三基色原理

在中學的物理課中我們可能做過棱鏡的試驗,白光通過棱鏡後被分解成多種顏色逐漸過渡的色譜,顏色依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫,這就是可見光譜。其中人眼對紅、綠、藍最為敏感,人的眼睛就像一個三色接收器的體系,大多數的顏色可以通過紅、綠、藍三色按照不同的比例合成產生。同樣絕大多數單色光也可以分解成紅綠藍三種色光。這是色度學的最基本原理,即三基色原理。三種基色是相互獨立的,任何一種基色都不能有其他兩種顏色合成。紅綠藍是三基色,這三種顏色合成的顏色範圍最為廣泛。紅綠藍三基色按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色。
 

紅色+綠色=黃色
綠色+藍色=青色
紅色+藍色=品紅
紅色+綠色+藍色=白色

黃色、青色、品紅都是由兩種及色相混合而成,所以它們又稱相加二次色。另外:

紅色+青色=白色
綠色+品紅=白色
藍色+黃色=白色

所以青色、黃色、品紅分別又是紅色、藍色、綠色的補色。由於每個人的眼睛對於相同的單色的感受有不同,所以,如果我們用相同強度的三基色混合時,假設得到白光的強度為100%,這時候人的主觀感受是,綠光最亮,紅光次之,藍光最弱。

減色法

除了相加混色法之外還有相減混色法。在白光照射下,青色顏料能吸收紅色而反射青色,黃色顏料吸收藍色而反射黃色,品紅顏料吸收綠色而反射品紅。也就是:

 

白色-紅色=青色
白色-綠色=品紅
白色-藍色=黃色

另外,如果把青色和黃色兩種顏料混合,在白光照射下,由於顏料吸收了紅色和藍色,而反射了綠色,對於顏料的混合我們表示如下:

顏料(黃色+青色)=白色-紅色-藍色=綠色

顏料(品紅+青色)=白色-紅色-綠色=藍色

顏料(黃色+品紅)=白色-綠色-藍色=紅色

以上的都是相減混色,相減混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的顏色的。所以有把青色、品紅、黃色稱為顏料三基色。顏料三基色的混色在繪畫、印刷中得到廣泛應用。在顏料三基色中,紅綠藍三色被稱為相減二次色或顏料二次色。在相減二次色中有:

(青色+黃色+品紅)=白色-紅色-藍色-綠色=黑色

用以上的相加混色三基色所表示的顏色模式稱為RGB模式,而用相減混色三基色原理所表示的顏色模式稱為CMYK模式,它們廣泛運用於繪畫和印刷領域。

RGB模式是繪圖軟體最常用的一種顏色模式,在這種模式下,處理圖像比較方便,而且,RGB存儲的圖像要比CMYK圖像要小,可以節省記憶體和空間。

CMYK模式是一種顏料模式,所以它屬於印刷模式,但本質上與RGB模式沒有區別,只是產生顏色的方式不同。RGB為相加混色模式,CMYK為相減混色模式。例如,顯示器採用RGB模式,就是因為顯示器是電子光束轟擊螢光屏上的螢光材料發出亮光從而產生顏色。當沒有光的時候為黑色,光線加到最大時為白色。而印表機呢?它的油墨不會自己發出光線。因而只有採用吸收特定光波而反射其他光的顏色,所以需要用減色法來解決。

色彩搭配的基本概念,是我們在運用色彩時常常遇見的問題,若能將這些概念瞭解,在顏色的搭配上自然比較佔優勢。
  

色相對比

將相同的橙色,放在紅色或黃色上,我們將會發現,在紅色上的橙色會有偏黃的感覺,因為橙色是由紅色和黃色調成的,當他和紅色並列時,相同的成份被調和而相異部份被增強,所以看起來比單獨時偏黃,以其他色彩比較也會有這種現象,我們稱為色名對比。

除了色感偏移之外, 對比的兩色, 有時會發生互相色滲的現象, 而影響相隔界線的視覺效果, 當對比的兩色,

具有相同的彩度和明度時, 對比的效果越明顯, 兩色越接近補色, 對比效果越強烈。

 

明度對比

 將相同的色彩,放在黑色和白色上,比較色彩的感覺,會發現黑色上的色彩感覺比較亮,放在白色上的色彩感覺比較暗,明暗的對比效果非常強烈明顯,對配色結果產生的影響,明度差異很大的對比,讓人有不安的感覺。
  

彩度(飽和度)對比

圖contrast

色彩和另一彩度較高的色彩並列時,會覺得本身彩度變低,而和另一個彩度較低的色彩時,會覺得彩度變高,這種現象稱為彩度對比。在攝影實踐中,常用灰、黑等低飽和度的背景來襯托高飽和度的景物。
HLS(色相、亮度、飽和度)原理

HLS 是Hue(色相)、Luminance(亮度)、Saturation(飽和度)。色相是顏色的一種屬性,它實質上是色彩的基本顏色,即我們經常講的紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種,每一種代表一種色相。色相的調整也就是改變它的顏色。

 

亮度就是各種顏色的圖形原色(如RGB圖像的原色為R、G、B三種或各種自的色相)的明暗度,亮度調整也就是明暗度的調整。亮度範圍從 0 到255,共分為256個等級。而我們通常講的灰度圖像,就是在純白色和純黑色之間劃分了256個級別的亮度,也就是從白到灰,再轉黑。同理,在RGB模式中則代表個原色的明暗度,即紅綠藍三原色的明暗度,從淺到深。

飽和度是指圖像顏色的彩度.對於每一種顏色都有一種人為規定的 標準顏色,飽和度就是用描述顏色與標準顏色之間的相近程度的物理量。調整飽和度就是調整圖像的彩度。將一個圖像的飽和度條為零時,圖像則變成一個灰度圖像,大家在電視機上可以試一式調整飽和度按鈕。

另外還有一個概念,就是對比度。對比度是指不同顏色之間的差異。對比度越大,兩種顏色之間的相差越大,反之,就越接近。如,一幅灰度圖像提高它的對比度會更加黑白分明,調到的極限時,變成黑白圖像,反之,我們可以得到一幅灰色的畫布。

我們瞭解了顏色的原理,我們在圖像處理中就不會茫然,並且對於調整顏色也可以更快,更準確。
人眼接收色彩的方法:

加法混色

我們見到的顏色,如蘋果紅色,其實都是在一定條件下才出現的色彩。這些條件,主要可歸納為三項,就是光線、物體反射和眼睛。光和色是並存的,沒有光,就沒有顏色,可以說,色彩就是物體反射光線到我們眼內產生的知覺。很早以前科學家已經發現光的色彩強弱變化,是可以通過資料來描述,這種資料叫波長。我們能見到的光的波長,範圍在380至780毫米之間,隨著波長由短到長,出現的色彩是由紫到紅。不同波長的光所反射的強度是不同的,因此,測量物體所反射的波長分佈,便可以確定該物體是什麼顏色,例如一個物體在700至760這段波長內有較多的反射,則該物體傾向紅色,如果在500至700這段波長內有較多的反射,則該物體便傾向綠色。通過測量物體反射光量的方法,科學家可以很精確地推定兩件物體的顏色是否相同。

測量光量反射的方法固然很精確,但不好用,因為眼睛並非以波長來認知顏色。人類眼睛的網膜內分佈著兩種細胞,杆狀細胞作椎狀細胞,這些細胞對光線作出反應,便形成色彩的知覺。杆狀細胞是一種靈敏度很高的接收系統,能夠分別極微小的亮度差別,協助我們辨識物體的層次,但是卻不能分辨顏色。椎狀細胞較不靈敏,但是有分辨顏色的能力。所以在亮度很弱的情況下,物體看起來都是灰灰白白,因為椎狀細胞在這時已不能發揮作用,只有杆狀細胞在工作。

椎狀細胞對光量的反應不是一樣的。當一束光線射到眼睛網膜上,椎狀細胞靈敏度最大的值分別位於波長為紅色、綠色及藍色的三個區域。即是說,眼睛只需以不同強度和比例的紅綠藍三色組合起來,便能產生任何色彩的知覺,因而紅綠藍可說是人眼的三基色。利用三基色色光的相加疊合,我們基本上能夠模擬自然界中出現的各種色彩,這就是著名的光學三色原理。以這種方法產生色彩亦叫做加法混色。螢幕顯像和攝影就是這種混色方法的具體應用。

印刷四色:

減法呈色

印刷的呈色原理和加法混色不同。印刷是以一些微細的網點,把透明的油墨按一定規律分佈於紙上來呈現色彩。網點分佈較多的部分色彩較濃,分佈較少的地方色彩便淡。透明油墨的選擇也不是隨意的,而是根據最能夠吸收綠藍三色光的份量來決定。因此,洋紅(Mafenta)、青(Cyan)和黃(Yellow)便成為印刷的三基色。原因是洋紅吸收吸收大部分的綠,青吸收大部分的紅,黃吸收大部分的藍。洋紅與綠,青與紅,黃與藍這樣的組合稱作互補關係,或叫補色關係。印在紙上的網點,如果不與其他網點接觸,則見到的顏色便是印刷三基色。倘若其中兩個基色網點重疊在一起,例如青與黃,由於黃墨吸收了光線中的藍,青吸收了光線中的紅,只有光線中的綠反射到眼內,因此我們便會見到綠色。如果三色網點全部重疊在一起,由於所有光均被吸收,我們便見到黑色。印刷就是採用這種色光遞減的方法來產生萬千色彩,因此亦叫減法呈色。噴墨列印、熱昇華列印和水彩繪畫等都是這個原理的具體應用。

理論上,同等份量的洋紅、青及黃印在一起,能產生灰黑色的,可是由於油墨生產未臻完美,青墨的純度不及洋紅的純度,這樣做出來的灰色總是偏紅的。為了彌補油墨工藝的不足,於是便引入黑墨來加強灰色的效果,使印刷品能表現較佳的層次感,這就是我們現在印刷採用四色的原因。在這個基礎上,有人甚至以黑墨完全替代同等的洋紅、青、黃墨出現的地方,這種技術,分色上稱為非彩色結構(GCR),早期的FreeHand軟體,把RGB圖像轉換為CMYK,就是利用這種技術。以專色油墨替換色彩不夠理想的地方,除了應用於灰色上,亦可應用於其他顏色。Pantone的HexChome就是向這個方向出發,在傳統四色之外加入專綠及專橙,以加強印刷中綠色及橙色不夠理想的部分。

協調螢幕與印刷色彩的方法

雖然印刷能夠複製千萬種色彩,但由於採用減法呈色的緣故,在色彩的亮度上便有所減弱,一些較鮮豔的色彩便很難以印刷的方式表達。另一方面,螢幕由於採用加法呈色的技術,在色彩表達的範圍上,確實較印刷豐富。這就是為什麼在螢幕上看來漂亮的色彩,無法用印刷複製出來,導致螢幕與印刷在色彩上產生差異。解決的方法,要麼就是改良油墨和紙張成分,使能夠複製較鮮、較純的顏色,不過這並非一朝一夕的事。另一種方法就是縮窄螢幕的色域來迎合印刷,使螢幕所見的即為印刷所得的。

所謂色域,就是一種設備能夠記錄或複製色彩的最大範圍。人眼的色域為全部的可見光,在380至780這個波長範圍之內,印刷的色域則由紙張和油墨共同構成,不同的紙張油墨配搭,便有不同的印刷色域,報紙的色域就不同於書紙,Pantone的色域也不同於DIC。其他如螢幕、掃描機、印表機等亦各有各的色域,掌握一種設備的色域是有實際意義的,因為一種設備無法記錄或複製在色域以外的色彩。例如,正常的情況下,人眼無法見到在紅外線或X光下的色彩,而一些人眼很容易辨別的色彩,像各種金屬色,在掃描機上卻不容易記錄。我們能做到的最多是由一種設備的色域類比另一種設備的域。怎樣在模擬過程中,使人眼覺得兩種設備的色域較相近,便是色彩管理的重要主題。

進行色彩管理,建立色彩標準

要管理色彩,便須為色彩的表示和傳遞建立一套標準。目前較流行的色彩管理系統如LinoColor、Agfa的Phototone等,都是向著這個方向發展,透過一套描述設備色域的標準規格(ICC對照檔),利用顏色計算軟體來進行色域的統一轉換運算,以減少色彩資料在傳遞過程中,因色域和規格不同而產生的色彩偏差和失真。實施這些色彩管理系統,首先要找出設備的色域特質。而描述色域最常用的方法,就是CIELab 是國際照明協會,根據人眼視覺特性,把光線波長轉換為亮度和色相的一套描述色彩資料,其中L是描述色彩的亮度,a代表描述色彩偏紅偏綠的程度,b則代表描述色彩偏黃偏藍的程度。在CIELab色彩空間內,每一個人眼可見的顏色,都有一個屬於該顏色的位置,通過比較兩種顏色位置的遠近,我們便可以判定兩種顏色的近似程度。由於可見光線光譜是這套數據的基礎,因而能夠涵蓋由螢幕和印刷所產生的色彩,亦可用來代表人眼的色域。
 

例如要描述一台印表機的色域,首先從印表機列印一些測試色條,這些色條包括各種主要色及較難複製的顏色,然後用光譜儀量度色條上的CIELab資料,再以軟體把資料寫成ICC格式的對照檔,對照檔內除了包括設備的色域資料外,同時亦可包括設備的生產特性,如黑版特性、網點擴大值等等。有了設備的對照檔,色彩運算軟體便可參考兩台設備的特性資料,把設備的色域置於CIELab色彩空間內進行比較和轉換,從而獲得較理想的模擬效果。這種技術目前已達致生產應用的階段其中應用最多的,是以螢幕類比印刷色域,及以印表機模擬印刷色域。由於螢幕的色域較印刷的色域為大,這種情況下的類比又叫色域壓縮模擬。整個類比過程都是根據對照檔內的資料作為運算基礎,因而對照檔的產生和管理便成為最要重要的工作。

色彩管理系統的假設

是否實施了色彩管理系統,即可以使生產的色彩獲得理想的效果?要回答這個問題,必須瞭解色彩管理系統背後的假設。色彩管理系統的主要工作,在於根據一個已知色域的資料資料,在CIELab空間上,模擬另一個已知色域的資料,因而,必須假定兩個色域,仍保持在記錄色域資料時的狀態。即是說,建立設備對照檔的生產狀態,和計算色域時的生產狀態,必須是相同的。倘若昨天建立的對照檔,不能和今天的設備對照,生產狀態不斷浮動,色彩管理系統是不能發揮減少偏差的作用的。一個不穩定的生產流程,甚至可能使色彩管理系統把色彩偏差擴大。因此,色彩管理是一個貫穿從輸入到處理直至輸出全過程的系統工程,在一個環節使用色彩管理而在另一個環節不實施色彩管理,最終是沒有意義的。

就攝影而言,瞭解照片的最終用途,根據最後呈現介質的色域與色彩特性處理照片的色彩,可以有效避免“所見非所得”的問題。