色 貌 現(xiàn) 象
1.概述
早期的色彩研究中并沒有考慮到色貌現(xiàn)象，如此建立的色彩學(xué)對很多特殊情況是不適用的。隨著色彩科學(xué)發(fā)展程度更廣更深，色貌現(xiàn)象已經(jīng)引起色彩研究工作者足夠的重視，把色貌現(xiàn)象的影響也考慮進(jìn)來。
1.1色外貌現(xiàn)象定義
當(dāng)兩個顏色的CIE三刺激值（XYZ）相同時，人的視網(wǎng)膜的視覺感知這兩個顏色是相同的。但兩個相同的顏色，只有在周圍環(huán)境、背景、樣本尺寸、樣本形狀、樣本表面特性和照明條件都相同的觀察條件下，視覺感知才是一樣的（匹配的）。一旦將兩個相同的顏色置于不同的觀察條件下，雖然三刺激值仍然相同，但人的視覺感知會產(chǎn)生變化，這就是所謂的色貌現(xiàn)象。觀察顏色時通常都是在一個確定的環(huán)境中，各種環(huán)境因素都會影響到我們的視覺感知。樣本的色相、明度和彩度都會隨著照明條件等環(huán)境因素的不同而發(fā)生變化。
僅以色彩物理刺激量并無法絕對代表人眼所見之色彩，而需將外在環(huán)境所造成的影響一同加以考慮。另外單純以色差公式計(jì)算兩色點(diǎn)之間的差異量，無法得到接近人眼對于兩色塊于視覺上的差距。除了考慮物理差距外，仍需考慮到人眼視覺對顏色的影響。
當(dāng)兩個顏色的三刺激值相同，如果這兩個顏色的外貌不同，那肯定就是它們的觀察條件不同。不同的色貌現(xiàn)象描述了觀察條件的改變和色貌改變的關(guān)系。
1.2色外貌的相關(guān)屬性
對于色外貌的相關(guān)屬性定義，如下：
- 色相（Hue）：人眼依據(jù)某一刺激量，視覺感受出其所呈現(xiàn)出的一種主色彩表現(xiàn)的視覺屬性。
- 明度（Lightness）：人眼依據(jù)某一刺激量，視覺感受出其與周圍白點(diǎn)或最亮區(qū)塊之相對輝度比例值（相對值）。
- 視明度（Brightness）：人眼依據(jù)某一刺激量，視覺感受出其所呈現(xiàn)出之光量的程度（絕對值）。
- 視彩度（Colorfulness）：人眼依據(jù)某一刺激量，視覺所感受出其在某一種主色相色彩表現(xiàn)之色味的濃厚值（絕對值）。
- 飽和度（Saturation）：人眼依據(jù)某一刺激量，視覺感受出其視彩度與視明度的相對比例值（相對值）。
- 彩度（Chroma）：人眼依據(jù)某一刺激量，視覺感受出其視彩度與周圍白點(diǎn)或最亮區(qū)塊視明度之相對比例值（相對值）。
2．色貌現(xiàn)象介紹
色貌現(xiàn)象根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀主要可以分為以下幾種[1]：
色相偏移（Bezold-Brücke Hue）、艾比尼效應(yīng)(Shift Abney Effect)、赫爾姆霍-科耳勞奇效應(yīng)（Helmholtz-Kohlrausch Effect）、亨特效應(yīng)（Hunt Effect）、斯蒂文斯效應(yīng)（Stevens Effect）、同時對比（Simultaneous Contrast）、勾邊使圖像輪廓鮮明（Crispening）、赫爾森-賈德效應(yīng)（Helson-Judd Effect）、Bartleson-Breneman等式（Bartleson-Breneman Equations）、顏色適應(yīng)（Chromatic Adaptation）、顏色的恒常性（Color Constancy）、記憶色（Memory Color）。
2.1色相偏移
當(dāng)亮度發(fā)生變化時，單色刺激的色相將產(chǎn)生漂移。即樣本的色相在照明體的亮度發(fā)生變化時不保持恒常。當(dāng)光源亮度值有變動時，色相會隨著亮度變化而有所偏移。
或許有人會問600nm的光是哪種顏色？大多數(shù)人對于這種問題好像有明確的答案，但至少赫爾姆霍在1867年已經(jīng)認(rèn)為這樣的描述是不準(zhǔn)確的。圖1模擬了，隨著亮度增加和減少的變化情況下的一個光譜（每一個區(qū)域的光只有一個波長）。這個模擬可能不是很好，因?yàn)轱@示器在模仿光譜顏色時并不能達(dá)到十分完善的程度 [2]。
圖1 Bezold-Brucke色相偏移模擬圖
仔細(xì)觀察不同色相的邊界，特別是紅色區(qū)域向橙色區(qū)域的過渡。隨著亮度的提高和降低，不同色相的邊界并不停留在同一個地方，在藍(lán)色和紫色區(qū)域也是如此。如果隨著亮度的增加和降低，邊界并不左右移動，應(yīng)該是由于顯示器的效果不行。
不論演示是否有效，在合適的條件下這種變化是肯定存在的。色相也同樣要取決于亮度，不同亮度條件下的同一種波長的光有不同的色相。因此不能肯定的下結(jié)論，一種波長的光是何種顏色。
2.2 艾比尼效應(yīng)
當(dāng)一束單色光和白光混合后，施照態(tài)的色純度將被改變。根據(jù)Bezold-Brucke色相漂移效應(yīng)，樣本的色相也將發(fā)生變化。這一現(xiàn)象被稱為Abney效應(yīng)。
亦即色相會隨著刺激純度的改變而變動，例如某一種顏色中加入了白光而改變其原有的色彩純度時，色相于人眼視覺上會隨著純度的不同而改變。圖2和圖3都展示了艾比尼效應(yīng)的存在。
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圖2 艾比尼效應(yīng)圖
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圖3艾比尼效應(yīng)圖
2.3赫爾姆霍-科耳勞奇效應(yīng)
根據(jù)以往的理論基礎(chǔ)，人眼對于明度的感知只是取決于三刺激中的Y值。但事實(shí)上，經(jīng)由Helmoltz的實(shí)驗(yàn)可知，明度值和色度值的改變均會影響視明度值。圖4揭示了赫爾姆霍-科耳勞奇效應(yīng)的存在[3]。
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圖4赫爾姆霍-科耳勞奇效應(yīng)
2.4亨特效應(yīng)和斯蒂文斯效應(yīng)
2.4.1亨特效應(yīng)
物體的色貌隨著整體的亮度變化發(fā)生明顯的改變。即色度隨著亮度的變化而變化，這就是所謂的Hunt效應(yīng)[4]。Hunt在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)觀測時光源亮度愈高時，色彩之色相也會相對的提高。例如物體的色貌在夏天的下午顯得更加鮮艷和明亮，而在傍晚則顯得柔和。在更亮的光源條件下，物體色看起來更加鮮艷，明暗對比更加強(qiáng)烈。視彩度隨著亮度的增加而增加。在更亮的光源條件下，物體色看起來更加鮮艷，明暗對比更加強(qiáng)烈。在色度圖上，點(diǎn)(0.35,0.33)在1000cd/m2的條件下，與在1cd/m2的條件下的點(diǎn)(0.55,0.33)相匹配。因此在評價顏色外貌時，必須把絕對亮度考慮在內(nèi)。
圖5表明了在照度改變的條件下相應(yīng)的色度變化，x,y表示的都是色度坐標(biāo)，揭示了亨特效應(yīng)。圖上點(diǎn)都用照度水平來標(biāo)記。
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圖5 亨特效應(yīng)
2.4.1斯蒂文斯效應(yīng)
Stevens效應(yīng)與Hunt效應(yīng)是密切相關(guān)的。Hunt效應(yīng)說明視彩度對比（Colorfulness contrast）隨亮度的提高而提高。Stevens效應(yīng)則說明視明度對比（Brightness contrast）或明度對比（Lightness contrast）隨亮度的提高而提高。當(dāng)明度增加時，色彩的對比也會隨之提升，與Hunt效應(yīng)所提出的結(jié)論是相似的。
圖6斯蒂文斯效應(yīng)
圖6表明了，在相對照度提高的同時，相對明度也得到了提高，證明了Steven 效應(yīng)。
2.5同時對比
相同物理刺激量的色彩放在不同背景下，人眼所接收到的刺激量，會因背景色的不同而有不同的視覺感受。同時對比帶來的視覺現(xiàn)象是由人眼的視覺平衡生理平衡引起的。人類的眼睛對色彩具有自動調(diào)節(jié)的功能，即人的眼睛對任何一種特定的顏色都同時要求看到其相對補(bǔ)色。
2.5.1明度對比
同樣一個灰色圖形，在白色的背景上看起來顯得顏色深一些，在黑色的背景上顯得顏色淺一些，這就叫做明度對比。在視覺研究中，經(jīng)常用對比來表示被觀察對象在視場中的清晰程度，藝術(shù)上常用明度對比來取得不同的藝術(shù)效果。
2.5.3 邊界對比
在明暗圖形輪廓邊界部分發(fā)生的主觀對比加強(qiáng)的現(xiàn)象，就成為邊界對比。被加強(qiáng)的區(qū)域，總是發(fā)生在客觀亮度變化最大的地方，這是1805年由奧地利科學(xué)家馬赫發(fā)現(xiàn)的，故稱為馬赫效應(yīng)。從心理學(xué)角度來說，也就是一種邊緣對比效應(yīng)。
2.5.2顏色對比
在觀察的視場中，人們對一顏色的感覺由于受到了它鄰近的其它顏色的影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為顏色對比。也即人的眼睛同時看兩個色塊，與將兩個色塊分開單獨(dú)考慮的視覺效果是不一樣的。中性灰色的顏色總是向背景顏色的補(bǔ)色方向變化，這種現(xiàn)象稱為顏色同時對比。同時對比效果不僅發(fā)生在一種灰色和一種強(qiáng)烈的色彩之間，并且也發(fā)生在任何兩種并非準(zhǔn)確地互補(bǔ)色之間。兩種色彩都傾向使對方向自己的補(bǔ)色轉(zhuǎn)變。通常紅-綠、黃-藍(lán)稱為生理補(bǔ)色，這是一種生理現(xiàn)象，即在顏色視覺中，需要有相應(yīng)的補(bǔ)色來對任何特定的色彩進(jìn)行平衡。
表1 生理補(bǔ)色
背景色變化 | 色貌改變 |
更暗 | 更亮 |
更亮 | 更暗 |
紅 | 綠 |
綠 | 紅 |
黃 | 藍(lán) |
藍(lán) | 黃 |
圖7 顏色對比
2.6勾邊使圖像輪廓鮮明
勾邊使圖像輪廓鮮明-兩個差異不大的色彩刺激量，同時置于與刺激量相似之背景下，人眼對于兩刺激量的視覺差異會較原先來的大。例如圖8和圖9，可以很明顯地看到，兩個有色貌比較近似的灰色色塊在灰色的背景下，相比在黑色和淺灰色的背景下，兩者之間的色貌差別看起來更大。而在另一幅圖中，兩個有一定色差的深紅色色塊，在紅色背景下的色貌差別，相比黑色背景和白色背景，色相差別要大得多。
圖8 灰色塊勾邊
圖9紅色塊勾邊
2.7赫爾森-賈德效應(yīng)
當(dāng)測試樣本比背景亮?xí)r，樣本色相會與光源相同；當(dāng)測試樣本比背景暗時，樣本色相會與光源形成互補(bǔ)色。
圖10 赫爾森-賈德效應(yīng)
圖10顯示赫爾森在1938年發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，驗(yàn)證了Helson-Judd效應(yīng)的存在。一定顏色的樣品在灰色的背景下與綠色的光源條件下，色相和色度的度量。
2.8 Bartleson-Breneman等式
1967年，Bartleson和Breneman發(fā)現(xiàn)當(dāng)一個復(fù)雜刺激（圖像）的周圍環(huán)境從黑→暗→亮發(fā)生變化時，圖像的感知對比度也隨著逐漸增加。鑒于Steven所提出的色彩對比會隨著明度增大而增大的觀點(diǎn)，Barleson和Breneman著手開始進(jìn)行其相關(guān)的試驗(yàn)，將此理論應(yīng)用于復(fù)雜影像上，以觀察“影像對比如何隨著環(huán)境光源的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變”。最后，依照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推出了一系列會隨著光源的轉(zhuǎn)換而改變影響對比的“明度相依公式”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖：
圖11 Bartleson-Breneman等式
其中藍(lán)線為黑條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綠線表示模糊條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，紅線表示了平均亮度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢院苊黠@地看到，圖像的對比度在亮的條件下更大。曲線表達(dá)了白點(diǎn)重新設(shè)置將引起對比度也發(fā)生變化。
2.9顏色適應(yīng)
由于物理刺激（光）對感受器（眼睛）的持續(xù)作用，而使感受性發(fā)生變化的現(xiàn)象叫適應(yīng)性。
2.9.1暗適應(yīng)與明適應(yīng)
當(dāng)照明條件改變時，眼睛可以通過一定的生理過程對光的強(qiáng)度進(jìn)行適應(yīng)，以求獲得清晰的視覺。從強(qiáng)光下進(jìn)入暗室，最初看不見任何東西，經(jīng)過幾分鐘后才能看清周圍的東西，這種現(xiàn)象稱為暗適應(yīng)。而從暗室中走到陽光下，最初會感到耀眼，大約經(jīng)過一分鐘才能恢復(fù)正常，這種現(xiàn)象稱為明適應(yīng)。暗適應(yīng)是眼睛對光的感受性提高的過程，明適應(yīng)則是眼睛對光的感受性降低的過程。相機(jī)的自動曝光便模擬了明暗適應(yīng)，測試現(xiàn)場的光線強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)自動曝光。
2.9.2顏色適應(yīng)
在照明方式發(fā)生改變時，開始人眼會感覺到物體的顏色發(fā)生變化，色彩“失真”，但經(jīng)過一些時間之后，眼睛便習(xí)慣于新的光源，物體又重新顯示出它原始的不失真的外貌。通常人眼適應(yīng)于一定的刺激后，再觀察另一種顏色時，后者的色彩會發(fā)生變化，而帶有原適應(yīng)色的補(bǔ)色成分。先看到的色光對后看到的色彩的影響所造成的顏色變化叫做顏色適應(yīng)。在印刷行業(yè)中廣泛應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)光源來判斷色彩，目的就在于消除由光源光色而產(chǎn)生的顏色適應(yīng)的影響。數(shù)碼相機(jī)中的“自動白平衡”就是為了克服外界環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)對色溫的控制和校正，決定畫面中的白平衡基準(zhǔn)點(diǎn)，以此來達(dá)到白平衡調(diào)校。
2.10顏色的恒常性
光源照度改變時，物體色外貌會因人眼視覺調(diào)試而感覺恒定不變的一種現(xiàn)象，稱為顏色的恒常性。也即人眼視覺系統(tǒng)對于光源色照射至影像中“所造成影像色相的改變”會有自動補(bǔ)償回原有色彩的機(jī)制。在日常生活中，每個具有正常色視覺的人都會同樣的經(jīng)驗(yàn)，就是大部分的自然物體色在不同自然光下都具有恒定的色外觀，此現(xiàn)象即為色恒性。
2.10.1明度恒常
決定明度恒常性的重要條件是物體反射出來的光強(qiáng)度和從背景反射出來的光的強(qiáng)度的比例保持恒定不變，明度也就保持恒定不變，因此物體被看成白的還是黑的，往往不取決于其反射到眼睛里的光的絕對數(shù)量，而取決于其和背景所反射的光的相對數(shù)量。這也表明了一個物體是白的、灰的還是黑的，是由這個物體與周圍物體的相對明暗關(guān)系決定的。物體的黑與白是受明度對比和人的知識經(jīng)驗(yàn)的影響。而不完全是光的強(qiáng)度作用。
2.10.2 顏色恒常
物體的顏色是該物體表面對光源的光譜成分經(jīng)選擇性吸收后，反射剩余的色光而產(chǎn)生的。如果光源的光譜成分發(fā)生了變化，而我們對于周圍的物體的顏色感覺，在一定程度上看起來仍是十分穩(wěn)定的、保持不變，顏色視覺的這種特性稱為顏色的恒常性。物體表面的顏色，并不完全決定于刺激的物理特性和視網(wǎng)膜感受器的吸收特性，也受人們的知識經(jīng)驗(yàn)和周圍環(huán)境參照對比的影響。
2.11記憶色
人們在長期實(shí)踐中對某些顏色的認(rèn)識形成了深刻的記憶，因此對這些顏色的認(rèn)識有一定的規(guī)律并形成固有的習(xí)慣，這類顏色就稱為記憶色。紅蘋果、灰云、藍(lán)色天空、綠草地、綠樹和黃檸檬的顏色都是常見的記憶色。深深地烙印在人們的大腦中多數(shù)人都知道何時這些顏色是對的還是錯的。這些顏色在記憶中多數(shù)比實(shí)際顏色要更為鮮艷。
表2 常見的記憶色
顏色 | C | M | Y | K |
金色 | 5 | 15 | 65 | 0 |
銀色 | 20 | 15 | 14 | 0 |
半色 | 5 | 15 | 15 | 0 |
高光色 | 5 | 3 | 3 | 0 |
海水色 | 60 | 0 | 25 | 0 |
綠色 | 100 | 0 | 100 | 0 |
檸檬黃 | 5 | 18 | 75 | 0 |
2.11.1印刷中記憶色的應(yīng)用
在印刷品中，記憶色的表現(xiàn)是十分重要的，因此在印前制作時一定要對這些顏色認(rèn)真校正。
a. 膚色校正
膚色校正是一個十分細(xì)致的工作，每一種人種膚色還有一定的區(qū)別，就亞洲人種來說，屬于黃種人，在CMYK空間中，基本色成分通常是黃色和品紅色，其中黃色要比品紅色多10％以上，青是第三色，起到平衡膚色及組織輪廓的作用，其值一般為品紅的1／2～1／3，這是一個大概的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槟w色有很多差別，按年齡有老人、青年、兒童、婦女、少女之分，其中生活環(huán)境的不同，也能使同齡人的膚色有天壤之別。
b．藍(lán)天校正
蔚藍(lán)的天空給人感覺十分舒暢，蔚藍(lán)色給人的記憶是深刻的，有面積較大天空的圖片一般都是風(fēng)景照，其中綠色植物的黃青含量較重，而天空中安排黃色，不僅藍(lán)色看上去不純凈，而且圖片會缺乏空間感。要加深藍(lán)天，應(yīng)用中性的黑。適度的色彩夸張，給人眼的視覺感受是舒服的。藍(lán)天的基本色是青，其次是品紅。
3．色適應(yīng)轉(zhuǎn)換
色適應(yīng)對于色彩的改變在色外貌的研究中比明、暗適應(yīng)更為重要。在色外貌轉(zhuǎn)換模式中，需加入色適應(yīng)的轉(zhuǎn)換較為合適，如圖12所示，其中的 CAT即代表色適應(yīng)轉(zhuǎn)換（Chromatic Adaptation Transform）。色適應(yīng)轉(zhuǎn)換模式發(fā)展到至今已有100 多年歷史，而現(xiàn)今所有的色適應(yīng)模式，主要是以 Johannes von Kries于1902 年最早提出的概念假設(shè)為基礎(chǔ)。VonKries 提出“人類的視覺接收器與人眼知覺感受應(yīng)當(dāng)是呈互相獨(dú)立而不會相互影響”。因此，在人眼經(jīng)歷色彩適應(yīng)轉(zhuǎn)換的過程中，應(yīng)該要利用適當(dāng)?shù)哪Ｊ綄⒂^測之物體的色彩三刺激轉(zhuǎn)換、處理成與人眼視覺相關(guān)的“錐體細(xì)胞感應(yīng)值”，以預(yù)測出在不同觀測環(huán)境下的色彩表現(xiàn)能力；其做法即-可利用來源端與目的端之間的比值及不同模式的轉(zhuǎn)換矩陣，將原有來源端光源下所觀測之物體的色彩轉(zhuǎn)換成目的端光源下所表現(xiàn)的色度值。色恒性檢測技術(shù)即借色度適應(yīng)模式(Chromatic Adaptation Model)預(yù)測任一色刺激在不同光源或照明下，甚至不同媒體上，所呈現(xiàn)的色外觀，進(jìn)而評估其色恒性。在應(yīng)用上，可利用此色度適應(yīng)模式預(yù)測油墨或染顏料單一或混合使用時所產(chǎn)生的色刺激之色恒性，進(jìn)而使產(chǎn)品之色彩品質(zhì)穩(wěn)定或易于控制與管理 [5]。
色適應(yīng)轉(zhuǎn)換過程：
圖12色適應(yīng)轉(zhuǎn)換過程圖
色適應(yīng)轉(zhuǎn)換的模式有許多種類，目前已公布發(fā)表的色度適應(yīng)模式有如von Kries、Bartl-eson、BFD、CIE(Nayatani et al.)、Hunt、CIEL*a*b*、RLAB及即將發(fā)表之模式LLAB、KL95、Kuo96等。本文僅簡介“von Kries色適應(yīng)模式”及“BFD色適應(yīng)模式”廣為應(yīng)用的兩種。
3.1 von Kries色適應(yīng)模式
Johannes von Kries是現(xiàn)代色適應(yīng)模式研究之父。von Kries 所提出的概念為“人眼視覺器官與心理知覺應(yīng)該是具獨(dú)立性而不會互相影響”；并且，由于所有心理物理現(xiàn)象皆與人眼視覺細(xì)胞的接收有直接的關(guān)系，因而可依此概念以尋求出“物體色與視覺細(xì)胞之間的色適應(yīng)轉(zhuǎn)換模式”；如此，即可借由其相關(guān)的轉(zhuǎn)換矩陣而“將色彩三刺激值換成人眼視覺器官三個錐體細(xì)胞 LMS 所感應(yīng)到的刺激量”。根據(jù)上述之理論加以應(yīng)用于色適應(yīng)的轉(zhuǎn)換機(jī)制中，如公式 1的轉(zhuǎn)換方式，目的就是 “將觀測之色彩的三刺激值 XYZ轉(zhuǎn)換成人眼知覺中 LMS 錐體細(xì)胞各自感應(yīng)到的刺激量，同時亦相對應(yīng)的轉(zhuǎn)換改變不同觀測光源下之白點(diǎn)的相關(guān)刺激量值”。
(1)
其中
3.2 Bradford 模式
Bradford 模式是由 Lam 經(jīng)由實(shí)驗(yàn)測試所提出的，是被認(rèn)為預(yù)測較準(zhǔn)確因而較廣為應(yīng)用的色適應(yīng)轉(zhuǎn)換模式之一。在其模式之中，XYZ可經(jīng)由轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換成 RGB；其矩陣系數(shù)是根據(jù) Nayatani 轉(zhuǎn)換模式所修改而成，如同公式2、公式 3 所示。其主要目的亦在于研究人眼視覺對于不同光源與色彩恒常性之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
， 其中 (2)
(3)
其中R、G、B為適應(yīng)前色度值，Rc 、Gc、Bc為適應(yīng)后色度值，Rsw、Gsw、Bsw為來源端光源色度值，Rdw、Gdw、Bdw為目的端光源色度值。
4.參考文獻(xiàn)
【1】MarkD. Fairchild.Color AppearanceModels[M] . Wiley-IS&T Series in Imaging Science and Technology,2004:2-10
【2】University of California Santa Barbara. Hue Depends on Intensity. http://www.lifesci.ucsb.edu/~mrowe/Bezold-Brucke.html , 2004-08-25
【3】Yoshinobu Nayatani. A Colorimetric Explanation of the Helmohotz-Kohlrausch Effect [J] . Color Research and Application, 1998, 23(6):374-378
【4】Hunt, R. W. G. Model of Colour Vision for Predicting Colour Appearance[J]. Color Research and Application, 1982, 7(2):95- 112
【5】顏色科學(xué)與工程國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室.色貌模型簡介. http://www.csel.com.cn/News.asp?Id=16，2007-01-13
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