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文档简介
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
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