首先，你可以仔細觀察或訪談一些色盲的朋友們，他們在採草莓時遇到什麼樣的困難？ Knut Nordby本身就是一位完全色盲的科學家，他就曾自述，採草莓時，必須先用手在樹藤中摸索，靠手的觸覺來區辨是草莓還是樹葉!一般而言，色盲的人通常會被灰階的亮度對比所愚弄，誤把比較亮的與比較暗的部份視為兩個不同的物體，同灰階的則視為同一個物體。可見失去色彩視覺能力讓我們也失去部分的知覺區分(perceptual segregation)能力(參見圖5-1)。

再看看現代生活中，看到交通號誌，紅燈停，綠燈行；醫生看膚色判斷健康狀況…，我們經常透過色彩來獲得某些有意義的訊息，動物界也一樣。母知更鳥只對有紅色”胸毛”的公知更鳥有求愛反應。因此，從生物演化的觀點來看，色彩訊息也提供某種警訊(signaling)的角色。

到底導致整個色彩知覺的機制何在？本章將先從色彩的物理實驗開始敘述，再介紹心理物理實驗與生理機制。在敘述過程中，作者在適當位置插入關於，如何用photoshop這類電腦影像處理軟體模擬各類色彩經驗的說明，讀者們親自動手做一做，將可以體會另一番學習的樂趣。

早在1704年Newton以三稜鏡(prism)將白色日光分出不同七彩色，又將該七彩色光藉由另一個倒置的稜鏡重組出白色日光。這個分光實驗讓牛頓相信，白光是由這些七彩光(以後簡稱光譜色，spectral colors；spectral hues)組成的。後來物理學家發現這些光譜色的差異在於波長的不同，因此一般我們使用「色彩」或「顏色」(chromatic color或hue)這個名詞指涉對應不同波長的光波所引發的色感，例如通常660nm是紅色，575nm是黃色，510nm是綠色，450nm是藍色；而「非色彩」或「灰階」(achromatic colors或gray level)則指涉黑到白的變化。

但是，請注意色彩感覺並不是物理現象，因為不同波長的光子本身並不真正具有顏色，它(不同波長的光子)必須透過眼球內的感光細胞才能引發色彩感。而且自然界中，通常也沒有單一波長的色光可以被感受到(實驗室例外)，而是各種不同波長的光混合進入眼底，例如500nm + 650nm的混合光可能與單一的波長的570nm色感一致(皆為黃色)。我們稱這些引發相同色感的不同波長組合的色光為異分同色(metameric colors，或稱metamers)。

光的混合又有兩類方式：一是加色混合(additive color mixture)，例如一般PC螢光幕上的色盤混合，色光加得越多越亮；一是減色混合(subtractive color mixture)，即一般顏料的混和，因為它是透過吸收部份光譜反射另一波段的光譜所致，結果顏料越加越暗，與加色合成正好相反，所以稱減色合成。

減色合成的結果視顏料、紙張反射率等特性而定，比較難預測。不過有一種自然界常發生的減色合成色光的歷程，即我們經常在日正當中時覺得天空藍藍的、太陽光黃黃的，日落或日出時則覺得太陽變紅了。這是因為太陽光經過地球大氣層時，短波的光子易被灰塵、微粒子擋住或說產生散射(scattering，又稱為Rayleigh 散射效應)，長波段光子較不會產生散射而直入眼簾，導致我們覺得天空藍藍的(藍色屬短波，在天空中即被散射開來)、太陽黃黃的(黃色屬中長波)。然而日出或日落時所遭遇到的大氣層厚度比日正當中時要厚得多，以致於更多中短波光子被散射，留下波長更長的光(紅光)可以穿透大氣層直入眼簾，所以日出或日落時太陽變得更紅了。

　

一般常用色環或稱色錐(color spindle，或稱color solid)的方式來表現各種色彩之間的關係。從這個色環可以清楚指出，在環對面的顏色稱為互補色(complementary colors)。繞色錐最肥的一圈是不同飽和色調(Hues)的變化，越往上走則亮度(Brightness)越高，最後所有色調都呈現白色光感，越往下走則亮度越低，最後變成黑色。在色錐同一高度下的同心圓（或稱色環），其差異主要在於飽和度不同。所謂飽和度(Saturation)是指一個純色混入白光的比例，如果該比例越高則飽和度便越低，由此定義可知，光譜色的飽和度最高。有興趣的讀者也請用photoshop中，HSB色彩模式的調整，來觀察這三個向度所產生的變化。

在色環內的大部分顏色事實上都可以藉著適當選三種光譜原色(primaries)以某種特定比例的強度混和出來，一般都選650nm(紅色)、530nm(綠色)與460nm(藍色)三種。這種調整三原色的比例使得顏色與任一種色光相同的作業稱為 顏色配對作業(color matching task)。18世紀的物理學家Thomas Young(1773-1829) 最先以顏色配對實驗證實任意三種純色光就可合成所有其他色光，但是他沒有區分這是物理性質還是知覺特性。19世紀的Helmholtz就再度用這類作業對色覺提出相當正確的色彩知覺模型。

此處先讓我們藉機了解一下，彩色電腦螢幕的發光原理，以便讀者在適當時機使用電腦展示相關色彩效果。彩色CRT螢幕也是利用三個色光，依不同強度比例混和出許多色彩。只是這三種色光不是單一波長的光譜色，而是不飽和的紅、綠、藍三色，蓋其發光顏色是由一束電子打在特定的燐光質（phosphor）上所產生的放射能量而定。為了發出紅、綠、藍三種色光，因此有三種燐光質緊鄰排列，形成一個像素點(pixel)，每一種色光的強度則由電子束的強度決定。如果這三個緊鄰的燐光質距離太遠，則會產生色光分離的現象，故通常我們以點距越小的螢幕越好。而燐光質本身受激之後的光，會迅速消退，其消退的時序隨燐光質不同而不同，故利用螢幕作色彩、亮度控制時，也多會交代燐光質種類。

電腦螢幕基本上是以一個像素點為單位發出色光，但是若要整個螢幕顯示彩色圖形，則電子束必須從最左上方一行先往右橫掃完畢，再下一行左方開始往右橫掃，以程式所指定的強度一一掃過每一個像素點，我們慣稱這類掃瞄方式為Raster scan方式。因為燐光質的發光會消退，所以當整個螢幕由左至右、由上至下掃過一遍之後，必須趕快再重頭來重複嫂第二遍，如此才能維持整個螢幕持續秀出彩色圖形，我們慣稱電子束由上掃到下的速率為垂直掃瞄速率。一般VGA的垂直掃瞄速率為60Hz，當然這個速率越快人眼看起來比較不會有閃爍感。不過有些螢幕的垂直掃瞄速率計算方式不同，因為它們的掃瞄速率太慢，又為了維持整個螢幕畫面，因此採取折衷的方式，亦即先掃過1、3、5、7、9…行，再回來掃2、4、6、8、10…行，我們慣稱這類掃瞄方式為交錯式(interlace)掃瞄，以別於非交錯式(non-interlace)掃瞄。

1931年，Commission Internationale de I'Eclairage(CIE)研究小組就使用三原色的強度比例，將所有顏色刺激以這些比例值進行標準化的工作。很不幸的是，有些光譜色無法以三原色調配出來，他們只好將其中一種原色放在目標色(即原來的目標色再加上其中一種原色的光，組成新的目標色塊)中，以沖淡目標色的方式來做顏色配對，然後再經數學轉換以三種假想的原色比例，重新繪製出顏色的座標，我們稱為CIE色標系統。

CIE座標僅有兩個軸，x軸表示假想的紅原色的比例，y軸為假想的綠原色的比例，而藍原色的比例則等於1-x-y。我們可以想像這個CIE色標即是理想色錐中一個橫切面的顏色圖譜。有興趣的讀者，可以用photoshop中的Lab色彩模式來逼近CIE的座標系統，藉以觀察a、b(分別對應到CIE系統的x、y)變化所產生的色調改變方式。圖5-7即針對一般電腦螢幕所測得的各類色彩座標值，讀者可以看到，一般電腦螢幕RGB模式所能表現出來的色域(gamut)遠小於CIE系統定義的色域，因為電腦螢幕無法表現出真正飽和的光譜色。

到底吾人的視覺系統如何處理色彩的呢？在尚未詳細介紹當代科學家的研究之前，讀者們應該可以輕易的想到以下兩種理論來說明色彩處理機制。一是特定波長訊息登錄理論(specificity coding theory)，亦即一個神經細胞攜帶或傳遞一種特定光波長的訊息，因此應該有數以百千計的不同波長敏感細胞(或稱color receptors)存在才是；另一個理論是反應組型登錄理論(across-fiber pattern coding)，亦即只要有少數幾類光波長敏感細胞，藉著少數幾類細胞的反應強度比例即可反應色彩感覺。但是我們從日常生活的觀察中發現，特定波長訊息登錄理論是不可能的。因為日常生活中的色彩、形狀等刺激幾乎有數以億計(Robert Erickson，1984)，怎麼可能在網膜內塞下如此多的色彩接受器。而且異分同色的現象也告訴我們，人類的視覺系統對光波長訊息一定沒有那麼仔細的區分，否則怎麼會有異分同色的現象？所以下面即將介紹科學家們如何驗證反應組型登錄理論的適當性。

在1960年代左右，生理學家們已經可以測量到感光細胞的吸收光譜，發現大約在419nm、531nm、558nm三處波長有最高的吸收比率(Brown與Wald，1964)。而且發現，不論何種波長的光，只要有同樣強度的光能量打在感光細胞上，則這些感光細胞的神經衝動反應都一樣強，這被稱為等變異原則(univariance principle)。亦即會引起感光細胞對不同波長光子有不同反應的因素只在於該感光細胞對該波長光子的吸收比率，而不是決定於光子本身的波長特性。

如前文所述，Helmholtz使用不同的顏色配對作業，發現正常色覺者只需要三種(或三種以上)波長的原色光依照特定比例混和，即可混成任何色光，而三種以下的原色光在一般狀況下是無法配出任意色光的。這種結果無法以假設有一種感光細胞或假設有二種感光細胞推論而得，只能以假設有三種感光細胞推論而得，而且這個結果也無法以假設有四種以上的感光細胞推論出來，以下我們將詳述這種推論過程。

首先我們將顏色配對作業分成幾個類型：一類是以一種單色光(以下稱為λ2)配出標準刺激色(C1，實驗者給定之固定刺激，必須異於λ2色光)的作業類型(以下以C1=λ2代表此類型作業)；一類是以二種單色光(λ2、λ3)配出標準刺激色(C1)的作業類型(以下以C1=λ2+λ3代表此類型作業)；一類是以三種單色光(λ2、λ3、λ4)配出標準刺激色(C1)的作業類型(以下以C1=λ2+λ3+λ4代表此類型作業)；一類是以四種單色光(λ2、λ3、λ4、λ5)配出標準刺激色(C1)的作業類型(以下以C1=λ2+λ3+λ4+λ5代表此類型作業)。整個推論的目標是在於，假設有X種感光細胞，則這四類作業中哪些作業是邏輯上可被完成的，哪些作業是邏輯上不可被完成的，然後再與真正實驗的結果比較，以排除或接受X種感光細胞的假設。

假設人類只有一種感光細胞，這個感光細胞對於λ2、λ3、λ4、λ5的光子吸收率分別是a2、a3、a4、a5。則就C1=λ2作業而言，能配對成功的意義在於：C1對該感光細胞所引起的反應量(R1)等於λ2(可調整其強度為I2)對該感光細胞所引起的反應量(I2 x a2)，以數學式子表達如下：

R1=I2 x a2 -----------------(1)

(1)式中的R1與a2皆為定值，只有I2是需要受試者自行調整的變數，因此(1)式可解得I2=R1/a2；亦即只要適當的調整I2，必可達成R1=I2 x a2的條件，也就是在邏輯上只有一種感光細胞的人應可輕易完成C1=λ2作業。但是真正實驗的結果顯示，除了少數色盲者之外，一般人根本無法藉著調整λ2的強度I2調出C1色來，因此我們排除只有一種感光細胞的假設。

如果讀者無法理解上述的方程式，也可以換另一種思考方式。就是想像人類只有一種感光細胞，其對於各個波長光子的吸收比率如下圖5- 所示，則依據等變異原則，我們只要增加A波長的光強度，使其等於B波長光強度的9/4，則該感光細胞的神經衝動量便達到一致，亦即我們可以看到A與B是相同顏色。使用同樣的推理，用任意兩種波長都可以調出相同顏色！這對於一般人而言，是不可能的。

同理，假設人類只有二種感光細胞，第一種感光細胞對λ2、λ3、λ4、λ5的光子吸收率分別是a2、a3、a4、a5，第二種感光細胞對λ2、λ3、λ4、λ5的光子吸收率分別是b2、b3、b4、b5(此處的a1/b1、a2/b2、a3/b3互相獨立，無線性關係存在)。則就C1=λ2+λ3作業而言，能配對成功的意義在於：C1對第一種感光細胞所引起的反應量(R1)等於λ2與λ3 (強度分別為為I2、I3)對第一種感光細胞所引起的總反應量(I2 x a2 + I3 x a3)，而且C1對第二種感光細胞所引起的反應量(R2)也等於λ2與λ3對第二種感光細胞所引起的總反應量(I2 x b2 + I3 x b3)，以數學式子表達如下：

R1= I2 x a2 + I3 x a3 -----------------(2)

R2= I2 x b2 + I3 x b3 -----------------(3)

(2)、(3)式中的R1、R2、a2、a3、b2與b3皆為定值，只有I2、I3是受試者可自行調整的變數。解聯立方程式(2)與(3)可得

I2=[(b3 x R1) - (a3 x R2)] / [(a2 x b3) - (b2 x a3)]

I3=[(b2 x R1) - (a2 x R2)] / [(a3 x b2) - (b3 x a2)]

亦即只要適當的調整I2、I3，必可達成R1= I2 x a2 + I3 x a3而且R2= I2 x b2 + I3 x b3的條件，也就是在邏輯上只有二種感光細胞的人應可輕易完成C1=λ2+λ3作業。但是真正實驗的結果顯示，除了少數色盲者之外，一般人根本無法藉著調整λ2與λ3的強度配出C1色來，因此我們也排除了有二種感光細胞的假設。

再考慮假設人有4種感光細胞，第一種感光細胞對λ2、λ3、λ4、λ5的光子吸收率分別是a2、a3、a4、a5，第二種感光細胞對λ2、λ3、λ4、λ5的光子吸收率分別是b2、b3、b4、b5，第三種感光細胞對λ2、λ3、λ4、λ5的光子吸收率分別是d2、d3、d4、d5，第四種感光細胞對λ2、λ3、λ4、λ5的光子吸收率分別是e2、e3、e4、e5(此處的a1:b1:d1:e1、a2:b2:d2:e2、a3:b3:d3:e3互相獨立，無線性關係存在)。則就C1=λ2+λ3+λ4作業而言，配對成功的意義是：C1對第一種感光細胞所引起的反應量(R1)等於λ2、λ3與λ4(強度分別為為I2、I3、I4)對第一種感光細胞所引起的總反應量(I2 x a2 + I3 x a3 + I4 x a4)，而且C1對第二種感光細胞所引起的反應量(R2)等於λ2、λ3與λ4對第二種感光細胞所引起的總反應量(I2 x b2 + I3 x b3 + I4 x b4)，而且C1對第三種感光細胞所引起的反應量(R3)也等於λ2、λ3與λ4對第三種感光細胞所引起的總反應量(I2 x d2 + I3 x d3 + I4 x d4)，而且C1對第四種感光細胞所引起的反應量(R4)也等於λ2、λ3與λ4對第四種感光細胞所引起的總反應量(I2 x e2 + I3 x e3 + I4 x e4)，以數學式子表達如下：

R1= I2 x a2 + I3 x a3 + I4 x a4 -----------------(4)

R2= I2 x b2 + I3 x b3 + I4 x b4 -----------------(5)

R3= I2 x d2 + I3 x d3 + I4 x d4 -----------------(6)

R4= I2 x e2 + I3 x e3 + I4 x e4 -----------------(7)

(4)、(5)、(6)與(7)式中，只有I2、I3與I4是變數，其餘為常數，在a1:b1:d1:e1、a2:b2:d2:e2、a3:b3:d3:e3互相獨立，無線性關係存在的前提下，這組方程式是無解的(或說有矛盾解)，亦即邏輯上一般人應無法只藉著調整λ2、λ3與λ4的強度配出C1色來。但是事實上正好相反，所有正常色覺的人都能完成該作業，故也排除了有四種感光細胞的假設。我們將這些推論過程整理如下表：

聰明的讀者將發現，多假設一種類型的感光細胞，就多增加一條方程式，亦即至少需要再多一個變數(此變數為受試者用來調整的、特定波長的光強度)，才能避免矛盾解產生。也就是說，多假設一種類型的感光細胞，將減少異分同色的個數，例如假設有300種感光細胞，每一種只對1nm範圍內的波長有最大反應，那麼我們幾乎就沒有異分同色發生了。

上述推論過程只能說明感光細胞的個數，我們仍然無法知道各個感光細胞的吸收比率等等細節。後來Dartnall，Bowmaker與Mollon(1983)真正對人類的感光細胞進行一種稱為microspectrophotometry的測量，才真正揭開人類有三種感光細胞的謎底。這也說明了，適當的心理物理實驗是有可能推論出神經生理機制的。

不過，三原色機制並不能完全解釋我們的色彩知覺現象。例如圖5- 的同時性色彩對比(color contrast)與後像(Afterimages，參見圖5-)，就無法以三原色機制解釋。讀者還可以用另一種方式來體會色彩對比，亦即透過不同顏色的螢幕布中間的一個小孔來觀看四周景物的顏色時(以一塊大片的純色的紙，中央戳一個1.5mm的小洞，距離眼睛約30公分處，垂直於要觀察的光源，閉上一眼，用另一眼觀看孔中透出來的顏色)，所感覺到的顏色會與拿開螢幕布時的感覺有差異，也會隨螢幕布色不同而不同。

再看看人的語言材料中，有數以千計(約7500個詞彙)的不同色彩名稱(color manes)，但是科學家們發現雖然人類有數千個詞彙描述色彩，卻只需要紅、黃、綠、藍四個名詞及其組合就可描述所有的色彩了(Abramov與Gordon,1994；Hurvich,1981)。這四個基本色名缺一不可，也不能替換成其他色名，如橙色(orange)、咖啡色(brown)、紫色(purple)等(Fuld,Wooten與Whalen,1981；Quinn,Rosano與Wooten,1988)。在中國陰陽五行的思想系統中，也只用了青、赤、黃、白、黑五種基本色彩，企圖描述所有自然界。對於這些色彩經驗，德國物理學家Ewald Hering提出另一個機制來解釋它們。

根據Gouras(1989)以單色光(monochrome)的實驗發現，人眼可區辨的光波差異約有200階(steps)，每一種光波強度變化的區辨力約有500階。如果以白色與某一單色光波混和，例如以640nm(紅光)混加上白光之後，會感覺紅色變淡，亦即飽和度(saturation)降低。將200種色光x500種亮度變化x20種飽和度變化，可得2000000種人眼可區辨的不同色感。

也可在人的語言材料中找到數以千計(約7500個詞彙)的不同色彩名稱(color manes)。但是，科學家們也發現雖然人類有數千個詞彙描述色彩，卻只需要紅、黃、綠、藍四個名詞及其組合就可描述所有的色彩了(Abramov與Gordon,1994；Hurvich,1981)。這四個基本色名缺一不可，也不能替換成其他色名，如橙色(orange)、咖啡色(brown)、紫色(purple)等(Fuld,Wooten與Whalen,1981；Quinn,Rosano與Wooten,1988)。在中國陰陽五行的思想系統中，也只用了青、赤、黃、白、黑五種基本色彩，企圖描述所有自然界。

除了周圍色彩會影響吾人所要觀看的顏色感覺之外，亮度也會影響色彩感覺。例如讓一個紅光源或綠光源強度增強時，不只會感覺到亮度增加，也會覺得顏色開始偏黃，這個現象稱為Bezold-Brucke色調偏移效應。讀者在家中可以用100W的白亮燈泡，透過紅色綠鏡(讓長波光通透)和綠色綠鏡(讓中偏長波通透的光)看燈泡時，也會感覺燈光偏黃的效應。

色彩與情緒