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1、2第第2章章色色度度学学原原理理与与CIE 规范范色色度度学学系系统21颜色匹配色光相加混合色匹配色光相加混合1-1 颜色匹配定色匹配定义和方法和方法颜色匹配的定色匹配的定义： 两个两个视场的的颜色在色在视觉上相等。上相等。颜色匹配的方法：色匹配的方法：光光谱匹配：不同光匹配：不同光谱成分的混合成分的混合调理光源的理光源的发射光射光谱、物、物质的吸收与反射光的吸收与反射光谱。2颜色匹配的方法：颜色匹配的方法：时间混合：用色转盘，时间混合：用色转盘，调理转盘上颜色块的面积。调理转盘上颜色块的面积。空间混合：空间混合：调理不同色颗粒发光的比例。调理不同色颗粒发光的比例。显示屏显示屏其根底是光谱的混
2、合，其根底是光谱的混合，后两种混合方法是利用了人眼的视觉特性。后两种混合方法是利用了人眼的视觉特性。21-2颜色匹配方程色匹配方程假假设 C为待匹配的目的色待匹配的目的色 R G B为三原色三原色 C、 R、 G、 B 为目的色及三原色的量，目的色及三原色的量， 当用三原色混合当用三原色混合实现与与颜色色C的匹配的匹配时有有 C=R R +G G +B B此式即此式即为颜色匹配方程。色匹配方程。 当三原色之一当三原色之一(例如例如B)必須加在被匹配的顏色上必須加在被匹配的顏色上时顏色方顏色方程可表示程可表示 为 C (C) + B (B) = R (R)+ G (G) 這一方程在色度学中可表达
3、成這一方程在色度学中可表达成 C (C)= R (R)+ G (G)- B (B)根据根据颜色方程任何一种色方程任何一种颜色可以用匹配色可以用匹配该颜色的三原色的量色的三原色的量来表示，来表示，匹配匹配该颜色所需求三原色的数量色所需求三原色的数量颜色的三刺激色的三刺激值这就是将就是将颜色色“量化的思想量化的思想2实现颜色知色知觉“量化的方法：量化的方法：有以下有以下问题需求需求处理：理：怎怎样选定三原色？定三原色？怎怎样确定三原色的确定三原色的单位量？位量？怎怎样确定任何一种确定任何一种颜色的三刺激色的三刺激值， 能否比必需做匹配能否比必需做匹配实验？怎怎样利用利用颜色的光色的光谱构成，确定构
4、成，确定颜色的三刺激色的三刺激值？CIE规定了以上定了以上问题的的处理方案理方案CIE规范色范色度学系度学系统22 CIE规范色度学系范色度学系统国国际际照明委員会照明委員会(Commission Internationale ed IEclairage-CIE) 光度学和色度学的国光度学和色度学的国际际学学术术研研讨讨机构。机构。设设在巴黎。早在在巴黎。早在1924年前就已从事年前就已从事规规范色度学系范色度学系统统的研的研讨讨。规规定了：定了：CIE 1931规规范色度察看者光范色度察看者光谱谱三刺激三刺激值值，绘绘制出制出 “1931 CEL-RGB系系统统色度色度图图，引荐引荐1931
5、 CIE-XYZ系系统统，为为国国际际通用色度学系通用色度学系统统，称称为为“CIE规规范色度学系范色度学系统统，所作的所作的图图那么称那么称“CIE 1931色度色度图图。1964年制定了年制定了CIE1964补补充色度学系充色度学系统统以及相以及相应应的色度的色度图图，进进展色度展色度计计算和色差算和色差计计算。算。1964年提出年提出“均匀均匀颜颜色空色空间间的三的三维维空空间间概念，概念， 1976年加以修年加以修订订，并正式被采用。，并正式被采用。CIE为为此此还还提出了确定的参照光源，称提出了确定的参照光源，称“CIE规规范光源。范光源。2 2-1 选定三原色定三原色1、其中任何一
6、种原色不能被其他两种原色匹配、其中任何一种原色不能被其他两种原色匹配2、三色之、三色之间的光的光谱间隔大，匹配色覆盖的隔大，匹配色覆盖的颜色色最多最多3、容易、容易实现CIE确定：确定： Red Green Blue nm 700 546.1 435.8为规范三原色范三原色这样規定的規定的缘由是上述三者都比由是上述三者都比较容易准确地容易准确地产生出來。是采用汞弧光生出來。是采用汞弧光谱中中经滤波后的波后的单一一谱线获得，色度得，色度稳定而准确，配出彩色也定而准确，配出彩色也较多。多。22-2 选定三原色的定三原色的单位量位量等能白：等能白：SE Red Green Blue Mixture
7、nm 700 546.1 435.8单位量流明位量流明 1.0000 4.5907 0.0691 5.65081 Red unit = R = 1.0000 cd/m2 ;1 Green unit = G = 4.5907 cd/m2 ;1 Blue unit = B = 0.0691 cd/m2 .亮度比和光通量比是等效的亮度比和光通量比是等效的 22-3 确定等能白光的光确定等能白光的光谱三刺激三刺激值等能白光等能白光E光源假想的在整个可見光譜范光源假想的在整个可見光譜范为內光光谱辐射能相等的光源射能相等的光源的光色的光色也称等能白色。与色溫也称等能白色。与色溫为5500k的白光很的白光很
8、类似。似。光光谱三刺激三刺激值混配出混配出单位位辐射功率、波射功率、波长为的的单色光所需求的三刺激色光所需求的三刺激值。实验证明：几乎一切的明：几乎一切的颜色都可以用三原色按某个特定的比例混合而成。色都可以用三原色按某个特定的比例混合而成。假假设用上述用上述规定定单位量的三原色，在可位量的三原色，在可见光光380nm780nm范范围内每隔波内每隔波长间隔如隔如10nm)对等能白色的各个波出息展一系列的等能白色的各个波出息展一系列的颜色匹配色匹配实验，可，可得每一光得每一光谱色的三刺激色的三刺激值。2光谱三刺激值曲线光谱三刺激值曲线可得到如以下可得到如以下图三条曲三条曲线光光谱三刺激三刺激值曲曲
9、线也就是也就是CIE1931-RGB规范色度察看者范色度察看者22-4 等能白光的光等能白光的光谱色品坐色品坐标 在在颜颜色色科科学学中中，我我们们不不直直接接用用三三刺刺激激值值R、G、B来来表表示示颜颜色色，而而用用三三原原色色各各自自占占R+G+B总总量量的的相相对对比比值值表表示示颜色，颜色，即。色度坐标：三原色各自占即。色度坐标：三原色各自占R+G+B总量的相对比值。总量的相对比值。对等能白光的光谱色而言，其色度坐标为：对等能白光的光谱色而言，其色度坐标为： 由由此此即即可可得得出出 ：r+g+b=1即即色色品品坐坐标标rgb中中只只需需兩个独立兩个独立因此可用二維空间表示彩色光的色
10、品。因此可用二維空间表示彩色光的色品。对对于于等等能能白白光光R=G=B=1因因此此等等能能白白光光的的色色坐坐标标为为r=g=b=1/322-5 1931 CIE-RGB 系系统色度色度图22-6由相由相对光光谱功率分布求任一功率分布求任一颜色的三刺色的三刺激激值假假设知知色色光光C的的光光谱功功率率分分布布，怎怎样来来确确定定它它的的三三刺刺激激值及及色色度度坐坐标呢？呢？设：颜色色CE光光谱功率分布功率分布为E( )，如以下，如以下图由由颜色的混合色的混合规律：律： CE=CE380+CE390+CE400+CE780而而 ： CE380=C380 E(380) CE390=C390 E
11、(390) CE400=C400 E(390) . . . CE780=C780 E(780)E()(nm)380 390 400380 390 400780C380 C390 C780CE390CE380CE780CE400C4002求任一颜色的三刺激值求任一颜色的三刺激值结合：合：代入：代入：CE=CE380+CE390+CE400+CE780并思索并思索E( )所所对应的波的波长间隔隔 得：得：2求任一颜色的三刺激值求任一颜色的三刺激值由由CE=RER+GEG+BEB所以颜色所以颜色CE的三刺激值为：的三刺激值为： 其色品坐标为：其色品坐标为：2求任一颜色的三刺激值求任一颜色的三刺激值所
12、以根据所以根据CIE1931-RGB规范色度察看者范色度察看者假假设知任一知任一颜色的光色的光谱功率分布就可以功率分布就可以计算出算出该颜色的三刺激色的三刺激值和色品坐和色品坐标这样就就实现了了颜色的色的“量化表示，从而建立量化表示，从而建立了了颜色色评价的价的“客客观规范范23 CIE1931-XYZ规范色度学系范色度学系统3-1 CIE1931-RGB规范色度察看者与范色度察看者与CIE1931-XYZ规范色范色度察看者的度察看者的转换RGB系系统在某些在某些场所下所下例如被匹配顏色的例如被匹配顏色的饱和度很高時和度很高時三色系数就不能同三色系数就不能同时取正取正而且由于三原色都而且由于三
13、原色都对混合色的亮混合色的亮度有奉献度有奉献当用顏色方程計算当用顏色方程計算时就很不方便。就很不方便。希望有一种系希望有一种系统能滿足以下的要求能滿足以下的要求(1)三刺激三刺激值均均为正正(2)某一原原色的刺激某一原原色的刺激值正好代表混合色的亮度正好代表混合色的亮度而另外两而另外两种原色种原色对混合色的亮度沒有奉献。混合色的亮度沒有奉献。(3)当三刺激当三刺激值相等相等时混合光仍代表混合光仍代表规范范(等能等能)白光。白光。这样的系統在以的系統在以实践的光譜色践的光譜色为三原色三原色时是找不到的是找不到的于是于是就出現了以假想色就出現了以假想色为三原色的三原色的XYZ表色系統。表色系統。2
14、 亮亮度度仅仅由由Y表表示示，X、Y、Z所所构构成成的的虚虚线线三三角角形形包包含含了了整整个个光光谱谱轨轨迹迹，使使得得光光谱谱轨轨迹迹上上和和轨轨迹迹之之内内的的色色度度坐坐标标都成了正值。都成了正值。XYZ假想三原色的由来：假想三原色的由来：2色度坐色度坐标的的转换三条直线在三条直线在RGB系统中的直线方程：系统中的直线方程：XZ直线为无亮度线。即：直线为无亮度线。即： 1.0000r+4.5907g+0.0601b=0又由：又由： r+g+b=1, 代入上式得：代入上式得： 0.9399r+4.5306g+ 0.0601=0XY直线为：直线为： r+0.99g-1=0YZ直线为：直线为
15、：1.45r+0.55g+1=02X、Y、Z 三点在三点在rg图中的坐标是：图中的坐标是：X：r = 1.2750，g = - 0.2778，b = 0.0028Y：r = -1.7392，g = 2.7671，b = - 0.0279Z：r = - 0.7431，g = 0.1409，b = 1.6022 在在1931 CIE-XYZ 色色度度图图中中，等等能能的的白白光光，即即E光源的色度坐标也为：光源的色度坐标也为： xE = 0.3333，yE = 0.3333。 2色度坐色度坐标的的转换由此得到由此得到RGB系系统和和XYZ系系统三刺激三刺激值的的转换关系关系为X=2.7689 R+
16、1.7517 G+1.1302 BY=1.0000 R+4.9507 G+0.0601 BZ=0.0000 R+0.0565 G+5.5943 B色品坐色品坐标r(),g(),b()与与x()y()z()转换关系关系为23-2 系系统的光的光谱三刺激三刺激值根据光根据光谱三刺激三刺激值与色品坐与色品坐标之之间的关系有的关系有并且国并且国际照明委照明委员会会规定：定：CIE1931XYZ系系统的的Y()与光与光谱光光视效率效率V相一致：相一致： Y() = V所以有：所以有：2由此可以得到由此可以得到XYZ系系统的光的光谱三刺激三刺激值。称。称为CIE1931XYZ规范色度察看者范色度察看者x(
17、)、y、z、如以下、如以下图所示所示23-3 CIE1931XYZ系系统色品色品图由色品坐由色品坐标x()y()z()可以画出等能白色光可以画出等能白色光谱色品坐色品坐标在在XYZ系系统中的中的轨迹迹图即即CIE1931XYZ系系统色品色品图22由由CIE1931XYZ系统色品图可知：系统色品图可知： 光谱轨迹曲线以及链接光谱轨迹两端光谱轨迹曲线以及链接光谱轨迹两端的直线所构成的马蹄形内，包含了一切的直线所构成的马蹄形内，包含了一切物理上能实现的颜色只需选取适当的物理上能实现的颜色只需选取适当的原色原色 人的视觉不能区分人的视觉不能区分700770nm的光的光谱色的差别，所以他们有一样的色品坐
18、谱色的差别，所以他们有一样的色品坐标点。标点。 540700nm的光谱轨迹根本上与的光谱轨迹根本上与XY直线重合，所以用直线重合，所以用540nm和和700nm的的光谱色可以匹配出他们之间的饱和度较光谱色可以匹配出他们之间的饱和度较高的光谱色高的光谱色2链接链接400nm 与与700nm两点的连线称为紫两点的连线称为紫线，是由线，是由400nm 与与700nm的光谱色按不的光谱色按不同比例混合的颜色同比例混合的颜色 Y=0的直线的直线XZ),是无亮度线，接近这是无亮度线，接近这条线的坐标点表示较低的视觉亮度，色条线的坐标点表示较低的视觉亮度，色品图表示，在一样的辐射能量下，蓝紫品图表示，在一样
19、的辐射能量下，蓝紫色的可视亮度较低色的可视亮度较低 色品图的中心为白色灰色区域，色品图的中心为白色灰色区域，所以越接近中心的颜色饱和度越低，所以越接近中心的颜色饱和度越低，经过中心白色点直线衔接的颜色互为补经过中心白色点直线衔接的颜色互为补色。色。2CIE1931XYZ规范色度系统规范色度系统CIE1931XYZ规范色度察看者规范色度察看者和和CIE1931XYZ规范色度图一同构成了规范色度图一同构成了CIE1931XYZ规范色度系统规范色度系统CIE1931XYZ规范色度系统是国际上色度计算、颜色规范色度系统是国际上色度计算、颜色丈量、和颜色表征的一致规范，是一切测色仪器的丈量、和颜色表征的
20、一致规范，是一切测色仪器的设计与制造根据设计与制造根据24 CIE 1964 补充色度学系充色度学系统 (10o察看条件察看条件) 单单纯纯原原色色的的混混合合物物，在在整整个个视视场场低低于于10o时时出出现现不不均均匀匀景景象象，工工业业上上配配色色总总是是在在比比2o视视场场更更大大的的范范围围。为为了了适适宜宜于于10o大大视视场场的的色色度度丈丈量量，1964年年CIE规规定定了了一一组组CIE l964 补补充充规规范范察察看看者者光光谱谱三三刺刺激激值值和和相相应应的的色色度度图图，这这一一系系统统称称为为CIE l964补充规范色度学系统。补充规范色度学系统。 在在CIE l9
21、64补补充充色色度度学学系系统统色色度度图图中中，等等能能白光的色度坐标：白光的色度坐标：x10E = 0.3333，y10E = 0.3333，z10E = 0.3333。 研研讨讨阐阐明明，察察看看视视场场添添加加到到10o辨辨色色精精度度能能提提高，但视场进一步增大就不再提高了。高，但视场进一步增大就不再提高了。 2CIE l964与与CIE l931光光谱三刺激三刺激值曲曲线比比较 2CIE1964 色度色度图与与CIE l931 色度色度图比比较25 CIE色度色度计算方法算方法5-1 光源色的色度光源色的色度计算：算：假假设知光源的相知光源的相对光光谱功率分布功率分布为P那么那么该
22、光源的光源的颜色三刺激色三刺激值按下式按下式计算：算： 其中：其中： 为归化系化系数，数，其物理意其物理意义是将光源的，其物理意是将光源的，其物理意义是将光源的是将光源的Y值调整到整到100.即即2该光源的色度坐光源的色度坐标为：留意：留意：Y=100 是光源的是光源的归化亮度，不是光源的化亮度，不是光源的实践践亮度由相亮度由相对光光谱功率分布不能求出光源的功率分布不能求出光源的实践亮度践亮度，光源的，光源的实践亮度践亮度应有光源有光源实践的光践的光谱功率功率w()分分布算出：布算出：需求用需求用积分球丈量分球丈量25-1 物体色的色度物体色的色度计算：算：设照亮物体的光源的相照亮物体的光源的
23、相对光光谱功率分布功率分布为p()不透明物体的外表光不透明物体的外表光谱反射比反射比()透明物体的光透明物体的光谱透射比透射比()那么：那么：进入人眼睛的相入人眼睛的相对光光谱功率分布功率分布颜色刺激函数色刺激函数为p() ()反射体，反射体， 或或p() ()投射体投射体其其颜色三刺激色三刺激值分分别为：2其中其中因此因此或或分别代表物体反射或投射光源亮度的百分比分别代表物体反射或投射光源亮度的百分比2该物体色的色度坐物体色的色度坐标为那么那么该物体色的色度坐物体色的色度坐标与亮度表示与亮度表示为x, yY注：注：1、在、在计算中根据算中根据详细要求要求运用运用CIE1931规范色度察看者或
24、者范色度察看者或者 CIE1960规范色度范色度察看者察看者2、按按计算精度要求取算精度要求取10nm,5nm或或1nm25-2颜色相加色相加计算算1.混合色的三刺激混合色的三刺激值等于参混色的三刺激等于参混色的三刺激值之和：之和：2. 假假设有：有：C1X1、Y1、Z1， C2X2、Y2、Z23. CX、Y、Z= C1+ C24. 那么：那么： X= X1+ X2 , Y= Y1+ Y2 , X= Z1+ Z25.混合色的色品坐混合色的色品坐标与参混色的色品坐与参混色的色品坐标之之间没有没有线性叠加性叠加关系关系6. 假假设 知参混色的色品坐知参混色的色品坐标和亮度和亮度 x、y、Y7. 那
25、么需先那么需先计算出各自的三刺激算出各自的三刺激值，然后相加：，然后相加：8. 由：由： X/x=Y/y=Z/z=X+Y+Z, x+y+z=19. 得：得：X=xY/y Y=Y Z =zY/y =(1-x-y) Y/y 10.例：例：P70、P72)11. 12. 26 均匀均匀颜色空色空间与色差与色差计算算面临的问题：面临的问题：1、人眼睛对颜色差别感受的特性、人眼睛对颜色差别感受的特性2、颜色差别的数量表达方法、颜色差别的数量表达方法3、颜色差别的数量表达与人眼所感受的颜色、颜色差别的数量表达与人眼所感受的颜色 差别的一致性均匀颜色空间差别的一致性均匀颜色空间4、色差计算公式、色差计算公式
26、26-1 人眼人眼对颜色差色差别的分辨特性的分辨特性人眼人眼对光光谱颜色的差色的差别感受性感受性 ：非均匀性：非均匀性2人人眼眼对颜色色的的恰恰可可分分辨辨范范围 2麦麦 克克 亚 当当 的的 颜 色色 椭 圆 形形 宽 容容 量量 范范围 26-2 均匀色度空均匀色度空间以上研讨结果阐明：以上研讨结果阐明：1、人眼对颜色差别区分才干对于不同的颜色、人眼对颜色差别区分才干对于不同的颜色有很大的差别相差达十几倍有很大的差别相差达十几倍2、在、在CIE1931XYZ色度系统中，用不同坐标色度系统中，用不同坐标点之间的间隔不能准确表示人眼对色差的觉得，点之间的间隔不能准确表示人眼对色差的觉得，二者没
27、有较好的一致性。二者没有较好的一致性。均匀颜色空间：一种可以表示颜色的颜色、明均匀颜色空间：一种可以表示颜色的颜色、明度、饱和度的坐标空间，在此空间中不同坐标度、饱和度的坐标空间，在此空间中不同坐标点之间的间隔可以表示颜色之间的差别，而且点之间的间隔可以表示颜色之间的差别，而且在整个空间和不同的方向上有较好的一致性和在整个空间和不同的方向上有较好的一致性和均匀性。均匀性。2 CIEl960 均匀色度空间均匀色度空间CIE l960UCS u = 4X / ( X + 15Y + 3Z ) = 4x / ( -2x + 12y + 3 )v = 6Y / ( X + 15Y + 3Z ) = 6
28、y / ( -2x + 12y + 3 ) 2在在CIE l960UCS图上的麦克亚当椭圆图上的麦克亚当椭圆2 CIE 1976 UCS 色度色度图 ( u , v 图)u = 4x/(-2x+12y+3) , v = 9y/(-2x+12y+3)u=4X/(X+15Y+3Z), v = 9Y X+15Y+3Z)2CIE l964 均匀颜色空间均匀颜色空间 用用明明度度指指数数W*、色色度度指指数数U*和和V*三三个参数来表示个参数来表示颜色的空色的空间位置：位置： W* = 25 Y1/3 17 1Y100U* = 13 W* (u - uo) V* = 13 W* (v - vo) 式式中
29、中：u 和和v是是颜色色样品品在在CIE l960 均均匀匀色色度空度空间的色度坐的色度坐标， uo和和vo那那么么是是所所采采用用光光源源在在CIE l960 均匀色度空均匀色度空间的色度坐的色度坐标。 2CIE1964 LUV色差公式色差公式在在CIE l964 均均匀匀颜色色空空间中中的的两两个个颜色色 U*1 V*1 W*1和和 U*2 V*2 W*2色差色差为： E uv = ( W* )2 + ( U* )2 + ( U* )212 U*= U*1 U*2 V*= V*1 V*2 W*= W*1 W*2色色差差单位位： E =1为1NBS单位位最最正正确确条条件件下下人人 眼恰可眼
30、恰可觉察色差的察色差的5倍倍普通允普通允许色差：涂料：色差：涂料：1 NBS单位，位，纺织品：品： 2 NBS单位，彩位，彩电：45 NBS单位位2CIE l976 L*u*v*均匀颜色空间均匀颜色空间( CIELUV ) L* = 116 (Y / Yo )1/3 - 16 ( Y / Yo 0.008856 )L* = 903.3( Y/ Yn) ( Y/ Yn 0.008856 )L* = 903.3( Y/ Yn) ( Y/ Yn 0.008856 ) f(x) = 7.87x - 16/116 ( x 0.008856 )CIE 1976 a,b 颜色角颜色角 hab 、彩度、彩度
31、C*ab tg hab = b*/a* C*ab = ( a*2 + b*2 ) 1/2 坐标原点到色坐坐标原点到色坐标点的间隔标点的间隔2CIE1976LAB色差公式色差公式在在CIE l976Lab 均均匀匀颜色色空空间中中的的两两个个颜色色 L*1 a*1 b*1和和 L*2 a*2 b*2色差色差为： E 2 uv = ( L* )2 + ( a* )2 + ( b* )2 L*= L*1 L*2 a*= a*1 a*2 b*= b*1 b*22e. CIE DE 2000 规定的一组参照条件规定的一组参照条件照明光源：模拟照明光源：模拟 D65相对光谱功率分布的光源相对光谱功率分布的
32、光源 照度：照度：10001x 察看者：具有正常色觉察看者：具有正常色觉 背景：具有中等明度背景：具有中等明度(L* = 50)的均匀灰色的均匀灰色察看方式：物体色察看方式：物体色色样大小；大于色样大小；大于4o视场视场色色样样间间隔隔：一一对对色色样样的的两两个个样样品品边边缘缘直直接接接接触触，使色样对的间距最小使色样对的间距最小色样的色差幅度：色样的色差幅度：0 至至5 个个CIELAB色差单位色差单位色色样样外外表表构构造造：颜颜色色均均匀匀单单一一，无无可可见见的的花花纹纹或不均匀性或不均匀性2 对于大多数实践运用场所；对于大多数实践运用场所； 波长范围应取波长范围应取 380 780 nm， 波长丈量间隔应取波长丈量间隔应取10 nm；色度计算，包括色差计算，数据多，计算色度计算，包括色差计算，数据多，计算繁复，目前都是针对不同的用途编制程序，繁复，目前都是针对不同的用途编制程序，采用计算机计算采用计算机计算
