颜色的混色系统之CIE标准色度系统.ppt

第四章颜色的混色系统 CIE标准色度系统 物体颜色是光刺激人的视觉器官产生的反应 要将观察者的颜色感觉数字化 国际照明委员会 CIE 规定了一套标准色度系统 称为CIE标准色度系统 这一系统是近代色度学的基本组成部分 是色度计算的基础 也是彩色复制的理论基础之一 CIE标准色度学系统是一种混色系统 是以颜色匹配实验为出发点建立起来的 用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色 4 1颜色匹配4 2CIE标准色度系统4 3视觉的生理基础4 4色度计算方法 4 5Yxy与HVC的转换4 6均匀颜色空间4 7同色异谱 第四章颜色的混色系统 4 1颜色匹配 4 1 1色光混合实验4 1 2三刺激值和色度图 4 1颜色匹配 4 1 1色光混合实验 把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程叫作颜色匹配 颜色匹配实验 Mappingthehumanresponse Red Red Green Green Blue Blue TestLamp WhiteScreen WhiteScreen MaskingScreen MaskingScreen Observer 2 2 2 2 实验证明 三原色的选择是任意的 只要它们相互独立 也就是说任何一个原色不能由其余两个原色相加产生 各种实验方法已表明 无法找到一组三原色能够将自然界中的所有色彩匹配出来 4 1 2三刺激值和色度图 A 三刺激值 在颜色匹配中 用于颜色混合以产生任意颜色的三种颜色叫做三原色 通常加色混色中使用红 绿 蓝三种颜色光为三原色是为了得到最多的混合色 颜色匹配实验中 与待匹配色实现颜色匹配时所需要的三原色的数量 称为三刺激值 记作R G B 一种颜色与一组R G B值相对应 R G B值相同的颜色 颜色感觉 外貌 必定相同 因为一组特定的R G B三刺激值在特定的实验和观察条件下代表一个特定的颜色感觉 不同的R G B三刺激值代表不同的颜色感觉 因此 所有颜色感觉的集合就构成了一个三刺激值空间 又称为混色空间 在这个空间中 每一个颜色感觉用空间中的一个坐标点来表示 任一个颜色C 在三刺激值空间中可以用坐标原点为起点的矢量来表示 三刺激值R G B就是该矢量在三个坐标轴上的分量 B 颜色匹配方程 在三刺激值空间中 颜色可以用一个矢量来表示 这个矢量对应的方程就称为颜色匹配方程或简称为颜色方程 代表匹配颜色感觉所需要的三原色数量之间的关系 C C R R G G B B C 光谱三刺激值 匹配等能光谱中各单色光所需的三原色数量称为光谱三刺激值 又称为颜色匹配函数 用符号 或r g b 表示 C C r R g G b B 380nm 780nm D 色度坐标和色度图 三原色各自在R G B总量中的相对比例叫做色度坐标 用符号r g b来表示 色度坐标与三刺激值的关系如下 以色度坐标r g表示的平面图称为色度图 又称为麦克斯韦三角形 第四章颜色的混色系统 4 2CIE标准色度系统 为了统一计算颜色的方法和数值 现代色度学采用CIE所规定的一系列颜色测量原理 条件 数据和计算方法 称为CIE标准色度系统 这一色度系统以两组基本颜色视觉实验数据为基础 CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值1 4 视场 CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值大于4 视场 10 视场左右 4 2 1CIE1931 RGB系统4 2 2CIE1931XYZ标准色度系统 4 2CIE标准色度系统 4 2 1CIE1931 RGB系统 A 选择三原色 700nm R 546 1nm G 435 8nm B B 确定三原色单位 将相加匹配出等能白光 E光源 时三原色各自的数量定为三原色的单位 即从色彩角度 三原色等量 R G B 1 混合得到白光 白光色度r g b 1 1 1 1 0 33 2 视场下用上述选定三原色匹配等能光谱色的R G B三刺激值 用r g b来表示 光谱三刺激值曲线如图 这一组函数叫做 CIE1931 RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值 简称 CIE1931 RGB系统标准色度观察者 以此来代表人眼2 视场的平均颜色视觉特性 颜色视觉特性 r g b nm 435 8 546 1 7000 0 三刺激值 0 4 0 2 CIE1931 RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值曲线 光谱三刺激值与光谱色色度坐标的关系式 CIE1931 RGB系统色度图及 R G B 向 X Y Z 的转换 光谱轨迹 注意 出现了负的三刺激值与色度坐标值 加入待匹配色一侧视场的原色数量为负值 CIE1931 RGB系统的光谱三刺激值r g b是由实验获得的 本来可以用于色度计算 但由于光谱三刺激值与色度坐标都出现了负值 计算起来不方便 又不易理解 因此 1931年CIE讨论推荐了一个新的国际通用色度系统 CIE1931 XYZ系统 1931年CIE在RGB系统的基础上 改用三个假想的原色X Y Z建立了一个新的色度系统 将RGB系统光谱三刺激值进行转换后 变为以X Y Z三原色匹配等能光谱的三刺激值 定名为 CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值 简称为 CIE1931标准色度观察者 记作x y z或x y z 这一系统叫做 CIE1931标准色度系统 或 CIE1931 XYZ 系统 4 2 2CIE1931XYZ标准色度系统 CIE1931 RGB系统色度图及 R G B 向 X Y Z 的转换 光谱轨迹 CIE1931 XYZ系统三原色的选择考虑因素 1 要想消除负坐标值 必须使新三原色包围所有的颜色范围 2 规定 X Z 两个原色只代表色度 没有亮度 全部亮度都由Y刺激值承担 3 光谱轨迹曲线从540nm附近到700nm在r g色度坐标图上近似是一条135 直线 直线上所有的颜色都可以由这两个单色光混合产生 4 Y Z 边与光谱轨迹上波长为503nm点的切线相重合 5 以相等数量的三刺激值匹配等能白光来确定XYZ新系统的三刺激值单位 X 2 7689R 1 7571G 1 1302BY 1 0000R 4 5907G 0 0601BZ 0 0565G 5 5943B CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线图 理想三原色在CIE1931RGB色度图中的坐标 rgbX1 275 0 2780 003Y 1 7392 767 0 028Z 0 7430 1411 602 光谱光视效率 能量相同而波长不同的光 对人眼所引起的亮度感觉是不同的 眼睛的灵敏度与波长的依赖关系 称为光谱光视效率 或称视见函数 由于人眼有明视觉和暗视觉两种视觉功能 光谱光视效率也分明 暗两种 CIE 国际照明委员会 分别于1924年和1951年根据不同科学家的实验结果规定了明视觉光谱光视效率V 和暗视觉光谱光视效率V CIE明视觉和暗视觉光谱光视效率是光度学计算的重要依据 CIE推荐采用明视觉和暗视觉光谱光视效率V 和V 作为标准光度观察者 代表人眼的平均 光 视觉特性 按照CIE标准光度观察者来评价的辐通量 e即为光通量 v 辐通量与光通量的关系式为 式中V 为明视觉光谱光视效率 V 为暗视觉光谱光视效率 v v 为光通量 单位是流明 lm e 是以波长为自变量的辐通量 单位是瓦 W Km 683流明 瓦 lm w Km 1755流明 瓦 lm w 色度图可用来表示所有颜色的色度特性 色度图中心为白点 非彩色点 光谱轨迹上的点代表不同波长的光谱色 是饱和度最高的颜色 越接近色度图中心 白点 颜色的饱和度越低 围绕色度图中心不同的角度 颜色的色调不同 0 8 0 8 颜色光谱由来 CIE1931标准色度观察者的数据适用于2 视场的中央视觉观察条件 视场范围1 4 以此代表人的平均颜色视觉特性 CIE1931标准色度系统的三刺激值以X Y Z表示 三种原色由于选择时的考虑 只有Y值既代表色度又代表亮度 又称为亮度因数 而X Z只代表色度 与亮度无关 所以y 函数曲线与明视觉光谱光视效率V 一致 即y V 在使用数字描述颜色时 常采用Yxy表色方法 即采用色度坐标x y表示颜色的色度特征 用亮度因数Y表示颜色的亮度特征 这样该颜色的外貌就能完全唯一地确定下来 右图直观地表示这三个参数之间的关系 Yxy立体图 第四章颜色的混色系统 4 3CIE1964补充标准色度系统 4 3CIE1964补充标准色度系统 在大面积视物观察条件下 4 由于杆体细胞的参与以及中央凹黄色素的影响 颜色视觉会发生一定的变化 主要表现为饱和度的降低及颜色视场出现不均匀的现象 实验表明 人眼用小视场观察颜色时 颜色差异辨别力较低 当观察视场从2 增大到10 时 颜色匹配的精度也随之提高 但视场再进一步增大 颜色匹配精度的提高就不大了 为了适应大视场颜色测量的需要 CIE在1964年又规定了一组 CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值 简称为 CIE1964补充标准色度观察者 x10 y10 z10 这一系统称为 CIE1964补充标准色度系统 也叫作10 视场X10Y10Z10色度系统 CIE1964补充标准色度系统三刺激值记作X10 Y10 Z10 在色度测量与计算中要根据观察视场的大小选择CIE1964或CIE1931标准色度观察者数据来代表人眼的平均颜色视觉特性 第四章颜色的混色系统 4 4CIE色度计算方法 4 4 1三刺激值与色度坐标的计算4 4 2颜色相加的计算 4 4CIE色度计算方法 4 4 1三刺激值与色度坐标的计算 光源或物体的颜色是由进入眼睛的不同波长的光混合而成的感觉 我们把进入眼睛的光能量随波长的分布称为颜色刺激函数 根据被测对象不同 有不同的计算方法 即 对于照明体或光源对于透明物体对于非透明物体 而人眼对不同波长的颜色刺激感觉强度不同 只有 与该波长的CIE光谱三刺激值的乘积才是由这个波长的颜色刺激所引起的颜色感觉 根据颜色相加原理 总的颜色感觉应是各波长颜色感觉的总和 因此 三刺激值的计算公式为 X k x d X10 k10 x10 d Y k y d Y10 k10 y10 d Z k z d Z10 k10 z10 d 范围取380 780nm 在实际计算中 用求和来近似积分 求和的表达式为 一般采用CIE规定的标准照明体 具体采用哪种照明体由被测物体的具体情况而定 例如物体是在日光下观察时可用D65或B C照明体 而在灯光下观察时可用A照明体 或 式中的常数K和K10叫做归化系数 它是将照明体 或光源 的Y值调整为100时得出的 即 此式中的S 由于K是这样定义的 于是当 时 Y为物体的光透过率 当 时 Y为物体的光反射率 相对功率 反射率 三刺激值 红 颜色的光谱特性 S S 红 相对功率 反射率 红 计算出物体的三刺激值以后 再按下式将其转换为物体的色度坐标 即 或 4 4 2颜色相加的计算 A 计算法 当两种或两种以上已知三刺激值的颜色光相加混合 混合色的三刺激值等于各色光三刺激值之和 X X1 X2 XnY Y1 Y2 YnZ Z1 Z2 Zn n为组成混合色的色光数量 混合色的色度坐标在三刺激值计算之后就可求得 当已知两种颜色的色度坐标x y及亮度Y而要求混合色的色度坐标时 因为混合色的色度坐标与已知色的色度坐标之间没有线性叠加的关系 所以必须先求出各颜色的三刺激值 可采用下面公式 B 作图法 在CIE1931x y色度图上 两种颜色相加产生的第三种颜色总是位于连接两种颜色的直线上 这一新颜色在直线上的位置取决于两种颜色的三刺激值总和的比例 按重心原理 混合色的色度点被拉向比例大的颜色那一侧 P为颜色1 为颜色2 M为P Q的混合色 C1和C2分别为颜色1和2的三刺激值之和 即 C1 X1 Y1 Z1C2 X2 Y2 Z2 根据重力中心定律 第四章颜色的混色系统 4 5混色系统表色法Yxy与显色系统表色法HVC的转换 4 5 1颜色的客观三属性4 5 2HVC与Yxy两种表色方法的数值转换 4 5混色系统表色法Yxy与显色系统表色法HVC的转换 4 5 1颜色的客观三属性 主波长 纯度和亮度因数 A 主波长一般情况下 物体表面色所反射的能量集中部位的波长就是该颜色的主波长 主要用来表示物体色的色相 从色度图中白点W x0 y0 向样品色色度点S x y 作直线并延长交光谱轨迹上一点L 这一点光谱色的波长就是该颜色样品的主波长 d 主波长光谱色与白光按一定比例混合可以匹配出样品色 补色波长记作 d或 c 除作图法外 还可以用计算法 计算方法是根据样品色的色度坐标以及照射光源C的坐标计算直线的斜率 然后查读出直线与光谱轨迹的交点 定出主波长 计算时需要查阅 CIE标准光源A B C E 等能光源 恒定主波长线的斜率表 该方法计算精度可达1nm以内 B 纯度 色纯度表示样品色与其主波长光谱色的接近程度 以符号Pe表示 色纯度可大致反映颜色的饱和度 用白点到样品点的距离WS与白点到主波长点的距离WL之比来表示 即 当Pe 1时 表明样品色就是光谱色 饱和度最高 当Pe 0时 表明样品色就是白色 是非彩色 饱和度为0 C 亮度因数 印刷品表面色的明暗程度 直接用三刺激值中的Y值来表示 通常称为亮度因数 或简称亮度 用百分数表示 4 5 2HVC与Yxy两种表色方法的数值转换 1 首先将亮度因数Y 用查表的方法求出与之对应的孟塞尔明度值V 2 依此明度值V 找出与之对应的CIE色度图 3 按已知的色度坐标x y在该明度值V的色度图上描点 求H和C值 4 最后综合起来就是所求色样的HVC值 从而完成由Y x y表色法到HVC表色法的转换 A 亮度因数Y与孟塞尔明度值V的转换原理 孟塞尔第10级明度值由理想的完全漫反射体代表 其反射率为1 然而没有一种材料的表面具有完全漫反射的性质 实用中 这一系统的所有Y值都是以氧化镁作为标准的 并规定氧化镁的亮度因数Y 100 而氧化镁的实际反射率约为97 5 因此 孟塞尔第10级明度值的亮度因数Y0 100 0 975 102 57 根据视觉实验所得结果 孟塞尔明度值与亮度因数之间的关系如图所示 图中的曲线表明 亮度因数Y与明度值V之间是非线性关系 它们之间的函数关系 可用五次多项式表示 上式的最佳观察条件是以Y 20 的中性灰色为背景 孟塞尔明度值V与亮度因数Y之间的数值关系如表所示 B 色度坐标x y与色相H 彩度C的转换 在孟塞尔颜色系统中 对于明度值相同的颜色样品只有色相和彩度两维坐标的变化 这在CIE1931色度图上 就意味着只有色度坐标x y的不同 在孟塞尔新标系统中 按照1 9的9个明度等级 根据视觉实验 分别在CIE色度图上绘制出恒定色相轨迹和恒定彩度轨迹线 这9张恒定色相轨迹和恒定彩度轨迹图就是我们将CIE1931色度学系统 Yxy表色法 与孟塞尔系统 HVC表色法 相互转换的依据 分析这9张不同明度的色度图可以看出 在明度值为4 5 6 时 彩度轨迹的数量最多 比明度值9 时占色度图更大的面积 这意味着 在中等明度值4 6 时有产生最大饱和度表面色的可能性 而在明度值9 时 亮度因数Y 79 不可能有非常饱和的颜色 特别是在色度图的蓝 紫 红部分更是如此 随着明度的降低 每一恒定的彩度轨迹圈急剧增大 依据在明度值1 时 亮度因数Y 1 210 彩度 4的轨迹已经包括明度值9 的全部颜色 这表明人眼分辩饱和度的能力随明度的降低而降低 明度值为1 时 在色度图中黄 绿部分只剩下很少几个恒定彩度轨迹 这表明 在明度降低时 黄 绿色只有很低的饱和度 练习题 求品红Y 24 69 x 0 4020 y 0 2410的实地印刷色样的孟塞尔HVC值 即孟塞尔标号 C Yxy与HVC两种表色方法的讨论 1 恒定主波长并不等于恒定色相 在明度相同的彩度图中 恒定色相轨迹上的颜色 当其彩度改变时 它的主波长亦不相同 主波长并不能准确代表人的色相视知觉 2 纯度并不对应于相等的饱和度 纯度的概念是把整个光谱颜色的纯度人为的规定为100 孟塞尔新标系统表明 各恒定彩度轨迹圈随明度值的增大而趋于缩小 也就是说 一个在视觉上彩度固定的颜色 它在明度值高的色度图上的位置 更接近中性色度点 因而具有较低的纯度 而同一颜色在明度值低的色度图上就有较高的纯度 孟塞尔新标系统的色相H 明度值V和彩度C反映了物体颜色的心理规律 它们分别代表了人的颜色视觉对色彩判断的主观感觉特性 而主波长 纯度和亮度因数所反映的是颜色的客观物理性质 是外部刺激的特征 二者之间是紧密联系的 但并不能准确相等 3 Yxy与HVC表色法在使用上的区别 自然界的颜色可以分为 HVC表色法只能用在表面色 其余均要用Y x y表色法 第四章颜色的混色系统 4 6均匀颜色空间 4 6 1寻找均匀颜色空间的目的4 6 2CIE1976L a b 均匀颜色空间及色差公式4 6 3CIE1976L u v 均匀颜色空间及色差公式 4 6均匀颜色空间 4 6 1寻找均匀颜色空间的目的 CIEXYZ色度系统解决了颜色的定量描述与计算的问题 但它的色度空间在视觉上是不均匀的 空间中相同的距离所带来的视觉上差异是不同的 麦克亚当颜色宽容量示意图 在CIEx y色度图中以不同位置上椭圆的大小和方向表示颜色宽容量 我们把人眼感觉不到颜色差异的变化范围叫做颜色的宽容量 莱特颜色宽容量示意图 在如印刷等需要处理物体表面色的行业 经常遇到的问题是需要去鉴别颜色的差别 要用数量来描述颜色的差别 简称为色差 因此 需要寻找一个均匀颜色空间 使得该空间中的每一个点代表一种颜色 空间中的距离大小与视觉上色彩感觉差别成正比 相同的距离代表相同的色差 寻找更加均匀的颜色空间 颜色空间的坐标是可以任意选择的 各色空间坐标之间可以采用数学的方法进行相互变换 而不会改变其本身的物理意义 新的颜色空间的三个坐标一定要由原来的X Y Z三刺激值换算得出 1960年CIE1960UCS均匀色度图CIE1964W U V 均匀色空间 1976年CIE1976L u v 色空间 CIELUV CIE1976L a b 色空间 CIELAB 国际印刷领域采用CIEL a b 均匀色空间系统作为印刷色彩的颜色匹配与评价的方法 这一匀色空间的优点是当颜色的色差大于视觉的识别阈限 恰可察觉 而又小于孟塞尔系统中相邻两级的色差值时 能较好的反映物体色的心理感受效果 4 6 2CIE1976L a b 均匀颜色空间及色差公式 CIE1976L a b 均匀颜色空间用明度指数L 色度指数a b 三维坐标系统来表示 CIEL a b CIEXYZ 式中 X Y Z 颜色样品的三刺激值 X0 Y0 Z0 CIE标准照明体的三刺激值 L a b 均匀颜色空间示意图 色相角的范围在0 360 以正a 轴作为0 色差就是指用数值的方式表示两种颜色给人色彩感觉上的差别 式中 假定1为样品色 2为标准色明度差 L L1 L2 正值时表示样品色比标准色浅 负值时则表示样品色深 明度低 色度差 a a1 a2 正值表示样品色比标准色偏红 负值表示样品色偏绿 b b1 b2 正值表示样品色比标准色偏黄 负值表示样品色偏蓝 色相角差 H H1 H2 正值表示样品色位于标准色的逆时针方向上 负值表示样品色位于标准色的顺时针方向上 1939年 美国国家标准局采纳了贾德等的建议而推行色差计算公式 并按此公式计算颜色差别的大小 以绝对值1作为一个单位 称为 NBS色差单位 一个NBS单位大约相当于视觉色差识别阈值的5倍 如果与孟塞尔系统中相邻两级的色差值比较 则1NBS单位约等于0 1孟塞尔明度值 0 15孟塞尔彩度值 2 5孟塞尔色相值 彩度为1 孟塞尔系统相邻两个色差的差别约为10NBS单位 后来新开发的色差公式都与NBS单位大