色度学原理与CIE标准色度学系统.ppt

第2章色度学原理与CIE标准色度学系统,PrologueThisisthestoryofMisterChromewhostartedouttopainthishome.Thepaintranoutwhenhalfawaythroughsotothestorehequicklyflewtobuysomemoreofmatchinghue,adelicateshadeofegg-shellblue.Butwhenhetriedthislatestbatch,hefounditsimplydidntmatch.Nowonderhewasinafix,forofthecolorswecanmix,themajorshadesandthosebetween,tenmilliondifferentcanbeseen.,Youfoolishman,saidMissisChrome,youshouldhavetakenfromthehomeasimpleofthecolordone;youcantremembereveryone.Takingcarethatshehadgotasamplefromtheearlypot,shewentandboughtherhusbandmoreofbettercolorfromthestore.Beforeshepaid,shecheckedtheshade,andfoundaperfectmatchitmade.Intriumphnowshetookithome,andgaveitstraighttoMisterChrome.Heputitonwithoutdelay,andfoundthecolornowokey.,But,afterdark,intungstenlight,theyfoundthecolorstillnotright.Sotothestoretheybothwentnow,withsamplesclear,andaskedthemhowapaintthatmatchedindaylightbrightcouldfailtomatchintungstenlight.Themansreplytotheircomplaintwasthatthepigmentsinthepainthadbeenexchanged,sincetheyhadbought,forothersofadifferentsort.Tosolvetheproblemontheirwall,hegavethempainttodoitallfromjustonebatchofconstantshade,andthenatlastsuccesswasmade.,Tocompensatethemfortheirtrouble,thestoresenttothemcurtainsdouble.Theyhungthemupwithgreatdelight;theymatchedintungstenanddaylight.Aneighborthendidmakeacallandfixedhiseyeuponthewall;thepaint,hesaidwasallonecolor,butclearlysawthecurtainsduller!Thoughcolorsstrangeattimesappear,themoralofthistaleisclear:tounderstandjustwhatwesee,object,light,andeye,allthree,mustcolorallourthinkingthroughofchromicproblems,oldornew!,2.1色度学实验依据,2.1.1颜色匹配实验,颜色转盘,颜色光的匹配实验,2.1.2同颜色光亮度的相加,设有三个不同颜色的色光：P*、Q*、R*相应色的单位量值：P、Q、Rp、q、r分别为颜色P*、Q*、R*的强度。调出P/Lp、Q/Lq、R/Lr，使这些光亮度相等。Lp、Lq、Lr即为单位颜色P、Q、R的光亮度比值。选择光亮度单位，则Lp、Lq、Lr为P、Q、R各单位颜色的光亮度值。因此，Lp、Lq、Lr是单位颜色P、Q、R的光亮度系数。,2.1.2同颜色光亮度的相加,pP、qQ两色混合，与rR光亮度比较实验证明：当p、q、r满足下列数值关系时，被比较的两光亮度相等。pLp+qLq=rLr（2-1）物理意义：不论颜色的成分如何，各种颜色重叠的光亮度是可以相加的。,2.2颜色的数学表示,2.2.1色三角形色度匹配：色光相同的颜色和亮度色度：色光的颜色和亮度的统称,色坐标：（r，g。b）,2.2.2颜色方程,三原色R*、G*、B*、任意色C*看成是色向量，相应的单位向量R、G、B以及C。R*=RR、G*=GG、B*=BB、C*=CC当颜色C*与RR、GG、BB混合视觉上匹配时，则可写出颜色方程：CC=RR+GG+BB(2-2)此时称R、G、B为颜色C*的三刺激值。,色光匹配：RedGreenBluenm700546.1435.8,2.2.2颜色方程,在颜色转盘实验中，如果被匹配的颜色(转盘中心)很饱和，那么用红、绿、蓝三原色可能实现不了匹配。在这种情况下，如图2-1(b)所示匹配。颜色匹配方程：CC+BB=RR+GG可写成：CC=RR+GG-BB(2-3),颜色转盘,thesensitivitycurvesofthethreetypesofcone,等能白：SERedGreenBlueMixturecd/m21.00004.59070.06915.65081Redunit=R=1.0000cd/m2;1Greenunit=G=4.5907cd/m2;1Blueunit=B=0.0691cd/m2.100Bproduce:10054100Gproduce:010075100Rproduce:00100,Tomatch1powerunitof500nm1unitof500nmproduces20402020B2010.839G03929.220B+39G=2040301unitof500nmproduces20402010ofRproduces00101500nm+10R=2040301500nm+10Rismatchedby39G+20B1500nm=-10R+39G+20B1600nm=95R+30G+0B1500nm+1600nm=85R+69G+20B,2.2.2颜色方程,在颜色科学中，我们不直接用三刺激值R、G、B来表示颜色，而用三原色各自占R+G+B总量的相对比值表示颜色。色度坐标：三原色各自占R+G+B总量的相对比值。对颜色C*而言，其色度坐标为：r=R/(R+G+B)g=G/(R+G+B)b=B/(R+G+B)颜色C*的单位值：C=rR+gG+bB则颜色C*的色量C：C=R+G+B。,白色的单位向量W,令W=(1/3)R+(1/3)G+(1/3)BW色度坐标：r=1/3、g=1/3、b=1/3相应R、G、B的相对光亮度值：LR=1.0000、LG=4.5907、LB=0.0691，从而颜色C*的单位光亮度为LC=rLR+gLG+bLB若已知颜色C*的光亮度为L，并且测量得颜色C*的r、g、b值，则颜色C*的色量为C=L/LC=L/(rLR+gLG+bLB),2.3色度相加原理,根据格拉斯曼配色混合的代替律，如果色光A*=色光B*，色光C*=色光D*，则A*+C*=B*+D*。此式说明色光相加符合数学上的向量加法法则。,2.3色度相加原理,2色光混合：设色光C1C1C2C2三刺激值：R1、G1、B1R2、G2、B2色度坐标：r1、g1、b1r2、g2、b2经过色光混合后色光为C12C12，则颜色C12C12为C12C12=C1C1+C2C2=R1R+G1G+B1B+R2R+G2G+B2B=(R1+R2)R+(G1+G2)G+(B1+B2)B=(C1r1+C2r2)R+(C1g1+C2g2)G+(C1b1+C2b2)B,所以C12=C1(r1+g1+b1)+C2(r2+g2+b2)=C1+C2,这就是说，在色三角形坐标中两色混合的色度，相当于C1*、C2*两色依其色量C1、C2而形成的重心点。,n个不同色颜色相混合,则其色度坐标应为：,2.4色谱图,实验中采用：光谱色+适当的白光例：C500*=C1C1=W1W+Co*，Co*=G1G+B1B，因而有：C1C+W1W=G1G+B1B,确定R*、G*、B*，与各种不同波长的单色光的颜色相匹配，从而得出各光谱单色光相对于选定三原色的色度值。光谱色是最纯的，想用三原色混合得到是不可能的。,C1C+W1W=G1G+B1B式改写为C500*=C1C1=G1G+B1B-W1W=G1G+B1BW1(1/3)R+(1/3)G+(1/3)B=(W1/3)R+(G1W1/3)G+(B1W1/3)B光谱色C500*相应的色度坐标r1、g1、b1为,由于分母中有负号，因此r1、g1、b1不但可以为负值，而且它的绝对值不限于0到1范围，有可能大于1。,光谱色的色度坐标轨迹,根据色相加原理，显然任何现实颜色的色度坐标必然都在光谱轨迹与长、短波两端点连线所构成的范围之内。由此所构成的图谱称为色谱图。,色谱图,2.5光谱三刺激值,如果已知色光E的光谱功率分布，怎样来确定它的三刺激值及色度坐标呢？设：光谱功率分布为E()，光谱色的色度坐标r()、g()、b()。首先找出单色光E()d的色量值dC()，单色光E()d的亮度：kV()E()d，其对应的C值dC()：dC()=kV()E()d/r()LR+g()LG+b()LB,2.5光谱三刺激值,再由式（2-10）得色光E的色度坐标为：rE=r()dC()/dC()，gE=g()dC()/dC()，bE=b()dC()/dC()或写成：,对于任一色光，只要测得它的光谱功率分布，就能计算求得这一色光的色度坐标。,令,其中k为规化系数。于是得：,需要指出，光谱三刺激值函数是与所选择的红、绿、蓝三原色有关。一般来说，光谱三刺激值在某些波段会出现负值。,称为光谱三刺激值。,2.6色度转换,2.6.1色度坐标的转换三原色R*、G*、B*X*、Y*、Z*单位向量：R、G、BX、Y、Z设颜色向量C*单位向量：CC三刺激值：R、G、BX、Y、Z则颜色向量C*可表示为：C*=(R+G+B)C=RR+GG+BB=(X+Y+Z)C=XX+YY+ZZ,2.6.1色度坐标的转换,已知：X的色度坐标：（rX，gX，bX）Y的色度坐标：（rY，gY，bY）Z的色度坐标：（rZ，gZ，bZ）则X、Y、Z在R*、G*、B*中的色向量分别为：X=rXR+gXG+bXBY=rYR+gYG+bYBZ=rZR+gZG+bZB对X*、Y*、Z*体系按照不同的规化条件，因此有X=kXX=kXrXR+kXgXG+kXbXBY=kYY=kYrYR+kYgYG+kYbYBZ=kZZ=kZrZR+kZgZG+kZbZB其中kX、kY、kZ为确定X、Y、Z单位向量的规化系数。,2.6.1色度坐标的转换,将上式代入式(2-16)，取R、G、B两边的系数相等，得：R=kXrXX+kXgXY+kXbXZG=kYrYX+kYgYY+kYbYZB=kZrZX+kZgZY+kZbZZ上式用矩阵表示：,确定k的规化条件是当RGB为白色rWgWbW时，XYZ=1/31/31/3。由此得：,从此式可求得矩阵k,2.6.2光亮度值的转换,单位向量X、Y、Z的光亮度值LX、LY、LZ与LR、LG、LB之间有如下关系：LX=kXrXLR+kXgXLG+kXbXLBLY=kYrYLR+kYgYLG+kYbYLBLZ=kZrZLR+kZgZLG+kZbZLB而色向量C*的光亮度值不随坐标的变化而异：L=CXYZLC=XLX+YLY+ZLZ=CRGBLC=RLR+GLG+BLB由于CXYZ=X+Y+Z，CRGB=R+G+B，所以LC(X+Y+Z)=LC(R+G+B)此式表明，某一颜色在两个不同三原色中的单位色向量的光亮度值与其色向量绝对值成反比。,2.6.2光亮度值的转换,依相同原理，可得X，Y，Z系统中光谱三刺激值与R，G，B系统中光谱三刺激值的转换关系为：,实际上这一比例系数K可由规化条件或从仪器的标定中得出。,2.7CIE标准色度观察者,现代色度学采用国际照明委员会(简称CIE)所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法，称为CIE标准色度学系统。此系统是以两组现代色度学的基本视觉实验数据为基础的。CIEl931标准色度观察者光谱三刺激值，适于1o4o视场的颜色测量；CIEl964补充标准观察者光谱三刺激值，适于大于4o视场的颜色测量。并且CIE规定必须在明视觉条件下使用这两组标准观察者的数据。,2.7.11931CIE-RGB系统(2o观察条件),1931年CIE规定700nm的红、546.1nm的绿和435.8nm的蓝为色光三原色，三原色能相加匹配出等能白色(E光源)，然后在2o观察条件下，采用目视配色仪上匹配出等能光谱色的R、G、B分量，称为1931年CIE-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值，用,1931年CIE-RGB系统标准色度观察者,1931CIE-RGB系统色度图,2.7.21931CIE-XYZ系统,亮度仅由Y表示，X、Y、Z所形成的虚线三角形包含了整个光谱轨迹，使得光谱轨迹上和轨迹之内的色度坐标都成了正值。,XYZ假想三原色的由来：,X、Y、Z三点在rg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1931CIE-XYZ色度图中，等能的白光，即E光源的色度坐标为：xE=0.3333，yE=0.3333。,1931CIE-XYZ色度图,CIEl931-XYZ标准色度观察者,2.7.3CIE1964补充色度学系统(10o观察条件),单纯原色的混合物，在整个视场低于10o时出现不均匀现象，工业上配色总是在比2o视场更大的范围。为了适合于10o大视场的色度测量，1964年CIE规定了一组CIEl964补充标准观察者光谱三刺激值和相应的色度图，这一系统称为CIEl964补充标准色度学系统。在CIEl964补充色度学系统色度图中，等能白光的色度坐标：x10E=0.3333，y10E=0.3333，z10E=0.3333。研究表明，观察视场增加到10o辨色精度能提高，但视场进一步增大就不再提高了。,CIEl964与CIEl931三刺激值曲线比较,CIE1964色度图与CIEl931色度图比较,2.8CIE标准照明体和标准光源,2.8.1光源（1）发光效率：一般指电光源所发出的光通量与该光源所消耗的功率之比，即每消耗一瓦功率所能产生的光通量。（2）光谱功率分布：一种光源所发射的光谱往往不是单一的波长，而是由许多不同波长的混合辐射所组成。光源的光谱辐射按波长顺序和各波长强度分布称为光源的光谱功率分布。（3）绝对光谱功率分布曲线和相对光谱功率分布曲线：前者指以光谱辐射的各种波长光能量绝对值所作的曲线；后者指将光源辐射光谱的各种波长的能量进行相互比较，作归一化处理后使辐射功率仅在规定的范围内变化的光谱功率分布曲线。,2.8.1光源,（4）连续光谱、线状光谱、混合光谱：由红到蓝各种色光在内的连续彩色光带称连续光谱；在整个光谱区域中某几个波长处发生狭窄的光谱称为线状光谱；在连续光谱中附上一些突出的线光谱称为混合光谱。（5）绝对黑体和全辐射体：指在任何波长下能够全部吸收任何波长的辐射的物体。（6）黑体轨迹：随着绝对黑体加热温度的升高，按照普朗克计算出在各种温度时的相对应光谱功率分布转换成CIEl931色度坐标，绝对黑体不同温度的色光变化在CIEl931色度图上形成的弧形轨迹，称为黑体轨迹。,（7）色温和相关色温：,光源的色温：某光源的色度与绝对黑体辐射在某一温度下的色度一样，则这一温度称为某光源的色温。相同光源色温的相对光谱功率分布与某温度下黑体辐射的光谱功率分布可能完全一致，也可能不一致。同色同谱颜色：光谱功率分布完全一致的两色同色异谱颜色：色度和色温一样的两个光源的光谱功率分布不一定完全一致。相关色温：光源的光色在色度图上不一定准确地落在绝对黑体轨迹上，所以只能用光源与黑体轨迹最近的颜色来确定该光源的色温，称为相关色温。,2.8.2CIE标准照明体A、B、C、D,CIE推荐了四种标准照明体A、B、C、D和三种标准光源A、B、C。1、CIE标准照明体标准照明体：指一定的光谱功率分布，这种标准的光谱功率分布并不是必须由一个光源直接提供，也不一定能用一个光源来实现。标准照明体A：相当于绝对黑体在加温到2856K时所辐射出来的光，它的相对光谱功率分布可根据普朗克辐射定律计算：标准照明体A色度点正好落在CIEl931色度图的黑体轨迹上。,1、CIE标准照明体,标准照明体B：相当于相关色温4874K的直射阳光，光色相当于中午阳光，其色度点紧靠黑体轨迹。标准照明体C：相当于相关色温为6774K的平均阳光，光色近似阴天天空的日光，其色度点在黑体轨迹上方。标准照明体D65：相当于色温约为6504K的日光，其色度点在黑体轨迹的上方。标准照明体D：代表标准照明体D65以外的其他日光。,B:Tcp=4874K;C:Tcp=6774K,CIE标准照明体的光谱功率分布曲线,2、CIE标准光源,标准光源：指用来实现标准照明体光谱功率分布的光源，CIE规定用下述人工光源来实现标准照明体。标准光源A：熔凝石英壳或玻璃壳带石英窗口的充气钨丝灯，以产生色温为2856K的辐射。标准光源B：在A光源前加一组特定的戴维斯-吉伯逊液体滤光器，以产生相关色温4874K的辐射。标准光源C：A光源另加一组戴维斯-吉伯逊液体滤光器，以产生相关色温6774K的辐射。戴维斯-吉伯逊滤色液系用硫酸钠、甘露醇吡啶、蒸馏水，或硫酸钻铵、硫酸钠、硫酸、蒸馏水等不同的分量配合而成。,3、标准照明体D（重组日光）的确定和模拟,（1）典型日光色度轨迹CIE规定的标准照明体D也叫做典型日光或重组日光它是由在CIEl931色度图上的一条位于普朗克(黑体)轨迹上方的典型日光色度轨迹来代表的。这条轨迹是根据CIEl931色度图上许多实测的日光色度点的分布定出的，它包括400040000K典型日光的色度点。典型日光轨迹也就是标准照明体D的轨迹。典型日光色度轨迹是根据实验材料定出的。,典型日光色度的色度坐标,CIE规定典型日光(D)的色度坐标满足以下关系：yD=-3.000 xD2+2.870 xD0.275式中xD的有效范围为0.25000.380。在相关色温T已知情况下，可通过下式计算典型日光色度坐标xD：,(4000KTC7000K),(7000KTC25000K),（2）典型日光相对光谱功率分布的计算,贾德、麦克亚当和威泽斯基对上述康狄特等人测量的622例光谱分析进行了统计学的特征矢量分析，得出一组公式，用以计算一定相关色温的典型日光的相对光谱功率分布。也就是说，用数理统计手段重新组合出该相关色温的典型日光光谱功率分布。这就是“重组日光”的含意。分析结论：日光光谱分布由平均曲线So+偏离平均曲线的特征矢量S1和S2,日光光谱分布的平均曲线So及第1、第2特征矢量曲线S1、S2,典型日光的相对功率分布的公式：,S()=So()+M1S1()+M2S2()式中S()为某一相关色温典型日光波长的相对光谱功率。在已知典型日光的色度坐标情况下，M1和M2可用下式求得：,（3）标准照明体D的模拟,目前，CIE还没有正式推荐人工光源来实现标准照明体D，这主要是因为日光具有独特的锯齿形光谱功率分布，而人工光源不具有这种光谱功率分布。在色度学的实际应用中，不一定要求对日光光谱功率分布做出完善的模拟。人工光源与标准照明体光谱功率分布具有一定程度的偏离应该是允许的。为了评价模拟日光的光谱功率分布与标准照明体D55、D65、D75其中之一的符合程度，CIE推荐了用于色度学目的的评价方法。,CIE推荐的模拟日光的色度学评价方法,CIE推荐选用5对非荧光样品和3对荧光样品在模拟日光照明下的色度与在标准照明体D65（或D55、D75）下的色度差别来评价模拟日光的质量。可见光的同色异谱指数：5对非荧光样品在标准照明体D照明下，每对都是匹配的，但在模拟日光照明下，一般可能是不匹配的。它们的色差平均值就定义为可见光的同色异谱指数。这个指数表明模拟日光模拟标准照明体D在可见光区域的程度。可见光同色异谱指数越小，日光模拟得越好。,CIE推荐的模拟日光的色度学评价方法,紫外光的同色异谱指数：3对荧光样品在标准照明体D下，每对也是匹配的。但在模拟日光照明下，一般也就不匹配。它们的色差平均值就定义为紫外光的同色异谱指数，它表明模拟标准照明体D紫外区域的程度。按照同色异谱指数的大小，CIE把它分为5个等级。表中色差E(CIELAB)指色差采用1976CIELAB色差公式,色差E(CIELUV)指色差公式采用1976CIELUV色差公式。,CIE模拟日光的等级评价,等级评价的表示,可见光同色异谱指数的等级由第一字母来表示，紫外光的等级由第二字母来表示。例如：一个模拟D65光源在CIELAB匀色空间的可见光同色异谱指数为0.3,紫外光同色异谱指数为0.6，则该模拟D65光源具有BC级。目前认为具有BC（CIELAB）等级以上模拟日光可用于大多数实际场合。我国目测评定纺织品色牢度用标准光源条件中采用的模拟D65光源的一级标准为BC（CIELAB）级，二级标准为CD（CIELAB）级。,模拟D65的人工光源的种类,现在正在研制三种模拟D65的人工光源：带滤光器的高压氙弧灯：带滤光器的高压氙弧灯提供了最好的模拟，国际上最好能达到AA级；带滤光器的白炽灯和荧光灯：带滤光器的白炽灯只在紫外区的模拟尚不理想，最好达到AD级；荧光灯的模拟过去一直较差，只达到CD级。Daylight荧光灯：随着稀土荧光粉的发展，荧光灯的模拟可达到BB级。,2.9CIE标准照明和观测条件,045450,2.9CIE标准照明和观测条件,0dd0,测色仪实际采用的照明和观察几何条件（物体反射）,测色仪实际采用的照明和观察几何条件（物体透射）,2.10CIE色度计算方法,2.10.1三刺激值的计算CIE1931标准色度系统CIE1964标准色度系统,x=X/(X+Y+Z)x10=X10/(X10+Y10+Z10)y=Y/(X+Y+Z)y10=Y10/(X10+Y10+Z10),如果()代表光谱辐亮度密度，在CIE1931-XYZ中Y值为亮度，其中k=Km=683(lm/W)，=V()。积分范围为360nm至830nm。,2.10.1三刺激值的计算,对于物体色：CIE1964标准色度系统,在大多数实际应用时，波长范围为380nm至780nm，波长间隔为5nm，甚至10nm。在计算物体色三刺激值时，应尽量采用CIE标准照明体，通常建议使用CIE标准照明体D65。,参考白N色刺激C:主波长=D处的波长;饱和度(兴奋纯度):pe=NC/ND.色刺激C:补色波长=D处的波长;饱和度(兴奋纯度):pe=NC/ND.,2.10.2颜色三属性的计算1、色相的计算2、饱和度的计算,C1:m1亮度单位色坐标x1,y1C2:m2亮度单位色坐标x2,y2C3:色光C1和C2相加1亮度单位=1/LY,2.10.2颜色三属性的计算4、色光相加(计算法),X=Yx1/y1,Y=Yy1/y1,Z=Yz1/y1Y1=m1/LY,Y2=m2/LYC1:X1=m1x1/LYy1,Y1=m1y1/LYy1,Z1=m1z1/LYy1C2:X2=m2x2/LYy2,Y2=m2y2/LYy2,Z2=m2z2/LYy2C3:X3=m1x1/LYy1+m2x2/LYy2Y3=m1y1/LYy1+m2y2/LYy2Z3=m1z1/LYy1+m2z2/LYy2x+y+z=1,X+Y+Z=m1/LYy1+m2/LYy2,因此:x=(m1x1/y1+m2x2/y2)/(m1/y1+m2/y2)y=(m1y1/y1+m2y2/y2)/(m1/y1+m2/y2),4、色光相加(作图法),P为色光l，Q为色光2，M为P+Q的混合色。为了求得这一点，可在P点作一条与PQ垂直的直线，其长度与Q色的量成正比；另在Q点上也作一条与PQ垂直的直线，长度与P色的量成正比，然后连接这两条垂直线末端的线，与PQ线的交叉点就是所求混合色的点。从而即可求出混合色的三属性，Y值等于Y1+Y2。,2.10.3光源色温、相关色温的确定,在CIEl931色度图上，黑体轨迹上各温度点不是按等距分布的；同时由于CIEl931色度图的空间是不均匀的，即在色度图上两处相同的距离不代表视觉上等量的颜色差别，所以就很难确定一个在黑体轨迹附近的光源的相关色温，因此，凯莱利用CIEl960UCS图，按视觉恰可分辨的最小颜色差别，把黑体轨迹划分为许多视觉分辨的单位，叫做麦勒德（rd）。麦勒德与色温、相关色温的关系为：l麦勒德=l/色温106,光源的相关色温近似值计算：,TC=1.4388TC48/1.4380,2.11CIE均匀颜色空间和色差公式,2.11.1均匀颜色空间,人眼对光谱颜色的差别感受性,人眼对颜色的恰可分辨范围,麦克亚当的颜色椭圆形宽容量范围