（光学专业论文）目标涂层表面光谱brdf和色度特性.pdf

摘要 摘要 本文主要研究目标涂层表面的光谱b r d f 特性和色度特性。以色度学理论和 光散射理论为基础，分别讨论了利用半球反射率和双向反射分布函数两种方法实 现目标样片的色度特性，重点研究了利用双向反射分布函数获得目标样片的色度 特性及亮度特性的角分布，将b r d f 五参数模型拓展应用到可见光波段，优化建 模得到了目标样片表面的辐射亮度模型，并建立了样片表面辐射亮度空问分布图； 研究了薄膜材料的色度特性，主要讨论了薄膜的颜色随入射角、膜厚等因素的变 化规律，分析了在可见光波段内不同区域反射率的变化对彩色薄膜色度特性的影 响：研究了光源对目标样片色度特性的影响，讨论了光源的相关色温现象，通过 研究给出了一种关于计算光源相关色温的程序计算法和利用遗传模拟退火算法得 到的计算光源相关色温的一个经验公式。 关键词：双向反射分布函数光谱三刺激值色度遗传模拟退火算法 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l ys t u d i e s o n s p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i ca n dc h r o m a t i c i t y c h a r a c t e r i s t i co ft a r g e ts a m p l e si nt h eb a n d so fv i s i b l el i g h t b a s e do nt h et h e o r yo fc o l o r a n dl i g h ts c a t t e r i n g ，t h et w om e t h o d st oo b t a i nt h ec o l o rc h a r a c t e r i s t i co ft a r g e ts a m p l e s a r ed i s c u s s e db yt h eh e m i s p h e r i c a lr e f l e c t a n c ea n db r d et h ea n g l ed i s t r i b u t i o n so f c h r o m a t i c i t ya n dl u m i n a n c ec h a r a c t e r i s t i c a r er e s e a r c h e dw i t hb r d fd e e p l y t h e f i v e p a r a m e t e rb r d fm o d e l j se x t e n d e di n t ov i s i b l eb a n d m o d e l sa n d3 dd i s t r i b u t i o n o fr a d i a t i o nl u m i n a n c eo f t a r g e t s u r f a c e sa r eo b t a i n e d t h ei n f l u e n c er u l eo f c h r o m a t i c i t y c h a r a c t e r i s t i ci s d i s c u s s e d ，w h i c hc h a n g e sr e g u l a r l y w i t hd i f f e r e n t i n c i d e n c ea n g l e sa n dt h i c k n e s s i ti sa n a l y s e dr e f l e c t i v i t yo nc h r o m a t i c i t yc h a r a c t e r i s t i c o ft h ec o l o rf i l mi nd i f f e r e n td o m a i n so ft h ev i s i b l el i g h tb a n d s t h ee f f e c to fl i g h t s o u r c e0 nc o l o rc h a r a c t e r i s t i co ft a r g e ts a m p j e si ss t u d i e d ，a sw e l la sc o r r e l a t i v ec o l o r t e m p e r a t u r ep h e n o m e n o n ap r o g r a mm e t h o da n de m p i r i c a le q u a t i o nb a s e do i lg s a a f o rc o r r e l a t e dc o l o rt e m p e r a t u r ea r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：b r d fs p e c t r a lt r i s t i m u l u sv a l u e s c h r o m a t i c i t y g e n e t i cs i m u l a t e d a n n e a l i n g a l g o r i t h m 创新- | 生声明 本人声明所交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其它人己发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任何贡 献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：圣纽圣日期：竺1 6 王：幽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 丝 堑垒红 日期：竺! ：兰：! ! 日期：王! ! ，王：l ! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 在整个电磁波谱中，只有一小部分能引起人的视觉，这一小部分即为可见光 波段。要严格确定可见光的波长范围是困难的。一般来说，可以取3 8 0 n m - - 7 8 0 n m 作为可见光的波长范围。可见光的波长与颜色的大致关系如图1 1 所示。 图1 1 可见光的波长与颜色对应关系 由于光和颜色的感觉与人眼的生理结构及人的心理因素密切相关，因而纯客 观的辐射度量与人的实际感觉并不一致。最初，色度测量都是以人的主观感觉为 主要判断标准( 如：“烛光”的规定和各种色卡的制做) ，但这样测量的结果个体 差异大，重复性很差，不利于信息的保存、复制和传递。随着测量理论和技术手 段的发展，特别是分光光度技术和计算机技术的发展，以主观判断为主的测量逐 步转向以物理测量为基础，用人的主观感觉对物理测量的结果进行评价( 加权计 算) 的测量处理方法。这样得到的量叫“心理生理物理量”( 指色度量) 。 在这里，所谓“人的主观感觉”，已经不再是某个具体人的感觉，而是由一定数量 的观察者进行的实验结果经过处理后得到的一组数据和图表稼作“标准观察 者”，用它们来代表一个抽象了的人的视觉特征。从国际照度委员会c i e1 9 3 1 r g b 色度学系统建立至今，经历了c i e1 9 3 1 x y z 标准色度系统、c i e1 9 6 4 补充色度学 系统、c 1 e1 9 6 0 均匀颜色空间、c i e l 9 6 4 均匀颜色空间、c i e l 9 7 6 均匀颜色空间的 建立。色度学在这个过程中已经取得了很大的发展。国际照度委员会( c m ) 色度 图显示了颜色之间的关系，如图1 2 所示。 ( a ) c l e l 9 3 1 0 , ) o m 9 6 0 ( c ) c i e l 9 7 6 图1 2 色度示意图 2 目标涂层表面光谱b r d f 和色度特性 目前，在现代色度学中均匀颜色空间、色貌预测、颜色信息交流、颜色复现 等方面仍需要进一步的发展。 1 色差评价 c i e1 9 3 t x y z 色度系统是个不均匀的颜色空间，解决色差度量的问题就是寻 找一个均匀颜色空间，在这个空间内，两点的距离正比于视觉上颜色的差异，即 色差的大小。以后，许多学者提出了许多色差评价公式。c i e 在1 9 7 6 年在总结各 位学者工作的基础上，推荐了1 2 u v 和e a b + 两种色差公式。目前已为各国所采用。 从c i e l a b 色差公式出发，可以推导出c m c 、c i e 9 4 、d i n 9 9 、c i e d e 2 0 0 0 等色 差公式【l 3 】，所有学者建立的均匀色空间中的参数，都与c i e 色度系统的三刺激值 或色品坐标用数学公式联系起来，只是公式形式不同而已，三刺激值和色品坐标 是色度计算的基础。到目前为止，理想的均匀色空间尚未找到，人们认为理想的 均匀色空间应具有黎曼几何形式。在欧式几何空间中只能近似描述，寻找更好的 均匀空间的工作仍在进行。 2 颜色外貌的预测 传统的c i e 色度系统只能判断在特定观察条件下一对颜色样品是否匹配，不 能准确定量的给出复杂环境下人眼视觉系统感知的颜色外观属性。色度学的最终 目的就是要预测同常生活中所遇到的复杂环境中呈现给观察者的颜色外貌，这是 一个很长远的目标。近年来许多学者都致力于这方面的研究。英国的r w g i i u n t 和日本的n a y a t i n a 等提出了各自的色貌模型1 4 1 ，c i e 最新推荐的色貌模型是 c i e c a m 0 2 1 5 。6 j 。它们用色调( h u e ) 、视彩度( c 0 1 0 u r f u l n e s s ) 、视亮度( b r j i g h t n e s s ) 等量来表示颜色的外貌。在这些数学模型中，考虑了照明光源的变化、背景条件 的变化、以及介质不同对颜色外貌的影响等，而这些在颜色匹配基本实验中是不 考虑的。目前，这方面的工作仍在继续。 3 彩色复现 按特定要求产生彩色的过程称为彩色复现。彩色电视、彩色照相、彩色摄影、 彩色印刷已为人们所熟悉。色度学的成果为色度复现提供了理论依据【7 _ 9 j ：彩色复 现的新发展又给色度学提出了新的研究课题。 3 1 电脑配色系统 在印刷、油漆等行业需要用不同色料配置所要求的颜色。过去是由配色师凭 经验估算配方，一般来说这种方法命中率不高。色料混合的光学原理早在3 0 年代 就提出来了。但是电脑配色系统的完善并大量用于生产还是近年来的事情，传统 的电脑配色算法主要基于k u b d k a m u n k 理论【1 0 1 2 】。电脑配色系统由分光光度计、 计算机和软件组成。它的工作过程是：将用户要求的样品放在分光光度计上进行 测试，计算机采集到数据后，以预先存储在机内的色料基础数据库为依据，按色 度学原理进行计算，几分钟之内便可以给出多种配方供选择。这种全自动求解色 第一章绪论 料配方的命中率已经很高，它的优越性已无人怀疑。为满足各种行业的需要，电 脑配色系统的软件仍在不断更新和发展中。 3 2c r t ( 阴极射线管) 真彩色显示 现在优质的c r t 在理论上可以显示1 0 0 0 多万种颜色。由于计算机控制的c r t 显示的可控性和灵活性。c r t 在彩色图像处理。彩色桌面印刷、各种c a d 彩色设 计中得到了广泛的应用。有报道浣，美国孟塞尔实验室里大约有5 0 颜色视觉研 究实验都是在c r t 上完成的【1 ”。c r t 的三个电子枪分别激发三种荧光粉产生红、 绿、蓝光，由于三个红、绿、蓝光点很小且很近，人眼不能分辨，而是合成一个 光斑产生总的颜色感觉。要改变c r t 显示的颜色，就要改变红、绿、蓝三个通道 的输入值。三个通道的输入值由计算机控制。真彩色显示的真正含义应该是能在 c r t 上真实的显示色貌，即达到“即见即所得”的效果。即使三刺激值复现完全 一致，色貌的视觉效果也不能完全相同。这是因为c r t 是自发光色。而需要在它 上面复现的常常是物体色。它们的色貌受环境、背景物体结构、照明光源等多种 因素的影响。色貌的复现要比三刺激值复现复杂的多。某前人们正向这个方向努 力。 4 色度测量方法 色度特性的测量广泛应用于工业领域，彩色电视、彩色摄影和彩色印刷、染 料和涂料、纺织、造纸、交通信号、照明技术等都涉及到颜色测量问题。在这些 工业和技术部门中，颜色指标是评定产品质量的重要一环。在测色方法中，按照 测量原理的不同可分为刺激值读取法和分光测色法，在传统的色度特性的测量基 本上都是在规定的入射测量方向上进行的。然而，反射物体在不同方向上颜色特 性是有差异的。 物体的颜色从客观上讲，是在一定的照明条件下，由物体对光的反射或透射 的光谱组成决定的，是不同波长的光在人眼中共同作用的结果。物体表面呈现的 颜色，是由物体的表面的反射特性、照射光源的光谱功率分布和观察者肉眼的视 觉特性决定的。物体表面的反射特性是物体产生不同颜色的主要原因。本文描述 的方法就是通过物体表面b r d f 的测量得到其色度特性的，这种方法比传统方法 更能全面精确地反演出反射物体的色度特性。 n ) 传统测量方法的缺陷 颜色的测量大体有两类方法：其一，为光电积分法，是以滤光片和光电转换 元件模拟人眼，在一定的照明条件下进行测量。此法优点为：仪器小，测量速度 快，可用于生产过程中的颜色质量控制；缺点为：由于模拟人眼的滤光片极难做 得完善，因此，准确度不高，因没有对光谱反射率或光谱透射率进行测量，不能 解决同色异谱的问题。其二，为光谱扫描法，即测量物体的光谱反射率或光谱透 射率。此法优点为：测量的准确度高，能区分同色异谱；缺点为：此类仪器大多 4 目标涂层表面光谱b r d f 和色度特性 为光栅扫描式，因而测量时间长，不利于生产过程的颜色质量的控制。 在颜色测量技术中，传统的方法都是采用方向反射比的方法迸行测量，这种 方法只能总体测出物体表面的色度特性，但是，从不同观测角度观测物体时，人 眼所看到物体的色度是有一定差异的。丽利用传统的测量方法不能获取物体的全 面的色度特性，特别是对于变色物体而言，从不同角度观测时，物体的颜色特性 差异很大，传统的测量方法已经显示出其很大的局限性，迫切需要个能多角度、 全方位的测量方法和技术。 ( 2 ) 变色技术的发展需要一种能多角度、全方位测量物体颜色特性的方法 c i e 于1 9 7 1 年正式推荐使用了4 种测色几何条件，当时在整个漫射角范围内， 火多数材料具有一致的体色。今天，许多材料都具有因角变色性，它们颜色的改 变是照明条件和观察几何条件的函数。含有金属片或珠光颜料的涂料就是个典 型的例子。从变角光度数据和变角光谱光度数据的分析可看出，观察角度对色度 值有重要影响，并且测色值是观察角度的函数。 为了寻找新的、有效的防伪技术，各国科学家都在努力。1 9 7 3 年d o b r o w o | s k i 提出，变色膜的物理变色原理通过复印、打印是无法仿制的，可以将这种变色薄 膜作为一种比较有效的防伪技术应用到货币、护照等重要文件上。 变色膜是一种颜色会随观察角度的变化而改变颜色的多层光学薄膜，其原理 是基于多层光学薄膜中光的干涉。当自然光照射并进入膜层时，某些波长的光干 涉相长，另外些波长的光干涉相消，因此从不同角度可以看到反射的颜色发生 变化。由于变色膜的颜色是多层膜干涉所特有的，并且会随着观察角度变化而改 变，其它方法无法复制。 加拿大i 雪家研究院于1 9 8 7 年设计并制备出了一种颜色可以从金黄色变到绿色 的全介质变色膜【l4 1 ，然而，这种变色膜与通常的印刷工艺是不兼容的，为了解决 这个问题，f l e xp r o d u c t s 公司的r w p h i l i p s 等研制出变色膜的一种改良产品 膜系具有对称结构的的变色颜料，即将变色膜做成两面对称结构，从两面看，颜 色及颜色变化都是一样的。由于这种变色膜给人一种色彩斑斓、变化无穷、前所 未有的颜色感觉，这种颜色的变化是艺术家向往但又无法创造出来的，所以很多 公司准备将其应用到产品的包装上，n o k i a 公司将这种“变色颜料”用到手机( 手 机型号是n o k i a2 8 2 ) 上；n i k e 公司也将发布其新产品“变色运动系列”，如变色 头盔，变色运动鞋等；福特公司准备在市场上推出“变色汽车”，由于这种“变色 颜料”在颜色视觉上展现给人们一个新的世界，它还可以应用到丝绸等布料、衣 物上。近年来，我国在变色薄膜技术上也发展迅速，例如我国同济大学波耳固体 物理研究所用热蒸发和磁控溅射的物理镀膜方法和溶胶凝胶化学涂布的方法相结 合制各了有机和无机复合纳米光学变色薄膜 ”】。 第一章绪论 1 2 国内外研究发展动态 物体表面的颜色是由物体表面的反射特性、照明光源的光谱特性和正常人眼 的视觉特性三者共同决定的。丽物体的颜色主要是由物体表面的反射特性决定的。 双向反射分布函数( b i d i r e c t i o n a lr e f l e c t a n c ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，b r d f ) 是用来 描述目标物体表面的空间光反射特性。用其来描述物体表面的光反射特性具有唯 一性的特点，它所确定的反射特性只取决于物体表面本身的特性，它表示不同入 射条件下物体表面在任意观测角的反射特性。 双向反射分布函数( b r d f ) 的定义是由n i c o d e m u s l 9 7 0 年正式提出【1 6 】，最早 是从光辐射角度定义并得到发展，现己广泛应用于激光、红外和微波段的散射和 辐射方面，它在材料诊断、目标光辐射与散射特性、环境气候监测、杂散光抑制、 地物遥感等领域都有广泛的应用( 1 7 1 9 】。除了以上这些应用以外，目前在下列领域 也有着广泛的应用。 1 在光度学和颜色光学领域的应用 表面双向反射率测量可以用来确定光度等级。光泽是一种可见属性，和颜色 一样为周围物体提供定性的信息。用于光泽测量的相关物理量是b r d f ，它表征的 是试样上散射光在半球空间的几何分布。通过两个假设，o b e i n gl e r o u x t 和 v i e n o t f 得到了b r d f 菲涅耳定律的理论模型，且将这个模型应用于不同光泽指 数的黑色和白色涂料试样中【加1 。宾夕法尼亚大学的计算机信息科学系通过b r d f 测量来研究人类皮肤的反射特性【2 1 】。图1 1 3 、1 4 分别是照射皮肤的光源和反射测 量传感器。图1 5 、1 6 是实验装置和所测量的手背皮肤的光谱反射特性。 图1 3 实验装置中的光源图1 4 实验装置中的传感器 s 蜘r t d 柏0 图1 5 实验装置图1 6 手掌皮肤的反射特性 2 在计算机图形学中的应用 毋是盂蜃膏掣 6 目标涂层表砥光谱b r d f 和色度特性 b r d f 在计算机图形学中应用也非常广泛，例如冯( p h o n g ) 模型，库克( c o o k ) 模型，哥罗德( g o u r a u d ) 模型，都是计算机图形学中的基本的光反射模型。近十 年来，计算机图形技术突飞猛进：硬件上，c p u 速度显著提高，内存扩大，显示的 色彩数可达1 6 0 0 万种；在算法上，光线跟踪及辐射度法目趋完善，可生成照片般真 实的图象。这就为计算机辅助色彩设计的实现提供了可能性。原始的光线跟踪法 假设物体表面是理想的镜面，辐射度法则假定物体表面足理想漫射面，这两种极 端情形，与真实世界有较大的差异。为了描述起初世界的颜色现象，必须建立较 精确的光照模型。l a m b e r t 2 2 幔反射模型是最简单的光照模型：p h o n g l 2 2 】模型近似 描述了表面高光，能较好模拟塑料之类的材质，目前最为通用；b l i n n 2 2 1 用物体表 面的微面元的概率分布来刻画表面粗糙度，建立了一种基于物理分析的模型； c o o k t o r r a n c e ”】模型在b l i n n 基础上还考虑了光谱依赖性，能描述金属这样的均 匀介质表面的光反射。k a j i y a l 2 3 j 对各向异性材质、k r u e g e r t 2 4 l 对荧光的材质分别建 立了光照模型。对油漆的描述，一般都使用p h o n g 模型。 我国对b r d f 的研究始于2 0 世纪8 0 年代末期，中国科学院安徽光学精密机 械研究所、西安电子科技大学、中国科学院长春光学精密机械研究所等单位在 b r d f 测量方面都有所研究，但对光学材料，尤其是航天热控材料从可见光到红外 线的b r d f 测量仪器还没研制。随着国防建设、经济发展、社会进步、电磁波( 光 波) 遥感遥测的应用，b r d f 测量技术也就成为当今高新技术领域的重要技术群之 1 3 论文结构 本文的结构安排： 第一章综述了现代色度学中的基本问题及迸一步发展方向。着重阐述了现 代色度学中测量的基本方法及它们的缺陷，介绍了目前国内b r d f 的发展态势和在各个领域的广泛应用，特别是在光度学和颜色光学 方面的应用。最后介绍了本文通过b r d f 测量实现物体色度特性的 可行性。 第二章色度学基本理论。本章详细介绍了色度学的几个表色系统， ( c 1 e 1 9 3 1 r g b 真实三原色表色系统，1 9 3 1 c i e x y z 标准色度系统， c i e l 9 6 4 补充色度学系统，c i e l 9 7 6 色度空间) ，介绍了表色系统之 间的转换关系及色度学系统中标准照明体和标准光源。 第三章利用光谱反射率实现物体的色度特性。本章首先从理论上分析了在 可见光波段不同色光区域光谱反射率的不同对物体色度特性的影 响，然后阐述了色度学中光谱反射率谱的测量方法及c i e 规定测色 第一章绪论 的观测条件，研究了半球空间反射率与双向反射分布函数的关系， 最后以目标样片和金属样片为例，通过测量了目标样片和金属样片 的半球反射率谱，研究了目标样片和金属样片的色度特性。 第四章利用双向反射分布函数实现目标样片的色度特性。在色度测量方法 和b r d f 测量中寻找到光谱反射率因数和双向反射分布函数之间的 联系和共性。通过对目标样片b r d f 测量获得其色度特性、亮度特 性的角分布情况。将b r d f 五参数模型拓展应用到可见光波段，优 化建模得到了目标样片表面的辐射亮度模型，并建立了样片表面辐 射亮度空间分布图。 第五章薄膜材料光谱反射的色度特性。本章运用薄膜干涉理论分析了光学 薄膜的色度特性。从理论上研究了在可见光波段不同区域内反射率 的变化对彩色薄膜色度特性的影响，最后分析了反光材料的色度特 性。 第六章同色异谱与光源对色度的影响。本章首先研究了色度学中的同色异 谱现象和同色异谱的实现方法，然后分祈了光源的光谱功率分布不 同对物体色度特性的影响，分别讨论了黑体和典型日光的光谱功率 分布特性和色度特性。阐述了色度学中光源相关色温现象，通过研 究给出了一种关于计算光源相关色温的程序计算法和利用遗传模拟 退火算法得到的计算光源相关色温的一个经验公式。 本文的创新点： 1 利用双向反射分布函数实现目标样片的色度特性，将b r d f 五参数模 型拓展应用到可见光波段，优化建模得到了目标样片表面的辐射亮度模 型，并建立了样片表面辐射亮度空间分布图。 2 通过对光源相关色温现象的研究，给出了一种关于计算光源相关色温 的程序计算法和利用遗传模拟退火算法得到的计算光源相关色温的一个 经验公式。 8 目标涂层表面光谱b r d f 和色度特性 第二章色度学理论 颜色是由物体表面的反射特性、照射物体的光源及正常人眼的视觉特性决定的。本章首 先介绍了正常人眼视觉的生理基础和颜色视觉理论。在颜色匹配实验基础上，依次详细讨论 了色度学中c i e l 9 3 1 r g b 真实三原色表色系统、1 9 3 1 c i e - x t z 标准色度系统、c i e l 9 6 4 补充色 度学系统、c i e l 9 7 6 色度空间，着重讨论了它们之间的转换关系式。详细阐述了色度计算的基 本方法。最后简要介绍了色度学系统中标准照明体和标准光源以及它们的光谱功率分布。 2 1 视觉的生理基础 色度学是研究颜色度量和评价方法的门学科，是颜色科学领域里的一个重 要部分。颜色感觉与听觉、嗅觉、味觉等都是外界刺激对人感觉器官产生的感觉。 光经过物体反射和透射后刺激人眼，人眼产生了此物体的光亮度和颜色的感觉信 息，并将此信息传至大脑中枢，在大脑中将感觉信息进行处理，于是形成了色知 觉。人眼就可以辨认出物体的明亮程度、颜色类别、颜色纯洁的程度( 明度、色 调、饱和度) 。外界光刺激一色感觉一色知觉是个复杂的过程，它涉及光学、光 化学、视觉生理、视觉心理等各方面的问题，要想度量色知觉量是很复杂的。心 理物理学就是研究知觉量与外界刺激量之间关系而发展起来的一门学科。色度学 要解决颜色的度量问题必须找到外界光刺激与色知觉量之间的对应关系，以便能 用对光物理量的测量间接地测得色知觉量，因此应用了心理物理学的方法，通过 大量的科学实验，建立了现代色度学。它是一门以光学、视觉心理、心理物理等 各学科为基础的综合性科学，也是一门以大量实验为基础的实验性科学。 可见光辐射刺激人眼引起颜色感觉。物体的颜色除取决于物体辐射对人眼产 生的物理刺激外，还取决于人眼的视觉特性，因此必须从生理学及心理学的角度 了解人眼的构造和颜色感觉的机理，以及种种颜色视觉现象。 2 1 1 明视觉和暗视觉 人眼有两种视觉细胞锥体细胞和杆体细胞，这两种细胞有着不同的视觉 功能，在外界光亮度变化时，有不同的视觉规律。在光亮条件下，即亮度在几个 c d m 2 以上时，人眼的锥体细胞起作用，称为锥体细胞视觉，也叫明视觉。在明 视觉条件下，锥体细胞能分辨物体的细节，很好的区分不同的颜色。在明视觉条 件下观察大面积表面时，多少也有些杆体细胞参加了活动，在亮度达到l o c d m 2 以 二时可以认为纯粹是锥体细胞起作用。在暗条件一f ，亮度约在百分之几c d m 2 时， 人眼的杆体细胞起作用，称为杆体细胞视觉，也叫暗视觉。在暗视觉条件下，杆 体细胞能感受微光的刺激，但不能分辨颜色和细节。严格的说，只有当亮度达到 第二章色度学理论 0 0 0 1c d m 2 以下时，才能说只有杆体细胞起作用。在明视觉和暗视觉之间的亮度 水平下，称为中间视觉，这是既有锥体细胞参加又有杆体细胞参加共同起作用。 不同波长的光引起人眼的感受程度是不同的，功率相同但波长不同的单色光， 人眼感到的明亮程度不同。眼睛的灵敏度与波长的依赖关系，称为光谱光视效率 ( 或称为视见函数) 。因为人眼有明视觉和暗视觉两重功能，光谱光视效率也有两 种。实验是这样进行的：在光亮条件下，让观察者调节光谱的不同单色光的强度 去匹配一个固定的白光，在黑暗条件下，调节各单色光的强度，以达到视觉阂值 水平，即达到刚可看到光亮的程度。实验结果得到的各单色光的相对辐射能量与 它相应波长的关系，就是光谱光视效率。 1 9 2 4 年国际照明委员会( c i e ) 采用了吉布逊和廷德尔推荐德材料规定了明视 觉的光谱光视效率矿似) ，这代表3 0 0 多名观察者中央凹视觉( 2 。一3 。视场) 的平 均光谱感受特性。1 9 5 1 年c i e 又根据沃 尔德和格劳福德德实验结果规定了暗视 觉的光谱光视效率矿m ) ，这代表了完全 暗适应条件下，年龄低于3 0 岁的观察 者，刺激离中央凹大约5 。的杆体细胞的 平均感受特性。矿( a ) 与y ) 曲线如图 2 1 所示。 c i e 推荐采用明视觉和暗视觉光谱 光视效率矿( a ) 与v ( a ) 作为标准光度观 察者。按照c i e 标准光度观察者v ( z ) 与 v ( 舢来评价的辐通量即为光通量。光通 量与辐通量的关系如下 7 8 。 明视觉： 丸。q _ r 晚似矿 m 3 8 0 7 舯 暗视觉： ；，九( 少( z ) d z m 图2 , 1v ( z ) 与y ( a ) 曲线 式中盛，以是光通量。单位是流明；晚( a ) 是以波长为自变量的辐通量，单位是 瓦；= 6 8 3 1 m w ，砭一1 7 2 5 1 m w 2 1 2 颜色视觉理论 现代颜色理论主要有两大类，它们是从两个比较古老的理论发展出来的：一 个是杨赫姆霍尔兹的三色学说，另一个是赫林的“对立”颜色学说瞄1 。前者 从颜色混合的物理学规律出发，后者从视觉现象出发。两个学说都能解释大量事 h-曩。塌。釜。胃口目一，口v兰 1 0 目标涂层表面光谱b r d f 和色度特性 实，但都有不足之处，这两个颜色学说在今天仍是占主导地位。 1 三色学说理论 基于颜色混合的各种事实，1 8 6 0 年赫尔姆霍兹提出了一个颜色视觉的生理学 理论，这一理论后来成为其它颜色视觉理论的原型。这个理论叫做三种感受器理 论，或三色理论。三色理论说明为什么三种颜色可以起原色的作用，它还说明某 一颜色不只是由某几个固定波长的光组合而成，这个颜色也可以由其它波长的光 组合而成 而且在颜色混合中，只要两个颜色的外貌相同，它们就可以彼此替代。 赫尔姆霍兹还指出，在人的眼睛内有三种基本的颜色感受器。在当时，赫尔 姆霍兹还不知道视网膜内锥体细胞的作用，它只假设有三种基本的颜色感觉纤维。 后来发现，这些假定的纤维和视网膜的锥体细胞有类似的作用，所以近代的三色 理论认为，三种颜色感受器实际上就是视网膜的三种锥体细胞。每一种锥体细胞 包含一种色素，三种锥体细胞色素的光吸收特性不同，第一种锥体细胞是专门感 受红光的细胞，相应第二和第三种锥体细胞色素是分别专门感受绿光和蓝光的细 胞。 这种理论能够很好的解释颜色混合问题。我们可以用红绿蓝三种原色以不同 比例混合产生白色和其它各种颜色。并且不同波长的光所造成的三种锥体细胞反 应的强度不同，三种不同程度兴奋的比例关系决定我们所看到的将是什么颜色。 但是这一学说也有不足之处，例如，按照这一学说，应该至少有三种单色盲 即：红色盲；绿色盲和蓝色盲，它们可以单独存在。但是根据色盲的事实，几乎 所有红色盲的入同时也是绿色盲者，他们被称为红绿色盲。更重要的是，根据 这个学说，三种神经纤维同时兴奋才能产生白色或灰色感觉，既然色盲者缺乏 种或几种纤维，是不应该有白色感觉的，而全色盲的人同样也有明度和白色感觉。 这晕显然是矛盾的。同样，按照这个学说，红一绿色盲的人是不应该有黄色感觉 的，因为只有“红”和“绿”纤维同时兴奋才能产生黄色，但事实上并非如此， 红一绿色盲的入照样有黄色感觉。 2 四色学说理论 赫林的对立颜色学说也叫四色学说。1 8 7 8 年赫林观察到颜色现象总是以红 绿，黄一蓝，黑一白成对关系发生的，因而假定视网膜中有三种视素：白一黑视 素、红一绿视素、黄一蓝视素。这三种视素的代谢作用包括建设( 同化) 和破坏 ( 异化) 两神对立的过程。光刺激破坏自一黑视素，引起神经冲动产生白色感觉。 无光刺激时白黑视素便重新建设起来，所引起的神经冲动便是黑色感觉。对红 一绿视素，红光起破坏作用，绿光起建设作用。对黄一蓝视素，黄光起破坏作用， 蓝光起建设作用。因为各种颜色都有一定的明度，即含有白色成份，所以每一种 颜色不仅影响其本身视素的活动，而且也影响白一黑视素的活动。 根据赫林学说，三种视素的对立过程的组合产生各种颜色感觉和各种颜色混 第二章色度学理论 合现象。 赫林学说的最大困难是对三原色能产生光谱一切颜色这一现象没有给予说 明。而这一物理现象正是近代色度学的基础，一直有效地指导着颜色技术的实践。 三色说和四色说在历史上已经争论了上百年，两神理论看起来是严重对立的， 但是现代神经生理学的研究成果表明，两种理论可能各适合于颜色视觉过程的某 个阶段，它们之间是可以互相补充的。由神经生理学实验发现，在视网膜上存在 三种不周的颜色感受器。它们是三种不同的锥体细胞，每种有自己独特的光谱 灵敏度和灵敏范围。这就有力的支持了三色学说。但在网膜和视神经的传输通道 研究中，又发现支持凹色学说的现象。在神经兴奋向视觉中枢的传导过程中，三 种外部信息经过处理加工，形成三种对立的红一绿，黄一蓝，黑一自反应。最后 经视神经中枢的综合判断，使人感觉到颜色的三属性：色调，彩度和明度。因此 可以认为，在视网膜上的锥体感受器是三色机理；视神经传导通路中的视觉信息 是四色机理。 除t - - 色和四色学说之外，还有米勒的阶段学说和兰德的网膜皮层理论 2 6 1 。 各理论的实验方法无例外地都是心理物理学方法：受试者是具有正常色觉的入， 光作为一种输入，以人眼受光后作出的判断为输出，它是纯物理方法所不能完全 代替的。 2 2 颜色的分类和特性 2 2 1 颜色分类和颜色特性 颜色可分为彩色和非彩色两类。 非彩色是指白色、黑色和各种深浅不同的灰色组成的系列，称为白黑系列。 当物体表面对可见光谱所有波长反射比都在8 0 - - 9 0 以上时，该物体为白色； 其反射比均在4 以下时，该物体为黑色：介于两者之间的是不同程度的灰色。纯 白色的反射比应为1 0 0 ，纯黑色的反射比应为0 。在现实生活中没有纯白、纯黑 的物体。对发光物体来说，自黑的变化相当于白光的亮度变化，亮度高时人眼感 到是白色，亮度很低时感到是灰色，无光时是黑色。非彩色只有明亮度的差异。 彩色是指白黑系列以外的各种颜色。彩色有三种特性：明度、色调、饱和度。 明度：人眼对物体的明暗感觉。如图2 , 2 所示，彩色光的亮度愈高，人眼就愈 感觉明亮，或者说有较高韵明度。彩色物体表面的光反射率愈高，它的明度就愈 高。 1 2 目标涂层表面光谱b r d f 和色度特性 l | l 鹰俄柑 图2 2 明度色标示意图 色调：彩色彼此相互区分的特性，如图2 3 所示，可见光谱不同波长的辐射在 视觉上表现为各种色调，如红、橙、黄、绿、蓝等。光源的色调决定于辐射的光 谱组成对人眼所产生的感觉。非发光物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表 面所反射( 透射) 的各波长辐射的比例对人眼所产生的感觉。 一个简单的色环 图2 3 色相环图2 4 饱和度色标示意图 饱和度：是指彩色的纯洁性，如图2 4 所示，在一个大红色里逐步添加白色或 者是黑色，这个大红色就会变的不像以前那么艳丽了， 这是因为它的饱和度下降了。可见光谱中的各种单色 光是最饱和的彩色。当光谱色掺入白光成分愈多时， 就愈不饱和。物体色的饱和度决定于物体反射( 透射) 性。如果物体反射光的光带愈窄，它的饱和度就越高。 蓝绿 用一个三维空间纺锤体可以将颜色的三个基本特 性明度、色调、饱和度表示出来，如图2 5 所示。 立体的垂直轴代表白黑系列明度的变化；圆周上的各 点代表光谱上各种不同的色调( 红、橙、黄、绿、蓝、 紫) ；从圆周向圆心过渡表示饱和度逐渐降低。 2 2 2 颜色恒常性 白 黑 图2 5 颜色立体 红 尽管外界的条件发生变化，人们仍然根据物体的固有颜色和亮度来感知它们； 外界条件发生变化以后，我们的色知觉仍然保持相对的不变，这种现象就是颜色 第二章色度学理论 模型) 。目前具有代表性的颜色恒常理论( 或模型) 主要有v o nk r i e s 色系数定律【2 7 】、 l a n d 的视网膜皮层理论f 2 8 - 2 9 1 、d 、z m u f a 的双线性模型【3 0 - 3 2 、f i n l a y s o n 等的色域 映射理论【3 3 1 、谱锐化理论【m l 和神经网络模型【3 5 i 。 睁刚引 陋， 征根q ，b ，y ，引入常数r ，g o ，玩，则公式( 2 - 2 ) 成立。式( 2 2 ) 中，rg j 曰为原来的 表示灵敏度的改变程度，称为y o nk r e i s 系数。式( 2 2 ) 称为v o nk r i e s 色系数定 1 4目标涂层表面光谱b r d f 和色度特性 f 尺。2 口r 一风 g = p g g 0( 2 2 ) 旧ay b 一玩 2 视网膜皮层理论 l a n d 和m c c a n n 提出了视网膜皮层理论( r e t i n e xt h e o r y ) 。这个理论认为人们 知觉到的物体表色与物体表面的反射率因数有着密切的关系。照明引起的颜色变 化一般是平缓的，通常表现为平滑的照明梯度，而由表面变化引发的颜色变化效 应则往往表现为突变形式。通过分辨这两种变化形式，人们就能将图像的光源变 化和表面变化作出区分，从而得知由光源变化引发的表色变化，使人们对表色的 知觉保持恒常。该理论认为颜色恒常程度不受照明环境变化的影响，只与视觉系 统对物体表面反射性质的知觉有关。在视网膜皮层系统中，存在一个对比机制， 可以知觉m o n d r i a n 色块边界。在边界知觉过程中，视网膜皮层系统借助相邻颜色 表面反射系数关系的信息，部分抵消了由照明条件不同所引起的变化。视网膜皮 层理论能应用于三基色系统和对立颜色系统，这两个系统输出结果的差别只是坐 标系发生了旋转。 2 3 c i e l 9 3 1 r g b 真实三原色表色系统 2 3 1 格拉斯曼颜色混合定律 1 8 5 4 年格拉斯曼将颜色混合现象总结成颜色混合定律 ( 1 ) 人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调、饱和度。 ( 2 ) 在由两个成分组成的混合色中，如 果一个成分连续的变化，混合色的外貌也 连续的变化。 ( 3 ) 颜色外貌相同的光，不管它们的光 谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同 的效果。换言之，凡是在视觉上相同的颜 色都是等效的。 ( 4 ) 混合色的总亮度等于组成混合色的 各颜色光亮度的总和。 窿，匕 孽愚k 一墩 嶝囝 图2 6 颜色匹配实验 格拉斯曼颜色混合定律是色度学的一般规律，适用于各种颜色光的相加混合。 但这些规律不适用于染料或涂料的混合。染料、涂料的混合是颜色光的减光过程。 2 3 2 颜色匹配实验 把两个颜色调整到视觉相同的方法叫颜色匹配，颜色匹配实验是利用色光加 第二章色度学理论 色来实现的。图2 6 中左方是一块白色屏幕，上方为红r 、绿g 、蓝b 三原色光， 下方为待配色光c ，三原色光照射自屏幕的上半部，待配色光照射白屏幕的下半部， 白屏幕上下两部分用一黑挡屏隔开，由白屏幕反射出来的光通过小孔抵达右方观 察者的眼内。人眼看到的视场范围在2 。左右，被分成两部分。图右上方还有一束 光，照射在小孔周围的背景白版上，使视场周围有一圈色光做为背景。在此实验 装置上可以进行一系列的颜色匹配实验。待配色光可以通过调节上方三原色的强 度来混合形成，当视场中的两部分色光相同时，视场中的分界线消失，两部分合 为同一视场，此时认为待配色光的光色与三原色光的混合光色达到色匹配。不同 的待配色光达到匹配时三原色光亮度不同，可用匹配方程表示： ( c ) 薹j r ( r ) + g ( g ) + b ( 曰)( 2 3 ) 颜色匹配方程是表示颜色匹配的代数式。 式中( c ) 表示待配色光；( r ) 、( g ) 、( 口) 代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位 量：r 、g 、曰分别为匹配待配色所需要的红、绿、蓝三原色的数量；“；”表示视觉 上相等，即颜色匹配 在颜色匹配实验中，与匹配色达到色匹配时所需要的三原色的数量，称为三 刺激值。也就是颜色匹配方程化3 ) 式中的r 、g 、口值。一种颜色与一组r 、g 、 b 数值相对应，颜色感觉可以通过三刺激值来定量表示。任何两种颜色只要月、g 、 口数值相同，颜色感觉就相同。 1 三原色的单位量 国际照明委员会( o e ) 规定红、 绿、蓝三原色的波长分别为7 0 0 n m 、 5 4 6 1 n m 、4 3 5 8 n m ，在颜色匹配实验中， 当这三原色光的相对亮度比例为 1 0 0 0 0 ：4 5 9 0 7 ：0 0 6 0 1 时就能匹配出 等能白光，所以c i e 选取这一比例作为 红、绿、蓝三原色的单位量，即( r ) ： ( g ) ：( b ) = 1 ：1 ：1 。尽管这时三原 色的亮度值并不等，但c i e 却把每一原 色的亮度值作为一个单位看待，所以色 w 钾e h 删；i l | i ( 删吡) 圈2 71 9 3 1 c i e - r g b 光谱三刺激值 光加色法中红、绿、蓝三原色光等比例混合结果为白光。 2 c i e r g b 光谱三刺激值 c i e r g b 光谱三刺激值是3 1 7 位正常视觉者，用c i e 规定的红、