运用现代色度学提高地图颜色视觉感受

1、运用现代色度学提高地图颜色视觉感受摘要：本文通过对地图颜色视觉感受的分析,从色度学理论出发, 提出了用色差定量表示地图颜色视觉感受的方法,并讨论了色差值的大小。关链词：视觉感受, 色差, 感受性, 接受性传；引言：传统制图对地图颜色的视觉感受是从定性的角度表示和评价的。近年来,随着遥感技术、计算机制图技术的发展,地图的应用范围越来越广,对地图复制的要求也愈来愈高,制图人员如何运用颜色视觉感受方面的知识,提高用色效率和视觉感受效果,是当前面临的新问题。我们从色度学理论出发,结合印刷色差的概念,提出了用印刷色差定量表示地图颜色视觉感受的方法,该方法在理论和实践中具有一定的实用性。1 颜色视觉感受颜

2、色是光线作用下物体呈现的一种物理现象,是自然界客观存在的物质。人类认识物质世界的视觉第一印象是颜色的感受,然后才是形状和表面质感以及细节。颜色本身并没有思想情感, 但是在人类对客观世界的改造和认识深化的过程中,颜色逐步给人造成一定的影响。因此,颜色的视觉感受( Color Sensation )总是存在于颜色知觉之中, 人们通常说的颜色视觉，就是指颜色的视觉感受。颜色的视觉感受是一个复杂的过程,它涉及到三个科学领域: 第一是人体外部客观存在的世界如可见光和物体,它们可以对人产生各种物理刺激,这种物理刺激量的大小,能够用物理仪器进行测量,是受物理法则支配的物理学系统。第二是眼晴通过角膜、瞳孔和晶

3、状体在视网膜上接收了某些物理刺激量,并将这些物理刺激量化为生理电脉冲信号输送到大脑皮层,这是受生理学法则支配的生理学系统。第三是大脑按它贮存的经验、记忆和对比,识别这些传输来的信息,这是按心理学法则实施的心理学系统。从颜色视觉( 即色彩)研究的观点来说, 受物理学法则支配的“色彩真实”,有时往往与按人的生理学和心理学法则支配的“颜色效果”不一致,即使在人的颜色视(知)觉中关于色彩的主观心理映像与外界客观刺激的关系,并不完全服从物理学规律,这是人类在自然环境中长期生活所具有的适应性和保护性所造成的。由于生理和心理上的这种适应性,造成了颜色设计和复制工作中的复杂性和多样性,制图人员要运用一些颜色视

4、觉感受方面的知识,提高用色效率和颜色视觉感受效果。但传统的地图制图只是从定性角度来表示和评价地图颜色视觉感受效果,这种方法有一定的局限性,若能从色度学理论出发,与印刷色差结合起来,不仅能够用仪器测色来辅助人眼的判断,同时还能够用色差来定量表示颜色的视觉感受效果,这样就能够提高制图人员对地图颜色视觉感受,正确评价用色, 提高制图人员颜色设计的潜力,根据色差的大小,选择确定颜色,从而有效地保证地图设计和印刷品的质量。2 彩色的特性彩色由三种特性，明度，色调，饱和度。明度：明度是人眼对物体的明亮感觉，受视觉感受性的过去经验的影响。一般，明度的变化相应于亮度的变化。当物体表面或光源的亮度愈高，人感觉到

5、的明度也高。但明度与亮度是彼此独立的两个变量。通常亮度随照明强度的增加而增加，是对一般照度等级大小的感觉。明度是非孤立色、相关色的一种属性。有其他刺激或环境影响存在时，就产生明度感觉。明度通常包含对比的含义，是一种颜色光亮度与另一种颜色(或周围环境)的光亮度互相比较时引起的某种感觉。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。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面所反射的各波长辐射的比例对人眼所产生的感觉。在所有的色调中，发现只有四种色调不能由其它色调混合出来，它们称为单色调:单色

6、调红、单色调黄、单色调绿、单色调蓝。人们观察到有颜色的色调均可看作是由四对单色调色混合得到的:单色红和单色黄、单色黄和单色绿、单色绿和单色蓝、单色蓝和单色红。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。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该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。物体对光谱某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，这一颜色的饱和度就高。红色的光谱反射率曲线比棕红色和黄褐色有更高的选择性，所以有更高的饱和度。愈饱和的颜色愈和灰色不相同。非彩色只有明度的差别、而没有色调和饱和度这两种特性。3 颜

7、色视觉感受的色度学表示三基色：三基色是这样的三种颜色，它们相互独立，其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的，即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。有两种基色系统，一种是加色系统，其基色是红、绿、蓝；另一种是减色系统，其三基色是黄、青、紫（或品红）。不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色，其规律为： 红绿黄红蓝紫蓝绿青红蓝绿白颜色匹配：把两个颜色调节到视觉上相同的方法叫做颜色匹配。待测光的光色可以通过调节三种原色光的强度来混合形成，当视场中两部分光色相同时，视场中的分界限消失，两部分和为同一视场（如图3所示）。此时认为待测光的光色与三原色的混合光色达到色匹配。三刺激

8、值：不同的待测光达到匹配时三原色光强度值不同。三原色亦称参照色刺激.最常用得是红、绿、蓝三原色。在颜色匹配实验中，与待测色达到色匹配时所需的三原色的数量，称为三刺激值。可用方程表示为：C（C）=R（R）+G（G）+B（B）一种颜色与一组R、G、B数值相对应。因此颜色感觉可以通过三刺激值来定量描述。色相( Hue )、饱和度( Saturation ) 和明度( Lighness ) 这三个量表示颜色的属性,是人对颜色的主观心理评价,这种表色法由于受人观色时的心理状态和适应性的影响,很难用测量方法来确定, 由于实际生产的需要,在色度学中常用主波( Dominatwvae length ) , 纯

9、度和亮度因素( Lnmiancno factor ) 来表示颜色的三属性。这是 颜色匹配一种波长的单色光对应一组三刺激值。若将个单色光的辐射能量值都保持相同则得到的三刺激值称为光谱三刺激值。三刺激值可由下面公式计算： 三个客观物理量,可用仪器测量,这三个量对颜色特征的描述,与色相、饱和度和明度是等效的,在地图制图和印刷行业中通常多用色相饱和度和明度表示颜色的三个属性。由于亮度因数的差别与视觉感受上的差异并不成正比,在计算颜色差异时很不方便,而实际的彩色印刷与复制工业中,颜色的差别大多是综合性的,都涉及到物体的亮度因素,为了更好地寻找均匀颜色空间中色度点之间几何距离与人眼颜色视觉感受差别的相关性

10、,探求用匀色空间中的几何距离作为度量相应颜色视觉感受差别量的最佳方案, 国际照明协会( Commission International Eelairage 简称CIE ) 1976 年推荐了两个最新均匀颜色空间及其有关的色差公式, 即CIE Lab(或写成CIE LAB ) 和CIE Luv ( 或写成CIE Luv )。根据目前的有关资料，上述两个表色系统在视觉均匀性上很接近，选用哪一个都符合国际标准和国家标准，1976CIE的推荐我国颁布的GB7921一87规定了可使用CIEL*a*b 和J*u*v两个匀色空间来表示光源色和物体色及其色差。实际应用时可根据两个匀色空间的特点以及学科、行业

11、的经验、习惯、方便及熟悉程度加以选择。色度坐标：在色度学中，我们并不直接用三原色的数量（及R,G,B的刺激值）来表示颜色，而采用三原色各自在R+G+B总量中的相对比例来表示颜色，三原色各自在R+G+B总量中的相对比例叫做色度坐标，某一特定颜色的色度坐标r，g，b为（即求出待测光的三刺激值就能求的计算出色度坐标）： （2）由于r+g+b=1，所以只用r和g即可表示一个颜色，某一特定颜色（C）的方程可写作：（C） =r（R）+g（G）+b（B） （3）若待配色为等能光谱色，则上式可写为： （4）式中r,b,g()为光谱色品坐标。CIE1931标准色度学系统国际照明委员会(简称CIE)规定了一套标准

12、色度系统,称为CIE标准色度系统。这套系统是基于每种颜色都能用三个选定的原色按适当比例混合而成的事实。建立起来的。任意色光都是由单色光组成的,因此根据单色光的光谱三刺激值,利用混色原理就可求出该色光的三刺激值。为直观表示三刺激值，可以建一个如图5所示的三维直角坐标系，以(R)、(G)、(B)作为轴的单位向量，那么由三刺激值确定的向量可以代表颜色刺激（C），更简化一点，可以选取该向量与单位平面R+G+B=1的交点（r+g+b=1）在(R) (G)平面的垂直投影点（r，g）来表示色(C)，r、g、b可由式（2）求得，由于b=1-r-g，（r，g）称为色(C)的色度坐标，将色度坐标表示在平面上的图形

13、为色度图（如图6所示），(C)色度坐标标在色度图上可得到色度点。由色度坐标所确定的颜色(C)的物理性质称为(C) 图5 色C的三维表示与平面表示B(1,0,0)gGR(0,0,1)(0,1,0)rrggrr+g=1.01.01.0C(R,G,B)C图6 RGB色度系统的rg色度图的色度。在色度图上r、g会为负，原因是当(C)处于三原色围成的三角形色域外面时，需要将一种原色如红色加到被匹配色中，而用其余两原色进行匹配，这样（3）式中的R为变为负值。另外色度图上由单色光的色度坐标连接所成的曲线为单色光轨迹，它与下面的紫红轨迹直线围成的区域涵盖了所有可能的色度坐标点，而其外部的色虽在数学上是可能的，

14、但在实际上是不存在的，称其为虚色，图中的E点r=g=1/3为等能光谱白光的色坐标点。CIEXYZ系统是在RGB系统的基础上建立的,在CIEXYZ系统中是用相等数量的三原色刺激值匹配出等能白E来定各原色刺激值单位的。经坐标转换可求得XYZ系统和RGB系统三刺激值之间的转换关系式:X=2.76859R+1.7517G+1.1302BY=1.0000R+4.5907G+0.0601B （5）Z=0+0.0565G+5.5943B 故可直接用光谱三刺激值对求得光谱色在XY坐标系统中的各坐标值,将光谱色的坐标点连成马蹄形曲线,此曲线称为CIEx、y色品图的光谱轨迹如图7所示：图7 CIE1931色坐标当

15、我们要求某色刺激()的三刺激值时，可以参照RGB色度系统中的做法，由下式来计算得出：（其中k为常数） （6） 式中的()根据实际测量对象的不同可做如下选取：对于发光光源色()= P()，对于物体反射色()= P() R()，对于物体透射色()= P()T()，其中P()为光源（照明光源）的光谱功率分布函数，R()为反射物体的光谱反射率函数，T()为透射物体的光谱透过率函数。（6）式中的常数k的选择是使完全漫反射面（R()=1）的三刺激值Y=100，即。 对透射色和反射色R()、 T()一般小于1，则Y 0.0 1a *= 5 0 0 ( X / X )(1 / 3) 一( Y / Yo ) (

16、1/ 3) b *= 2 0 0 ( Y / Y )(1 / 3) 一( Z / Zo ) (1/ 3) 式中: X、Y 、Z 是颜色样品的三刺激值Xo 、Yo 、Zo 。是CIE 标准照明体( 如D65C或A ) 照射到白色完全漫反射体的三刺激值L为心理明度或明度指数a*,b*为心理色度或色度指数在直角坐标系中, 十a* 表示红原色, 一a*表示绿色,原色, 颜色明度指数L*用百分比表示( 如图8)。 图8 C I E 1 9 7 6 ( L* a*b) 色空间坐标CI E 1 9 7 6 L * a *b 心理匀色空间的直角坐标系与孟塞尔圆柱坐标系相似, 很容易转换。在CIE的推荐中, 又

17、定义了心理彩度C*和心理色相角h* , 它们与心理明度L* 共同构成与孟塞尔圆柱坐系对应的心理L*、C*、H* 坐标, 其计算公式如下:心理明度L *= 1 1 6 ( Y / Yo) (1 /3) 一1 6 心理彩度Cab* = a * ) 2 + ( b* ) 2 (1 /2)心理色相角hab= 180/pai*1/Tg(b*xa*)这种心理圆柱坐标系, 如图9。 图9色差及其计算公式: 色差是指用数值的方式表示两种颜色给人色彩感受上的差别, 若两个彩色样品都按L*、a *、b*定颜色, 则两者之间各单项色差和总色差E*ab可用下列公式计。4 色差表示地图颜色视觉感受的方法 由于地图设计和

18、复制, 多通过印刷方式来实现, 考虑到颜色匹配, 所以, 建议在实际的地图设计过程中, 通过标准色( 如色谱) 的选择, 选用CIE 1976 L* a *b 匀色空间及其色差公式, 用其色差值来定量表示地图颜色的视觉感受效果。通过实际测试、计算分析, 所得的结果能较可靠地符合实际的视觉感受度, 同时多项色差结果可分解为深浅差、彩度差、色相差, 能使地图设计工作者较好地分解色差的性质, 使地图颜色视觉感受度更加科学、直观、准确, 从而达到提高设计的用色效率, 提高地图颜色视觉感受的目的。运用CIE L*a *b匀色空间及其色差值表示地图颜色的视觉感受时,还必须根据色差的可感受性与可接受性, 确

19、定色差值的大小,即颜色公差值, 从而解决印刷样品与标准色样之间的色差评估以及如何保持大批量印刷品的颜色一致问题。色差的可感受性是视觉感受对颜色差别的感受能力, 色差的可接受性实际是一种决策, 究竟所感受到的色差是可以接受还是拒绝接受, 可根据生产的经济性, 设计人员、审批领导及客户的要求、满意程度确定。可接受范围通常在一定范围内变动, 这就要求确定颜色公差, 即印刷品色差的大小, 如果印刷的地图产品其色差在这个范围内变动, 仍然能得到满意的效果。另一方面, 如果要求的颜色公差太大( 即色差值很小), 则所需的费用就十分昂贵。虽然在印刷过程中存在有印刷色彩的，印刷过程中, 由于材料(纸张、油墨)

20、、机器和操作者等所造成的一种不可避免的颜色误差, 通常又称随机误差。但在一个稳定良好的印刷系统中, 这种误差所造成的色彩波动量的大小总是在允许的颜色公差范围之内的。表1 是在两种胶印机上抽样实测四色油墨实地密度及对应的色差E 二值。 表一确定允许色差通常有两种方法: 第一种方法是根据设计者、用客户等要求, 对印品满意或拒绝的程度, 将颜色的差别使用仪器测出, 计算C IE L a b的数值, 并记录下来, 长期积累就能发展成一个色差允许图( 图10), 依据色差允许图, 就可以预先估计印刷品被接受的概率是多少。第二种方法是将实际生产的样品与标准色样进行比较, 测出它们的CI E L a b值和

21、色差值, 描绘在坐标图上, 得到色差允许图, 由此就可以估计印刷的合格与不合格程度(如图11)。 图 10 图11 因此我们可利用此色差允许图, 根据其允许的程度大小来标定颜色的视觉一感受度, 即用仪器测色, 推算出其色差大小、性质、辅助人眼进行判断, 用色差值定量表示印刷样品与标准色样之间颜色视觉感受的程度。一般来说人眼的判断能较好地与仪器测量的结果一致。仪器测色可定量、客观地表达颜色的差别, 不受主观与外界环境条件的影响, 更重要的是, 这些数据长期保存下来, 可作为以后计、生产进行分析、比较和判断的依据, 如果用N B S 的色差单位表示人眼的颜色视觉感受差别, 可用表2来描表2: NBS单位与颜色差别感觉程度 据美国G A T F