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人眼视觉特性与色度学基础 主要内容 CIE 什么是CIE 人眼的视觉特性与三基色原理 光（电磁波） 人眼视觉特性 三基色原理 色度学基础 CIE 1931 RGB CIE 1931 XYZ CIE 1976 UCS 什么是CIE CIE：就是国际发光照明委员会，原文是法文： Commission Internationale de LEclairage 英文是：International Commission on Illumination 这个委员会创建的目的是要建立一套界定和测量 色彩的技术标准，负责制定标准人眼的光谱光视 特性。 光(电磁波） 可见光谱 可见光 ：可以引起人眼视觉效应的光 谱色 ：颜色按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺 序排列的单色光，称为谱色 非谱色：不能作为单色出现于光谱上的色光 波长 780 630 600 580 510 450 430 （nm ） 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 光(电磁波） 光源（色源） 不发光的物体 因反射一定的光谱成分和吸收其余部分而呈现 一定的彩色 发光的物体 根据它的辐射光谱分布,引起人眼的一定彩色感 觉 光(电磁波） 标准光源 CIE规定： A：工作在色温2856K的钨丝灯 B：中午的太阳光 C：全日平均太阳光 D65：又称国际标准人工日光(Artificial Daylight) ，其色温为6500K E：等能白光 光(电磁波） 色温 光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相 同时，此时黑体的温度就称此光源的色温。 色温越低，红色就越多，蓝色就越少。色温越 高，蓝色就越多。具有相同相关色温的颜色有许 多种。 光(电磁波） 色温应用 确定电视机的白场色温。白场色温对电视机颜色 的复现有很大的影响。如色温偏低，一般叫暖色，红 绿色偏多。颜色比较真实，多用于监视器。对天空海 洋和黄肤色表现不够理想。如色温偏高，一般叫冷色 。则颜色在白色的衬托下，非常鲜艳。但对白色人种 来讲，过白的肤色表示一种病态。一般出口到欧美地 区的电视，色温取 9300K 左右。内销国内取 11000K 左右。评价电视机色温的一致性及白平衡误差。生产 电视时要进行进行白场色温的调节，将每台电视的亮 暗的白场色温调节到要求的标准白场。 光(电磁波） 光的度量 光强 光强是发光强度的简称。表示光源在单位立体角内光 通量的多少。符号用I表示，国际单位是candela（坎德 拉）简写cd。光强代表了光源在不同方向上的辐射能 力。计算公式： 光通量 人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一 波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于 人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长 光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。表示为： 光(电磁波） 光的度量 亮度 亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的 物理量。亮度用符号L表示，亮度的单位是坎德拉/平方 米（cd/m2）。光源的明亮程度与发光体或受光体表面 积有关系，同样的光强的情况下，发光面积大，则暗 ，反之则亮。计算公式： 照度 照度(Luminosity)指物体被照亮的程度，采用单位面积 所接收的光通量来表示，表示单位为勒克斯(Lux,lx) ， 即 lm/m2 。计算公式为： 人眼的视觉特性 明暗视觉 明视觉：在正常光照下眼睛的主观亮度感觉 暗视觉：在夜晚或在微弱光线下人眼的主观亮度感觉 彩条（各色谱） 灰色带（明暗程度不同） 暗视觉下 彩色 彩色视觉是人眼的一种明视觉。彩色光的基本参数有：亮 度、色调和饱和度。 亮度（Brightness or Luminance）：指彩色光作用于人眼时 引起人眼视觉的明暗程度，通常用Y表示亮度。 色调（tone, spectral hue/color hue）：色调是指彩色光的颜 色类别，色调与波长密切相关，波长不同色调不同 人眼的视觉特性 饱和度（Saturation）：指颜色的深浅程度，即 颜色的浓度 高饱和的彩色 低饱和的彩色 +白光 注：色调和饱和度又统称为色度 人眼的分辨率 人眼对被观物体上能分辨的相邻最近两点视角 的倒数。 人眼的视觉特性 人眼对饱和度的分辨能力 人眼能分辨出自然界中各种彩色具有不同的饱 和度,但对不同颜色的饱和度变化却有不完全一样 的灵敏度。可以进行这样的实验,使各种波长色光 的饱和度,由100%逐渐降低一直到零为止,由此确 定出视觉所能分辨出的饱和度变化的等级数。结 果发现在黄色区人眼只能分辨出四级饱和度,而在 红色、蓝色区域,灵敏度较高,可以分辨出25个等 级。 人眼的视觉特性 人眼对色调的感觉 人眼对不同波长的光有不同的色调感觉，严格地讲,只有波 长为572nm的黄光、 503nm的绿光和478nm的蓝光,其色调不 随光强而变化,其它波长的色光都随光强的改变略有变化。在可 见光谱中,从紫到红分布着各种不同的颜色,人眼能分辨出色调差 别的最小波长变化称为色调分辨阈.其数值随波长而改变.人眼对 480640nm区间色光的色调分辨力较高,其中,对500nm (青绿 色)和600nm(橙黄色两个波长来说,只要波长变化约1nm,便可 分辨出色调的变化。而从655nm的红色到可见光谱长波末端,以 及从430nm的紫色到可见光谱短波末端，人眼几乎感觉不到色 调的差别。当饱和度减小时,人眼的色调分辨力将下降;当亮度太 大或太小时,色调分辨力也会下降。 人眼的视觉特性 人眼对亮度的感觉 人眼对亮度变化的响应是非线性的，称为人眼的 GAMMA特性。如图所示： 通常把人眼主观上刚刚可辨别亮度差别 所需的最小光强差值称为亮度的可见度阈值。 也就是说，当光强I增大时，在一定幅度内 感觉不出，必须变化到一定值I+I时，人眼 才能感觉到亮度有变化，I/I一般也称为对比灵敏度。人 眼对暗色比较敏感，所需的亮度阈值小。对明亮的颜色， 所需的亮度阈值大。 人眼的视觉特性 电视复现图像时，如果两个颜色的误差低于对 比灵敏度，即不会被人眼察觉，颜色信息就会丢 失。如果两个颜色的误差被电视放大，大于对比 灵敏度，容易被人眼察觉，颜色信息就可能失真 。因此电视机电路中，都有GAMMA校正电路。使 输入信号变化为 1 个变化量时，电视机的亮度变 化刚好为人眼的可见度阈值。使电视机输入信号 与输出亮度间的关系符合人眼的GAMMA特性。人 眼的值一般为 2.2 左右。 三基色原理 三基色原理 Wald （1964）对人类色彩视觉的研究结果： 三种锥体细胞的光谱吸收的峰值分别在红、绿和 蓝波段。这三种颜色被称为人类视觉的三基色。 实践证明，光谱上的大多数颜色都可以用红(Red) 、绿(Green)、蓝(Blue)三种单色加权混合产生，基 于RGB三基色的颜色表示称为RGB颜色模型 三基色原理 三基色原理内容 1).自然界里的大多数彩色光可以分解为三种基色成 份，而这三种基色也可以按一定比例混合得到不 同的彩色光 2).三基色必须是相互独立的彩色，即其中任一种基 色都不能由其它两种基色混合产生 3).三基色之间的混合比例，决定了混合色的色度 4).混合色的亮度等于三基色亮度之和 三基色原理 三基色选定 三基色的选定 CIE选定的物理三基色(实际存在的光)： 波长为 700nm 的红基色光（R） 波长为 546.1nm 的绿基色光（G） 波长为 435.8nm 的蓝基色光（B） 三基色原理 三基色单位量的确定 CIE规定：光通量为1光瓦的红光为一个红基 色单位量；光通量为4.5907光瓦的绿光为一个 绿基色单位量；光通量为0.0601光瓦的蓝光作 为一个蓝基色单位量，分别记为R, G, B。 配出标准白光，三个基色光红，绿，蓝的光通 量（FR ，FG，FB）之比例为 : 三基色以单位量混合时应得到E白光 , F E白 =1+4.5907+0.0601 =5.6508(lm) 三基色原理 混色法 利用三基色按不同的比例混合来获得彩色的方法 相加混色 相减混色 注：相减混色主要用于美术、印刷、纺织等，我们讨论的 图象系统用的是相加混色 色度学基础CIE 1931 RGB 配色方程 F=RR+GG+BB F彩色光由R份R、G份G、B份B混合配出， R、G 、B表示了三基色单位量之间的比例关系，称为三刺激值 。 混色光的亮度决定于R、G、B的数值 ；R：G：B 间的 比例决定混合色光的色度 配色方程的规范式 令m=R+G+B，r=R/m，g=G/m，b=B/m，其中m称为 色模，表示某彩色光所含有的三基色单位的总和；r、g、 b为色度坐标，且r + g + b = 1。配色方程为： F=mrR+gG+bB 其光通量为： |F|=mr+4.5907g+0.0601b 色度学基础CIE 1931 RGB 因此，可以用二维平面坐标来表示各种彩色光的 色度 RGB色度图 色度学基础CIE 1931 RGB RGB色度图说明 ： (a)舌形曲线的作法：选r,g作为平面坐标系，将自然界各种彩 色用比色实验法，测出其r,g的数值，并描在该坐标平面中 . (b)舌形曲线并不是封闭的，在舌形曲线上的任一点，都代表 着某一波长谱色光的色调；而舌形曲线与横坐标所包围的 面积内任一点，均表示人眼所能看到的某一混合光的颜色 。 (c)g=1点（b=0,r=0）,r=1点(b=0,g=0)和原点(b=1,r=g=0)所构 成的三角形称作彩色三角形。 (d)三角形的重心位置表示标准E白光，此点饱和度为零，曲 线上的彩色饱和度为100，其它非三基色饱和度均小于 100。 缺点：色度图上无亮度信息 坐标上存在负值 色度学基础CIE 1931 XYZ XYZ计色制基本思想 : 选取三个单位基色量X，Y，Z它所组成的三角形将 单色光频谱轨迹全部包围在内，而且使三个色坐标中的一 个坐标恰好等于色光的亮度（或光通量 ). 为克服RGB色度图的缺点，XYZ计色制应满足的条 件： (1)当它们配出实际色彩时，三个色系数均应为正值； (2)为方便计算，使合成彩色光的亮度仅由y Y一项确定， 并且规定1Y光通量为1 光瓦 。换句话说，另外两个基色 光不构成混合色光的亮度，但合成光的色度仍然由X、 Y、Z的比值确定; (3)xX=yY=zZ时，混合得到是白光 色度学基础CIE 1931 XYZ 配色方程：F=XX+YY+ZZ X,Y,Z的确定: 根据上述三个条件求得 XYZ色度图中的三基色在XYZ空 间中可以表示为: X=0.4185R-0.0912G+0.0009B Y=-0.1587R+0.2524G-0.0025B Z=-0.0828R+0.0157G+0.1786B 三刺激值 X、Y、Z与 R、G、B的关系: X=2.7689R+1.7518G+1.1302B Y=1.000R+4.5907G+0.0601B Z=0.0000R+0.0565G+5.5943B 色度学基础CIE 1931 XYZ X、Y、Z 在RGB色度图中的位置 色度学基础CIE 1931 XYZ X,Y,Z 颜色方程 规范化 F= XX+YY+ZZ = mx X+yY+zZ 式中： m=X+Y+Z, x=X/m, y=Y/m , z=Z/mxy+z=1 显然三个色度座标中有一个是不独立的，因而可以用 x， y 直角座标 系来表示各种色度，如下页图。 在马蹄形内部包含了用物理方法能实现的所有彩 色。马蹄形的底部没有给予标记，因为那里 是非 谱色 X、Y、Z只是计算量，是一种假想的三基色， 不能用物理方法直接得到。 色度学基础CIE 1931 XYZ XYZ色度图 色度学基础CIE 1931 XYZ 如图，任一颜色M（x,y）的色调是由其 照明光源坐标点（如A光源）到M点连线并 延长与光谱轨迹相交于N点，N点的光谱色 的色调即为主波长，则： M的饱和度 M的色度 色度学基础CIE 1976 UCS CIE1931xyz 颜色空间有一个大的缺陷，在计算色差时 ，各颜色区间允许的误差是不一样。为了统一颜色的计算 和比较，CIE 又推出了均匀颜色空间。1937年Mac Adam 将(x, y)转换成(u,v)色坐标系統，于1960年被CIE所采用： u=4x/(-2x+12y+3); v