第七章 色度学基础2.ppt

1、青海湖,青海湖,水乡周庄,色度学是研究人的颜色视觉规律、 颜色测量理论与技术的科学,一. 光的种类,仅从颜色，频率成分和发光方式三方面将其分类。,1. 按颜色可分为彩色光和非彩色光,2. 按频率成分可分为单色光和复合光。,单色光,非单色光即复合光。,指具有一波长的色光或者所占波谱宽度小于 5nm的色光；,3. 按频率和颜色综合考虑可分为谱色光和非谱色光,主要是指波长从780nm到380nm，而颜色按红、 橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的各种单色光；,谱色光,复合光,把两个或者两个以上的单色光混合所得，但又不能作为谱色出现在光谱上的色光。,非谱色光,白光是非谱色光。,光的频率和谱色光关系：,单色

2、光一定是谱色光， 非谱色光一定是复合光， 而复合光也可能是谱色光,例：,红单色光和绿单色光合成 的复合光为黄色，它属于 谱色光。,4. 按发光方式可分为直射光，反射光和透射光。,发光体(光源)直接发出的光称为直射光；,能够进行反射所形成的光称为反射光；,能进行透射所形成的光称为透射光。,说明,当然直射光，反射光和透射光分别会改变各自的光能，波谱。,二. 光的颜色,无论是什么光，它的颜色都是取决于客观与主观两方面的因素。,1. 客观因素是它的功率波谱分布。,2. 主观因素是人眼有视觉特性。,色盲,例：,概述,色度学与物理光学等学科的基础不同。,物理光学可以认为是客观的科学, 是与人类无关的。,色

3、度学却是一种主观的科学, 它以人类的平均感觉为基础, 因此它属于人类工程学范畴。,色度学是和人种无关的。,人们大约可分辨出一百多种颜色。,这种单波长的色光非常鲜艳, 人们称为纯色。,实际看到的色光大多数是由许多种波长的光组成的。 例如太阳光就是从红光到蓝光的连续光谱组成的。,色度学是一种主观的科学,属于人类工程学范畴。,与人种无关的。,结论,一. 颜色的辨认,可见光七彩颜色的波长和频率范围,思考,光的波长和颜色是一一对应的吗？,颜色视觉,颜色和波长的关系并不确定的。,只有三点是不变的颜色：,(黄572nm),(绿503nm),(蓝478nm),其他的颜色在光强增加时都向红色波长或者蓝色波长移动

4、，以保持原来的颜色。,问题,(1) 通常我们定义的色彩它的亮度是多少呢？,含义：只有波长增加或者减少才可以保证原来的色调。,(2) 人眼对波长的分辨力是不同的。并且这种分辨能力随 光强而改变的。随视场亮度增加而增高的。,楚蓝德：度量视网膜照度的物理量。,二. 颜色的分类和特性,1. 颜色的分类,颜色,非彩色：,彩色,白色，,黑色，,各种深浅不同的灰色。,白色：,当物体表面对可见光谱所有波长反射比都在8090% 以上。,黑色：,当物体表面对可见光谱所有波长反射比均在4%以下。,灰色：,介于两者之间的。,纯白色：,它的反射比100%。,纯黑色：,它的反射比0%。,说明,(1) 对于发光的物体，白黑

5、的变化相当于白光的亮度变化，,亮度高时人眼感觉时白色；亮度低时感觉时黑色。,(2) 无光时是黑色。,(3) 非彩色只有明亮的差异。,彩色的三个特性：,明度、色调、饱和度。,明度：,人眼对物体明暗的感觉。,发光物体的亮度越高，则明度越高。,非发光物体反射比越高，明度越高。,(4) 白色、灰色、黑色物体对光谱各波长的反射没有选择 性，它们是中性色。,彩色物体对光谱各波长反射具有选择性。所以它们在 白光照射下出现彩色。,非发光物体的色调取决于照明光源的光谱和物体本身的发射光谱(透射光谱)的特性。,饱和度,色彩的纯洁度。,可见光中的各种单色光是最饱和的色彩了。,物体色的饱和度取决于物体反射(透射)特性

6、。,例：,物体反射光的光谱很窄，则色的饱和度就高。,(是指彩色的纯洁性 。),色调,彩色彼此相互区分的特性：红、黄、绿、蓝、紫,可见:不同波长的单色光具有不同的色调。,发光物体的色调取决于它的光谱组成。,(1) 色调与饱和度合称为色度， 它既说明彩色光的颜色类 别，又说明颜色的深浅程度。,(2) 色度再加上亮度，就能对 颜色作完整的说明。,总结,颜色匹配,一.颜色匹配实验,颜色的混合,光的混合,染料的混合,颜色的相加混合,三原色,颜色的相互混合称为混色。,将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官,便产生不同于原来颜色的新的颜色感觉。加法混色。,颜色相加混合,(加法混色),染料的混合称为减色混

7、合。,红、绿、蓝三种颜色染料等量混合之后的颜色为黑色。,红、绿、蓝三种等光量混合之后的颜色为白色。,颜色的相减混合,白屏幕,黑挡屏,黑挡屏,黑挡屏,结论,把两个颜色调节到视觉上相同的方法颜色匹配。,颜色匹配实验,一.H.Grassmann(格拉斯曼)颜色混合定律,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，,如果一个成分连续变化，,混合色的外貌也连续变化。,补色律,每一种颜色都由一个相应的补色。,如果二者以适当的比例混合，便产生白色,255,255,255,96,255,210,159,0,45,彩色负片的颜色也是照片的补色。,例：,(1),(

8、2),中间色律,任何的两个非补色相混合，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。,如果二者按其他比例混合，便产生近似比重大的 颜色成分的非饱和色。,(3) 常识：,人们在长时间注视一种颜色时, 突然将视线转到白色上, 就会在白色底子上出现刚才那种颜色的补色。,由红，蓝，绿混合产生的色域 可以用等边三角形代表。,但是这个颜色色域并不完全，三角形的外面也存在被 眼睛感知的色光的。,注意,按顺序把饱和度最高的谱色光和紫红色围成一个近似的圆环， 每一颜色都在圆环上或环内占有一确定位置。,白色位于圆心，颜色饱和度愈低，愈靠近圆心。,颜色环圆心对边的任何两种

9、颜色都是互补色，按适当比例 混合是得到白色或灰色。,黄色与蓝色，红色与青色，绿色与品 红色。,例：,颜色环上任何两种非补色相混合，可产生中间色，它的位置 在此两色的连线上。,中间色的色调决定于两颜色的比例多少，并按重力中心定律 偏向比重大的一色；,中间色的饱和度决定于两色在颜色环的距离，二者距离愈近， 饱和度越大，反之越小。,互补色在色环上的距离被认为是最远。,对于补色律,对于中间色律,3. 颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，,混合中具有相同的效果。,凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。,代替律,相似色混合后仍相似。,颜色A=颜色B,颜色C=颜色D,颜色A+颜色C =颜色B+颜色D,

10、A+B=C,例：,X+Y=B,A+(X+Y)=C,说明：,可以利用颜色混合的方法来产生或者代替各种所需要的颜色。,4. 混合色的总亮度=组成混合色的各颜色光亮度的总和。,在颜色,亮度相加律,由几个颜色组成的混合色的亮度=各个颜色光亮度的总和。,说明：,以上的规律适用于各种颜色光的相加混合，但不适用于 染料或者涂料的减光混合。,三.三基色（三原色）,任取三个互不能由其他两个表现( 线性无关) 的色光, 都可以组成人眼能分辨的任意色光。这就是三基色现象, 也叫三原色现象。,说明,(1)当然“任选三个”是数学上的条件, 它允许色光为负。,(3) 绝大多数场合都使用红、绿、蓝作为三基色, 以表现 尽可

11、能多的颜色。,(2) 实际操作中是不可能产生负的光。,(4) 三基色单位的选定,在RGB计色制中，国际照明委员会(CIE)规定：,波长为700nm，光通量为1光瓦的红光作为一个红基色单位(或称单位量)，用R表示；,波长为546.1nm，光通量为4.5907光瓦的绿光作为一个 绿基色单位(或称单位量)，用G表示；,波长为435.8nm，光通量为0.0601光瓦蓝光作为一个 蓝基色单位(或称单位量)， 用B表示。,比色计的读数将按基色单位R、G、B进行刻度，而不按辐射功率或者光通量进行刻度。,说明,四.颜色匹配方案,颜色方程,C(C)R(R)+G(G)+B(B),说明：,(1) 表示视觉上的相等。

12、,(3) R，G，B 被匹配颜色的数量，,且是代数量，,可以为负值。,(4) 同色异谱色,光视觉(颜色外貌)一样，但光谱分布不同的颜色。,(2) (C), (R),(G),(B) 分别代表被匹配颜色的单位，混合色， 红，绿，蓝三原色的单位。,(4) R，G，B 的比例决定被匹配颜色的色度，它们的 大小决定了所配色光的光通量,五.三刺激值,C(C)R(R)+G(G)+B(B),R，G，B 三原色的数量,三刺激值,说明,(1) 一种颜色与一组R，G，B数值相对应。,(2) 当然颜色感觉可以通过三刺激值来定量表示。,(3) 任意两种颜色只要R，G，B数值相等，颜色感觉 就相同的。,(4) (R)，(

13、G)，(B) 的单位。三T,例：肉眼分不出哪一种白光是由太阳光连续光谱组成的, 哪一种是由红、绿、蓝三种色光组成的。,1. 三刺激值,例,在RGB计色制中,W1(红基色单位)+1(绿基色单位)+1(蓝基色单位),则被匹配的白光的光通量为：,4.5907,1,+,0.0601,+,=,5.6508光瓦,这就是遵循亮度相加律。,WX(红基色单位)+X(绿基色单位)+X(蓝基色单位),同样是白光，不同的仅仅是亮度。,2. 光谱三刺激值,如果匹配的光为光谱色，如果再将所有匹配的光谱色的辐射 能都保持为相同，所得到的三刺激值,光谱三刺激值,用,表示,也称为：颜色匹配函数,匹配过程方程,3. 三刺激值的计

14、算公式,要获得每一种颜色的三刺激值不可能都用匹配实验来测的， 这就是提出该计算公式的意义。,原理方法：,将欲匹配的光的光谱分布函数 按波长加权光谱三刺激值，得到每一波长的三刺激值；然后积分,4. 色品坐标和色品图,C(C)R(R)+G(G)+B(B),当C=1时，可以写为,由此可见：一个单位颜色(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,色品坐标,仅仅有2个量是独立的。,三原色的刺激值各自在R+G+B总量中的相对比例。,色品图,用色品坐标表示的平面图。,例,标准白光的三刺激值为,(W),CIE标准色度系统,国际照明委员会所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法,CIE

15、1931标准色度观察者,CIE1964补充标准色度观察者,视场的颜色测量,视场的颜色测量,明视觉条件,一. CIE1931RGB色度系统,选三原色: 红 =700nm(R), 绿 =546.1nm(G), 蓝 =435nm(B)。,来匹配等能光谱的各种颜色。,为何选用这3个单色谱线？,700nm是可见光的红色末端，546.1nm和435.8nm是较为明显 的汞谱线，三者都可以比较精确的产生。,例,求光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系。,三基色和等能白光的 值,RGB制混色曲线,马蹄形曲线是所有光谱色色品点连接起来的轨迹。,光谱轨迹,图形中负值的含义,连线所表示的色光是由红基色和蓝基色合成。中间

16、点为品红色。,380nm与700nm 连线所表示的色 光是紫色和红色 合成的。中点为 紫红色.,他们几乎就是 一条直线，颜 色也比较相近。,连线上,的色光是非谱色 光。,连线和马蹄形曲线构成一个封闭的区域。自然界的一切颜色,实际颜色,都在这个区域内。,封闭的区域 外的颜色。,虚色,彩色光的色度 越靠近光谱轨 迹，其饱和度 越高，越靠近 白光，饱和度 就越低。,1,一. CIE 1931标准色度系统 (CIE 1931XYZ系统),CIE1931RGB色度系统中的色品坐标有负值，使用起来很不方便，也不容易理解，于是1931年CIE推荐了一个新的国际通用色度系统。,1. 使用“CIE 1931XY

17、Z系统”的理由,在CIE 1931RGB色度系统的基础上改用三个假象的原色 X，Y，Z建立起来的一个新的色度系统。,将X，Y，Z匹配等能光谱的三刺激值定名为“CIE 1931标准 色度观察者光谱三刺激值”,这三个原色不是物理上的真实色，而是虚构的假想色。,1. 确定三个假想原色X，Y，Z的方法,规定：(X), (Z)两原色只代表色度，没有亮度。光亮度只与 刺激值Y有关。,则XZ线为无亮度线。,某一色品的亮度方程为,若此颜色在无亮度线上，则,在此系统中光谱三刺激值全0,即，三原色所形成的 颜色三角形能包括整 个光谱轨迹。,光谱轨迹从540nm附近至700nm，在RGB色品图上基本是一 段直线。,

18、这条线上的两种颜色相混合可以得到两色之间的各种光谱光。,但它仅仅涉及(X),(Y)原色的变化，当然不涉及(Z)原色,该直线方程为,YZ边取与光谱轨迹波长503nm点相切的直线。,该直线方程为,求解以上3个方程得,XYZ系统采用等数量的三原色刺激值匹配等能白光。,等能白点在r-g坐标系内为,以上就是基色 在RGB色度图中的位置。,2. 通过坐标变换求得的,说明,(1) 全0,(2) 与视见函数一致。,3. CIE xy色品图,说明,(1) 图中闭合马蹄形内包括了一切物理上能实现的颜色。,(2) 都落在光谱轨迹的外面。,(3) 700nm770nm的光谱波段具有一个恒定的色品值。,(4) 由图中的

19、马蹄形的光谱轨迹各波长的位置，可以看到：光 谱的红色波段集中在图的右下部，绿色波段集中在图的上 部，蓝色波段集中在轨迹图的左下部。,(5) 540nm700nm是一段直线。,在这段光谱范围内的任何的光谱色都可以通过540nm， 700nm两种波长的光以一定的比例相混合产生。,380nm540nm是一段曲线。,在这段光谱范围内的任何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，而仅仅能产生光谱轨迹 所包围面积内的混合色。,(6) 光谱轨迹上的颜色饱和度最高，等能白光的颜色饱和度 最低。,(7) 紫红轨迹(紫线),连接380nm700nm的直线。,(8) 无亮度线,可见光谱轨迹上的短波紧靠这条线，说明虽然短波端 的光能够引起标准观察者的反应，但380nm420nm波 长的辐通量在视觉上引起的亮度感觉很低。,(9) 如果将光谱轨迹上表示 不同色光波长点与色度 图中心的白光点E 相连， 则可以将色度图画分为 各种不同的颜色区域。,XYZ色度图,(10) 色度