三原色分離曝光：攝影發明之初的彩色攝影方法

Tri-color Photography

自1839年達蓋爾攝影術[1]發表後，全世界掀起了一股攝影的狂熱，不論是風景或肖像，影像的數目隨著技術傳播不斷暴增。但僅有明暗階調的影像很快就無法滿足人們的欲望，開始有人企求能發明製造彩色影像的方法，將現實的景物完整複製下來。由於早期並沒有如今底片的彩色感光層技術，只能捕捉光影明暗的變化，在彩色底片發明前以黑白攝影的方法製作出彩色影像便成唯一途徑。

三原色理論

光線和色彩的關係與研究建基於許多物理學家的努力成果，最早提出色光混合理論的是牛頓(Issac Newton，1642~1727)，他在西元1666年藉由三稜鏡將陽光折射分離出紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等色光，再匯聚各種色光反向操作集合成白光。藉此實驗，牛頓宣稱白光是由多種顏色的光組合而成的。真正確立三原色理論的則是楊格(Thomas Young，1773-1829)，他發現混合同樣強度的紅、綠、藍三色光可得到白色，調整色光的強度就可以產生各式各樣的色彩，於是在1802年正式提出三原色說。

三原色其實並非純物理的現象，反而是比較接近一種生物學的概念，是基於人的肉眼對紅光、綠光和藍光的反應特性，只要調整這三種色光的強度就可以讓人眼感受到所有的顏色。但在後來的醫學研究發現，人眼的錐狀感光細胞其實是對黃綠色、綠色和藍紫色最敏感，波長分別為564、534和420奈米，而不是原本以為的紅綠藍。而真正的RGB波長卻未有明確的定義，一般認為約是577奈米、540奈米、477奈米。

三色曝光

世界第一張彩色影像製作方法咸認是由馬克斯威爾(James Clerk Maxwell，1831~1879)所發明，1861年他請助手利用紅、綠、藍三種顏色的濾色片放在鏡頭前對一條格子絲帶分別曝光三次，藉此得到僅分別對三原色感光的黑白影像，再經由鏡頭將這三張影像和濾色片投影在一起，便回復了原本的彩色影像。

這樣的彩色攝影方式就稱作三原色離曝光，這個分色的概念甚至到二十世紀都還被轉染法[2]所持續使用，也和現代印刷中的分色製版概念相同，只不過是輸出色光影像的加色法和輸出顏料墨水的減色法之間的操作差異。

數位三色曝光

三色曝光或分色的技術一直都在使用傳統類比媒材的流程中，但數位捕捉影像的技術現世後也曾短暫被使用。數位感光元件和黑白底片相當類似的部份在於僅對光的強度有所感應，無法紀錄光的色彩或波長，所以若無其餘技術輔助，CCD或CMOS本質上可說是一種數位的黑白底片。為了讓數位影像也能呈現色彩，一開始有些廠商使用了三片CCD分別對RGB感光的方式，這和Maxwell的方式在原理上相當接近，但成本高昂且耗電量也相當驚人。有些早期的中片幅數位機背甚至就直接使用三色分別曝光的方式來產生彩色影像，如Leaf DCB2，這作法和Maxwell又更接近了。直到有廠商發明了Color Filter Array的感光方式，感光元件上每個像素只感應一種顏色，再藉由數位運算還原出全彩的影像。

但在數位影像的技術還沒成熟之前，仍然有許多彩色影像的需求，例如天文攝影就是最早利用數位感光元件拍攝彩色照片的先驅。為了呈現彩色的影像，天文學家將色彩濾鏡置於鏡頭前拍攝，然後將取得的三原色灰階檔案利用電腦合成的方式處理，最終也能得到彩色的數位影像。這樣的拍攝方式就和Maxwell近乎完全相同了，只不過是影像載體的差異。

數位三色合成

現今的數位影像處理軟體和技術已不可同日而語，電腦運算速度的飛躍成長也讓數位影像處理變得更加輕鬆，以數位合成三原色灰階影像成為人人都可實踐的流程。以下示範使用Adobe Photoshop CS2模擬將RGB三原色灰階影像合成全彩影像的步驟。

首先在Photoshop中開啟欲模擬的原始影像，並建立一新檔案，大小和原影像相同，如下圖。

接著選取原始影像的紅色色板，即可見到單獨R的黑白影像，這時的影像就代表僅准許紅光通過時拍攝的階調。

直接將紅色色板複製到新建立的影像，這時色板會成為選取範圍的Alpha色板，可先更改名稱為R以便辨識。

以同樣方法將綠色及藍色色板複製到新的檔案，檔案中便會有三個選取範圍的色板。將三個色板都複製完成後選取RGB色板，把視窗切換回圖層。

按右鍵載入選取範圍，選擇之前複製過來的色板B。

此時可以看到藍色光的明暗階調範圍，用遮色片模式來看會更為明顯。

使用B色板的選取範圍建立純色填色圖層，顏色選擇純藍色(R:0、G:0、B:255)，即可見到影像中出現了藍色光的部分。

以同樣步驟依序載入G、R色板的選取範圍，並新增為純綠色和純紅色的填色圖層。

此時三原色所有的階調資訊都已齊全，但還需要一點方法將檔案回復成正常的彩色影像，首先建立一個黑色的背景圖層。

然後選擇紅色的填色圖層，更改塗層屬性為線性加亮。此時可見影像呈現詭異的黃綠色調，不用擔心，只要將三個圖層都更改為線性加亮後完整的彩色影像就會出現。

完成後的影像如下圖

原始影像

使用色階分佈圖觀察兩個檔案的階調分佈，不論是各項數據複製出的檔案都與原始檔案一模一樣，可見的確能藉由此方法將RGB三原色拍攝的灰階影像還原成彩色影像，且不會在流程中造成任何的色彩偏差。

三原色濾片

不論使用底片或數位拍攝，第一個遇到的問題都是鏡頭前的濾色片要如何選擇。就如同前文所述，RGB的波長並未被精確定義，所以在濾色片的挑選上變成一大難題，且各色光的波長範圍也同樣未有定則。三原色既是人眼的特性，所以在Maxwell投影法的實務操作上並不需要使用純正的RGB濾片，只要濾色片的顏色能涵蓋所有可見光波長就能還原出近乎真實的顏色。

但以數位合成則不然，因為數位影像中的RGB是被明確規範的。影像大廠Kodak出了一系列的明膠濾色片Kodak Wratten gelatin，其產品說明便指出29紅、47藍及61綠三款濾片供三原色投影用。但這種濾片對溫溼度變化敏感，容易翹曲且色彩穩定度僅有半年，價格也並不便宜。另，Kodak Wratten gelatin濾片已於2008年逐步停產，改由Wratten 2替代。其餘濾鏡製造廠商亦有類似的三色分離曝光產品，如Kenko SP COLOR：

Marumi SPECTRA COLOR SET：

HOYA Pop Filter Set：

或是可使用黑白攝影用濾鏡替代，如B+W的061、081、091。

替代方案

雖然至今仍有許多廠商持續生產三原色濾鏡產品，但通常要價不斐，在這次的測試中我選擇更容易取得且便宜的替代產品，也就是各大文具行都買得到的彩色玻璃紙。由於玻璃紙品質不一，也沒有任何的光學性質要求，所以必須先對其曝光特性作矯正。首先將玻璃紙裁成8cm見方，置於看片燈箱上做曝光矯正，燈箱光源測得的曝光值為ISO 100、F 2.8、1/250，而紅、綠、藍各色的玻璃紙測光值分別為1/25、1/60、1/30，所以拍攝時紅色必須補償3 1/3 stop，綠色補償2 stop，藍色補償3 stop。

接下來做色彩矯正，由於紅、綠、藍三色玻璃紙的顏色必定和數位檔案中的RGB不同，所以前置色彩矯正可以避免出現過大的顏色偏差。首先將相機對燈箱光源做白平衡，取得測試的歸零基本值。接著分別拍攝三色玻璃紙，在Photoshop中檢視實際的色彩數值，三色的RGB數值分別為223/18/14、76/158/21、0/68/188，可見綠色是「最不綠」的。雖然數位相機的色偏會造成影響，但要精準矯正步驟就過於繁雜了。

拍攝實作

完成所有前置作業後終於要進行實際拍攝見真章，首先對光源做白平衡確保所有影像都在同一條件下拍攝，並固定光圈和感光度以快門時間調節曝光量。將相機固定後分別在鏡頭前放置三色的玻璃紙，依之前測試取得的數值紅色補償3 1/3 stop，綠色補償2 stop，藍色補償3 stop拍攝。第一組試驗拍攝彩色影像，將三色玻璃紙拍攝的檔案在Photoshop中直接疊合，圖層混合模式改為線性加亮。下方影像由左而右依序是紅色、綠色、藍色玻璃紙拍攝而得的圖檔，以及最下方電腦合成後的影像。

第二組作法將相機拍攝模式改為黑白，同樣拍攝三張各色玻璃紙的影像，可得到三個純灰階的圖檔。然後將三個灰階檔案合成彩色影像，圖層填色選擇之前拍攝測得的色彩，而非純RGB。實際拍攝及合成後的影像如下圖，由左而右為紅光、藍光、綠光，最下方為合成之彩色檔案。

可見兩種不同作法的色彩差異非常大，由於使用數位相機做測試可直接拍攝彩色影像，避過數位處理色彩還原中玻璃紙與數位RGB不相符的問題，看來效果會比拍攝數位黑白影像合成要來的好。且數位相機的黑白模式並非純粹擷取亮度，因CCD上方的色彩濾鏡是固定的，必須經由相機內韌體運算形成黑白影像，其中運算的差異也會對後來的影像造成影響。

將直接一次拍攝彩色影像、三色彩色影像疊合、三色灰階影像合成的圖檔由上而下並列檢視，以直接拍攝的影像最接近肉眼所見。可見若要以三原色分離曝光拍攝彩色影像，色彩的控制還需要多次測試以求得標準顏色的還原。若以專用濾鏡配合黑白底片，應能達到較令人滿意的成果。

[1] 又稱銀板攝影術，由達蓋爾(Louis J M Daguerre，1789~1851)發明。作法是在銅板上鍍一層銀而成為銀板，將銀板放入碘蒸氣中形成感光層。曝光後以水銀蒸氣顯影，再以食鹽水定影，即可得左右相反的銀板照片。和其餘早期的相片製法相比，銀版攝影的特色為影像鮮明銳利，且階調細膩豐富。

[2] Dye Transfer亦稱轉染法，是一種攝影放相的技法。把影像分色曝光在特製的染料片，然後將染料逐層轉移到紙基上，過程費時困難而且費用極為昂貴。因其濃郁的色彩以及優異的保存性，曾是極為優異且高價的手工彩色放相方式。但隨著Dye Transfer材料停止生產，此一技法也逐漸失傳。

待續..??