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【日常隨筆】簡易色彩學知識:三原色與同色異譜

作者:愛天使亞夜│2019-08-21 16:37:52│贊助:14│人氣:52
各位好這裡是亞夜。

好久沒有發表跟印刷相關的知識了。
今天要講的東西有點偏門但又是跟印刷離不開關係,
我們來聊聊「顏色」。


【什麼是顏色】

講到顏色我們就要先從為什麼會有「視覺」這方面說起了。
人類的視覺是由特定波長的電磁波進入視網膜後轉變為生物電信號傳至大腦,
而大腦再分析這些信號轉變為我們所看到的影像,
基礎上來說,
其實與照相機沒什麼不同。

那麼顏色又是怎麼來的呢?
這要從視覺細胞的分類講起。
人類主要有兩種視覺細胞,
分別是桿細胞與錐細胞。
當中,
桿細胞對於「亮度」敏感但無法辨別色彩,
而錐細胞則反過來,
錐細胞對「亮度」不敏感但對於「顏色」起了決定性的作用。

正常人的錐細胞又有3種,
分別對應了「藍光」、「綠光」與「紅光」,
如下圖所示:(取自維基百科)

這個圖要這樣看:
縱坐標代表各種錐細胞(R是桿細胞)在面對各種波長的電磁波時會被激發的百分比,
激發的百分比越多我們看到的顏色就越亮越鮮豔。
從這個表來看很明顯的,
波長超過700nm以後人類就看不到了(因為沒有任何一種視覺細胞會被激發),
這就是為什麼人類看不到紅外光的原因。
而我們看到的顏色,
就正式取決於有多少的錐細胞被激發而定。


【什麼是同色異譜】

在上理化課的時候我們應該有聽過什麼「同素異形」啦、「同分異構」啦,
在色彩學裡面也有類似的東西叫做「同色異譜」。

顧名思義,
同色異譜就是指「相同的顏色但色譜不同」。

照我們一開始講的,
我們看到的顏色源自於我們眼中的三種視錐細胞依照不同比例激發的結果,
換句話說,
不管這是一道單一波長的雷射光,
或者是由許多束波長各異的光子所混合而成的混合光,
只要他們進入了人眼後可以讓相同類型且相同數量的視錐細胞產生激發,
那麼我們就會看到相同的顏色。

舉例來說,
我們透過三稜鏡將太陽光分離成太陽光譜,
我們就可以看到紅橙黃綠藍紫等繽紛色彩,
這是因為太陽光是混合光,
而不同波長的光子在稜鏡中有不同的折射率所導致。
透過分離出來的光子基本上可以視為單色光,
我們就單單舉出約550nm波長的「黃光」來講,
這裡分離出來的黃光是550nm的單色光,
但是我們也可以透過調整比例過的534nm的綠光與564nm的紅光去混合出黃光,
這兩種光在本質上是不同的,
但在人眼看起來就是相同的,
因此這兩種光就被稱為「同色異譜」。


【關於色差】

有了基礎知識的鋪墊後,
話題始終要繞回來的。
從事繪畫的或印刷的,
絕對都對「色差」都不陌生。
液晶螢幕剛問世的時代,
CRT與LCD的戰爭中就有戰到色差過,
畢竟LCD始終是為了取代CRT的新技術,
但當時LCD的優點完全只有輕薄與省電,
其他不論是價格還是發色能力還是解析能力通通都不是CRT的對手。
當然現在都過了20年左右的發展CRT是真的完全被淘汰了,
而現在我們就來談談色差到底是怎麼造成的。

很明確地,
從波長約400nm到700nm的可見光範圍中,
就算每隔1nm做一個單位,
光一個像素我們也要做出300種不同的發色元件才能顯示人眼所能看到的彩色,
那顯然是相當不切實際的作法,
因此「同色異譜」便是彩色顯示器最合理的應用方式。

人類有3種錐細胞,
因此我們就使用3種波長的光來對應3種錐細胞。
我們透過調整3種單色光的比例來調節各種錐細胞的激發數量,
進而合成出我們需要的色彩,
那麼我們就只需要3種發光元件就理論上能顯示出所有人類所能看見的顏色了。
但問題就出在這啦!
各家顯示器製造商所生產的發光元件本身不一定是100%相同的,
舉例來說,
SONY的液晶電視的紅光跟ViewSonic的液晶螢幕的紅光可能有那麼一咪咪的差異,
那麼這一點點的差異自然就會讓我們看到的顏色出現差異,
這就產生色差了。
不過這種色差在工業界有另一個名稱稱為「器差」,
所謂「器差」指的就是物品與標準間或物品與物品間存在的差異度,
我們能合理的認為SONY也好ViewSonic也好他們的紅色光都是按照標準紅色光去製作的,
但就因為製程不一樣所以可能都會與真正的標準都有一點點的誤差,
因此色差無所不在,
我們永遠無法要求顯示器顯示出絕對正確的顏色,
我們只能盡可能地去購買有口碑、有保證的顯示器,
以求它顯示的顏色盡可能地真實罷了。

做電腦繪圖的在色差這方面可能還好,
畢竟數位顯示上有它的一套國際標準在,
原則上各家廠牌的顯示器都是按照這個標準下去設計的,
因此呢直接使用RGB的方式下去畫圖,
拿到另一部顯示器用RGB的方式顯示出來,
除了本身的器差值以外呢就沒有其他產生色差的可能性了。
比較困擾的,
還是在於「掃描」與「輸出」這兩件事情上。
「掃描」指的是將一個類比的畫面(如書籍、圖畫、照片……等)轉換成數位訊號的過程,
而「輸出」則反過來指將數位訊號透過油墨印刷成類比畫面的過程。

掃描的原理很簡單,
先使用白光照射在掃描物上,
然後掃描物會吸收部分波長的光子而反射出一種顏色,
接著這種顏色再由感測器接收進而轉變為數位訊號。
然而原理簡單細節就十分複雜,
那就是光源。
舉例來說,
一面白色的牆壁,
你用紅光雷射筆照它就變成紅色、用綠光雷射筆照它就是綠色,
所以顏色當然跟光源有關係,
因此若要標準化一個物體的顏色,
那麼當然光源的部分也必須跟著標準化。
一般來說黑白的掃描器會使用單色綠光為主,
這使得在稿紙上綠色與白色是沒有區別的,
這也是為什麼稿紙上的線都是綠色的緣故。
彩色的掃描器當然就以白色混合光為主,
不過,
雖然是白光,
但如何的白卻也是學問所在。
所謂白光指的是這種光可以同時激發三種錐細胞,
這種光不可能是單色光,
但逆推回來,
紅光、綠光、藍光三種顏色的色光,
跟太陽光一樣可以混出白色,
但因為紅綠藍三色光的光譜範圍比太陽光窄,
因此照射在某一物體上時所反射出的顏色就有可能與太陽光不同,
那麼這就會形成色差。
一般來說最常用的人工白光(人工太陽光)的規格稱為D65光源,
這是什麼光以及波長範圍是什麼就容敝人割愛,
只要知道掃描器的白光光源其實也有一個標準即可。

相對於掃描,
輸出的原理就比較麻煩些。
我們要看到紅色,
打出一道紅光到眼睛裡面就完事了;
但我們要讓物體看起來是紅色的該怎麼做呢?
首先當然是確保光源,
如果我只用紅色的單色光去照射這個物體並讓它將紅色光完全反射回來,
那麼看到的就會是紅色的了。
但務實上我們不可能要求環境只有紅色單色光,
事實上我們的環境裡幾乎無處不存在著混合光,
因此我們如果要讓物體在大多數情況下看起來總是紅色的,
那麼最好的辦法就是在它的表面上塗上一層「除了紅色光以外全部的光都吸收」的顏料,
這樣不管你什麼波長的光照上去就都只有紅色的光會反射回來了。
這就是輸出的基本原理。
照前面說的例子,
我們不可能為每個波長對應的顏色都準備一個單色光光源,
同樣的我們當然也不可能為每一種波長對應的顏色去準備顏料,
再說,
事實上是有些顏色並無法對應到單一波長的光,
例如白色,
這樣的顏色就只能是混合光去合出來的。
因此呢就跟我們把顯示器的發光元件依照人眼的方式分解出紅綠藍三色一般,
輸出用的顏料我們只是反過來,
利用「只吸收紅光」、「只吸收綠光」跟「只吸收藍光」的顏料去做比例混合來達成。
所以我們可以很簡單地得到結論,
「只吸收紅光」的顏料就是能反射綠光與藍光的顏料,
因此等同於綠光與藍光疊加在一起的水藍色;
同理,
只吸收綠光相當於洋紅色;
只吸收藍光相當於黃色。
這就是為什麼從家用印表機到專業印刷機統一都使用CMYK格式的原因,
當中的CMYK就正式分別代表了水藍色、洋紅色、黃色與黑色。
理論上,
100%的單一顏料能吸收100%的該色光,
因此CMY三種顏料都以100%濃度混在一起就會是黑色的,
但實際上呢,
因為太陽光並不是只有RGB三色,
因此就算RGB三色完全被吸收了,
他們依然會反射一些介於RGB之間的一些特定波長的光子出來而不會是全黑的,
所以我們需要真正全黑的場合時就會使用黑色的墨水來達成,
並且,
因為白紙黑字是對比最大最常用的,
所以如果每次都要用3種墨水來表示黑色也顯得過於浪費了不是嗎?

看到這裡想必讀者們應該也已經可以理解了,
為什麼螢幕上的顏色與印刷出來的顏色會有色差了。
排除環境干擾的情況下螢幕上的顏色就只有RGB三色光只是亮度不同,
但印刷品本身是不發光的,
他只能藉由反射環境光來顯色,
因此環境光光源自然會直接地影響印刷品的顏色。
而又很不幸的,
雖然我們使用的墨水盡可能地重現了RGB混色的方式,
但就正是因為環境光不是只有RGB三色,
因此對於波長剛好不是RGB三色的光子的行為我們就會難以掌握,
自然就影響到表現出來的顏色,
更何況你要印上去的物體本身是什麼顏色的都會有所影響。
因此,
輸出基本上是100%肯定會與螢幕顯示出現色差的。
一些專業的軟體如Photoshop等會藉由色彩定義檔的方式盡可能減少這個色差,
但請記住,
這必須建立在所有的輸出設備包括印刷機、墨水品質與環境條件完全可控的前提下才有意義,
否則就算使用標準色彩定義檔也會存在著一定程度的誤差,
並且,
在不使用特殊色(特殊顏料)的情況下輸出色彩的色域空間也會比RGB要小得多。


【同色異譜與特殊色】

剛才提到,
在不使用特殊色的前提下,
純粹使用CMYK四色是無法完全表現出RGB色彩空間的所有顏色的。
但如果有一種顏色是不論如何都想要呈現出來時該怎麼辦呢?
那就是使用特殊色了。

如前所述,
每一種顏料都會吸收一部份波長的光子而反射出其餘波長的光子,
那麼對付環境光中一些無法被CMY三色墨水吸收的光子,
就能運用特殊色的方式去處理掉,
進而讓印刷品表現出更貼近RGB的色彩。
當然你也能想像這需要什麼代價了,
錢唄。

特殊色的特性,
也可以搭配同色異譜的原理加以應用。
如前所述,
例如黃色可以是單一波長的黃色光也可以被一定比例的紅色光與綠色光去疊加出來,
那麼同理,
正常的黃色墨水是只吸收藍色光並反射其他波長的光子的顏料,
但能不能有一種墨水是只反射約550nm波長的黃色單色光而吸收其他波長光子的呢?
答案是當然可以有。
在正常的白色光環境下,
這兩種墨水印出來的黃色看在人眼裡都是一樣的,
但今天在純紅色光源底下的話,
正常的黃色墨水的部分看起來就會是紅色的,
但特殊黃色墨水的部分看起來就會是黑色,
因為前者是只吸收藍光因而可反射紅光,
後者則是只反射黃光所以紅光就被吃掉了(等於沒有光子被反射出來所以是黑的)。
這種同色異譜的特殊色的應用很常被用於鈔票的防偽上,
因為不論你的掃描技術多好,
只要你使用了白色光源進行取樣,
那麼就永遠無法解決同色異譜的問題,
因而此時你偽造出來的鈔票不論在白色光源下有多麼逼真,
基本上只要換個光源就會破功了,
而這基本上也是驗鈔筆的原理所在了。

【色盲】

如上所述,
人眼的錐細胞分成三種,
而當這三種錐細胞的其中一種因發育不全或因後天因素受到損壞時,
那麼自然就會對於顏色的認知出現障礙了。
我們最常聽到的紅綠色盲,
指的是M(主要對應綠色)或L(主要對應紅色)出現功能障礙,
進而導致他無法正常分辨紅光與綠光,
尤其在號誌燈的辨識上可能出現嚴重的後果。
現在的號誌燈設計上,
黃燈中含有橙色(波長約600nm)的成分,
綠燈中含有藍色(波長約450nm)的成分,
因此即使是紅綠色盲來看,
就還是能感受到差異所在。
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