第8讲(1) CIE标准色度系统.ppt

第五章色度学的技术基础 CIE标准色度系统 廖宁放liaonf 010 68912524北京理工大学颜色科学与工程国家专业实验室 第五章色度学的技术基础 引言 5 1颜色的基本术语 5 2颜色匹配 5 3CIE1931标准色度系统 5 4CIE1964补充标准色度系统 5 CIE色度计算方法 5 6均匀颜色空间 5 7同色异谱程度的评价 5 8CIE光源显色指数计算方法 5 9其它表色系统 引言 光源色与物体色2 人眼的色视觉模型3 色度学的研究内容 引言 光源色与物体色 引言 光源色与物体色 菩萨蛮 大柏地毛泽东1933年夏赤橙黄绿青蓝紫 谁持彩练当空舞 雨后复斜阳 关山阵阵苍 当年鏖战急 弹洞前村壁 装点此关山 今朝更好看 引言 光源色与物体色 引言 光源色与物体色 引言 光源色与物体色 光源光谱分布特性 观察者眼睛和大脑 物体吸收和反射 透射 特性 光眼睛和大脑物体 引言 人眼的色视觉模型 引言 人眼的色视觉模型 黑 白 引言 人眼的色视觉模型 黑 白 三色模型 引言 人眼的色视觉模型 概述 黑 白 四色 对立色Opponent color 模型 引言 人眼的色视觉模型 黑 白 红 绿色盲测试 引言 人眼的色视觉模型 黑 白 红 绿色盲测试 引言 人眼的色视觉模型 黑 白 黄 蓝色盲测试 颜色光学颜色化学颜色生理颜色心理颜色艺术 引言 色度学的研究内容 引言 色度学的研究内容 18世纪 牛顿揭示颜色的本质 光本身没有颜色 色环概念 19世纪 Young Helmholtz 提出并发展了 三原色 理论 Grassmann提出颜色的混合定律 19世纪末 Hering 提出 对立色 四色说 理论模型 20世纪后期 出现阶段性 视觉模型 1931 CIEXYZ色度系统 1976 CIEL a b 20世纪初 Munsell色序系统 随后有NCS色序系统等 二十世纪80年代 色貌模型研究 CIECAM02 图貌模型iCAM ICC数字颜色管理系统CMS 色度学的定义 Colorimetry Chromatics 研究颜色度量和评价方法的一门科学 引言 色度学的研究内容 G R B 亮度 长度 时间 重量 引言 色度学的研究内容 G R B 引言 色度学的研究内容 三基色空间 引言 色度学的研究内容 三属性 HSI HSV HSB HLS G R B 引言 色度学的研究内容 三属性空间 HSI HSV HSB HLS 孟塞尔 Munsell 色标系统 引言 色度学的研究内容 自然色 NCS 色标系统 引言 色度学的研究内容 YUV YIQ 模拟电视 YCbCr 数字电视 色度与亮度分离空间 引言 色度学的研究内容 CIE1931标准色度系统 CIE1931 三基色 空间 引言 色度学的研究内容 北京理工大学颜色科学理论与技术课程体系本科生 辐射度 光度与色度及其测量 三度学 硕士生 色度学 必修 数字颜色技术 选修 博士生 数字图文图像颜色管理系统概论 数字颜色管理 全校选修课 颜色科学及其应用 引言 国际颜色科学学术组织国际照明委员会 CIE 下设8个专业技术委员会第1分部 VisionandColor第8分部 ImagingTechnology国际色彩学会 AIC国际色彩联盟 ICCCIE CommissionInternationaledeL Eclairage 法 InternationalCommissiononIllumination 英 CIE的总部位于奥地利维也纳 引言 中国颜色科学领域的学术机构中国照明学会 CIECHINA 第1分部 视觉与颜色 第8分部 图像技术专业委员会 中国光学学会颜色专业委员会 全国颜色标准化委员会 引言 第五章色度学的技术基础 5 1颜色的基本术语 关于颜色术语可以参阅CIE出版物 色度学 和我国国家标准GB5698 颜色术语 及其它文献 1 颜色 目视感知的一种属性 它可以用一些颜色名称进行描述 例如白 黑 灰 黄 红 绿等等 1995 颜色 光作用于人眼引起除空间属性以外的视觉特性 用色名或色的三属性来表示的视觉特性 2001 2 光源色 由光源发射的光的颜色 3 物体色 光被物体反射或透射后的颜色 4 CIE标准照明体 由CIE规定的具有特定的相对光谱功率分布的一系列发光体或光源 其中包括 标准照明体A D65 D55 D75 E 等标准照明体A 根据国际实用温标而规定的绝对温度为2856K的完全辐射体 标准照明体C 相关色温约为6774K的平均昼光 标准照明体D65 相关色温约为6504K的平均昼光 标准照明体D55 相关色温约为5503K的昼光 标准照明体D75 相关色温约为7504K的昼光 标准照明体E 等能光谱 CIE标准照明体 表示 11 色调 色相 hue 表示红 黄 绿 蓝 紫等颜色特性 颜色的三属性之一 12 明度 lightness 物体表面相对明暗的特性 在同样的照明条件下 以白板作为基准 对物体表面的视知觉特性给予的分度 颜色的三属性之一 13 彩度 chroma 某特定颜色的浓淡程度 颜色的三属性之一 Colorfulnessorchroma theperceivedintensityofaspecificcolor 14 饱和度 saturation 按照正比于物体表面的视亮度判断色浓度的一种目视感知属性 因此可称为相对色浓度 Colorfulness chroma andsaturationarerelatedbutdistinctconceptsreferringtotheperceivedintensityofaspecificcolor Colorfulnessisthedifferencebetweenacoloragainstgray Chromaisthecolorfulnessrelativetothebrightnessofanothercolorwhichappearswhiteundersimilarviewingconditions Saturationisthecolorfulnessofacolorrelativetoitsownbrightness 15 显色性 与参考光源相比较时 光源显现物体颜色的特性 16 显色指数 光源显色性的度量 以被测光源下物体的颜色和参考光源下物体的颜色的相符程度来表示 5 2颜色匹配颜色研究的第一阶段 色匹配的研究阶段一 颜色匹配实验 颜色可以相互混合 颜色混合可以是颜色光的混合 也可以染料的混合 这两种混合方法是不同的 前者称为加色混合 后者为颜色减色混合 将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官 产生不同于原来颜色的新的颜色感觉 这就是颜色相加混合的方法 色光的混合 加色法 C G B W RM B R W GY R G W B 互补色 Y B W白色光三原色 R G B 色料的混合 减色法 色料减色色料三原色 Y M CY M RM C BC Y GY M C BK 二 格拉斯曼定律 1854年格拉斯曼 H Grassmann 总结出颜色混合的定性性质 称为格拉斯曼定律 为现代色度学的建立奠定了基础 1 人的视觉只能分辨颜色的三种变化 例如明度 色调 饱和度 2 在由两个成份组成的混合色中 如果一个成份连续地变化 混合色的外貌也连续变化 若两个成份互为补色 以适当比例混合 便产生白色或灰色 若按其它比例混合 便产生近似比重大的颜色成份的非饱和色 若任何两个非补色相混合 便产生中间色 中间色的色调及饱和度随这两种颜色的色调及相对数量不同而变化 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 就是说 凡是在视觉上相同的颜色都是等效的 由这一定律导出颜色的代替律 两个相同的颜色各自与另外两个相同的颜色相加混合后 颜色仍相同 用公式表示为 式中符号 代表颜色相互匹配 相减的情况也成立 即 一个单位量的颜色与另一个单位量的颜色相同 那么这两种颜色数量同时扩大或缩小相同倍数则两颜色仍为相同 即 根据代替律可知 只要在感觉上颜色是相同的 便可以互相代替 所得的视觉效果是相同的 因而可以利用颜色混合的方法来产生或代替所需要的颜色 例如 设 如果没有B种颜色 但是 那么 这个由代替而产生的混合色与原来的混合色具有相同的效果 4 混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度总和 称为亮度相加定律 格拉斯曼定律仅适用于各种颜色光的相加混合过程 三 颜色匹配方程颜色匹配的结果可用格拉斯曼定律来阐述 还可以用代数式和几何图形来表示 用代数式表示的色匹配过程称为颜色匹配方程表示为下列方程 其中 C 代表被匹配颜色的单位 R G B 代表产生混合色的红 绿 蓝三原色的单位 R G B C分别代表红 绿 蓝和被匹配色的数量 用几何图形表示 四 三刺激值和色品图 1 三刺激值在颜色匹配实验中 与待测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式中的R G B值 三原色可以任意选定 但三原色中任何一种颜色不能由其余两种原色相加混合得到 最常用的是红 绿 蓝三原色 三刺激值的单位 R G B 不是用物理量为单位 而是选用色度学单位 亦称三T单位 确定方法是 选一特定白光 W 作为标准 在颜色匹配实验装置上用选定的三原色光 红 绿 蓝 相加混合与此白光 W 相匹配 达到匹配时 如测得所需要的三原色光的光通量值 R 为流明 G 为流明 B为流明 则将它们的比值定为三刺激值的相对亮度单位 即色度学单位 2 光谱三刺激值在颜色匹配实验中 待测色光也可以是某一种波长的单色光 亦称为光谱色 对应一种波长的单色光可以得到一组三刺激值R G B 对不同波长的单色光做一系列类似的匹配实验 可以得到对应于各种波长单色光的三刺激值 如果将各单色光的辐射能量值都保持为相同 这样的光谱分布称为等能光谱 来做上述一系列实验 所得到的三刺激值称为光谱三刺激值 也就是匹配等能光谱色的三原色的数量 用符号表示 光谱三刺激值又称为颜色匹配函数 它的数值只决定于人眼的视觉特性 匹配方程表示为 任何颜色的光都可以看成是不同单色光混合而组成的 所以光谱三刺激值能作为颜色色度计算的基础 3 三刺激值的计算公式 任意色的三刺激值 在色度学中 我们用三刺激值来表示颜色 根据格拉斯曼颜色混合的代替律 可以得出混合色的三刺激值为各组成色三刺激值之和 例如 任意色光都是由单色光组成的 如果各单色光的光谱三刺激值预先测得 根据混色原理就能计算出该色光的三刺激值来 计算方法是将待测光的光谱分布函数 按波长加权光谱三刺激值 得出每一波长的三刺激值 再进行积分 就得出该待测光的三刺激值 积分的波长范围为可见光波段 一般从380nm至780nm 4 色品坐标和色品图当C 1 颜色匹配方程 5 1 可写成 由方程中可知一个单位的颜色 C 的色品只决定于三原色的刺激值各自在R G B总量中的相对比例 此比值叫做色品坐标 用符号表示 色品坐标与三刺激值之间的关系如下 且 所以色品坐标只有两个自由度 色品图 以色品坐标表示的平面图称为色品图 只需给出r和g坐标就可确定颜色在色品图的位置 标准白光 W R G B 1 r 0 333 g 0 333 5 3CIE1931标准色度系统 CIE1931 RGB系统 CIE1931 XYZ系统 CIE1964 XYZ系统 CIE1960 UCS均匀色度空间 DavidMacAdam CIE1964 W U V 均匀色度空间 CIE1976 L u v 均匀色度空间 CIE1976 L a b 均匀色度空间 CIE94色差公式 CIEDE2000色差公式 CIECAM02 色貌模型L c h 5 3CIE1931XYZ标准色度系统 1 三原色 X Y Z 白场 W 2 标准观察者光谱三刺激值匹配函数 3 色度坐标系统 CIE1931XYZ标准色度系统 4 三刺激值计算 5 3CIE1931标准色度系统 CIE1931xy色品图 CIE1931RGB光谱三刺激值匹配函数 CIE1931XYZ光谱三刺激值匹配函数 5 3CIE1931标准色度系统 关键数据 人眼的光谱三刺激值 由光谱匹配实验获得实验证明不同观察者的视觉特性多少是有差异的 但是具有正常颜色视觉的人此差异是不大的 故有可能根据一些观察者进行的颜色匹配实验 将他们的实验数据加以平均 确定一组匹配等能光谱色所需要的三原色数据 此数据称为标准色度观察三刺激值 光谱匹配方法的问题关键 三原色选择 三刺激值单位的统一 1931年在英国剑桥举行的CIE第8次会议上 统一了实验结果 提出了最早的主要推荐书 CIE标准色度观察者和色品坐标系统 并规定了三种标准光源 A B C 还对测量反射面的照明观测条件进行了标准化 建立起CIE1931标准色度系统 从而奠定了现代色度学的基础 一 CIE1931 RGB系统数据的来源 CIE1931 RGB系统是建立在莱特 W D Wright 和吉尔德 J Guild 两项颜色匹配实验基础上的 莱特 W D Wright 的实验条件 RGB三原色 650nm530nm460nm视场 2 三刺激值的单位 相等数量的绿和蓝原色匹配494nm的蓝绿色 相等数量的红和绿原色匹配582 5nm的黄色 得出它们的相对亮度单位为 吉尔德 J Guild 的实验条件 RGB三原色 630nm542nm460nm视场 2 三刺激值的单位 以三原色相加匹配NPL 英国国家物理实验室的缩写 白色光源的条件下 认为三原色的刺激值相等定出它们的相对亮度单位为CIE所做的统一工作三原色 700nm546 1nm435 8nm视场 2 三刺激值的单位确定 以相等数量的三原色刺激值匹配出等能白光 又称为E光源 来确定三刺激值单位 经实验和计算确定 匹配等能白光的 R G B 三原色单位的亮度比率为1 0000 4 5907 0 0601 它们的辐亮度比率为72 0962 1 3791 1 0000CIE统一的方法 将J Guild和Wright的两套实验数据进行坐标转换结果 转换后的数据非常一致 取平均值后得出人眼的光谱三刺激值 用来表示 这一组函数叫做 CIE1931 RGB系统标准色度观察者光谱刺激值 简称 CIE1931 RGB系统标准色度观察者 反映的是2 视场的平均颜色视觉特性 这一系统叫做CIE1931 RGB色度系统 光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系式为 色品图和色度图 CIE1931 RGB存在的问题可看到光谱三刺激值和光谱轨迹的色品坐标有很大一部分出现负值 负值出现的物理意义可以从匹配实验的过程中来理解它 当投射到半视场的某些光谱色 用另一半视场的三原色来匹配时 不管三原色如何调节都不能使两视场颜色达到匹配 只有在光谱色半视场内加入适量的原色之一才能达到匹配 加在光谱色半视场的原色就用负值来表示 这就出现负的色品坐标值 色品图的三角形顶表示红 R 绿 G 蓝 B 三原色 在色品图上 负值的色品坐标落在原色三角形之外 在原色三角形以内的各色品点的坐标为正值 CIE1931 RGB系统是从实验得出的 可以用于色度学计算 但计算中会出现负值 用起来不方便 又不易理解 所以1931年CIE推荐了一个新的国际通用的色度系统 CIE1931 XYZ系统 二 CIE1931 XYZ标准色度系统 设想 在CIE1931 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 将它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 这一系统叫做 CIE1931标准色度系统 或称为 2 视场XYZ色度系统 假想三原色的确定1 规定 X Z 两原色只代表色度 没有亮度 光度量只与三刺激值Y成比例 XZ线称为无亮度线 它在r g色品图上的方程应满足零亮度线的条件 前面提到 R G B 三原色的相对亮度比是 在色品图上 某一颜色的色品坐标为r g b 则它的亮度方程可写成 若无亮度 则方程可写成 因为 则 整理后得XZ线的方程为 2 在此系统中光谱三刺激值全为正值 要达到此目的在选择三原色时 必须使三原色所形成的颜色三角形能包括整个光谱轨迹 整个光谱轨迹完全落在X Y Z所形成的虚线三角形内 3 光谱轨迹从540nm附近至700nm 在RGB色品图上基本是一段直线 用这段线上的两个颜色相混合可以得到两色之间的各种光谱色 新的XYZ三角形的XY边应与这段直线重合 这样能使计算简便 因为在这段线上光谱轨迹只涉及 X 原色和 Y 原色的变化 不涉及 Z 原色 则 边的方程为 YZ边取与光谱轨迹波长503nm点相切的直线 其方程为 5 求假想三原色 在RGB系统中的坐标即求三条直线方程的交点 得 X r 1 2750 g 0 2778 b 0 0028 Y r 17392 g 2 7671 b 0 0279 Z r 0 7431 g 0 1409 b 1 6022它们在x y图中的坐标应是 X x 1 y 0 z 0 Y x 0 y 1 z 0 Z x 0 y 0 z 1 定了三个原色坐标之后 还必须选择一种标准白 以确定三刺激值的单位 XYZ系统是用相等数量的三原色刺激值匹配出等能白 来定各原色刺激值单位的 等能白点在r g坐标系统内为r 0 3333 g 0 3333在x y坐标系统内为x 0 3333 y 0 33336 采用坐标转换的方法 可求得XYZ系统和RGB系统三刺激值间的关系 得 色品坐标间的关系为 说明 通过以上两式 可将CIE1931RGB色度系统的光谱三刺激值数据转换成XYZ系统的值 这套数据定义为 CIE1931标准色度观察者 CIE1931 XYZ标准色度系统的特点 1 由于在XYZ选择原色时就考虑到只有Y值既代表色品又代表亮度 而X Z只代表色品 所以函数曲线与明视觉光谱光视效率一致 即 2 CIE1931标准色度观察者的数据适用于视场的中央视觉观察条件 视场在范围内 主要是中央窝锥体细胞起作用 3 对极小面积的颜色的观察数据无效 4 CIE1931标准色度观察者的色品图是马蹄形的 假想的三原色 X 为红原色 Y 为绿原色 Z 为蓝原色 它们都落在光谱轨迹的外面 在光谱外面的所有颜色都是物理上不能实现的 光谱轨迹曲线以及连接光谱两端点的直线所构成的马蹄形内包括了一切物理上能实现的颜色 CIEx y色品图的光谱轨迹 在CIEx y色品图上 光谱轨迹还表现有如下的颜色视觉特点 靠近波长末端700 770nm的光谱波段具有一个恒定的色品值 所以在色品图上由一个点来代表 光谱轨迹540 700nm这一段是一条与XY边基本重合的直线 在这段光谱范围内的任何光谱色都可通过540nm和700nm二种波长的光以一定比例相加混合产生 光谱轨迹380 540nm一段是曲线 在此范围内的一对光谱色的混合不能产生二者之间位于光谱轨迹上的颜色 而只能产生光谱轨迹所包围面积内的混合色 光谱轨迹上的颜色饱和度最高 图上的C和E代表的是CIE标准光源C和等能白光E 等能白光E点位于XYZ颜色三角形的中心处 图上越靠近C或E点的颜色饱和度越低 在CIEx y色品图上 光谱轨迹还表现有如下的颜色视觉特点 连接色度点400nm和700nm的直线称为紫红轨迹 亦称紫线 因为将400nm的蓝色刺激与700nm的红色刺激混合后会产生紫色 y 0的直线 XZ 与亮度没有关系 即无亮度线 光谱轨迹的短波段紧靠这条线 意味着虽然短波端的光能够引起标准观察者的反应 但380 420nm波长的辐射通量在视觉上引起的亮度感觉很低 三 色度系统的转换 由于三原色选择不同 以及规定三原色刺激值单位的方法不同会出现许多不同的色度系统 任何两个色度系统都可以互相转换 转换方法实质上是一个坐标转换的问题 5 4CIE1964 XYZ补充标准色度系统 CIE1931 XYZ标准色度系统建立后 经过多年实践证明 CIE1931 XYZ标准色度观察者的数据代表了人眼视场的色觉平均特性 但是 当观察视场增大到以上时 某些研究者从实验中发现在波长380nm至460nm区间内数值偏低 这是由于大面积视场观察条件下 杆体细胞的参与以及中央窝黄色素的影响 颜色视觉会发生一定的变化 日常观察物体时视野经常超过范围 因此 为了适应大视场颜色测量的需要 CIE在1964年规定了一组 CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值 简称为 CIE1964补充标准色度系统 也叫做视场X10Y10Z10色度系统 数据来源 建立在斯泰尔斯 W S Stiles 与伯奇 J M Burch 以及斯伯林斯卡娅 N I Speranskaya 两项颜色匹配实验的基础上 斯泰尔斯和伯奇的实验 三原色 645 2nm526 3nm444 4nm视场 10 为了避免杆体细胞的参与 在实验中使用高亮度的颜色刺激 在上述实验条件下测出补充标准色度观察者大视场的匹配等能光谱的三刺激值 斯伯林斯卡娅的实验 三原色 640nm545nm465nm视场 10 在实验中没有排除杆体细胞的作用 但消除麦克斯韦圆斑的影响 将视场中心部分 范围 遮住 贾德 Judd 将这两项实验结果进行了加权处理 按观察者人数给予斯泰尔斯和伯奇的结果以较大的加权量 3 1 并对斯伯林斯卡娅的结果作了杆体细胞参与的修正 从而确定了1964年CIE R10G10B10系统的补充标准色度观察者光谱三刺激值的数值 转换成CIE1964补充标准色度系统 将三刺激值转换成CIE标准色度系统的标准色度观察者光谱三刺激值 它们之间的转换关系式如下 这套数据就称为CIE1964补充标准色度观察者 光谱三刺激值函数曲线为 3 数据的使用 当观测或匹配颜色样品的视场角度在时则采用 CIE1964补充标准色度观察者 这套数据 当观测或匹配颜色样品的视场角度在时采用 CIE1931标准色度观察者 的数据 4 1931与1964色品图的差别 由图可看出二者的光谱轨迹在形状上很相似 但相同波长的光谱色在各自的光谱轨迹上的位置有相当大的差异 例如 在490nm 500nm一带 两张图上的坐标值在波长上相差达50nm以上 其他相同波长的坐标值也都有差异 仅只在600nm处的光谱色坐标值大致相近 两张色品图上唯一重合的色品点就是等能白点 如果将两者的光谱三刺激曲线绘在同一坐标上进行比较 则更能清楚地看到它们的差异 由图中可看出 曲线在400nm 500nm区域高于视场的 表明视网膜上中央窝以外的区域对短波光谱有更高的感受性 5 CIE色度计算方法 一 色品坐标的计算要计算颜色的色品坐标 必须先求得颜色的三刺激值 CIE色度系统三刺激值计算公式为 实际计算中用求和来近似积分 波长范围 400 700nm 式中称为颜色刺激函数 即进入人眼产生颜色感觉的光能量 被测物体是自发光体时 为发光物体辐射的相对光谱功率分布 被测物体是非自发光物体时 透明体或不透明体的颜色刺激函数分别为 式中为物体的光谱透射比 为物体的光谱辐亮度因数 为物体的光谱反射比 照明光源的相对光谱功率分布 式中的是CIE规定的标准色度观察者的光谱三刺激值 由被测物体要求人眼观察的视角所决定 式中的常数k和k10叫做归化系数 对自发光物体是将光源的Y值调整到100时求得的 对于非自发光物体是将所选标准照明体的Y值调整到100 也就是将完全漫反射体和理想透射物体的Y值调整到100 k和k10可由下式求得 透明物体不透明物体可针对测量时的几何条件情况采用 式中的选取 视被测物体的