西北农林遥感原理与方法讲义第3章 彩色基本原理

PAGE1第3章彩色基本原理现代遥感技术尽管可以在不同的空间高度，用各种探测方法获得目标物的信息资料，但最终都是以影像的形式提供给用户。那么影像上的色调是怎样产生的，人眼又是如何感觉到这些色彩的，以及进行各种光学、数据图像处理的原理是什么?为解释这些问题，我们介绍一些彩色的基本知识。§3.1光与色觉3.1.1可见光与色彩1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，其波长范围一般为0.38μｍ～0.76μｍ。来自外界的可见辐射刺激人的视觉器官，在大脑中产生光、颜色、形状等视觉现象，而获得对外界的认识。色彩是可见光作用到人眼里，并刺激了色觉神经而产生的一种主观感觉。可见光的波长不同，产生的色觉不同，如0.7μｍ为红色、0.58μｍ为黄色、0.51μｍ为绿色、0.47μｍ为蓝色。可见光是不同波长可见辐射的混合，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。可见光在一定条件下可以进行分解，最常用的分解方式是棱镜色散，其原理是电磁波由一种介质进入另一种介质时产生折射，不同波长折射系数不同。色散结果，光被分解成各种色光。不能被棱镜再分解的、单一波长的光叫单色光，也叫光谱色。它仅表现为一种颜色。自然界中的单色光很少，多数情况是各种色光的混合，人眼能感觉到的七种色光的波长范围如表3-1所示。表3-1各国可见光谱划分标准中国颜色紫蓝—青绿黄橙红↓↓↓↓↓↓0.38—0.455—0.492—0.577—0.597—0.622—0.78波长（μm）英美颜色紫蓝蓝绿绿黄黄红浅红红深红↓↓↓↓↓↓↓↓↓0.38—0.41—0.48—0.52—0.55—0.58—0.62—0.66—0.72—0.78波长(μｍ)俄国颜色紫蓝青绿黄橙红↓↓↓↓↓↓↓0.40—0.43—0.47—0.49—0.55—0.59—0.64—0.72波长(μm)2物体的颜色根据物体发射电磁辐射的辐射通量密度，我们可以把物体分成发光体和非发光体两大类。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。光源发出的光照射到非发光体上时，由于物体的表面特性和内部组成不同，其对各种波长单色光的吸收、反射以及透射的多少也不同，被物体反射出来的色光混合起来就构成了该物体所呈现的颜色。一般根据物体的吸收和反射情况，将所有物体分为两类，彩色物体和消色物体。(1)消色物体消色物体也称非彩色物体，它对入射的白光没有分解能力，呈无选择吸收和反射，当吸收少，反射多时呈白色；吸收多反射少时呈黑色，中间状态时为各种灰色。它们可以从白到黑组成一个系列，称为灰阶，一般分为10级，如表3-2所示。表3-2灰阶系列灰阶10987654321吸收率α0-10%10-20%20-30%30-40%40-50%50-60%60-70%70-80%80-90%90-100%反射率ρ=1-α100-90%90-80%80-70%70-60%60-50%50-40%40-30%30-20%20-10%10-0%色调白灰白淡灰浅灰灰暗灰深灰淡黑浅黑黑实际上，消色物体的反射光在成分上与入射光完全一样，只是强度有所改变，在视觉上就是明度的变化。愈接近白色，明度愈高，愈接近黑色，明度愈低。(2)彩色物体彩色物体对入射的白光有分解能力，呈选择性吸收和反射。这时的反射光与入射光相比，不仅在强度上减弱，而且光谱成分也改变了，即反射光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。例如，在阳光下，植物主要反射了可见光中的绿色光，吸收了其余部分色光，本身呈现绿色；沙漠大量反映黄色光，呈现黄色；海水反射蓝色光，呈现蓝色。上述彩色感觉是由于物体选择性吸收和反射入射光而引起的，因此，光源的颜色(色光成分)势必对物体颜色有很大影响。例如，青草在白光下呈绿色，但在钠光灯下不呈现绿色，因为钠光成分中没有绿色光可以被其反射。所以我们可以说，物体对入射光具有确定的吸收与反射特性，但没有固定的颜色，物体的颜色是随入射光的成分不同而变化的，光源的色光成分不同，同一物体可呈现出不同的颜色。因此，只有在测准遥感时光源的光谱成分的条件下，同时测量出各种不同地物的反射光谱特性时，彩色信息才具有确定的意义。3彩色的特性要确切地描述一种彩色，需要从色别、饱和度和明度三个特性方面进行，所以它们又称彩色的三要素。(1)色别(Hue)色别也叫色调，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，一般将红、黄、绿、青、蓝、紫红六种颜色定为基本的色别——标准色。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉；物体的色调则决定于光源的光谱组成及其强度，物体表面所反射或透射的各波长辐射的比例及其主波长对人眼所产生的感觉。例如某物体对可见光的长波辐射有较强的反射，而吸收了大部分580ｎｍ以下的短波辐射，该物体表现为红色。人眼能分辨出的色别约有100多种。(2)饱和度(Chroma)饱和度是指彩色的纯洁性，它表示一种彩色的浓淡程度。一般来讲，色彩越鲜艳，饱和度越大；反之，饱和度低。可见光谱中各种光谱色是最饱和的彩色。饱和度的变化是随光谱色中混入白光的比例多少而定的，光谱色中掺入的白光越多，就愈不饱和。本质上，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。越饱和的颜色越与灰色不相同。(2)明度(Value)明度是指颜色的明暗程度，它决定于发光体的辐射强度和物体表面对光反射率的高低。反射率愈高，它的明度就愈高。对不同的色别，由于其反射率不同，人眼对其敏感情况不同，因此表现为不同的明度。如黄褐色物体表面在光谱的各波长上都比红色物体反射更多的辐射，因而对人眼产生更高的亮度，所以比红色物体有更高的明度。非彩色只有明度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。3.1.2视觉1视觉的生理基础(1)眼睛的构造人的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，如图3-1所示。图3-1人眼的构造脉络膜睫状肌角膜图3-1人眼的构造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②眼球内容物眼球内容物包括晶体、房水和玻璃体，它们都是曲光介质。晶体是一扁球形的弹性透明体，位于玻璃体与虹膜之间，睫状肌的收缩可改变晶体的屈光能力，使外界的对象能在视网膜上形成清楚的影像。角膜和晶体之间是前房，虹膜和晶体之间是后房，其内部都充填着房水。玻璃体在晶体后，视网膜前，占眼球内容物的４／５，是一种胶状的透明体。(2)视网膜像的形成当眼睛注视外界物体时，由物体发出的光线通过角膜、房水、晶体及玻璃体，使物像聚焦在视网膜上。视网膜的感光细胞接受光刺激，转化为神经冲动，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，就产生了物体大小、形状和颜色的感觉。视网膜成像的基本原理相似于透镜成像，如图3-2所示。图3图3-2物体ＡＢ在视网膜上的成像2视觉现象(1)明视觉与暗视觉图3-3图3-3明视觉与暗视觉的光谱光效率人对不同波长的可见光的感受性是不同的，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，如图3-3。V(λ)代表波长λ的单色辐射所引起的明亮感觉的程度。V(λ)＝Φλｍ／Φλ(3-1)式中Φλｍ和Φλ分别为波长λm和λ的辐射量。（2-1）式表达的意思是：波长λ的单色辐射的光谱光效率V(λ)是在特定的光度条件下，当波长λm和波长λ的单色光的明亮感觉相等时，二者辐射量之比。λm是产生相同明亮感觉时所需辐射量最小的波长。(2)暗适应在黑暗中视觉感受性逐步增强的过程叫做暗适应。当照明条件改变时，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。人由光亮地方转到黑暗地方时，起初视觉感受性很低，然后逐渐提高，提高的速度开始较快，后期变慢，暗适应的全过程约40分钟。暗适应包括两种生理过程：瞳孔大小的变化及视网膜感光化学物质的变化。瞳孔的变化范围很有限，为２～８ｍｍ，暗适应的主要生理机制是视觉二重功能的作用，即黑暗中由中央视觉转为边缘视觉的结果。3.1.3颜色视觉1颜色视觉现象(1)辨色区域由于视网膜中央和边缘部位的结构不同，中央视觉主要是锥体细胞起作用，边缘视觉主要是杆体细胞起作用，所以视网膜不同区域的颜色感受性也有所不同。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，锥体细胞减少，杆体细胞增多，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，然后丧失蓝、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。(2)颜色辨认不变颜色点图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，从长波到短波的顺序是红(700不变颜色点图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(3)颜色对比和颜色适应在视场中，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。如果在一块颜色背景上放置另一颜色，两颜色互相影响，使一颜色的色调向另一颜色的补色方向变化。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，后者会发生变化，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。2颜色视觉理论解释眼睛具有颜色视觉的理论有两大类：一个是杨～赫姆霍尔兹的三色学说，另一个是赫林的“对立”颜色学说，前者从颜色混合的物理学规律出发，后者从视觉现象出发。(1)三色学说三色学说根据红、绿、蓝三原色可以产生各种色调及灰色的颜色混合规律，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的兴奋，但是光谱的不同波长引起三种纤维不同比例的兴奋。三种纤维不同程度的同时活动就产生相应的色觉(如图3-5)。三色学说的最大优越性是能充分说明各种颜色的混合现象，用简明的三种神经纤维的假设,使颜色实践中颜色混合这一核心问题得到满意的解释，构成现代色度学的基础。这个学说的最大问题是不能满意地解释色盲现象。(2)对立颜色学说光谱效率（％）夜昼波长（μｍ）对立颜色学说也叫四色学说，它是根据眼睛观察到的颜色总以红—绿、黄—蓝、黑—白成对关系产生的现象，假定视网膜中有三对视素：白—黑视素、红—绿视素、黄—蓝视素，这三对视素的代谢作用包括建设(同化)和破坏(异化)两种对立的过程。光刺激破坏白—黑视素，引起神经冲动产生白色感觉；无光刺激时白—黑视素便重新建设起来，所引起的冲动便产生黑色感觉。对红光谱效率（％）夜昼波长（μｍ）图3-5人眼的视觉光谱图3-6颜色视觉机制示意图(3)现代颜色视觉理论三色学说和对立颜色学说虽然都有一定的科学道理，但也存在明显不足，对一些色觉现象和混色规律无法做出合理的解释。现代色度学理论认为：视网膜上的锥体细胞分为三种感色单元，每种单元的细胞具有不同的光谱敏感特性，有选择地吸收光谱不同波长的辐射，它们分别对红色、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)。在神经兴奋由锥体细胞向视觉中枢的传导过程中，这三种反应又重新组合，结果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，如图2-6，这也叫阶段论学说。§3.2颜色的光学合成3.2.1颜色合成的基本原理1三基色原理颜色的光学合成是建立在三基色原理上的。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，光和色有单一的对应关系，反之色和光没有相应的对应关系。实验证明，只存在三种独立的色，其它色都可由它们匹配出来，这三种色被称为三基色或三原色。反过来说，任何一种颜色都可以分解为三基色或三原色。三基色的选择不是唯一的，条件是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。现在三基色一般选择红色、绿色、蓝色，CIE规定：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。2格拉斯曼定律颜色合成有两种方式：色光混合和染料混合。格拉斯曼在1854年根据色光混合现象总结成颜色混合定律：①人的视觉只能分辩颜色的三种变化，色别、饱和度和明度。②在由两个颜色组合成的混合色中，如果一个色的成分连续地变化，混合色的外貌也连续地变化。由此导出两个定律：补色律：以适当比例混合后能产生白色或灰色的两种色互为补色，每一种颜色都有一个补色，互为补色的颜色如果按其比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。间色律：任何两个非补色相混合，便产生中间色(间色)，其色调决定于两色的相对数量，饱和度决定于两者在色调顺序上的距离，距离近饱和度高，距离远饱和度低。③色貌相同的光，在颜色混合中具有相同的效果，即在视觉上相同的颜色都是等效的，由此导出颜色的代替律。代替律：相似色混合后仍然相似，如颜色Ａ＝颜色Ｂ，颜色Ｃ＝颜色Ｄ，则颜色Ａ＋颜色Ｃ＝颜色Ｂ＋颜色Ｄ。代替律表明，只要在视觉上颜色是相似的，便可以互相代替，所得的视觉效果是同样的。根据代替律，可以利用颜色混合方法来产生或代替各种所需要的颜色，该定律是一条非常重要的定律，现代色度学就是建立在此基础上的。④混合色的亮度等于组成混合色的各颜色光亮度的总和—亮度相加定律。上述格拉斯曼颜色混合定律是色度学的一般规律，适用于各种颜色光的相加混合，但不适用于染料或涂料的混合。3.2.2颜色匹配方程任何一种颜色除了用三特性表示外，还可用三基色含量描述，根据格拉斯曼颜色混合定律，三基色的数量可通过颜色匹配实验准确决定。所谓颜色匹配是指把两个颜色调到视觉上相同或相等的方法。1颜色匹配实验配色实验是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，使二者达到匹配。实验常用下面两种方式进行（如图3-7，8所示）。图3-7是利用颜色转盘进行颜色混合来实现颜色匹配的示意图。颜色转盘由几块不同颜色的圆盘做成，通常用红(Ｒ)、绿(Ｇ)、蓝（Ｂ）三种颜色和一种黑色，其中黑扇面的作用是改变红、绿、蓝三色扇形面积的比例，以及调节明度。当转盘快速旋转时，眼睛便看到一个混合色。把被匹配的颜色(Ｈ)放在转盘的中心部位，把四色扇面放在转盘的外围，调节三颜色的比例，就可以使外围的混合色与中心的颜色看起来相似。这时就实现了颜色匹配。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“三刺激值”。图3-7颜色转盘配色实验图3-8颜色光的匹配实验比较精密的配色实验是用颜色光实现的，图3-8是颜色光配色实验示意图，用三基色照射在白色屏幕的同一位置上，光线经过屏幕的反射达到混合，混合后的光线作用到视网膜上便产生一个新的颜色。如同时投射一个被匹配的特定色光于屏幕的另一侧，则调节三基色光的强度比例，便可产生看起来与被匹配色光相同的颜色。如果待配色很饱和，用三基色(光)匹配不成，此时可将一种基色(光)加到被匹配的色(光)上，而用另两种基色(光)进行匹配，当调节到适当比例时，便可达到颜色的匹配。需要注意的是，在上述颜色光的匹配实验中，由三原色合成的颜色的光谱组成与被匹配的颜色光的光谱组成可能很不一致。因此，三原色混合形成的颜色只表达被匹配颜色光的外貌，而不能表达它的光谱组成。2颜色匹配方程将颜色匹配的关系用代数式的形式描述，所得到的等式叫颜色匹配方程。以Ｈ代表被匹配的颜色，以(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)，则颜色匹配方程为：H≡R（R）＋G（G）＋B（B）（3-2）式中，“≡”代表匹配，即视觉上相等。其中三刺激值之一可以是负值或零。关于三基色的单位，根据颜色匹配实验有１流明(W)＝0.30流明(R)＋0.59流明(G)＋0.11流明(B)(3-3)为了标准化，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，于是１T（W）＝１T(R)＋１T（G）＋１T（B）（3-4）即匹配等能白光的R、G、B三基色的亮度值各为一个单位。而一个单位的三基色之间绝对数量并不相等。3色度坐标在色度学中，我们不直接用三原色数量来表示颜色，而用三原色各自在R＋G＋B总量中的相对比例表示颜色。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：ｒ＝ｇ＝b＝(3-5)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Ｈ的一个单位(Ｈ)的方程可写成：1（H）＝r（R）＋g（G）＋b（B）（3-6）3.2.3颜色光学合成的方法1相加混色两种或两种以上的基色光同时作用于人眼，可以产生另一种色觉，叫做色光的相加或相加混色，颜色相加的基本原理是：混合色的三刺激值为各组成色三刺激值各自之和。如R１、G１、B１为第一个颜色光的三刺激值，R２、G2、B２为第二个颜色光的三刺激值，R、G、B为两颜色光混合后的三刺激值，相加混色的基本规律如下：R＝R１＋R２G＝G１＋G２(3-7)B＝B１＋B２(1)原色光混合两种原色光等量相加得另一原色光的补色光，三原色光等量相加得消色。（3-8）R＋G＝Y（3-8）R＋B＝MR＋G＋B＝W式中：Y、M、C、W分别代表黄、品红、青色和消色，称为间色光。(2)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。(3-9)Y＋M＝R(3-9)C＋M＝BY＋M＋C＝W(3)互补色光混合互补色光混合得白(消)色光(3-10)B＋Y＝W(3-10)R＋C＝W上式规律在等量混合情况下成立，如图3-9。如果不是等量混合，则会产生其它颜色。图3-9颜色光学合成示意图2相减混色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人眼睛后产生色觉的方法。其本质是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。(1)相减混色的三原色C蓝绿红λMYC蓝绿红λMY蓝绿红λ蓝绿红λ图3-10减法三原色的理想光谱透射率曲线(2)相减混色规律由于相减混色的三原色:Y≡W－B，M≡W－G，C≡W－R。所以：Y＋M≡W－B－G＝RY＋C≡W－B－R＝GC＋M≡W－G－R＝BY＋M＋C≡W－R－G－B＝BL(3-11)Y＋M＋C≡W－R少－G少－B少＝H式中符号代表的颜色同前，BL代表黑色，H为灰色，如图3-9所示。§3.3颜色的表示与度量方法现代表示与度量颜色的方法基本分为两大系统：孟塞尔颜色系统和CIE标准色度学系统。3.3.1孟塞尔颜色系统1孟塞尔颜色系统的参数白孟塞尔所创立的孟塞尔颜色系统是用颜色立体模型表示表面色的一种方法。它用一个三维空间的类似球体模型把各种表面色的三要素色调、明度和饱和度全部表示出来。在立体模型的每一部位各代表一个特定颜色，并给以一定标号。如图3-11。白图3-11孟塞尔颜色立体示意图①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。②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，其中五种主要色调：Ｒ、Ｙ、Ｇ、Ｂ、Ｐ(紫)，五种中间色调：YR、GY、BG、PB和RP。每一种基本色调又分成10个等级，从１～10。每一种色调的主波长色调都定为5，这样共有100个色别，见图3-12。③饱和度颜色样品离开中央轴线的水平距离代表饱和度的变化，在孟塞尔颜色系统中称为孟塞尔色度或彩度。彩度表示具有相同明度值的颜色离开中性灰色的程度。彩度分成许多视觉上相等的等级，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。在孟塞尔颜色系统中，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，并且给出以每两个彩度等级为间隔的颜色样品。图3-12孟塞尔颜色立体水平剖面图3-13孟塞颜色立体的Ｙ－ＰＢ垂直剖面2颜色的标定任何颜色都可以用颜色立体上的色调、彩度和明度值这三项指标进行标定，并给以一定的标号。标定的方法是：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／彩度对于消色，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／对于彩度低于0.3的颜色，通常标定为中性色，如果需要对彩度低于0.3的中性色作精确标定，一般采用以下形式：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孟塞尔颜色图册在孟塞尔颜色系统中，通过颜色立体模型的颜色分类方法，用纸片制成许多标准颜色样品，汇编成颜色图册，用它来标定物体的颜色。最新版本的颜色图册包括两套样品，一套是有光泽样品版(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；一套是无光泽样品版(1973年)，包括1150块颜色样品，附有32块中性色样品，每块颜色样品的尺寸大约是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。如图3-13所示的是颜色立体5Y和5PB两种色别的垂直剖面。中央轴表示1－9明度值等级，右侧是黄色色别(5Y)的颜色，在明度值９时，黄色彩度最大，这一颜色是5Y9／14，中央轴线左侧是紫蓝色色别(5PB)的颜色，在明度值３时出现最大彩度，即颜色为5PB3／12。3.3.2CIE标准色度学系统CIE是国际照明委员会的简称。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，称为CIE标准色度学系统。该系统有两套表色方法：RGB系统和XYZ系统，限于篇幅和需要，我们仅介绍色度学的最基本知识。11931CIE－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的。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)，绘出如图3-14的色度图。图3-141931CIE－RGB系统色度图及向XYZ的转换该色度图的纵坐标为ｇ，横坐标为ｒ，色度坐标的计算见前述公式(3-5)。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＝ar（Ｒ）＋ag（Ｇ）＋ab（Ｂ），那么Ｑ在RGB系统的色度坐标为：ｒｑ＝ｇｑ＝ｂｑ＝（3-12）Ｑ在RGB系统色度图上的位置如图3-14所示。1931CIE－RGB系统中用来标定光谱色的三原色出现负值，计算起来极不方便，又不易理解。因此，1931年CIE讨论推荐一个新的国际通用色度学系统—1931CIE－XYZ系统。21931CIE－XYZ系统(1)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系统色度图上的位置如图3-14所示，色度坐标为：X：ｒ＝1.2750ｇ＝－0.2278ｂ＝0.0028

Y：ｒ＝－1.7392ｇ＝2.7671ｂ＝－0.0279（3-13）Z：ｒ＝－0.7431ｇ＝0.1409ｂ＝1.6022以此三点为顶点，组成一个三角形—XYZ三角形色度图。(2)1931CIE－XYZ系统色度图为了使用方便，XYZ三角形经过转换就成了目前国际通用的1931CIE－XYZ系统色度图(图3-15)。图中曲线为光谱轨迹。由图上可看出：图3-151931CIE—图3-151931CIE—XYZ系统色度图yx②彩色三要素图中的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。如Ｑ、Ｓ两个颜色，xｑ＝0.16、yｑ＝0.55、ｘS＝0.50、ｙS＝0.38，由Ｃ通过Ｑ作一直线至光谱线，交点Ｍ所代表的光谱色就是颜色Ｑ的色调，该波长称Ｑ的主波长，即Ｑ色的色调为主波长511.3ｎｍ的绿色。Ｑ点在QC连线上的位置决定颜色Ｑ的饱和度(纯度)，Ｑ越接近Ｃ（或Ｅ），饱和度越低，越远离Ｃ(或Ｅ)，饱和度越高。颜色Ｑ的明度由Y值决定，Y值大则Q的明度高，反之则低；同理可知Ｓ的色调、饱和度和明度。③颜色混合从色度图可推算出两种颜色混合所得出的各种中间色。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，572ｎｍ波长的颜色即为Ｔ的色调，Ｔ与Ｃ或Ｅ之间的距离决定Ｔ的饱和度。由图上可看出，540－700ｎｍ光谱范围内的任何光谱色都可通过540和700ｎｍ二种波长的光线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，且两个光谱色之间的距离越远，混合色的饱和度就愈低。④互补色通过等能白光Ｅ或Ｃ的直线与光谱轨迹的两个交点互为补色。它们以一定的比例混合后可产生等能白光Ｅ或Ｃ。由色度图可看出，380～494nm之间光谱色的补色存在于570～700nm之间，反之亦然；494～570nm之间的光谱色的补色是非谱色，只能由至少两种光线相混合而产生。如Ｍ和Ｎ是互补色，Ｌ和Ｉ是互补色，其中Ｎ为非谱色，由波长400、700nm的两种光谱色混合产生。31960CIE均匀色度标尺图与CIE均匀颜色空间(1)颜色宽容量在CIE色度图上，每一点都代表某一确定的颜色，这个颜色的位置是由一定数量的X、Y、Z三原色相加混合来确定的。每种颜色在色度图上是一个点，但对视觉来说，当这种颜色的坐标位置变化很小时，人眼仍认为它是原来的颜色，而感觉不出它的变化。可见每一个颜色虽然在色度图上占一个点的位置，而对视觉来说它实际上是一个范围，这个范围内的变化在视觉上是等效的。我们把这个人眼感觉不出的颜色变化范围叫做颜色的宽容量。图3-16人眼对颜色的差别感受性通过莱特和波特的实验，研究得出如图3-16的曲线，它表明人眼对光谱不同波长的颜色差别感受性。在490nm—600nm范围内，视觉的辩色能