《精编》试谈色度学的技术基础

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1、第5章色度学的技术基础 5 1颜色匹配5 2CIE1931标准色度系统5 3CIE1964补充标准色度系统5 4CIE色度计算方法5 5均匀颜色空间5 6特色异谱程度的评价5 7CIE光源显色指数计算方法5 8其它表色系统 5 1颜色匹配 颜色混合可是颜色光的混合 也可是染料的混合 这两种混合方法所得结果不的 前者称为相加混合 后者为颜色相减混合 将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官 便产生 不同于原来颜色的新的颜色感觉 颜色相加混合方法 颜色匹配恒常律 两个相互匹配的颜色即使处在不同条件下 颜色始终保持匹配 即不管颜色周围环境的变化或者人眼已对其它色光适应后再来观察 视场中两种颜色始终

2、保持匹配 一 颜色匹配实验 颜色研究的第一阶段 二 格拉斯曼定律 仅适用于各种颜色光的相加混合过程 1854年格拉斯曼 H Grassmann 总结出颜色混合的定性性质 格拉斯曼定律 为现代色度学的建立奠定了基础 1 人的视觉只能分辨颜色的三种变化 如明度 色调 饱和度 2 在由两个成份组成的混合色中 如果一个成份连续地变化 混合色的外貌也连续变化 若两个成份互为补色 以适当比例混合 便产生白色或灰色 若按其它比例混合 便产生近似比重大的颜色成份的非饱和色 若任何两个非补色相混合 便产生中间色 中间色的色调及饱和度随这两种颜色的色调及相对数量不同而变化 3 颜色外貌相同的光 不管它们的光谱组成

3、是否一样 在颜色混合中具有相同的效果 即凡是在视觉上相同的颜色都是等效的 4 混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度总和 亮度相加定律 5 1颜色匹配 颜色的代替律 两个相同的颜色各自与另外两个相同的颜色相加混合后 颜色仍相同 用公式表示为 式中符号 代表颜色相互匹配 相减的情况也成立 即 一个单位量的颜色与另一个单位量的颜色相同 则这两种颜色数量同时扩大或缩小相同倍数则两颜色仍为相同 即 根据代替律可知 只要在感觉上颜色是相同的 便可以互相代替 所得的视觉效果是相同的 因而可以利用颜色混合的方法来产生或代替所需要的颜色 颜色匹配可用格拉斯曼定律来阐述 还可用代数式和几何图形来表示 用

4、代数式表示色匹配称为颜色匹配方程 5 1颜色匹配 三 颜色匹配方程 其中 C 代表被匹配颜色单位 R G B 代表产生混合色的红 绿 蓝三原色单位 R G B C分别代表红 绿 蓝和被匹配色数量 单位长度 R G B 的选择是任意的 一种常用的选择方式认为相等数量的R G B混合后产生中性色N 使代表中性的N矢量与R G B 1的单位平面相交于三角形的重心处 则三角形与各坐标轴的交点处为R 1 G 1 B 1 单位平面是个重要的平面 每个颜色矢量与它只能有一交点 交点位置是固定的 各交点与原点O的连线的长度为各种颜色矢量的单位长度 四 三刺激值和色品图 1 三刺激值在颜色匹配实验中 与待测色达

5、到色匹配时所需要的三原色的数量 称为三刺激值 即颜色匹配方程式的R G B值 三原色的选定应使任何一种原色不能由其余两种原色相加混合得到 最常用的是红 绿 蓝三原色 三刺激值的单位 R G B 不是用物理量为单位 而是选用色度学单位 亦称三T单位 三刺激值的单位确定方法 选一特定白光 W 作为标准 在颜色匹配实验装置上用选定的R G B三原色光相加混合与此白光 W 相匹配 达到匹配时 如测得所需要的三原色光的光通量值 R 为lR流明 G 为lG流明 B为lB流明 则将比值lR lG lB定为三刺激值的相对亮度单位 即色度学单位 5 1颜色匹配 2 光谱三刺激值在颜色匹配实验中 待测色光也可是某

6、一种波长的单色光 亦称为光谱色 对应一种单色光可得到一组三刺激值R G B 对不同单色光做一系列类似的匹配实验 可得到对应于各种单色光的三刺激值 如果将各单色光的辐射能量值都保持为相同 称为等能光谱 来做上述一系列实验 所得到的三刺激值称为光谱三刺激值 即匹配等能光谱色的三原色数量 用符号表示 光谱三刺激值又称为颜色匹配函数 其数值只决定于人眼的视觉特性 匹配方程表示为 任何颜色的光都可以看成是不同单色光混合而组成的 所以光谱三刺激值能作为颜色色度计算的基础 四 三刺激值和色品图 3 三刺激值的计算公式 任意色的三刺激值 色度学中用三刺激值来表示颜色 根据格拉斯曼颜色混合的代替律 混合色的三刺

7、激值为各组成色三刺激值之和 任意色光都由单色光组成的 如果各单色光的光谱三刺激值预先测得 根据混色原理就能计算出该色光的三刺激值来 计算方法是将待测光的光谱分布函数 按波长加权光谱三刺激值 得出每一波长的三刺激值 再进行积分 就得出该待测光的三刺激值 积分的波长范围为可见光波段 一般从380nm至760nm 四 三刺激值和色品图 4 色品坐标和色品图 C 1 一个单位的颜色 C 的色品只决定于三原色的刺激值各自在R G B总量中的相对比例 色品坐标 用符号r g b表示 色品坐标与三刺激值之间的关系如下 且 色品坐标只有两个自由度 四 三刺激值和色品图 色品图 色度图标准白光 等能白点 R G

8、 B 1r 0 333 g 0 333 5 2CIE1931标准色度系统 颜色的定量计算问题 颜色匹配方程和计算任一颜色三刺激值必须测得人眼的光谱三刺激值 将辐射光谱与人眼颜色特性相联 可能性 实验证明不同观察者视觉特性有差异 但对正常颜色视觉的人差异不大 故可根据一些观察者的颜色匹配实验 确定一组匹配等能光谱色的三原色数据 标准色度观察三刺激值 困难性 由于选用的三原色不同及确定三刺激值单位的方法不一致 因而数据无法统一 CIE 国际照明学会 工作 1931年在CIE第8次会议统一了实验结果 提出了CIE标准色度观察者和色品坐标系统 并规定了三种标准光源 A B C 对测量反射面的照明观测条

9、件进行了标准化 建立起CIE1931标准色度系统 奠定了现代色度学的基础 CIE1931 RGB系统建立在莱特 W D Wright 和吉尔德 J Guild 的颜色匹配实验基础上 莱特在2 圆形视场内 选择650nm R 530nm G 460nm B 三单色光作为三原色匹配等能光谱 三刺激值单位为 相等数量的G和B原色匹配494nm的蓝绿色 相等数量的R和G原色匹配582 5nm的黄色 得出相对亮度单位为lR lG lB 由10名观察者在目视色度计实验 测得光谱三刺激值数据 吉尔德在目视测色计上由7名观察者做了类似的匹配实验 观察视场是2 选用三原色波长为630nm 542nm 460nm

10、 三刺激值单位以三原色相加匹配NPL 英国国家物理实验室的缩写 白色光源 认为三原色的刺激值相等定出相对亮度单位为lR lG lB 测得光谱三刺激值数据 一 CIE1931 RGB系统 两实验的平均值定出匹配等能光谱色的RGB三刺激值 用表示 称为 CIE1931RGB系统标准色度观察一刺激值 简称 CIE1931RGB系统标准色度观察者 代表人眼2 视场的平均颜色视觉特性 称为CIE1931 RGB色度系统 CIE将三原色转换成700nm R 546 1nm G 435 8nm B 以相等数量的三原色刺激值匹配等能白光 又称为E光源 确定三刺激值单位 发现两个实验经坐标变换后在新色品图上的结

11、果基本一致 因此 1931年CIE采用 CIE所做的修正 在色品图中偏马蹄形曲线是所有光谱色色品点连接起来的轨迹称为光谱轨迹 三原色选700nm 546 1nm 435 8nm单色光是因为700nm是可见光谱的红色末端 516 1nm和435 8nm为明显的汞谱线 三者都能比较精确地产生出来 经实验和计算确定 匹配等能白光的 R G B 三原色 CIE所做的修正 单位的亮度比率为1 0000 4 5907 0 0601辐亮度比率为72 0962 1 3791 1 0000光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系为 光谱三刺激值和光谱轨迹的色品坐标有很大一部分出现负值 其物理意义可从匹配实验的过程中来

12、理解 当投射到半视场的某些光谱色 用另一半视场的三原色来匹配时 不管三原色如何调节都不能使两视场颜色达到匹配 只有在光谱色半视场内加入适量的原色之一才能达到匹配 加在光谱色半视场的原色用负值表示 于是出现负色品坐标值 色品图的三角形顶表示红 R 绿 G 蓝 B 三原色 负值的色品坐标落在原色三角形之外 在原色三角形以内的各色品点的坐标为正值 存在的问题 二 CIE1931标准色度系统 CIE1931 RGB系统是从实验得出的 可用于色度学计算 但计算中会出现负值 用起来不方便 又不易理解 故1931年CIE推荐了一个新的国际通用的色度系统 CIE1931 XYZ系统 在CIE1931RGB系统

13、的基础上 CIE1931标准色度系统改用三个假想的原色X Y Z建立了一个新的色度系统 其匹配等能光谱的三刺激值定名为 CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值 简称为 CIE1931标准色度观察者 二 CIE1931标准色度系统 假想三原色的确定规定 X Z 两原色只代表色度 没有亮度 光度量只与三刺激值Y成比例 XZ线称为无亮度线 它在r g色品图上的方程应满足零亮度线的条件 R G B 三原色的相对亮度比假设在色品图上某一颜色的色品坐标为r g b 则它的亮度方程可写成 如果颜色在无亮度l C 0线上 则整理后得XZ线的方程为 B 系统中光谱三刺激值全为正值 为此选择三原色时 必须使三原

14、色所形成的颜色三角形能包括整个光谱轨迹 即整个光谱轨迹完全落在X Y Z所形成的虚线三角形内 C 光谱轨迹从540nm附近至700nm 在RGB色品图上基本是一段直线 用这段线上的两个颜色可混合得到两色之间的各种光谱色 新的XYZ三角形的XY边应与这段直线重合 这样能使计算简便 因为在这段线上光谱轨迹只涉及 X 原色和 Y 原色的变化 不涉及 Z 原色 边的方程为 二 CIE1931标准色度系统 D YZ边取与光谱轨迹波长503nm点相切的直线 其方程为 E 假想三原色 在RGB系统中的坐标 X r 1 2750 g 0 2778 b 0 0028 Y r 17392 g 2 7671 b 0

15、 0279 Z r 0 7431 g 0 1409 b 1 6022在x y图中的坐标是 X x 1 y 0 z 0 Y x 0 y 1 z 0 Z x 0 y 0 z 1 二 CIE1931标准色度系统 确定三个原色坐标之后 还必须选择一种标准白 以确定三刺激值的单位 XYZ系统是用相等数量的三原色刺激值匹配出等能白E来定各原色刺激值单位的 等能白点在r g坐标系统内为 r 0 3333 g 0 3333在x y坐标系统内为 x 0 3333 y 0 3333F 采用坐标转换的方法 可得XYZ系统和RGB系统三刺激值间及色品坐标的关系 二 CIE1931标准色度系统 CIE1931标准色度观

16、察者 CIE1931标准色度系统的特点 由于在XYZ选择原色时就考虑到只有Y值既代表色品又代表亮度 而X Z只代表色品 所以函数曲线与明视觉光谱光视效率一致 即 CIE1931标准色度观察者的数据适用于2 视场的中央视觉观察条件 视场在1 4 范围内 主要是中央窝锥体细胞起作用对极小面积的颜色的观察不再有效 对于大于4 视场的观察面积 另有10 视场的 CIE1964补充标准色度观察者数据 CIE1931标准色度观察者的色品图是马蹄形的 假想的三原色 X 为红原色 Y 为绿原色 Z 为蓝原色 它们都落在光谱轨迹的外面 在光谱外面的所有颜色都是物理上不能实现的 光谱轨迹曲线以及连接光谱两端点的直线所构成的马蹄形内包括了一切物理上能实现的颜色 靠近波长末端700 770nm的光谱波段具有一个恒定的色品值 即在色品图上只由一个点来代表 光谱轨迹540 700nm这一段是一条与XY边基本重合的直线 在这段光谱范围内的任何光谱色都可通过540nm和700nm二种波长的光以一定比例相加混合产生 光谱轨迹380 540nm一段是曲线 其间一对光谱色的混合不能产生二者之间位于光谱轨迹上的颜色 而只能产