第二章 光與色彩 

在吾人的視覺經驗中,色彩扮演重要的角色,其不僅增添三度空間的立體感並豐富視覺景觀,更影響吾人的心理感受。吾人平日所見的白色晝光,其實是由許多單色光所構成,一天當中的光色亦隨時在變化。光源所發出的光,因光譜組成的不同而使光色略異,同時影響物體的顯色效果,此即光的光譜組成、物體的反射特性與吾人色彩視覺共同作用的結果。      

彩色光譜

正如電磁波可依波長或頻率分為紫外線、紅外線、可見光及其他能量形式,可見光(或簡稱光)涵蓋所有 380770 nm 的波長,亦可再依波長的長短依次劃分為紅、橙、黃、綠、藍、紫色光,其中以紫光波長最短而紅光最長。

 

    紫外線                                                                                        |紅外線

               380——430——490———560590620——————770

                                                                                     

                                                                                                              

 

1. 白光(white light)

牛頓首先將太陽光穿透過三稜鏡,經折射作用得到各個不同顏色的色光,再將這些單色光透過另一三稜鏡,則又得到原來的白色光。此實驗證明所有可見光譜內不同波長的光組合在一起且能量相當,即可產生白色光,其為複合光;牛頓同時發現將可見光譜內所有波長作不等量的組成或僅組合小部份波長亦可得到不同程度的白色光。

照明工業所製照的光源,其光色大部份皆可通稱為白色,若詳加觀察比較,可發現這些白色複合光其實都略微偏藍或黃、紅色。例如蠟蠋或白熾燈泡產生較多長波的光(橙紅色光)而使其整體光色略呈暖黃。

 

2. 光譜能量分佈圖(spectral power distribution, SPD)

光源所發出光的光譜組成以能量來表示,即光源發出不同波長的輻射功率(W)的相關分佈,稱為光譜能量分佈圖(2-1),可用來決定光源的重要資訊,如發光能力、光源表觀顏色及對物體顏色的顯現能力。

 

色彩視覺

每一光源皆具有特殊的光譜組成,任一物體亦具備對特定光波的反射特性;光源的光譜組成不但影響光源的表觀顏色,而且決定被照物的顯色效果。吾人所見物體的顏色,還需經過眼睛網路系統中視覺神經活動狀態的特定反應,是故光源、物體反射特性與人眼視覺三者共同決定吾人觀看的結果。

如前章所述,當光觸及一表面,會被此表面所反射、吸收或透射,其所反射的光進入人眼所產生的色彩視覺,即為該物體受光後顯現的顏色。例如以白色光通過三稜鏡分成各個單色光後,照射紅色玻璃,其吸收所有的光波,僅讓紅色光波通過,故吾人僅看到濾過的紅光(2-2);又例如紅蘋果只反射光譜中的紅色波長其餘皆被吸收,故以全光譜的光源照射時,人眼所見此蘋果為紅色;但若以綠光來照,因其中沒有或是極少紅色波長供紅蘋果反射而幾乎全被吸收,故只顯現黑色或深灰色(2-3)

吾人所看到的物體色係取決於物體反射不同波長的光的相對比例(2-4)

 

•無彩色─各波長平均包括,例如白、灰、黑色。

•有彩色─各波長含量不均,含量多者為顯色。

 

物體反射較多長波時,刺激人眼產生紅、橙色的視覺;反之,短波為主波,則呈藍、紫色。若光源光譜組成改變,物體所顯現的顏色亦隨之改變。例如在燧道內的高壓鈉燈下所看到的車體顏色會與在陽光下不同即為此故。

 

1. 色彩屬性

吾人所看到的物體色具有三屬性,即根據孟賽爾色彩系統(Monsell color system)以色相、明度與彩度來定義一個顏色。色相或色調泛指色系;明度為色彩的相對明暗程度;彩度則指顏色的純度或飽合度。

 

(1) 色相(hue):物體反射的主要波長所呈現的色彩表相,即吾人所見物體色的一般性描述,常以五主色(紅、黃、綠、藍、紫)或兩鄰近主色所代表的色系共10主色相來指稱,如紅色系、藍綠色系。

有色材料反射或透射光譜的特定區域,能對該材料正確演色的光源則必須放射出物體所能反射的波長。照明運用上則常選擇暖光色的光源如白熾燈來加強室內的暖色系材質;反之,則選擇冷光色的光源如冷白色的螢光燈或複金屬燈來強調。

 

(2) 明度(value, brightness):用來表示色彩的明暗程度,相對於灰階(gray scale)由黑至白共分11階段。明度亦與物體表面的反射值有關,該表面的亮度和其所接受的照度與反射率的乘積成正比:物體表面反射較多的光,其明度較高,看起來顏色較淺或較亮;反之,大部份入射光被物體吸收,則明度較低,顏色較深或較暗。

同一顆樹在陽光下葉子的綠與陰影下葉子的綠相較,前者明度高於後者。同理,以燈光加強照射某物體或部份,因入射光增加,所反射的光亦增加,相對亮度高於週遭或背景,因而得到視覺強調的效果。

 

•純粹黑(反射率 0%),明度 0       

•純粹白(反射率 100%),明度 10

 

(3) 彩度(chroma):彩度代表色彩鮮豔的程度,也就是色彩的純度或飽合度(saturation)。顏色愈純,彩度愈高,視覺刺激也愈強。若將一高彩度的純色漸次加黑或加白稀釋,前者明度遞減,後者明度遞增,二者彩度皆降低。無彩色的彩度為 0

 

2. 主觀特性(subjective characteristics)

吾人的視覺易受觀測物在視野中的位置、周遭背景與眼睛的適應狀況所影響,所感受到的顏色並不一定是來自物體所反射的光,端賴吾人視覺神經網路系統(或意識)做出代表外在事物的圖象或顏色而定,此類色覺的主觀特性包括同時性對比、繼續性對比、後像與色適應。

 

(1) 同時性對比(simultaneous contrast) 吾人所觀看顏色的外觀常受相鄰色(背景色)的影響,係因視覺系統為加強偵測時的差異性,自動在兩色鄰界處產生誇大明度、彩度或色相對比的現象,此種現象稱為同時性對比(2-5)。例如某色塊在深色背景的襯托下比在淺色背景下感覺較為明亮(明度對比);所觀看的顏色在無彩色的背景下感覺彩度變高,在鮮豔背景下彩度變低(彩度對比),例如白天臨窗面的白熾燈看起來較黃;觀看一中性顏色會微帶背景色的補色,以拉大彼此的色差(色相對比),例如一白色表面被一藍色光包圍,則此白色表面看似微帶藍色的補色即黃色(2-1)

 

2-1. 同時性對比

      

     

(天花或藻井)

(白色格柵或漫射板)

紅光

微帶淺綠

綠光

微帶淺紫紅

藍光

微帶淺黃或粉橘

黃光

微帶淺藍

(引自:Flynn, 1962)

 

(2) 繼續性對比(successive contrast):當眼睛由某一色表面移至另一色表面時,由於某些色彩受器(receptor)細胞部份疲勞的緣故,產生對後者色彩三屬性的對比效應,稱為繼續性對比。最明顯的例子即當由光色偏藍白的複金屬燈照射的區域走到黃色高壓鈉燈下,眼睛增加對原先光色的補色的相對敏感度,而感覺高壓鈉燈更黃。

 

(3) 色適應(color adaptation):光在色調上的細微變化會影響吾人對整體環境的潛意識判斷,特別是當此變化剛出現,在眼睛尚未完全適應新情況時,對光的色彩特性的敏感度最為強烈。例如傍晚自戶外進入室內,點亮白熾燈後會突然覺得室內所有東西都變得較黃,但經過一段時間待眼睛逐漸適應以後即無此感受,此現象稱為色適應。

 

色光的混合

           彩色顏料的混合與色光的混合不同。兩色以上的顏料混合,彩度與明度皆降低,光度(luminosity)亦減少;將紅(紫紅)、黃、藍(藍綠)三顏料等量混合,可得到黑色或深褐色。彩色光譜的混合,隨不同色光(輻射能量)的增加,光度亦增加;將紅、綠、藍三色光混合,則可得到白色光。色光與顏料的混合方法分別為加法混色與減法混色:

          

1. 加法混色(additive color mixing)

吾人的色覺係基於人眼視網膜上以紅、綠、三色為主的受器細胞,共同作用以產生各種顏色的視覺(此部份說明詳見第三章),此三色的加成即為加法混色,僅用於對色光的混合(2-6)

加法混色的結果可從 CIE 色座標圖(2-8)上表示,若已知三色座標位置,此三色混光後可產生的顏色即在三點連起的三角形範圍內;以紅綠藍三色混光,可能產生顏色的範圍最大。故可組成白光的紅、綠、藍三單色光為加法混色的三原色或三主色;主光色間可相互合成黃(紅加綠)、紫紅(紅加藍)、藍綠(藍加綠)三次色,以正確的比例混合三次色,亦可產生白光。一般彩色螢幕即藉紅綠藍三主色不同強度的組合,呈現全彩的畫面。      

 

•加法三主色(additive primaries):紅(red, R)、綠(green, G)、藍(blue, B)

三次色(secondaries):紫紅(magenta, M)、黃(yellow, Y)、藍綠(cyan, C)

W =  R + G + B = M + Y + C

•補色(complimentary hues):凡二色光按適當比例加成可產生白光或灰色光,則此二色光互補。

W = R + C = G + M = B + Y

          

2. 減法混色(substrative color mixing):減法混色與加法混色不同點在於:加法混色是不同光源(可為單一波長的單色光)的加成;減法混色則利用透射及反射原理,對波長範圍較廣的某一光源所發出的複合光所進行的一種減波作用。彩色顏料的混合及彩色濾鏡的組合皆為減法混色,此理論為所有顏料製造的基礎(2-7)

減法三主色為紫紅、黃、藍綠三色,此三色顏料混合或白光透過紫紅、黃、藍綠三濾鏡後,因為所有波長都被吸收或吸收的程度相同,可得到黑或深灰等無彩色;主色間可相互合成紅、綠、藍三次色,以正確的比例混合三次色或三次色濾鏡彼此相減,亦可產生黑色。

若將黃光(含紅、綠色光)通過藍綠色濾鏡,紅色波長被濾鏡吸收,可得到綠色光。將紫紅色光以綠色濾鏡過濾,因紫紅色光不含綠色波長,故全被濾鏡吸收而無光波通過,產生無色視覺。

 

•減法三主色(subtractive primaries):黃(Y)、紫紅(M)、藍綠(C)

三次色:紅(R)、綠(G)、藍(B)

BK(black) = Y + M + C =  R + G + B

•補色(complimentary hues):凡二色按適當比例混合可產生黑或灰色,則此二色互補。

BK = Y + B = M + G = C + R

•中間色:非互補的任兩色混合,產生中間色。

 

光源的色彩特性

1. CIE 色座標(CIE Chromaticity Coordinates)

國際照明委員會(Commission Internationale de l‘Eclairage, CIE)的色座標系統發展於1931年,為以科學化方法標示顏色的基本規範之一,說明一光源的顏色或在給定照明情況下物體表面所反射的光的顏色(2-8)。在色座標圖(chromaticity diagram)中馬蹄型範圍內為可見光譜的所有顏色,馬蹄型邊緣則為飽合的單色波長。此系統以光色座標 (x,y,z) 標示可由三主色組合成某一色的相對比例(圖上僅有 x y 座標,由恆等式 x + y + z = 1 可導出 z )。中央部份通稱白光,如白熾燈的白光其實散發較多的紅與極少的藍光,而冷白色螢光燈則正好相反。

 

2. 相關色溫度(correlated color temperature)

因為大部份光源所發出的光皆通稱為白光,故光源的色表溫度或相關色溫度即用以指稱其光色相對白的程度,以量化光源的光色表現。根據 Max Planck 的理論,將一具完全吸收與放射能力的標準黑體加熱,溫度逐漸升高光色亦隨之改變;在CIE 色座標上的黑體曲線(black body locus)顯示黑體由紅→橙紅→黃→黃白→白→藍白的過程。黑體加溫到出現與光源相同或接近光色時的溫度,定義為該光源的相關色溫度,簡稱色溫,以絕對溫度 K (Kelvin,或稱開氏溫度)為單位(K ℃+273.15)。因此,黑體加熱至呈紅色時溫度約 527 800 K,其它溫度影響光色變化如表2-2

2-2. 黑體溫度與光色

黑體溫度(K)

發出光色

室溫

800

3,000

黃白

4,000

5,000

冷白

8,000

藍白

60,000

深藍

 

光色愈偏藍,色溫愈高;偏紅則色溫愈低。一天當中晝光的光色亦隨時間變化:日出後 40 分鐘光色較黃,色溫 3000 K;正午陽光雪白,上升至 48005800 K,陰天正午時分則約 6500 K;日落前光色偏紅,色溫又降至約 2200 K。其它光源的相關色溫度見表2-3

 

2-3. 不同光源的相關色溫度

  

  

北方晴空

80008500 K

陰天

65007500 K

夏日正午陽光

5500 K

複金屬燈

40004600 K

下午陽光

4000 K

冷色螢光燈

40005000 K

水銀燈

37503450 K

暖色螢光燈

25003000 K

鹵素燈

3000 K

鎢絲燈

2700 K

高壓鈉燈

19502250 K

蠟燭

2000 K

 

因相關色溫度事實上是以黑體輻射接近光源光色時,對該光源光色表現的評價值,並非一種精確的顏色比對,故具相同色溫值的二光源,可能在光色外觀上仍有些許差異。僅憑色溫亦無法瞭解光源對物體的顯色能力,或在該光源下物體顏色的表觀如何。

 

2. 演色性(color rendering)

光源對物體的顯色能力稱為演色性,係通過與同色溫的參考或基準光源(白熾燈或晝光)下物體外觀顏色的比較。光所發射的光譜內容決定光源的光色,但同樣光色可由許多、少數甚至僅僅兩個單色光波組合而成,影響所及,對各個顏色的演色性亦大不相同。二相同光色的光源會有相異的光譜組成,光譜組成較廣的光源較有可能提供較佳的演色品質。

當光源光譜中很少或缺乏物體在基準光源下所反射的主波時,會使顏色產生明顯的色差(color shift)。色差程度愈大,光源對該色的演色性愈差。演色指數系統(Kaufman, 1981)仍為目前定義光源演色性評價的普遍方法,飛利浦照明(Philips Lighting)則在1993年提出改良後的演色向量系統:

 

(1) 演色指數(Color Rendering Index, CRI )系統 :晝光與白熾燈的演色指數定義為 100,視為理想的基準光源。此系統以 8 種彩度中等的標準色樣來檢驗,比較在測試光源下與在同色溫的基準光源下此 8 色的偏離(deviation)程度,以測量該光源的演色指數,取平均偏差值 Ra 20100 100 為最高。平均色差愈大,Ra值愈低(2-4),低於 20 的光源通常不適於一般用途。

 

2-4. 演色指數與演色性評價

指數(Ra)

 

演色性評價

                   

90100

1A

需要色彩精確比對與檢核之場所

8089

1B

需要色彩正確判斷及討好表觀之場所

60 79

2

需要中等演色性之場所

40 59

3

演色性的要求較低,唯色差不可過大之場所

2039

4

較差

演色性不重要,明顯色差亦可接受之場所

                                                                          

(2) 演色向量(Color Rendering Vectors, CRV)系統CRV圖形顯示光譜中的所有顏色,選擇圓內 215 個測點,做為測試光源演色能力的依據。此 215 個色樣在全光譜的基準光源下與在測試光源下各別顏色的偏差程度皆以向量表示,可各別分析其色差方向與大小:起始點為真實色,終點為光源下所顯現的顏色;兩點間距離長度代表此色的色差大小;箭頭朝向指色差的方向,朝圓周時飽合度增加,朝圓心則飽合度降低(2-9)

 

光源的演色性測量為與同色溫的基準光源的比較值,也唯有在色溫相同或相差不超過 300 K的情況下,比較不同光源的演色性優劣才有意義。在演色指數系統,所選用 8 色樣的平均偏差值指定為該光源的演色指數,無法表現出光源對各別 8 色與其他各種顏色的演色性,因此二光源即使色溫與演色指數皆相同,基於光譜組成的不同,亦會使物體呈現完全不同的表觀。而演色向量系統將 8 色樣擴增為 215 色,包括一般產品經常使用的顏色,且演色向量沒有平均值,可分別評估光源對各別 215 色的演色性。

根據對顏色的演色特性來評價光源的方法,除了演色指數 CRI 及演色向量 CRV 外,還有色彩喜好指數(Color Preference Index, CPI)與色彩識別指數(Color Discrimination Index, CDI)CPI 係以所取樣的一群人對給定物體在測試光源下的色彩忠實度或對其喜好或滿意的程度來評價;CDI 則測量光源能容許大量不同色彩的區別能力。

                                          

光色的心理效果

一般說來,暖色系(黃∼橙,紅∼紫紅)在視覺感受上趨近於視者,有溫暖感;寒色系(藍紫∼藍,藍綠∼黃綠)則看起來後退,有清冷感。光的色調(color tones)亦可喚起吾人對自然環境或生活經驗的記憶與印象,例如火紅的太陽、陰藍的月色、魅綠的螢光等。在劇場燈光的運用上,除特定時間場景的光色使用外,琥珀色可以強調自然膚色,用粉紅色突顯正派人物,如惡棍等反派角色則以綠光來照,光源中若缺乏紅色波長會使人產生蒼白或不健康的膚色。

即便是通稱為白色的晝光,亦因其色溫的變化而呈現不同的環境觀感,例如陽光的溫暖與陰天的冷漠,此係因色溫度影響吾人心理感受之故(2-5):色溫度在3300 K以下光色開始偏黃,使人感覺較為溫暖;色溫度超過5300以上,光色轉向青白,則感覺清冷。甚至環境的色調或光色的冷暖亦會影響觀者對環境溫度的感知(Rohles, 1977)

 

2-5. 色溫與心理感受

色溫度

心理感受

3300 K

溫暖

33005300 K

中介

5300 K

清冷

 

一般實務上較傾向在同空間使用相似的色溫,以力求色溫的一致性,但在某些情況下,不同色溫的光源也可以用來強調空間內的差異性。