行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
色彩之彩度與明度恆常性之實驗檢測 研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 98-2410-H-011-011-
執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學工商業設計系
計 畫 主 持 人 ： 孫春望
計畫參與人員： 講師級-兼任助理人員：林大偉
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 99 年 10 月 31 日
色彩之彩度與明度恆常性之實驗檢測
Empirical Verification of Saturation Constancy and Lightness Constancy
計畫編號：NSC98-2410-H-011-011執行期限：98 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日 主持人：孫春望 台灣科技大學設計研究所
計畫參與人員：林大偉 亞東技術學院工商業設計系 許竹伶 台灣科技大學設計研究所
中文摘要
48 位受測者被安排在暗室中，分別在 一組標準照明與四組測試照明之下進行
「明度恆常」與「彩度恆常」實驗。結果 顯示：(1)照明劇烈改變之後，受測者的明 度恆常表現，均優於標準照明；(2)當照明 以單一波長呈現時，由於光譜成份與表面 色彩之反射係數之間的交互作用相對簡 單，比較容易獲致較佳的明度恆常水準；
(3)照明劇烈改變之後，受測者的彩度恆常 表現，均優於標準照明；(4)受測者的彩度 辨識率，與理論彩度之色差閾值(NBS)並非 呈現正比關係，不同於當代研究所得結果。
關鍵詞：色彩恆常性、色相、明度、彩度
Abstract
48 subjects are respectively arranged to experience two experiments which are named
“Lightness Constancy” and “Saturation Constancy”under a standard illuminant and 4 test illuminants in a dark room. The results showed: (1) Subject’s lightness constancy performance under the test illuminants is better than under the standard illuminant; (2) When the illumination was consisted of single wavelength, the interaction between spectrum components and surface reflectance is relatively simple, thus the higher level of lightness constancy performance is easy to reach; (3) Subject’s saturation constancy performance under the test illuminants is better than under the standard illuminant; (4) Subject’s saturation identification rate is not proportional to the color difference of theoretical saturation (NBS). This result is different to contemporary researches.
Keywords: Color Constancy, Hue,
Saturation, Lightness 一、緣由與目的
長久以來，科學家對於「人類能在不 同顏色光線照射下辨識相同的色彩」這一 現象深感興趣，於是發展出「色彩恆常性
（Color Constancy）」理論。色彩恆常性大 致意指人類大腦具備某種能力，能夠比對 物體表面反射光的顏色與周遭環境光的顏 色，從而辨識物體實際的顏色。色彩恆常 性確實可以解釋許多日常所見物體在從早 到晚日光劇烈變化下仍能讓我們感受相同 的顏色。但也有一些現象無法以色彩恆常 性解釋。本計畫之主要目的為以實驗方法 檢測色彩中之彩度與明度恆常性是否存 在。具體而言，我們希望知道當環境光源 之光譜成份改變時，受測者是否可以清楚 辨識實驗物件之彩度與明度？色彩之面向 包括色相、彩度與明度；在之前的研究中，
我們相當程度的質疑色相恆常性並不存 在。為了整體研究的周全，我們期望透過 本計畫檢測彩度與明度恆常性是否存在。
二、研究方法 (一) 受測者
24 位受測者分別參與明度恆常與彩度 恆常實驗檢測，共計 48 位受測者。每一位 受測者均通過「石原氏色覺異常檢查表」
之檢驗，表示色覺正常。
(二) 實驗環境
為了觀察受測者在真實環境中所展示 的明度恆常或彩度恆常之表現，本研究所 採用之實驗環境以全黑暗房為基礎，每一 位受測者必須單獨面對一只體積為 50 立方 公分之黑箱。為了避免表面反射所產生的 認知干擾，黑箱之內外表面以無光澤之黑
2
色材質覆蓋，箱上安置一盞 Philips 廠牌之 25W 省電燈泡（相當於傳統燈泡之 125W，
色溫為 6500K，發光效率為 65 LPW），如 圖 1(a)所示。實驗進行時，色彩樣本被置 於黑箱內之底部，如圖 1(c)所示，光源、
色彩樣本與受測者眼睛之間的關係呈現 45o，如圖 1(d)所示。
圖 1. 實驗環境：光源、色票與受測者之間的相對關係
(三) 測試光源
為了觀察受測者在不同環境光源下的 明度恆常和彩度恆常反應，除了圖 1(a)所 示之光源被視為標準光源(S)之外，光源與 黑箱之間的空隙可以置入一片厚度為 3mm 之透明彩色壓克力板，如圖 1(b)所示，用 來控制環境光源之改變。本研究共計採用 紅、黃、綠、藍四種壓克力板來改變光源 色彩，分別被視為 R、Y、G、B 四種測試 光源。標準光源(S)和測試光源(R, Y, G, B) 以 CIE LAB 色彩數值呈現於表 1。
表 1. 測試光源和色彩樣本之 CIE LAB 對應表
CIE LAB 值 色彩刺激
L a* b*
標準光源(S) 100.00 0.00 0.00
測試光源
R (Red) 31.04 50.66 8.37
Y (Yellow) 92.53 -11.41 89.09
G (Green) 31.66 -13.58 9.24
B (Blue) 35.98 38.60 -74.65
PCCS 色彩樣本
v4 (rO) 59.42 55.02 43.46
v8 (Y) 82.98 2.12 77.64
v12 (G) 60.70 -46.90 24.66
v16 (gB) 48.34 -22.50 -24.10
v20 (V) 44.34 14.26 -34.40
v24 (RP) 42.60 53.90 -8.20
(四) 色彩樣本
不同於 Munsell 色票，PCCS (Practical Color Coordinate System) 在國內相對廉價 並容易取得，且經常被設計相關人員採 用，因此成為本研究主要的色彩之取樣基
礎。以日本色彩研究所出版之「129a 色票」
為基礎，挑選 4(rO)、8(Y)、12(G)、16(gB)、
20(V)和 24(RP)共六個色相，如圖 2(a)所 示。並且以 PCCS 特有之色調（Tone，單 一色相以明度和彩度交織而成的二維向 度）為基礎，挑選 v、b、dp、lt、d、dk、
p、ltg 和 g 等九個色調，如圖 2(b)所示。因 此，本研究所採用之 PCCS 色彩樣本，共 計 54（6 色相 x 9 色調）張色票，由於篇幅 有限，僅將 v4~v24 等 6 張色票之 CIE LAB 色彩數值，呈現於表 1。
圖 2. 色彩樣本：6 個 PCCS 色相和 9 個色調
(五) 實驗設計
48 位受測者分別參與「明度恆常」和
「彩度恆常」二項實驗，每位受測者均不 重複參與實驗，因此二項實驗各自擁有 24 位受測者。為了降低受測者之實驗負擔，
本研究所採用之 54 張色票，被分成 X、Y 二組色票分別進行實驗檢測。X 色票組由 4(rO)、12(G)和 20(V)三個色相組成；Y 色 票組由 8(Y)、16(gB)和 24(RP)三個色相組 成，分別乘以 9 個色調之後，X、Y 二組色 票分別囊括 27 張色票，如圖 3 所示。
圖 3. 自變數、依變數與實驗任務之關係圖
同時，環境光源之光譜成份被視為自 變數；而受測者被要求分別從 X、Y 二組 色票中挑選 7 張「主觀中明度」色票和「主 觀中彩度」色票，分別用來和以機器量測 之「理論中明度」和「理論中彩度」進行 比對，因此所得之「明度辨識率」和「彩 度辨識率」被視為二項依變數。據此，每 一位受測者必須經歷 10 組試驗（5 組照明
x 2 組色票），為了避免學習效應，單一項 實 驗 中 的 24 位 受 測 者 以 拉 丁 方 格
（4x3x2x1=24）予以分配 10 組試驗的受測 順序。
(六) 資料分析
為了觀察受測者的明度恆常和彩度恆 常表現，每一位受測者在單一試驗中所挑 出 7 張屬於「主觀中明度」或「主觀中彩 度」的色票，用來與機器所量測的「理論 明度序位（明度排序為 11~17 之色票）」
和「理論彩度序位（彩度排序為 11~17 之 色票）」進行比對，二者對應之累計次數 轉換成百分率分配表，分別被視為「明度 辨識率」和「彩度辨識率」。據此，受測 者在五組照明(S, R, Y, G, B)下所得之二種 辨識率，分別以 ANOVA 進行分析。本研 究假設，受測者在四種測試光源下的辨識 率，若與標準光源下的辨識率之間並無存 在明顯差異，那麼表示受測者則具備鮮明 的明度恆常或彩度恆常能力；反之，則受 測者之明度恆常或彩度恆常能力是否存 在，則備受質疑。
三、結果與討論 (一) 明度辨識率
若將理論明度排序後的第 11~17 順位 之色票，用來和 24 位受測者所挑選的 7 張
「主觀中明度」色票進行對應後之「明度 辨識率」平均值，被視為明度恆常表現，
如表 2 所示。有趣的是，無論面對 X 色票 組或 Y 色票組，受測者在四組測試光源(R, Y, G, B)下的明度恆常表現均優於標準光 源(S)下的表現。推論其可能的原因是，照 明的光譜成份劇烈改變，使得全部色彩樣 本趨於某種特定色相，在反射係數彼此交 互作用之下，明度資訊反而被凸顯。此一 現象，相似於 Land(1964, 1974)的「相對明 度」觀點。
表 2. 明度辨識率之平均數與標準差摘要表
平均值 S R Y G B
X 色票 (4, 12, 20)
55.36 (22.81)
79.76 (11.85)
61.90 (11.66)
66.67 (14.39)
72.02 (11.52)
Y 色票 (8, 16, 24)
50.00 (16.32)
71.43 (10.32)
57.14 (15.19)
72.02 (18.11)
70.24 (14.54)
(二) 明度恆常表現比較
進一步觀察，若將明度辨識率進行 ANOVA 檢定，X 色票組（F(4, 120)=9.229, p=0.000 ） 和 Y 色 票組 （ F(4, 120)=10.536, p=0.000）均達顯著水準，五組照明之間存 在著顯著差異，表示即使給予 7/27 的容許 範圍，受測者的明度辨識水準仍無法保持 恆常。透過 LSD 事後考驗發現，除了照明 強度較高（Lab=92.53）的測試光源(Y)之 外，受測者在標準光源(S)下的明度恆常表 現和照明強度較低（Lab≦35.98）的測試光 源(R, G, B)均有顯著差異，如表 3 所示。推 論其可能原因是，以測試光源(R)為例，因 為缺乏中、短波長的光譜成份，僅以長波 長而單純地演繹全部色彩樣本的反射係數 時，27 個色彩樣本之間的明度關係容易被 辨識而顯得相對穩定。反之，標準光源(S) 和測試光源(Y)由於同時囊括了二種以上 波長，交互作用之後所演繹的光譜成份相 對複雜，並且保留了較多的色相資訊，因 此使得明度辨識率顯得相對較差，因此也 不容易獲致較好的明度恆常表現。
表 3. 明度恆常表現之 LSD 事後比較摘要表
X
Y S R Y G B
S - 24.40* 6.55 11.301* 16.67*
R 21.43* - 17.86* 13.06* 7.74
Y 7.14 14.29* - 4.76 10.12*
G 22.02*. 0.59 14.88* - 5.36
B 20.24* 1.19 13.10* 1.79 -
* 表示 p≦0.05
(三) 彩度辨識率
當彩度辨識率被觀察，理論彩度的第 11~17 順位之色票被用來和 24 位受測者所 挑選的 7 張「主觀彩明度」色票進行比對，
所得之「彩度辨識率」平均值，被視為彩 度恆常表現，如表 4 所示。
表 4. 彩度辨識率之平均數與標準差摘要表
平均值 S R Y G B
X 色票 (4, 12, 20)
33.93 (20.56)
54.76 (27.52)
35.71 (21.48)
40.48 (19.61)
33.93 (15.08)
4 Y 色票
(8, 16, 24)
37.50 (23.38)
58.33 (19.72)
32.74 (22.08)
46.43 (17.50)
30.95 (16.13)
這樣的情況類似於明度恆常表現，除 了 X 色票組中的測試光源(B)和 Y 色票組中 的測試光源(Y, B)，受測者在四組測試光源 (R, Y, G, B)下的彩度恆常表現均優於標準 光源(S)下的表現。若同時比較表 2 和表 4，
照明光譜成份改變同樣凸顯了彩度資訊，
但受測者的彩度恆常表現顯然不如明度恆 常表現。這樣的結果，類似於 Stanikunas 等人(1998)的觀察：「彩度穩定性隨著照明 光譜成份改變而有較大的移轉」。
(四) 彩度恆常表現比較
進一步觀察，若將彩度辨識率進行 ANOVA 檢定，X 色票組（F(4, 120)=4.127, p=0.004 ） 和 Y 色 票 組 （ F(4, 120)=7.707, p=0.000）均達顯著水準，五組照明之間存 在著顯著差異，表示受測者的彩度辨識水 準一樣無法保持恆常。透過 LSD 事後考驗 發現，主要的變異來自於測試光源(R)，無 論在 X 色票組或 Y 色票組，其彩度恆常表 現顯著地優於其他測試光源，如表 5 所示。
表 5. 彩度恆常表現之 LSD 事後比較摘要表
X
Y S R Y G B
S - 20.83* 1.79 6.55 0.00
R 20.83* - 19.05* 14.29* 20.83*
Y 4.76 25.60* - 4.76 1.79
G 8.93 11.90* 13.69* - 6.55
B 6.55 27.38* 1.79 15.48* -
* 表示 p≦0.05
由於缺乏足夠的數據，因此無法單純地 從光譜成份的角度來解釋受測者在測試光 源(R)下的彩度恆常表現為何一枝獨秀。若 從色差閾值來觀察，若將理論彩度之平均 數與標準差進行比較後發現，無論在 X 色 票組或 Y 色票組，測試光源(Y)均使得 27 個色彩樣本的理論彩度平均值和標準差提 高，如表 6 所示。
表 6. 理論彩度之平均數與標準差摘要表
平均值 S R Y G B
X 色票 (4, 12, 20)
26.17 (16.66)
26.62 (13.85)
53.26 (18.92)
7.53 (4.26)
40.35 (15.23)
Y 色票 (8, 16, 24)
28.02 (19.39)
28.86 (14.60)
56.45 (19.78)
7.83 (4.13)
40.89 (16.05)
若根據 NBS (Judd, 1939)的角度來觀 察 ， 較 高 的 標 準 差 則 表 示 有 著 較 大 的 NBS ， 因 此 容 易 被 人 眼 辨 識 (MacAdam, 1979; Birch, 1993)。這樣的觀點，也類似於 Foster 等人(2004)認為色彩資訊量影響色彩 辨識度的主張。然而，當二組 27 個色彩樣 本分別在五個測試照明下的理論彩度以 ANOVA 進行檢定時，卻發現測試光源(R) 幾乎未改變標準光源(S)的理論彩度平均值 或標準差，如表 7 所示，僅測試光源(R)與 標準光源(S)之間的彩度未達顯著差異，受 測者在測試光源(R)下的彩度恆常表現卻 相對較佳。此一現象，並不符合於 NBS 的 建議，也不同於 Viliunas 等人(1999)的研究 結果：「當照明改變沿著紅綠軸線時的彩 度恆常表現不如黃藍軸線」。實際上，若 根據目前有限數據，本研究僅能呈現受測 者在紅綠測試光源下的彩度恆常表現較 佳，而無法推論其肇因。進一步線索，則 須更多相關研究繼續深入。
表 7. 理論彩度之 LSD 事後比較摘要表
X
Y S R Y G B
S - 0.44 27.09* 18.65* 14.18*
R 0.84 - 26.64* 19.09* 13.74*
Y 28.43* 27.59* - 45.73* 12.91*
G 20.20* 21.04* 48.63* - 32.83*
B 12.86* 12.02* 15.57* 33.06* -
* 表示 p≦0.05
四、計畫成果自評
色彩恆常相關研究，在國內相對較少 學者觸及，彩度恆常與明度恆常更是相對 貧瘠，相關研究大多來自於西方國家。本 研究認為，根據國人所進行的色彩恆常研 究之相關資訊，應該被建立且被實務化。
然而，本研究在有限資源、人力情況下，
目前雖然僅能淺薄地探知人們對於中明度 和中彩度的恆常表現並不理想之外，同時 也發現數項有別於西方當代色彩恆常相關 研究結果之議題，並且適合繼續深入發展。
五、參考文獻
[1] Birch J, Diagnosis of Defective Colour Vision, New York: Oxford University Press, 1993.
[2] Foster D, Nascimento S, and Amano K,
“Information Limits on Neural Identification of Colored Surfaces in Natural Scenes” Visual Neuroscience, Vol.21, No.3, 331-336, 2004.
[3] Judd D, “Specification of Color Tolerances at the National Bureau of Standards”The American Journal of Psychology, Vol.52, No.3, 418-428, 1939.
[4] Land E, “The Retinex” American Scientist, Vol.52, 247-264, 1964.
[5] Land E, “The Retinex Theory of Colour Vision”
Proceedings of The Royal Institution of Great Britain, Vol.47, 23-58, 1974.
[6] MacAdam D, “Judd’s Contributions to Color Metrics and Evaluation of Color Differences”
Color Research and Application, Vol.4, :No.4, 177-193, 1979.
[7] Stanikunas R, Breive K, Vaitkevicius H, Al-Attar Z, Kulikowski J J, "Similar functions of hue/satu ration constancy for Munsell and monitor-display ed colours" Perception 27 ECVP Abstract Suppl ement, 1988.
[8] Viliunas V, Svegzda A, Stanikunas R, "Colour saturation constancy: effects of illuminant changes" Perception 28 ECVP Abstract Supplement, 1999.
無衍生研發成果推廣資料
98 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：孫春望 計畫編號：98-2410-H-011-011- 計畫名稱：色彩之彩度與明度恆常性之實驗檢測
量化
成果項目 實際已達成
數（被接受 或已發表）
預期總達成 數(含實際已
達成數)
本計畫實 際貢獻百
分比
單位
備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...
等） 期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
研討會論文 0 0 100%
論文著作 篇
專書 0 0 100%
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 0 0 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
國內
參與計畫人力
（本國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
期刊論文 1 1 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
研討會論文 0 0 100%
論文著作 篇
專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 0 0 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
國外
參與計畫人力
（外國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
其他成果 (無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。)
無
成果項目 量化 名稱或內容性質簡述
測驗工具(含質性與量性) 0
課程/模組 0
電腦及網路系統或工具 0
教材 0
舉辦之活動/競賽 0
研討會/工作坊 0
電子報、網站 0
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國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
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本研究試圖質疑色彩恆常性理論之正確性，研究成果顯示色彩恆常現象可能來自一般大眾 之常識，而非大腦之特殊構造。
