完整性繼續保持，而不致於因種種的誤差與蝴蝶效應，最終摧毀了整張作品。

17. 什麼是 ICC • 2004 年10月 ICC (International Color Consortium) 標準邁入 V4.2版，ICC 的出現妥善解決了色彩問題；主導這項技術的『國際色彩聯盟 - International Color Consortium』，以下簡稱 ICC 是由以下的知名廠商：Adobe Systems Incopration、Agfa-Gevaert N.V.、Apple Computer、Eastman Kodak Company、Microsoft Corporation、Silicon Graphics Inc. 、Sun Microsystems, Inc.  等，於西元1993年創立的組織。其針對目前所使用的所有數位影像格式進行整合，並在此標準定義下之設備描述檔 (Device Profile) 以支援各種不同平台的色彩特性描述(Device Characterization)建立。

18. ICC 標準化模組

19. ICC Profile在CMYK檢測上的應用 • RGB 轉換 CMYK 色系 • 傳統使用底片（負片）作為拍攝的媒介，攝影者通常要經過一段時間才能看到沖印的作品，加上負片本身是利用『減色』法作為感色的依據，本質上很接近 CMYK 輸出，同時也讓沖印廠商有較多的調色空間，一般來說對於色差的衝擊不大。 圖左：RGB （紅藍綠）三原色構成發色系統 / 圖右：CMY（洋藍、洋紅與黃色）構成吸收色

20. RGB 色彩之校正，如果同學期望輸出自己的作品，從沖印店之相片、印表機成品（不論噴墨或熱昇華技術）或到進入印刷廠出書，都必須面對 CMYK 色彩系統。換言之，如果妳的數位照片停留在電腦系統之中，透過 E-mail 傳來轉去，色彩問題就僅牽涉光線發散；也就是 RGB 系統；也就是 LCD、CRT 螢幕的好壞。如果你的數位相片從電腦中跳出，輸出在紙張（或任何其他吸收光之平面，如布料）上時，你就將面對 CMYK 色彩系統。 如果不進行色彩校正，直接以 RGB（圖右）生成 CMYK （圖左），則三原色之純紅、純藍與純綠必須以CMYK之色彩去合成，色彩純度必然不及 RGB 系統來得鮮豔，其他合成色相差就更大了

21. 影響 RGB 的關鍵不外，明度、色溫、RGB三原色表現能力；相對地，CMYK 色系則牽涉墨水吸收反射能力、紙張白度、厚度、反光表現以及輸出分色之良窳。對比 RGB 系統，CMYK 色系可以說是建立在相當不穩定的色彩重現基礎之上。CMYK 批次化色彩工業的生產流程，使得校色準確更形重要。 整體來說（上圖），RGB 色域空間比 CMYK 要來得大且完整（Adobe RGB相差更為明顯）

22. 各組色塊的分佈與設計 Basic Set(基本色塊) 此組色域包含182個色塊 ， 由 A1至 A13 和 N1至 N13。 A1～A13為基本的 CMY 淺色混成，N1～ N13則為 CMYK 深色混成。C～ F行包含了不同比例濃淡色塊，可測試印表機對輸出層次的表現能力。J～ L行則是測試灰階、中間色以及暗色層次的表現能力。

23. Extend Set(擴充色塊） A區共有10組色塊組成，每組包含25(5x5)個色塊，本區色塊A～E為： 0、 20、 40、 70、 100%藍增強，1～ 5為： 0、 20、 40、 70、 100%紅增強。  B區比A區少一組，由4組組成 ，每組包含 16(4x4)色塊，A～ D 藍增強，1 ～ 4：紅增強。  C區由12組色塊形成，每組包含 36(6x6)色塊A～ F：藍增強，1～ 6：紅增強。

24. CMYK的色彩校正技術 • CMYK輸出器材校準

25. Gamma值、ΔE與色域空間 • 什麼是 Gamma 值？ • 色彩科學遇到第一個專有名詞通常就是『Gamma值』，或稱『Gamma曲線』。 • 人眼對灰度變化的感覺比對色調變化的感覺來得敏銳 • 人眼對低亮度變化的感覺比對高亮度變化的感覺來得敏銳

26. Adobe RGB 與 sRGB 色域空間 • 進入色彩管理，同學們更會發現色域空間的選擇多了甚多，從熟知的 sRGB、Adobe RGB 到 CIE RGB、NTSC(1953)、WideGamunt RGB 種種的選擇。 • 最為常用的當然就是 1998年10月，由 IEC(國際電氣標準會議)所策定之標準色域空間定義。sRGB 係（standard RGB） 的簡稱，目前有 IEC61966-2.1 國際標準規格書規範其使用規格，幾乎所有的數位影像輸出入都支援此一規格。 Adobe RGB 色域空間比 sRGB 和 CMYK 要來得大且完整

27. ΔE - Delta E • 數位色彩無可避免的必須和大量的數學交手！除了，Gamma 以外，Delta E 可能是同學遇到第二多的問號？不同於 Gamma 以對數模擬人類視覺的表現，Delta E 提供簡單的數據讓我們能夠確定色彩精度。簡單的說，Delta-E是一種描述『差異』的測量方法，可以較容易地計算出色彩精度差距。