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1、CIE标准色度系统 物体颜色是光刺激人的视觉器官产生的反应，要将观察者的颜色感觉数字化，国际照明委员会(CIE)规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统，这一系统是近代色度学的基本组成部分，是色度计算的基础，也是彩色复制的理论基础之一。CIE标准色度学系统是一种混色系统，是以颜色匹配实验为出发点建立起来的。用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色。第一页，共九十三页。2.1颜色匹配2.1.1颜色匹配实验把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程叫作颜色匹配颜色匹配。颜色匹配实验第二页，共九十三页。Mapping the human responseRedRedGreenGreenBlueBl
2、ueTest Lamp!Test Lamp!White ScreenWhite ScreenMasking ScreenMasking ScreenObserverObserver2222第三页，共九十三页。2.1.2三刺激值和色度图一、三刺激值在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意颜色的三种颜色叫做三原色三原色 。通常加色混色中使用红、绿、蓝三种颜色光为三原色是为了得到最多的混合色。颜色匹配实验中，当与待测色达到色匹配时所需要的三原色的数量，称为三刺激值三刺激值，记作R、G、B。一种颜色与一组R、G、B值相对应，R、G、B值相同的颜色，颜色感觉(外貌)必定相同。第四页，共九十三页。二、光谱三刺
3、激值匹配等能光谱色的三原色数量。用符号， 表示。三、色度坐标和色度图 三原色各自在R+G+B总量中的相对比例叫做色度坐标，用符号r，g，b来表示。第五页，共九十三页。色度坐标与三刺激值的关系如下：r=R/(R+G+B)g=G/(R+G+B)b=B/(R+G+B)=1-r-g以色度坐标r，g表示的平面图称为色度图。第六页，共九十三页。2.2 CIE标准色度系统现代色度学采用CIE所规定的一系列颜色测量原理、条件、数据和计算方法，称为CIE标准色度系统。这一色度系统以两组基本颜色视觉实验数据为基础：CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值1-4视场CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值大于4
4、视场第七页，共九十三页。2.2.1CIE1931-RGB系统、选择三原色：700nm(R)、546.1nm(G)、435.8nm(B)、确定三原色单位：将相加匹配出等能白光(E光源)时三原色各自的数量定为三原色的单位。即从色彩角度，三原色等量（R=G=B=1)混合得到白光。白光色度r=g=b=1/(1+1+1)=0.33第八页，共九十三页。 2视场下用上述选定三原色匹配等能光谱色的R、G、B三刺激值，用 r, g, b来表示。光谱三刺激值曲线如图。这一组函数叫做“CIE1931-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE1931-RGB系统标准色度观察者”。以此来代表人眼2视场的平均
5、颜色视觉特性。颜色视觉特性第九页，共九十三页。r()g()b()(nm)435.8546.17000.0三刺激值0.40.2CIE1931-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值曲线 第十页，共九十三页。光谱三刺激值与光谱色色度坐标的关系式第十一页，共九十三页。CIE1931-RGB系统色度图及(R)、(G)、(B)向(X)、(Y)、(Z)的转换光谱轨迹：第十二页，共九十三页。注意：出现了负的三刺激值与色度坐标值加入待匹配色一侧视场的原色数量为负值。CIE1931-RGB系统的光谱三刺激值r, g, b 是由实验获得的，本来可以用于色度计算，但由于光谱三刺激值与色度坐标都出现了负值，计算起来不方
6、便，又不易理解，因此，1931年CIE讨论推荐了一个新的国际通用色度系统CIE1931-XYZ系统。第十三页，共九十三页。1931年CIE在RGB系统的基础上，改用三个假想的原色X、Y、Z建立了一个新的色度系统。将RGB系统光谱三刺激值进行转换后，变为以X、Y、Z三原色匹配等能光谱的三刺激值，定名为“CIE1931标准色度观察者光谱刺激值”，简称为“CIE1931标准色度观察者”，记作x () ，y () ，z () 。这一系统叫做“CIE1931标准色度系统”或“CIE1931-XYZ”系统。 2.2.2CIE1931标准色度系统第十四页，共九十三页。(nm)三刺激值z()y()x()CIE
7、1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线图1.51.00.5400500600700第十五页，共九十三页。光谱光视效率 能量相同而波长不同的光，对人眼所引起的亮度感觉是不同的。眼睛的灵敏度与波长的依赖关系，称为光谱光视效率(或称视见函数)。由于人眼有明视觉和暗视觉两种视觉功能，光谱光视效率也分明、暗两种。 CIE(国际照明委员会)分别于1924年和1951年根据不同科学家的实验结果规定了明视觉光谱光视效率V()和暗视觉光谱光视效率V()。第十六页，共九十三页。第十七页，共九十三页。 CIE明视觉和暗视觉光谱光视效率是光度学计算的重要依据。CIE推荐采用明视觉和暗视觉光谱光视效率V()和V()作为
8、标准光度观察者，代表人眼的平均(光)视觉特性。按照CIE标准光度观察者来评价的辐通量e即为光通量v。辐通量与光通量的关系式为：式中V()为明视觉光谱光视效率；V()为暗视觉光谱光视效率；v,v为光通量，单位是流明(lm)；e()是以波长为自变量的辐通量，单位是瓦(W)；Km=683流明/瓦(lm/w)；Km=1755流明/瓦(lm/w)。明视觉： 暗视觉： 第十八页，共九十三页。色度图可用来表示所有颜色的色度特性。色度图中心为白点（非彩色点），光谱轨迹上的点代表不同波长的光谱色，是饱和度最高的颜色，越接近色度图中心（白点），颜色的饱和度越低。围绕色度图中心不同的角度，颜色的色调不同。0.8 0
9、.8第十九页，共九十三页。颜色光谱由来 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(视场范围1-4)，以此代表人的平均颜色视觉特性。第二十页，共九十三页。CIE1931标准色度系统的三刺激值以X、Y、Z表示，三种原色由于选择时的考虑，只有Y值既代表色度又代表亮度，又称为亮度因数，而X、Z只代表色度，与亮度无关，所以 y()函数曲线与明视觉光谱光视效率V()一致，即 y()= V()。在使用数字描述颜色时，常采用Yxy表色方法，即采用色度坐标x，y表示颜色的色度特征，用亮度因数Y表示颜色的亮度特征，这样该颜色的外貌就能完全唯一地确定下来。右图直观地表示这三个参数之间的关系。
10、Yxy立体图第二十一页，共九十三页。第二十二页，共九十三页。2.3CIE1964补充标准色度系统 在大面积视物观察条件下(4)，由于杆体细胞的参与以及中央凹黄色素的影响，颜色视觉会发生一定的变化。主要表现为饱和度的降低及颜色视场出现不均匀的现象。实验表明：人眼用小视场观察颜色时，颜色差异辨别力较低。当观察视场从2增大到10时，颜色匹配的精度也随之提高。但视场再进一步增大，颜色匹配精度的提高就不大了。 第二十三页，共九十三页。CIE在1964年又规定了一组“CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值”，简称为“CIE1964补充标准色度观察者”， x10 () ，y10 () ，z10 ()
11、。这一系统称为“CIE1964补充标准色度系统”，也叫作10视场X10Y10Z10色度系统。 CIE1964补充标准色度系统三刺激值记作X10，Y10，Z10。 为了适应大视场颜色测量的需要，第二十四页，共九十三页。在色度测量与计算中要根据观察视场的大小选择CIE1964或CIE1931标准色度观察者数据来代表人眼的平均颜色视觉特性。第二十五页，共九十三页。2.4光源的颜色特性光源自身的颜色：用三刺激值、光源的显色性：用显色指数评价光源的颜色特性色温来评价。2.4.1色温与相关色温不同的光源其所发光的光谱功率分布有很大差异，随之而来光源的光色也各不相同。我们将光源的光与黑体的光相比较来描述它的
12、光色。第二十六页，共九十三页。黑黑 体体温度一定辐射光谱分布一定颜色一定黑体轨迹（普朗克轨迹）第二十七页，共九十三页。色温：当某种光源的色度(坐标)与某一温度下的黑体色度(坐标)相同时，就称此时黑体的温度为该光源的颜色温度，简称色温，用符号Tc表示，单位为开尔文，用“K”表示。绝对温度T与摄氏温度t的关系为：T(K)=t()+273 例如：某光源的光色与黑体加热到绝对温度2400K所发出的光色相同时，则光源的色温为2400K，它在CIE1931色度图上的坐标为x=0.4862，y=0.4147。第二十八页，共九十三页。相关色温：由于光源的色度坐标并不恰好落在黑体轨迹上，所以只能用光源与黑体轨迹
13、最接近的颜色来确定该光源的色温，这样确定的色温叫做相关色温。例如：图中光源B的色度点最接近黑体加热到4874K时的色度点，所以光源B的相关色温就定为4874K。注意：色温只是一种描述光源颜色的量值，色温相同的光源它们的光谱组成可能会有很大的不同。另外，它与光源本身的温度无关。第二十九页，共九十三页。2.4.2 CIE标准照明体和标准光源 为了达到颜色度量与评价的一致性，需要在人们共同约定的几种具有代表性的光源下标定物体的颜色。为此，CIE推荐了标准照明体和标准光源。标准照明体和标准光源是两个不同的概念：第三十页，共九十三页。标准照明体是指特定的光谱功率分布，这种标准的光谱功率分布不必由一个光源
14、直接提供，也不一定能真正地实现。标准光源是符合标准照明体规定的光谱功率分布的物理发光体。CIE先用相对光谱功率分布定义了标准照明体，同时还规定了标准光源，以实现标准照明体的相对光谱功率分布。第三十一页，共九十三页。CIE标准照明体：标准照明体A:代表绝对温度2856K的完全辐射体(黑体)的辐射。它的色度坐标点落在CIE1931色度图的黑体轨迹。标准照明体B：代表相关色温大约为4874K的直射日光，它的光色相当于中午的日光，其色度点紧靠黑体轨迹。标准照明体C：代表相关色温大约为6774K的平均日光。它的光色近似阴天天空的日光，其色度点位于黑体轨迹的下方。标准照明体D：代表各种时相的日光的相对光谱
15、功率分布，又名典型日光或重组日光。第三十二页，共九十三页。第三十三页，共九十三页。Illuminant D65Daylight400500600700第三十四页，共九十三页。Illuminant AIncandescent400500600700第三十五页，共九十三页。Illuminant F2Cool White Fluorescent400500600700第三十六页，共九十三页。D65以外的其它时相的日光的相对光谱功率分布可根据色温按CIE推荐的D照明体(典型日光或重组日光)的光谱功率分布统计公式计算得到。 CIE优先推荐D55，D65，D75的相对光谱功率分布作为代表日光的标准照明体，
16、相当于相关色温为5505K，6504K，7504K的D照明体。CIE建议，尽量用D65来代表日光，在不能应用D65时则尽量使用D55和D75。在印刷应用中，常使用D50作为标准照明条件。 标准光源是指用来实现标准照明体光谱功率分布的光源。第三十七页，共九十三页。2.4.3光源的显色性光源的显色性是光源颜色特性的又一方面，即物体在光源照明下所呈现颜色的真实性。真实的标准：日光下和火光下日光和火光都是连续光谱，尽管其光谱功率分布和色温存在很大差异，但在这种自然光条件下，人眼的辨色能力依然是准确的。白炽灯的光谱分布与火光类似，显色性很好。具有与白炽灯和日光相似的连续光谱的光源均有较好的显色性。第三十八页，共九十三页。光源显色性的评价 将待测光源下与参照标准光源下标准样品的颜色相比较，偏差越小，则待测光源的显色性越好。CIE规定：待测光源色温低于5000K时，用完全辐射体(黑体)作为参照标准光源；待测光源色温高于5000K时，用标准照明体D作为参照标准光源。参照光源的显色指数Ra=100，当待测光源下与参照标准光源下的标准样品颜色相同时，则此光源的显色指数为100，显色性最好。反之，颜色差异越
