光度学与色度学.ppt

2 1选定三原色1 其中任何一种原色不能被其他两种原色匹配2 三色之间的光谱间隔大 匹配色覆盖的颜色最多3 容易实现CIE确定 RedGreenBluenm700546 1435 8为标准三原色这样規定的原因是上述三者都比较容易精确地产生出來 是采用汞弧光谱中经滤波后的单一谱线获得 色度稳定而准确 配出彩色也较多 2CIE标准色度学系统 2 2选定三原色的单位量匹配等能白 SERedGreenBlueMixture波长 nm 700546 1435 8单位量 cd m2 1 00004 59070 06915 65081Redunit R 1 0000cd m2 1Greenunit G 4 5907cd m2 1Blueunit B 0 0691cd m2 亮度比和光通量比是等效的 2 4等能白光的光谱色品坐标 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 即 色度坐标 三原色各自占R G B总量的相对比值 对等能白光的光谱色而言 其色度坐标为 由此即可得出 r g b 1 即色品坐标r g b中 只有兩个独立 因此可用二維空间表示彩色光的色品 对于等能白光 R G B 1 因此等能白光的色坐标为r g b 1 3 2 6由相对光谱功率分布求任一颜色的三刺激值 如果已知色光C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 颜色CE光谱功率分布为E 如下图 由颜色的混合规律 CE CE380 CE390 CE400 CE780而 CE380 C380E 380 CE390 C390E 390 CE400 C400E 390 CE780 C780E 780 求任一颜色的三刺激值 结合 代入 CE CE380 CE390 CE400 CE780并考虑E 所对应的波长间隔 得 求任一颜色的三刺激值 由CE RE R GE G BE B 所以颜色CE的三刺激值为 其色品坐标为 求任一颜色的三刺激值 所以根据CIE1931 RGB标准色度观察者如果已知任一颜色的光谱功率分布就可以计算出该颜色的三刺激值和色品坐标这样就实现了颜色的 量化 表示 从而建立了颜色评价的 客观 标准 3CIE1931 XYZ标准色度学系统 3 1CIE1931 RGB标准色度观察者与CIE1931 XYZ标准色度观察者的转换RGB系统在某些场合下 例如被匹配顏色的饱和度很高時 三色系数就不能同时取正 而且由于三原色都对混合色的亮度有贡献 当用顏色方程計算时就很不方便 希望有一种系统能滿足以下的要求 1 三刺激值均为正 2 某一原原色的刺激值 正好代表混合色的亮度 而另外两种原色对混合色的亮度沒有贡献 3 当三刺激值相等时 混合光仍代表标准 等能 白光 这样的系統在以实际的光譜色为三原色时是找不到的 于是就出現了以假想色为三原色的XYZ表色系統 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 色度坐标的转换 三条直线在RGB系统中的直线方程 XZ直线为无亮度线 即 1 0000r 4 5907g 0 0601b 0又由 r g b 1 代入上式得 0 9399r 4 5306g 0 0601 0XY直线为 r 0 99g 1 0YZ直线为 1 45r 0 55g 1 0 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光源的色度坐标也为 xE 0 3333 yE 0 3333 3CIE1931 XYZ标准色度学系统 3 1CIE1931 RGB标准色度观察者与CIE1931 XYZ标准色度观察者的转换RGB系统在某些场合下 例如被匹配顏色的饱和度很高時 三色系数就不能同时取正 而且由于三原色都对混合色的亮度有贡献 当用顏色方程計算时就很不方便 希望有一种系统能滿足以下的要求 1 三刺激值均为正 2 某一原原色的刺激值 正好代表混合色的亮度 而另外两种原色对混合色的亮度沒有贡献 3 当三刺激值相等时 混合光仍代表标准 等能 白光 这样的系統在以实际的光譜色为三原色时是找不到的 于是就出現了以假想色为三原色的XYZ表色系統 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 色度坐标的转换 三条直线在RGB系统中的直线方程 XZ直线为无亮度线 即 1 0000r 4 5907g 0 0601b 0又由 r g b 1 代入上式得 0 9399r 4 5306g 0 0601 0XY直线为 r 0 99g 1 0YZ直线为 1 45r 0 55g 1 0 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光源的色度坐标也为 xE 0 3333 yE 0 3333 色度坐标的转换 由此得到RGB系统和XYZ系统三刺激值的转换关系为X 2 7689R 1 7517G 1 1302BY 1 0000R 4 9507G 0 0601BZ 0 0000R 0 0565G 5 5943B色品坐标r g b 与x y z 转换关系为 3 2 系统的光谱三刺激值 依据光谱三刺激值与色品坐标之间的关系有并且国际照明委员会规定 CIE1931XYZ系统的Y 与光谱光视效率V 相一致 所以有 由CIE1931XYZ系统色品图可知 光谱轨迹曲线以及链接光谱轨迹两端的直线所构成的马蹄形内 包含了所有物理上能实现的颜色 只要选取适当的原色 人的视觉不能区分700 770nm的光谱色的差别 所以他们有相同的色品坐标点 540 700nm的光谱轨迹基本上与XY直线重合 所以用540nm和700nm的光谱色可以匹配出他们之间的饱和度较高的光谱色 链接400nm与700nm两点的连线称为紫线 是由400nm与700nm的光谱色按不同比例混合的颜色Y 0的直线 XZ 是无亮度线 靠近这条线的坐标点表示较低的视觉亮度 色品图表示 在相同的辐射能量下 蓝紫色的可视亮度较低色品图的中心为白色 灰色 区域 所以越靠近中心的颜色饱和度越低 经过中心白色点直线连接的颜色互为补色 5CIE色度计算方法 5 1光源色的色度计算 如果已知光源的相对光谱功率分布为P 则该光源的颜色三刺激值按下式计算 其中 为归化系数 其物理意义是将光源的Y值调整到100 即 该光源的色度坐标为 注意 Y 100是光源的归化亮度 不是光源的实际亮度 由相对光谱功率分布不能求出光源的实际亮度 光源的实际亮度应有光源实际的光谱功率P 分布算出 需要用积分球测量 5 2物体色的色度计算 设照亮物体的光源的相对光谱功率分布为p 不透明物体的表面光谱反射比 透明物体的光谱透射比 则 进入人眼睛的相对光谱功率分布 颜色刺激函数 为p 反射体 或p 透射体 其颜色三刺激值分别为 其中因此或分别代表物体反射或投射光源亮度的百分比 该物体色的色度坐标为则该物体色的色度坐标与亮度表示为 x y Y注 1 在计算中根据具体要求使用CIE1931标准色度观察者或者CIE1960标准色度观察者2 按计算精度要求取10nm 5nm或1nm C1 Y1 亮度 色坐标x1 y1C2 Y2 亮度 色坐标x2 y2C3 色光C1和C2相加求 x3 y3 Y3 颜色混合计算 5 3色光相加 计算法 5 3颜色相加计算 混合色的三刺激值等于参混色的三刺激值之和 若有 C1 X1 Y1 Z1 C2 X2 Y2 Z2 C X Y Z C1 C2则 X X1 X2 Y Y1 Y2 X Z1 Z2混合色的色品坐标与参混色的色品坐标之间没有线性叠加关系若已知参混色的色品坐标和亮度 x y Y 则需先计算出各自的三刺激值 然后相加 由 X x Y y Z z X Y Z x y z 1得 X x Y yY YZ z Y y 1 x y Y y例 P70 P72 混合色的色坐标计算 因为 x X y Y X Y Zz 1 x yC1 X1 Y1x1 y1 Z1 Y1z1 y1 Y1 1 x1 y1 y1C2 X2 Y2x2 y2 Z2 Y2z2 y2 Y2 1 x2 y2 y2C3 X3 X1 X2Z3 Z1 Z2Y3 Y1 Y2x3 X3 X3 Y3 Z3 y3 Y3 X3 Y3 Z3 CIEl964均匀颜色空间 用明度指数W 色度指数U 和V 三个参数来表示颜色的空间位置 W 25Y1 3 17 1 Y 100 U 13W u uo V 13W v vo 式中 u和v是颜色样品在CIEl960均匀色度空间的色度坐标 uo和vo则是所采用光源在CIEl960均匀色度空间的色度坐标 CIE1964LUV色差公式 在CIEl964均匀颜色空间中的两个颜色 U 1V 1W 1 和 U 2V 2W 2 色差为 Euv W 2 U 2 V 2 12 U U 1 U 2 V V 1 V 2 W W 1 W 2色差单位 E 1为1NBS单位 最佳条件下人眼恰可察觉色差的5倍 一般允许色差 涂料 1NBS单位 纺织品 2NBS单位 彩电 4 5NBS单位 CIEl976L u v 均匀颜色空间 CIELUV L 116 Y Yo 1 3 16 Y Yo 0 008856 L 903 3 Y Yn Y Yn 0 008856 u 13L u uo v 13L v vo 式中X Y Z为颜色样品的三刺激值 u u v 1 5v为颜色样品在CIE1976UCS色度图的色度坐标 Xo Yo Zo为CIE标准照明体照射在完全漫反射体上 然后反射到人眼中的三刺激值 即Yo 100 uo vo 为照明体在CIE1976UCS色度图的色度坐标 CIEl976L a b 均匀颜色空间 CIELAB L 116 Y Yn 1 3 16 Y Yn 0 008856 L 903 3 Y Yn Y Yn0 008856 f x 7 87x 16 116 x 0 008856 CIE1976a b色调角hab 彩度C abtghab b a C ab a 2 b 2 1 2 坐标原点到色坐标点的距离 CIE1976LAB色差公式 在CIEl976Lab均匀颜色空间中的两个颜色 L 1a 1b 1 和 L 2a 2b 2 色差为 E2uv L 2 a 2 b 2 L L 1 L 2 a a 1 a 2 b b 1 b 2 3 1光源的光谱功率分布 1 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功率分布称为光源的光谱功率分布 2 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 3 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 4 绝对黑体和全辐射体 能够完全吸收入射在其上的辐射能并产生辐射的理想物体 5 黑体的色度轨迹黑体的光谱功率分布是温度与波长的函数 如果已知黑体的绝对温度 其光谱功率分布可有普朗克辐射定律算出 由光谱功率分布可算出各种温度黑体相应的CIEl931色度坐标 这些坐标在CIEl931色度图上形成的弧形轨迹 称为黑体的色度轨迹 3 光源的色温和相关色温 光源的色温 某光源的色度与绝对黑体在某一温度下的色度一样 则这一黑体的温度称为该光源的色温 相关色温 对于色坐标不能准确地落在绝对黑体轨迹上的光源 用黑体轨迹上色度坐标与该光源最为相近的黑体的温度表示光源的色温 称为相关色温 色温与相关色温主要描述光源发出的光色 并不表示光源的实际温度例如 色温高说明蓝绿光成分多 色温低说明黄红光成分多 3 CIE标准照明体与标准光源 为了给颜色的观察与测量建立统一的标准 CIE推荐了五种标准照明体A B C D E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由于不准确 现已废除 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 标准照明体E 人为规定 可见光区内光谱辐射功率恒定的光 称等能光谱 或等能白光 其光谱光度分布于视见函数相符 现在最常用的标准照明体是A和D查表可得常用标准照明体的光谱功率分布 4 2同色异谱评价 4 2 1颜色的同色异谱概念同色同谱色 两个物体具有完全相同的光谱分布曲线 同色异谱色 对于特定标准观察者和特定照明体 具有不同光谱分布而有相同三刺激值的颜色 一对同色异谱颜色应满足以下条件 第五章颜色测量和测色仪器 5 2测色方法综述测量方法 目视法 光电积分法 分光光度法 1 目视法 在某种规定的CIE标准光源下 如标准光源A D