色度学-期末总复习

第一章光与视觉 可见光谱视觉与生理基础明视觉与暗视觉视觉功能辐射度学和光度学的常用单位 CIE 明视觉和暗视觉光谱光效率函数代表不同波长的能量对人眼产生光感觉的效率 3 CIE明 暗视觉光谱光效率函数 因此 波长 的单色辐射的相对光谱光效率函数V 是指当波长 m和 的单色光在引起明亮感觉相等时的辐通量之比 明视觉 暗视觉响应曲线 光谱光视效率函数 视见函数 CIE将两条曲线的最大值归一化 明 暗视觉函数均成为相对数值 和的相对值代表等能光谱波长 的单色辐射所引起的明亮感觉程度 明视觉 的最大值在555nm 即555nm的黄绿部位最亮 暗视觉 的最大值在507nm处 即507nm处最亮 曲线相对向短波方向推移 且长波端的能见范围减小 短波端的能见范围略有扩大 CIE明 暗视觉光谱光效率函数是光度学计算的重要依据 和 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 流明 瓦 由于人眼对各个波长的感受性不同 各个波段产生的光感觉程度不同 因而 按照CIE标准光度观察者的视觉特性 对于明视觉 对于暗视觉 流明 瓦 光源在紫外和红外部分的光谱辐射是人眼感受不到的 所以其光谱光效率等于0 4 辐通量与光通量 光视效能 K lm W 人眼对不同波长的辐射能产生光感觉的效率 说明 即使辐射通量不变 光通量也随着不同波长而改变 K是比例 但不是常数 是随波长变化的 于是人们又定义了光视效能 实验表明 说明同样的辐射能 在555nm处引起的光通量最大 对人眼刺激最大 效率最高 那么如何表达人眼对辐射的感觉程度呢 光视效率 光视效能与其最大值之比 物理意义 以光视效能最大值为基准来衡量其他波长处引起的视觉在相同的辐射能下 看到的亮度不同 具体某一波长的光视效率 叫光谱光视效率 国际上对光视效能和光视效能进行了研究 确定了统一规定的值 通过不同地区 不同人种等大量实验统计出的结果 全光通量 TotalLuminousFlux v lumens 光度学的单位度量光的强弱 大小 和方向的一门科学 基本单位 光通量 发光体的发光强度 发光体的亮度 发光体反射体 受照体照明后的反射光照度 受照体的 四个单位的图示 第二章颜色视觉 颜色视觉现象颜色的分类和特性颜色匹配色觉缺陷颜色视觉理论 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 饱和度明度彩色光的亮度愈高 人眼就愈感觉明亮 或者说有较高的明度 彩色物体表面的光反射率愈高 它的明度就愈高 色调色调是彩色彼此相互区分的特性 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 蓝等饱和度饱和度是指彩色的纯洁性 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色 非彩色只有明度的差别 而没有色调和饱和度这两种特性 彩色的特性 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 如果一个成分连续地变化 混合色的外貌也连续地变化 由这一定律导山两个定律 补色律每一种颜色都有一个相应的补色 如果某一颜色与其补色以适当比例混合 便产生白色或灰色 如果二者按其它比例混合 便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色 中间色律任何两个非补色相混合 便产生中间色 其色调决定于两颜色的相对数量 其饱和度决定于二者在色调顺序上的远近 格拉斯曼 Grassmann 颜色混合定律 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 自这一定律导出颜色的代替律 代替律相似色混台后仍相似 如果颜色A 颜色B 颜色C 颜色D 那么 颜色A十颜色C 颜色B十颜色D 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 这一定定律叫做亮度相加律 亮度相加律由几个颜色光组成的混合色的亮区是各颜色光亮度的总和 根据格拉斯曼颜色混合定津 外貌相同的颜色可以相互代替 相互代替的颜色可以通过颜色匹配实验来找到 把两个颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫做颜色匹配 在进行颜色匹配实验时 须通过颜色相加混合的方法 改变一个颜色或两个颜色的明度 色调 饱和度三特性 使二者达到匹配 2 3颜色匹配 一 颜色匹配实验 颜色转盘 把用来产生混合色的红 绿 蓝叫做三原色把为了匹配一特定颜色所需的三原色数量叫做三刺激值 光谱三刺激值TristimulusValues color matchingfunctions C R R G G B B C G G B B R R 为匹配相等能量 等能 光谱色的三原色数量叫做光谱三刺激值 第三章CIE标准色度系统 CIE1931标准色度学系统CIE1964补充色度学系统CIE色度计算方法CIE1960均匀色度标尺图CIE1964均匀颜色空间 3 CIE1931色度图 根据颜色混合原理 它用匹配某一颜色的三原色比例来规定这色 x色度坐标相当于红原色的比例 y色度坐标相当于绿原色的比例 图中没有z色度坐标 因为x y z 1从光谱的红端到540nm一带的绿色 光谱轨迹几乎是直线 此后光谱轨迹突然转弯 颜色从绿转为蓝 绿 蓝 绿色又从510nm到480nm伸展开来 带有一定的曲率 蓝和紫色波段却压缩在光谱轨迹尾部的较短范围 光谱轨迹的这种特殊形状是由人眼对三原色刺激的混合比例所决定的 连接400nm和700nm的直线是光谱上所没有的由紫到红的颜色 光谱轨迹曲线以及连接光谱轨迹两端所形成的马蹄形内包括一切物理上能实现的颜色 而坐标系统的原色点 即三角形的3个角顶都落在这个区域之外 即 原色点的色度是假想的 在物理上不可能实现的 同样 凡是落在光谱轨迹和由红端到紫端直线范围以外的颜色也都是不能由真实光线产生的颜色 Y 0的直线与亮度没有关系 即无亮度线 光谱轨迹的短波端紧靠这条线 这意味着 虽然短波光刺激能够引起标准观察者的反应 即在普通观察条件下产生蓝紫色感觉 但380 420nm波长辐通量在视觉上只有很低的亮度 颜色三角形中心的E是等能白光 由三原色各1 3产生 其色度坐标为xe 0 3333 ye 0 3333 ze 0 3333 c点是CIE标准光源c 相当中午阳光的光色 任何颜色在色度图中都占一确定位置 例如S Q两个颜色 由c通过Q作一直线至光谱轨迹 在511 30m处与光谱轨迹相交 此处光谱轨迹的颜色相当于Q的色调 绿色 某一颜色离开c点 或E点 接近光谱轨迹的程度表明它的纯度 相当于饱和度 颜色愈靠近c 或E 愈不纯 愈靠近光谱轨迹愈纯 从色度图还可计算出由两种颜色相混合所得出的各种中间色如Q和S相加 得出Q到S直线的各种过渡颜色 任何两个波长光相混合所得出的混合色或落在光谱轨迹上 或在光谱轨迹所包围的面积之内 而绝不会落在光谱轨迹之外 靠近长波末端700 770nm的光谱波段具有一个恒定的色度值 都是x 0 7347 y 0 2653 所以在色度图上只由一个点来代表 只要将700 770nm这段光谱轨迹上的任何两个颜色调整到相同的明度 则这两个颜色在人眼看来都是一样的 540 700nm直线方程x y 1 与XY边重合 意味着这段范围内的任何光谱色 饱和色 都可通过540nm和700nm二种波长的光线以一定比例混合而成 光谱轨迹380 540nm一段是条曲线 它意味着 在此范围内的一对光线的混合不能产生二者之间的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 而离开轨迹愈靠近c或等能白的颜色 饱和度愈低 因此 在380 540nm波长范围内 随着两个光谱色波长间隔的增加 其混合色的饱和度就愈低 在色度图上很容易确定一对光谱色的补色波长 从光谱轨迹的一点通过等能白 或c 点划一直线拓达对侧光谱轨迹的一点 直线与两侧轨迹的相交点就是一对补色的波长 在色度图上可以看出 在380 494nm之间的光谱色的补色存在于570 700nm之间 反之亦然 但是 在494 570nm之间的光谱色的补色只能由至少两种光线混合而产生出来 一个取自光谱轨迹长波部分 一个取自短波部分 因为494 570nm之间的色度点通过等能白 或c 点连成直线时 在对侧正好与连结光谱轨迹两端的直线相交 而这段直线是由光谱两端颜色相加的混合色的轨迹 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 光源的光谱功率 物体的光谱反射率因数 气体放电光源的亮线光谱功率 3 3CIE色度计算方法 一 色度坐标 加权坐标法 3 3CIE色度计算方法 颜色相加原理 两个颜色的相加混合 可用三原色光数量的各自之和R G B匹配出来 即 任意一个光源的三刺激值应等于匹配改光源各波长光谱色的三刺激值各自之和 即 分别为第一 第二颜色的三刺激值 混合色的三刺激值 回顾 对一个光源的光谱 用特定的三原色光匹配每一波长的光谱色 所需的三刺激值比例是不同的 但是对任何光源 匹配同波长光谱色的三刺激值比例关系却是固定的 只是在改变光源时 由于光源的光谱功率分布不同 就需要对匹配各个波长光谱色的固定三刺激值分别乘以不同的因数 即已知标准观察者的光谱三刺激值 就可以此为标准去计算光谱功率分布不同的光源的三刺激值和色度坐标 待测光光谱功率分布 为了计算光源色或物体色的色度坐标 首先须对光源的光谱功率分布或物体的光谱反射率因数进行测定 然后计算颜色的三刺激值 最后再由三刺激值转换为色品坐标 对于气体放电光源的亮线光谱 则须测出亮线光谱的功率 随同连续光谱一起计算三刺激值和色度坐标 颜色三刺激值的计算方法是用颜色刺激函数 分别乘以CIE光谱三刺激值 并在整个可见光谱范围内分别对这些乘积进行积分 对于物体色 分别为物体的光谱透过率 辐亮度因数 光谱反射率 对于照明体或光源 光源三刺激值与色坐标 Y表示光源的绿原色对人眼的刺激值量 也表示光源的亮度 为了便于比较不同光源的色度 将Y调整为1或100 物体色三刺激值 为物体光谱透射比 光谱辐亮度因数或光谱反射比 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 计算出物体的三刺激值以后 再按下式的形式将其转换为物体的色度坐标 即 主波长 Dom Wavelength d补色波长 Comp wavelength d c兴奋纯度 ExcitationPurity Pe OS1 OL Pe OS2 OPPe xs xo xL xo Or Pe ys yo yL yo 亮度纯度 ColorimetricPurity Pc Y Y Y 主波长光谱色亮度 Y 样品色亮度Pc yL ys Pe 二 主波长与色纯度 Concepts 1 主波长 定义 用某一光谱色按一定比例与一个确定的参照光源相混合而匹配出样品色 该光谱色的波长就是样品的主波长 颜色的主波长大致相当于日常生活中观察到的颜色的色调 在色度图中心的O点代表等能白光 它由三原色的各三分之一单位混合而成的 可以把它当做参照照明体 S1代表某一实际颜色 连接O和S1并延长与光谱轨迹线相交于 d点 则 d为S1的主波长 根据定义 S1可以用WE和光谱波长为 d的光谱色相混合而获得 但是 并不是所有的颜色都有主波长 色品图中连接白点和光谱轨迹两端点所形成的三角形区域内各色品点都没有主被长 补色波长 一种颜色S2的补色波长是指某一种光谱色的波长 此波长的光谱色与适当比例的颜色S2相加混合 能匹配出某一种确定的参照白光 补色波长用符号 c或 d表示 在色度图中心的O点代表等能白光 它由三原色的各三分之一单位混合而成的 可以把它当做参照照明体 S2代表某一实际颜色 连接O和S2并反向延长与光谱轨迹线相交于 c d点 则 c d为S2的补色波长 将前面叙述的均匀明度标尺和均匀色品标尺组合起来 形成一个均匀的三维颜色空间 CIE1964均匀颜色空间CIE964均匀色空间用明度指数W 色品指数U V 三维坐标系统来表示 三维坐标的公式是 u v是颜色样品的色品坐标 u0 v0是照明光源的色品坐标 3 5CIE1964均匀颜色空间 一 CIE1964均匀颜色空间 CIE1960UCS图虽然解决了CIE1931色度图的不均匀性 但是它没有明度坐标 所以在给出uv坐标时须单独注明Y值 明度指数W 或明度值V标尺在知觉上是均匀的 各单位间代表相等的直觉差异 明度指数W 和三刺激值 亮度因数 Y有关 而且是立方根的关系 W 和Y的增长率是不一致的 这表明Y的差别并不能直接代表知觉上的差异 明度指数标尺在知觉上是均匀的 每一个单位量的差别代表相等的知觉差异 故它更能准确地表达颜色明度的变化 色品指数U V 的计算式是从CIE1960UCS图的u v色品坐标 同时又将明度指数W 对色品坐标的影响考虑进去而得到的 当明度指数W 变化 同样色品指数也随之变化 两个颜色W1 U1 V1 和W2 U2 V2 之间色差 E W1 W2 2 U1 U2 2 V1 V2 2 1 2 W 2 U 2 V 2 1 2 E表示位于W U V 三维空间的两颜色点之间的距离 在理论上 当观察者适应于平均日光 在白色或中灰背景上看同样尺寸和相同外形的一对颜色样品时 这个公式能够准确地表达两样品颜色的视觉差异 色差计算举例 解 1 计算两样品的 色度坐标 3 18 2 选取一中性色 如CIE的光源D65 用式 3 18 计算相应的坐标 3 用式 3 21 和式 3 20 计算 并取其差 3 20 3 21 4 计算的平方 然后求其总和 即 即 色差 第五章同色异谱颜色 颜色的同色异谱概念颜色的同色异谱程度的评价颜色的同色异谱差异 一 同色异谱色所谓同色异谱色 粗略地讲 就是颜色外貌看起来相同 但是光谱组成并不相同的颜色 也就是说两个样品所反射的辐通且光谱成分不同 而颜色却互相匹配 它们有相同的三刺激值 在色品图上是同一个色品点 一对同色异谱色应满足以下条件 是两种颜色的色刺激函数 是光谱的三刺激值 5 1 第七章光源的色度学 光源的色温CIE标准照明体和标准光源光色的舒适感光源的显色性 6 色温 人们就用黑体加热到不同温度所发出的不同光色来表达一个光源的颜色 称作光源的颜色温度 简称色温 例如 一个光源的颜色与黑体加热到绝对温度3000K所发出的光色相同 这个光源的色温就是3000K 它在CIEl931色度图上的色度点应为 x 0 437 y 0 404 这正好落在黑体轨迹上面 白炽灯等热辐射光源 当灯的钨丝通过电流加热时 近似黑体加热的情形 它们的光谱功率分布与黑体的分布近似 随着通过的电流的增加 灯丝的颜色从浅红向白变化 白炽灯钨丝的熔点是3600K 在这个温度以下 钨丝白炽灯的光色变化基本上符合黑体轨迹 因此 色温的概念能恰当地描述白炽灯的光色 光源的色温 ColorTemperature 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 相关色温CCT CorrelatedColorTemp 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 二 光源的色温和相关色温 7 2CIE标准照明体和标准光源 测量物体表面的颜色 必须在一定的光源下进行 为了统一颜色测量的标准 CIE规定了色度学的标准照明体和标准光源 标准照明体 指特定的光谱功率分布 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 CIE的 标准照明体 是由相对光谱功率分布来定义的 同时还规定了 标准光源 以实现标准照明体的相对光谱功率分布 光源 指能发光的物理辐射体 如灯 太阳和天空等 人眼在这些光源照明下看到的物体色会改变 感到物体颜色失真 这种影响物体颜色的照明光源的特性称为光源显色性 显色性好的光源则物体色失真小 显色性的好坏是评价光源性能的一个重要方面 二 光源的显色性 三 ClE光源显色指数计算方法 CIE推荐的用 测验色 法来定量评价光源显色性的方法是 以测量参照光源照明下和待测光源照明下标准样品的总色位移量为基础来规定待测光源的显色性 用一个显色指数值来表示光源的显色性 它表示了待测光源下物体颜色与参照光源下的物体颜色相符的程度 CIE规定用完全辐射体或标准照明体D作为参照光源 并将其显色指数定为100 还规定了若干测试用的标准颜色样品 根据在参照光源下和待测光源下 上述标准样品形成的色差来评定待测光源显色性的好坏 光源对某一种标准样品的显色指数称为特殊显色指数 式中 Ei为在参照光源下和待测光源下样品的色差 光源对特定8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数 显色指数 ColorRenderingIndex CRI 几点说明 参照照明体的选择当待测光源的相关色温低于5000K时 选择完全辐射体 普朗克辐射体 作为参照照明体 它的色温可根据待测光源的相关色温选取 当待测光源的相关色温高于5000K时选择标准照明体D作为参照照明体 它的色温也是根据待测光源来选取 待测光源 色品坐标 与参照照明体 色品坐标 应具有相同或近似相同的色品坐标 它们的色品差 C应小于5 4 10 3式中 为待测光源的色品坐标 为参照照明体的色品坐标 2 颜色样品CIE选择了14种颜色样品作为计算光源显色指数的标准样品 1 8号样品为中等饱和度 中等明度的各种有代表性色调的样品 计算一般显色指数Ra时只能用1 8号试样 求得的Ra值表示了待测光源的色显现对参照照明体色显现的平均偏离 9 14号样品包括饱和度较高的红 黄 绿 蓝及欧美人的皮肤色和树叶绿色 考虑到第13号色样是欧美女性的面部肤色 1984年在我国制定的光源显色性评价方法的国家标准中 增加了我国女性面部肤色的色样 作为第十五种试样 计算特殊显色指数Ri时可以选择十五种样品中任何一种 3 待测光源及待测光源下颜色样品色度坐标的计算 通过对待测光源的光谱辐射测量 计算待测光源的和色度坐标 然后根根表7 9 表7 10的数据算出在待测光源下各样品的和色度坐标 对色度坐标应给出小数点后四性数 色适应色品位移的修正由于待测光源k和所选用的参照照明体r的色度不完全相同 而使视觉在不同照明下受到颜色适应的影响 为了处理两种照明下的色适应 必须将待测光源的色度坐标 调整为参照照明体的色度坐标 即这时各颜色样品i的色度坐标 也要作相应的调整 成为 这种色度坐标的调整叫做适应性色位移 式中各c d由下式计算 c 4 u 10v v d 1 708v 0 404 1 481u v下标 r 代表参照照明体 k 代表待测光源 k i 代表待测光源照明下第i种标准样品 在计算显色指数时 就用调整后的色度坐标计算 5 CIEl964颜色空间坐标的计算 6 颜色样品的总色位移 用CIEl964色差公式计算在待测光源k和参照照明体r照明下同一颜色样品i的色差 7 显色指数计算 特殊显色指数 i 1 2 3 单个颜色样品 一般显色指数 CIE1 8号颜色样品Ri的平均值 式中4 6是规定参照照明体的显色指数数为100 标准荧光灯的显色指数为50的调整系数 显色指数用整数表示 的单位为NBS色差单位 特殊显色指数Ri的1分 1 等于0 22NBS色差单位 Ri的5分大约等于1个NBS色差单位 当一个光源的某一Ri为90时 表明在该光源下与参照照明体下相比 物体颜色的改变大约为2个NBs色差单位 光源的Ri数为50时 颜色改变大约为10个NBS色差单位 由于一般显色指数Ra是8个颜色样品Ri的平均值 所以即使两个光源有完全相同的Ra 两光源下同一颜色样品的Ri之间也可能有较大差别 只有当两个光源的Ra都接近100时 两光源下颜色样品的Ri差别才可能很小 CIE光源显色指数是基于CIE1964颜色空间上对待测光源下和参照照明体下颜色样品色差矢量长度的比较 即基于样品的色位移量的比较 应承认色位移的方向也是重要的 但CIE显色指数不包括色位移方向的度量 基于上述原因 即使两个具有相同Ri的光源 如颜色样品i的色位移方向不同 这一样品的颜色在视觉上也不会相同 同理 在两个具有相同Ra的灯下观察颜色 也不保证它们有同样的颜色视觉效果 因此 在要求精确辨别颜色的实践中应该注意到 虽然不同的光源可能具有相同的特殊显色指数或一般显色指数 但这并不表明各种灯之间可以互相代替使用 CRI计算方法测量被测光源相对光谱功率分布P 计算被测光源在1931xy 1960UCS坐标系中色品坐标xk yk uk vk及相关色温Tc根据Tc选择参照光源Tc5000K 组合昼光为参照光 标准照明体D 色品坐标xD yDTc 4000 7000K xD 4 6070 109 Tc3 2 9678 106 Tc2 0 09911 103 Tc 0 244063Tc 7000K 25000K xD 2 0064 109 Tc3 1 9018 106 Tc2 0 24748 103 Tc 0 23704 0 250 xD 0 380 yD 3 000 xD2 2 870 xD 0 275标准照明体D相对光谱功率分布公式 S S0 M1S1 M2S2 S0 S1 S2 为实测的特征矢量 M1 1 3515 1 7703xD 5 9114yD 0 0241 0 2562xD 0 7341yD M2 0