第3章彩色基本原理

第3章

彩色基本原理

第3章彩色基本原理内容提要：（本章是第2章的继续)

光与色觉

颜色的光学合成

颜色的表示与度量重点和难点：光与色的关系与区别，颜色光学合成的基本理论与方法，孟塞尔颜色系统，CIE标准色度学系统。

3.1光与色觉

①可见光与色彩第3章彩色基本原理●可见光电磁辐射中能引起视觉反映的一定波长范围的波段称为可见光谱或可见辐射，简称光。波长范围一般为0.38μｍ～0.76μｍ。●色彩可见光作用到人眼，刺激色觉神经而产生的主观感觉称色彩。可见光的波长不同，产生的色觉不同，其颜色决定于进入人眼的可见光谱不同波长辐射的相对功率分布。

3.1光与色觉

①可见光与色彩

——可见光第3章彩色基本原理●色光可见光可以分解成各种色光，最常用的分解方式是棱镜色散。●光谱色不能被棱镜再分解的、单一波长的光叫单色光（光谱色），它仅表现为一种颜色。自然界中的光是各种色光的混合。

3.1光与色觉

①可见光与色彩

——物体的颜色第3章彩色基本原理●发光体发光体的颜色由它所发出的可见辐射的波长而定。●非发光体非发光体的颜色则取决于它们对可见光所固有的吸收、反射和透射性能。●消色物体对入射的白光没有分解能力，呈无选择吸收和反射的物体。消色物体的颜色用从白到黑组成的系列——灰阶表示：白、灰白、淡灰、浅灰、灰、暗灰、深灰、淡黑、浅黑、黑。

3.1光与色觉

①可见光与色彩

——物体的颜色第3章彩色基本原理●彩色物体对入射的白光有分解能力，呈选择性吸收和反射的物体。彩色物体的反射光与入射光相比，光谱成分有所改变，变成了与入射光各波段辐射强度比例不同的色光，结果使物体呈现出色彩。彩色感觉是物体选择吸收和反射入射光引起的，光源颜色(色光成分)对物体颜色有很大影响

3.1光与色觉

①可见光与色彩

——彩色的特性第3章彩色基本原理●色别(Hue)

也叫色调，指彩色的类别，是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱中不同波长的辐射，在视觉上表现为各种色调。

3.1光与色觉

①可见光与色彩

——彩色的特性第3章彩色基本原理●饱和度(Chroma)

也叫彩度，指彩色的纯洁性，表示彩色的浓淡程度。

3.1光与色觉

①可见光与色彩

——彩色的特性第3章彩色基本原理●明度(Value)

颜色的明暗程度，决定于发光体的辐射强度和物体表面对光反射率的高低。

3.1光与色觉

②视觉第3章彩色基本原理●视觉的生理基础－－眼睛的构造人眼睛是一个前后直径大径23mm的似近球状体，由眼球内容物和眼球壁构成。如右图人眼的构造图脉络膜睫状肌角膜视轴玻璃状液体巩膜虹膜前房视网膜水晶体视网膜中央窝盲点视神经

3.1光与色觉

②视觉第3章彩色基本原理●视网膜像的形成

Ⅰ物体发出的光线通过角膜、房水、晶体及玻璃体，聚焦在视网膜上；

Ⅱ视网膜的感光细胞接受光刺激，转化为神经冲动；

Ⅲ经视神经到丘脑的外侧膝状体，再传导到大脑枕叶皮层的高级视觉中枢；

Ⅳ产生物体大小、形状和颜色的感觉。

3.1光与色觉

②视觉第3章彩色基本原理●视网膜像的形成视网膜成像的基本原理相似于透镜成像物体ＡＢ在视网膜上的成像

3.1光与色觉

②视觉——视觉现象第3章彩色基本原理

●明视觉与暗视觉视觉有两重功能：明视觉和暗视觉。在光亮条件下，锥体细胞能够分辨颜色和物体的细节；杆体细胞只在较暗条件下起作用，适宜于微光视觉，不能分辨颜色和细节。

3.1光与色觉

②视觉——视觉现象第3章彩色基本原理●光谱效率函数V(λ)

人对不同波长的可见光的感受性不同，即同样功率的辐射在不同的光谱段表现为不同的明亮程度，通常用光谱效率函数V(λ)来表示

V(λ)＝Φλｍin／Φλ式中:Φλｍin和Φλ分别为波长λmin（产生相同明亮感觉时所需辐射量最小的波长）和λ的辐射通量。

3.1光与色觉

②视觉——视觉现象第3章彩色基本原理●光谱效率函数V(λ)

光谱光效率V(λ)是在特定的光度条件下，当波长λmin和波长λ的单色光的明亮感觉相等时，二者辐射通量之比。明视觉与暗视觉的光谱光效率

3.1光与色觉

②视觉——视觉现象第3章彩色基本原理●暗适应在黑暗中视觉感受性逐步增强的过程叫做暗适应。照明条件改变时，眼睛可以通过一定的生理过程对光的强度进行适应，以获得清晰的视觉。两种生理过程：瞳孔大小的变化视网膜感光化学物质的变化

3.1光与色觉

③颜色视觉——颜色视觉现象第3章彩色基本原理●辨色区域具有正常视觉的人的视网膜中央能分辨各种颜色，这一区域称颜色区。

由中央向外围过渡，对颜色的分辨能力逐渐减弱，直到对颜色的感觉消失，先丧失红、绿色的感受性，视觉呈红绿色盲，形成红绿盲区，后丧失蓝、黄色的感受性，而成为全色盲区，在盲区只有明暗感受，颜色被看成不同明暗的灰色。

3.1光与色觉

③颜色视觉——颜色视觉现象第3章彩色基本原理●辨色辨认颜色视觉正常的人在光亮条件下能感受到可见光谱的各种颜色，但是看到的颜色和波长的关系并不是完全固定的，随着光强的变化而变化。光谱上除了三点，黄(572ｎｍ)、绿(503ｎｍ)和蓝(478ｎｍ)是不变颜色之外，其它颜色在光强度增加时，都略向红色或蓝色变化。对颜色的辨别能力在不同波谱段也不相同。

3.1光与色觉

③颜色视觉——颜色视觉现象第3章彩色基本原理图3-4各种波长的恒定颜色线视网膜照度（楚兰德)黄波长（nm）绿蓝2000100040001002010不变颜色点

3.1光与色觉

③颜色视觉——颜色视觉现象第3章彩色基本原理●颜色对比在视场中，相邻区域不同颜色的互相影响叫做颜色对比，每一颜色都在其周围诱导出其补色。●颜色适应人眼在颜色刺激的作用下所造成的颜色视觉变化，叫颜色适应。

对某一颜色光适应以后再观察另一颜色时，而带有适应光的补色成分。一般对某一颜色光适应后，再观察其它颜色，则其它颜色的明度和饱和度都会降低。

3.1光与色觉

③颜色视觉——颜色视觉理论第3章彩色基本原理●三色学说假设在视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉，光作用于视网膜上能同时引起三种纤维不同比例的兴奋，产生相应的色觉。优点：能充分说明各种颜色的混合现象，使颜色混合得到满意解释，构成现代色度学的基础。缺点：不能解释色盲现象。

3.1光与色觉

③颜色视觉——颜色视觉理论第3章彩色基本原理●对立颜色学说也叫四色学说，根据眼睛观察到的颜色现象，假定视网膜中有三对视素：白—黑、红—绿、黄—蓝。光刺激破坏白—黑视素，产生白色感觉，无光刺激时产生黑色感觉。对红—绿视素，红光起破坏作用，绿光起建设作用。对黄—蓝视素，黄光起破坏作用，蓝光起建设作用。三种视素的对立过程的组合产生各种颜色的混合现象。优点：能对色盲现象作出很好的解释。缺点：不能解释三原色能够产生一切颜色的现象。

3.1光与色觉

③颜色视觉——颜色视觉理论第3章彩色基本原理●现代颜色视觉理论－阶段论学说视网膜上的锥体细胞分为三种感色单元，每种单元的细胞有选择地吸收光谱不同波长的辐射，分别对红色、绿色和蓝色敏感，同时又可单独产生白和黑的反应(第1阶段，三色学说)。在神经兴奋向视觉中枢的传导过程中，这些反应重新组合，形成三对对立性的神经反应，即红或绿、黄或蓝、白或黑反应(第2阶段，四色学说)。最后在大脑皮层中枢进行合成，产生颜色感觉

3.1光与色觉

③颜色视觉——颜色视觉理论第3章彩色基本原理●现代颜色视觉理论

光谱效率（％）夜昼人眼的视觉光谱颜色视觉机制示意图

3.2颜色的光学合成

①颜色合成的基本理论——三基色原理第3章彩色基本原理●根据色觉理论，光谱相同的光引起相同的色觉，而光谱不同的光，也能引起相同的色觉。

三基色或三原色:三种独立的色，其它色都可由它们匹配出来。反过来说，任何一种颜色都可以分解为三基色或三原色。

3.2颜色的光学合成

①颜色合成的基本理论——三基色原理第3章彩色基本原理●三基色的选择条件：三个基色中的任何一个不能由其余两个相加混合出来；用它们合成颜色方法简单、稳定，合成的颜色较多。●三基色标准： 红基色光(R)波长0.7μｍ 绿基色光(G)波长0.5461μｍ 蓝基色光(B)波长0.4358μｍ

3.2颜色的光学合成

①颜色合成的基本理论——格拉斯曼混色定律第3章彩色基本原理人的视觉只能分辨颜色的三种变化：色别、饱和度和明度。两种颜色混合时，一种颜色比例增大，混合色也发生变化。

补色律：每一种颜色都有一个对应的补色。如果将一种颜色与其补色混合，便产生白色或灰色；

中间色定律：任何两个非补色混合，便产生中间颜色；色貌相同的光，在颜色混合时，可以相互代替。色光合成的总亮度是混合色中各种颜色亮度之和。

3.2颜色的光学合成

②颜色匹配——颜色匹配实验第3章彩色基本原理●颜色匹配是指把两个颜色调到视觉上相同或相等的方法。●配色实验通过三基色相加混合的方法，改变一个或两个基色的色调、饱和度和明度三特性，使二者颜色达到相同。●配色实验——颜色转盘颜色光配色。●刺激值配色实验中，为了匹配某一特定颜色所需的三原色数量叫做“刺激值”。

3.2颜色的光学合成

②颜色匹配——颜色匹配实验第3章彩色基本原理颜色转盘配色实验颜色光的匹配实验RBGHBHGRGHBR

3.2颜色的光学合成

②颜色匹配——颜色匹配实验第3章彩色基本原理●颜色匹配方程将颜色匹配的关系用代数式描述，所得到的等式叫颜色匹配方程。

H≡R（R）＋G（G）＋B（B）式中，“≡”代表匹配，即视觉上相等。Ｈ代表被匹配的颜色，(Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）代表红、绿、蓝三原色，Ｒ、Ｇ、Ｂ分别代表红、绿、蓝匹配时的数值(刺激值)。

3.2颜色的光学合成

②颜色匹配——颜色匹配实验第3章彩色基本原理●三基色的单位根据颜色匹配实验１lm(W)＝0.30lm(R)＋0.59lm(G)＋0.11lm(B)CIE规定：1单位红1T(R)=0.30流明，1单位绿1T(Ｇ)=0.59流明，1单位蓝1T(Ｂ)=0.11流明

1T(W)＝１T(R)＋１T(G)＋１T(B)

即匹配等能白光的R、G、B的亮度值各为一个单位。(1流明是光强度为1坎德拉的均匀点光源在单位立体角内发出的光通量，1坎德拉＝1/683(w/sr))

3.2颜色的光学合成

②颜色匹配——色度坐标第3章彩色基本原理●色度坐标

三原色各自在R＋G＋B总量中的相对比例叫做色度坐标:r=R/(R+G+B)g=R/(R+G+B)b=R/(R+G+B)

由于r+g+b=1，只用ｒ和ｇ即可表示一个颜色，某一特定颜色Ｈ的一个单位(Ｈ)的方程可写成：

1（H）＝r（R）＋g（G）＋b（B）

3.2颜色的光学合成

③颜色光学合成的方法——相加混色第3章彩色基本原理●定义

两种或两种以上的基色光同时作用于人眼，产生另一种色觉的方法，叫做色光的相加或相加混色。

基本原理：混合色的三刺激值为各组成色三刺激值各自之和。基本规律：R＝R１＋R２G＝G１＋G２

B＝B１＋B２如R1、G1、B1为第一个色光的三刺激值，R2、G2、B2为第二个色光的三刺激值，R、G、B为两色光混合后的三刺激值。

3.2颜色的光学合成

③颜色光学合成的方法——相加混色第3章彩色基本原理●原色光混合两种原色光等量相加混合得另一原色光的补色光，三原色光等量相加得消色。

R＋G＝YG＋B＝CR＋B＝MR＋G＋B＝W●间色光混合两个间色光混合得另一间色光的补色光—复色光。

Y＋M＝RY＋C＝GC＋M＝BY＋M＋C＝W

3.2颜色的光学合成

③颜色光学合成的方法——相加混色第3章彩色基本原理●互补色光混合互补色光混合得白(消)色光

B＋Y=WG＋M=WR+C=W

3.2颜色的光学合成

③颜色光学合成的方法——相减混色第3章彩色基本原理●定义相减混色指两种或三种颜色的物质重叠后产生的反射光谱作用于眼睛后产生色觉的方法。

本质:每种颜色的物质从白光中吸收一种色光，几种物质混合，从白光中减去几种色光，剩余的色光被反射出来，形成混合后的颜色。

3.2颜色的光学合成

③颜色光学合成的方法——相减混色第3章彩色基本原理●相减混色的三原色相减混色的三原色选择红、绿、蓝的补色—青、品红、黄色。青色吸收红色光谱，黄色吸收蓝色光谱，品红色吸收绿色光谱：

Y≡W－BM≡W－GC≡W－R

3.2颜色的光学合成

③颜色光学合成的方法——相减混色第3章彩色基本原理●相减混色规律

Y＋M≡W－B－G＝RY＋C≡W－B－R＝GC＋M≡W－G－R＝BY＋M＋C≡W－R－G－B≡DY＋M＋C≡W－R少－G少－B少≡H

3.3颜色的表示与度量方法

①颜孟塞尔颜色系统第3章彩色基本原理●孟赛尔(Munsell)颜色立体：用颜色立体模型表示颜色系统，使颜色的划分更为标准化。●系统参数

明度色调饱和度

3.3颜色的表示与度量方法

①颜孟塞尔颜色系统第3章彩色基本原理

3.3颜色的表示与度量方法

①颜孟塞尔颜色系统——系统参数第3章彩色基本原理●明度孟塞尔颜色立体的中央轴线代表无彩色黑白系列中性色的明度等级，白色在顶部黑色在底部，称为孟塞尔明度值。它把明度值分成０～10共11个在感觉上等距离的等级。每一明度值等级都对应于在日光下颜色样品的一定亮度因数。

3.3颜色的表示与度量方法

①颜孟塞尔颜色系统——系统参数第3章彩色基本原理●色调

颜色立体水平剖面上的各个方向代表孟塞尔色调，共１0种基本色调五种主要色调：Ｒ、Ｙ、Ｇ、Ｂ、Ｐ(紫)

五种中间色调：YR、GY、BG、PB和RP

每种基本色调又分成10个等级，从１～10。每种色调的主波长色调都定为5，共有100种色调。

3.3颜色的表示与度量方法

①颜孟塞尔颜色系统——系统参数第3章彩色基本原理●饱和度又称色度或彩度，表示具有相同明度值的颜色离开中性灰色的程度。孟塞尔颜色系统中，一般将彩度分成14个等级，个别最饱和颜色的彩度可达到20。颜色立体上用离开中央轴线的水平距离代表彩度的变化，中央轴线上的中性色的彩度为0，离开中央轴愈远，彩度数值愈大。

3.3颜色的表示与度量方法

①颜孟塞尔颜色系统——颜色的标定第3章彩色基本原理●颜色标定

颜色立体上的色调、彩度和明度值这三项指标进行表示，并给以一定的标号。●彩色标定的方法

先写出色调Ｈ，然后写明度值Ｖ，在斜线后写彩度Ｃ：

H·V／C=色调·明度值／彩度

3.3颜色的表示与度量方法

①颜孟塞尔颜色系统——颜色的标定第3章彩色基本原理●消色标定的方法消色用Ｎ表示，在Ｎ后面给出明度值Ｖ，斜线后不写彩度

N·V／＝中性色·明度值／●低彩度色标定的方法彩度低于0.3的颜色，通常标定为中性色，如果需要对其作精确标定，采用以下形式

N·V／(H·C)＝中性色·明度值／(色调·彩度)

在此情况下，色调Ｈ只用10个基本色调。

3.3颜色的表示与度量方法

①颜孟塞尔颜色系统——孟塞尔颜色图册第3章彩色基本原理●在孟塞尔颜色系统中，用纸片制成许多标准颜色样品，汇编成图册，用它来标定物体的颜色。每块颜色样品尺寸1.8×2.1cm，颜色立体各色调垂直剖面的颜色样品列入图册的一页，每页包括同一色别的不同明度和不同彩度的样品。

3.3颜色的表示与度量方法

①颜孟塞尔颜色系统——孟塞尔颜色图册第3章彩色基本原理最新版本的颜色图册包括两套样品：●有光泽样品版(1974年)

分上下两册，共包括1450块颜色样品，附有一套由白到黑共37块中性色样品。●无光泽样品版(1973年)

包括1150块颜色样品，附有32块中性色样品。

3.3颜色的表示与度量方法

②CIE标准色度学系统——系统参数第3章彩色基本原理

CIE是国际照明委员会的简称。

CIE标准色度学系统:现代颜色科学采用CIE所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法。两套表色方法：RGB系统和XYZ系统。

3.3颜色的表示与度量方法

②CIE标准色度学系统第3章彩色基本原理●1931CIE－RGB系统

RGB系统是以R（700nm）、G（546.1nm）、B（435.8nm）作为三原色标定颜色。

1931年CIE根据莱特和吉尔德的视觉实验结果，定出匹配等能光谱色的光谱三刺激值(R、G、B)，绘出色度图。

3.3颜色的表示与度量方法

②CIE标准色度学系统第3章彩色基本原理●1931CIE－RGB系统

一个颜色只要知道其三刺激值，经过色度计算就可确定出它在RGB系统的位置。如 颜色Ｑ＝qr(Ｒ)＋qg(Ｇ)＋qb(Ｂ)那么Ｑ在RGB系统的色度坐标为

rq＝qr/Qgq＝qg/Qbq＝qb/Q

3.3颜色的表示与度量方法

②CIE标准色度学系统第3章彩色基本原理●1931CIE－XYZ系统

★1931CIE－RGB系统向XYZ系统的转换

1931年CIE在RGB系统的基础上，改用三个设想的原色X、Y、Z建立了一个新的色度学系统。

X、Y、Z三原色在RGB系统色度图上的色度坐标为：

X：ｒ＝1.2750ｇ＝－0.2278ｂ＝0.0028Y：ｒ＝－1.7392ｇ＝2.7671ｂ＝－0.0279Z：ｒ＝－0.7431ｇ＝0.1409ｂ＝1.6022

3.3颜色的表示与度量方法

②CIE标准色度学系统第3章彩色基本原理●1931CIE－XYZ系统色度图以XYZ三点为顶点，组成XYZ三角形色度图。将XYZ三角形经过转换，得到目前国际通用的1931CIE－XYZ系统色度图。1931CIE—XYZ系统色度图Yx图中曲线为光谱轨迹

3.3颜色的表示与度量方法

②CIE标准色度学系统第3章彩色基本原理●1931CIE－XYZ系统色度图光谱线上图中的舌形曲线即为光谱线，曲线上各点与可见光波段内各谱线一一对应。光谱轨迹曲线以及连接光谱轨迹两端所形成的马蹄形内的点所代表的颜色是自然界存在的真实颜色，可用三原色光匹配得到；曲线外的点所代表的颜色是自然界不存在的颜色，无法用三原色匹配得到。

3.3颜色的表示与度量方法

②CIE标准色度学系统第3章彩色基本原理●1931CIE－XYZ系统色度图彩色三要素图中Ｅ是等能白光点，由三原色各三分之一产生，其色度坐标为ｘE＝ｙE＝ｚE＝0.3333。Ｃ点是CIE标准光源，相当于中午的阳光。任何颜色在色度图上都占一确定位置，表明了该色的色调、饱和度及明度。

3.3颜色的表示与度量方法

②CIE标准色度学系统第3章彩色基本原理●1931CIE－XYZ系统色度图颜色混合从色度图可推算出两种颜色混合所得的中间色。

Ｑ和Ｓ相加，得出QS直线上的各种过渡颜色。以Ｔ为例，CT与光谱曲线572nm相交，该波长的颜色即为Ｔ的色调，Ｔ与Ｃ之间的距离决定Ｔ的饱和度。

540－700nm光谱范围内的任何光谱色都可通过540和700nm二种波长的色光以一定比例混合产生。

380－540nm范围内一对光谱色混合不能产生二者之间的光谱色；两个光谱色之间的距离愈远，混合色的饱和度愈低。

3.3颜色的表示与度量方法

③1960CIE均匀色度标尺图与CIE均匀颜色空间第3章彩色基本原理●颜色宽容量在CIE色度图上，每一点都代表某一确定的颜色，即每种颜色在色度图上是一个点。而对视觉来说颜色实际上是一个范围，在这个范围内坐标位置的变化在视觉上感觉不出，是等效的。把这个人眼感觉不出的颜色变化范围叫做颜色的宽容量。

3.3颜色的表示与度量方法

③19