《显示器色彩分析一》PPT课件.ppt

1、2020/7/29,顯示器色彩分析,(一)色彩學原理,2020/7/29,色彩光學(Chromatic Optics),色彩光學：結合色彩量測與光度學的科學 色彩工學(Colorimetry)： CIE 標準色度學 分光光譜學(Spectrophotometry) 濃度學(Densitometry) 彩色複製學 (Color reproduction) 色彩印刷學 (Color printing) 色彩管理系統(CMS system) 非成像光學(Non-image Optics) 光度學、光展量 照明系統、光偏極行為 光的均勻性,2020/7/29,What is Non-image Opt

2、ics,Geometrical optics projection system : image optics illumination system : non-image optics Image optics design parameters : TT , M , aberration , f-number evaluate parameter : MTF , relative illumination research range：lens design Non-image optics design parameters : light source , integrator ,

3、polarization etendue , LV evaluate parameter : uniformity , spot size , color research range : brightness , gray scale , color Brightness：lamp , integrator , reflector ,cooling system Color：dichroic , color wheel and sequential Gray scale：LCD , DMD , GLV , TMA,2020/7/29,色彩產生三要素,(1) 光源,(2) 物體,(3) 觀察者

4、,2020/7/29,牛頓白光實驗,(1) 稜鏡實驗：白光由單色光合成,(2) 白光可分成單色光，也可合成白光,(3) 單色光無法再行分光,2020/7/29,電磁波光譜,2020/7/29,物體色,2020/7/29,色彩的混合,加色混合,減色混合,色光三原色：R、G 、 B,色料三原色：C、M 、Y,(光源色),(物體色),2020/7/29,眼睛,1. cornea 角膜 2. aqueous humor 眼水房水 3. crystalline lens 水晶體 4. vitreous body 玻璃體 5. retina 網膜 6. choroid 胍絡膜 7. sclera 鞏膜 8

5、. optic nerve 視覺神經 9. fovea 中央凹 1 cones 25,000個 10. papilla 盲點 11. ora serrate 網膜前緣 12. ciliary muscle 睫狀肌 13. zonule fibers 帶狀纖維 14. iris 瞳孔 15. ocular conjunctiva 結膜,耳側,鼻側,2020/7/29,人眼在視網膜上有桿狀和錐狀兩種細胞 桿狀細胞(Rods) 無法分辨色彩 暗視覺, 10-3 cd/m2 位於視網膜邊緣 錐狀細胞(Cones) 能分辨色彩 明視覺, 數個cd/m2 集中位於中央凹,人眼睛對顏色的感覺,2020/7/

6、29,人眼睛對顏色的感覺,人眼在對明視覺(Photopic)和暗視覺(Scotopic)有不同的反應函數,2020/7/29,色彩的三屬性,2020/7/29,色相,2020/7/29,明度,2020/7/29,彩度,2020/7/29,色調整理,2020/7/29,表色體系,Munsell 表色體系,2020/7/29,Young(1802)-Helmholtz(1896) three-component theory 有三種錐狀細胞各自對紅,綠,藍波段光起感應 綜合反應形成對 明度感應 不能解釋 色盲 現象(紅綠色盲之黃感應,全色盲之明度感覺) Hering(1802), Opponent

7、-colors theory 白-黑,黃-藍,紅-綠 三對對立色對 可解釋 色盲 與 補色殘像 的現象 但無法滿意說明 三原色能產生一切光譜色彩的現象 Mller(1930) and Judd(1949), Zone theory 結合前兩種模型，成為目前最常用的人眼感色模型,色彩視覺理論,2020/7/29,三原色學說,400nm,480nm,540nm,570nm,600nm,700nm,r cone,g cone,b cone,2020/7/29,對立色學說,2020/7/29,Mller(1930) and Judd(1949), Zone theory,r cone,g cone,b

8、 cone,R,G,B,C3=Ba-Ra,C2=Ga-Ba,C1=Ra-Ga,Aa=2Ra+Ga + Ba/20,C2=Ga-Ba,R - G,Y - B,W - B,Cone cell,Nerve cell,Cortex, brain,色彩階段學說,2020/7/29,Guild: 1931, 7 人, 用白熾燈 (CT 2900K)和彩色濾光片(R=700nm, G=546.1nm, B=435.8nm). Wright: 1928-1929, 10 人. 650, 350, 460nm. 在光譜波長 400-700 nm 之間每隔 5 nm做對色實驗. 視角 2. 每人所得光譜三刺激值之

9、平均得到 r, g, b.,三原色混色實驗,配色函數實驗,2020/7/29,CIE 1931年RGB系統,2020/7/29,為何選取三原色 R0 = 700nm , G0 = 546.1nm , B0 = 435.8nm 700nm是可見光譜紅色末端，波長稍微改變色相變化非常小 546.1nm和435.8nm是較明顯的汞光波長 等能白光 (Equal energy , CCT = 5800 K) 用等量的(R0) 、(G0) 、(B0)匹配成的白光 三原色單位波長均其單一的輻射能量 (SE) = 1.0(R0) + 1.0(G0) + 1.0(B0) 等能白光由三原色輻射亮度(Radian

10、ce : Y)依下比例混和 (R0) : (G0) : (B0) = 72.0962 : 1.3791 : 1.0,CIE 三原色及單位的決定,2020/7/29,等能白光由三原色光亮度(Luminance : F)依下比例混和 LR : LG : LB = 1 : 4.5907 : 0.0601,CIE標準色度系統,2020/7/29,配色函數的意義,配色函數 (Color matching function),、 、 光譜三刺激值 ( Spectrum tristimulus value) R0、G0 、 B0 三刺激值 ( Tristimulus value),單位能量的波長 l ，刺激

11、人眼的色感覺。需要用 的 加上 的 再加上 的 所混合匹配而成的,2020/7/29,CIE 1931(R、G、B)色度圖,Normalization : r + g + b = 1,光譜的三刺激值，可轉換成色度座標，而繪製成色度圖,2020/7/29,X = 2.7689R + 1.7517G + 1.1302B Y = 1.0000R + 4.5907G + 0.0601B Z = 0.0000R + 0.0565G + 5.5943B,(R, G, B) 表色系統中某些值為負值，造成計算的不便 (X, Y, Z) 均正值 Y 值正好代表光的通量(明度) (X, Y, Z) 和 (R, G

12、, B)表色系統的轉換公式,CIE 1931 (X,Y,Z)色彩系統,2020/7/29,Y 值與明度 L 的關係,從等能白光的觀念得知(如前),LR : LG : LB = 1 : 4.5907 : 0.0601,亮度可表示,如上頁,所以色彩三屬性(色相、明度、彩度)三刺激值的Y值 即可表示成明度的指標,2020/7/29,Normalize (X, Y, Z) to get (x, y, z) x + y + z = 1,CIE 的色度座標 (x, y, z),2020/7/29,(X, Y, Z) - System,CIE 1931 (X,Y,Z)色彩系統,2020/7/29,(R, G

13、, B) - System,444.4nm,526.3nm,645.2nm,lB,lG,lR,CIE 1964年標準色彩系統,2020/7/29,(X, Y, Z) - System,CIE 1964 (X,Y,Z)色彩系統,2020/7/29,Grassman 配色定律,對稱定律 (Symmetry law) 比例定律 (Proportionality law) 色彩加成 (Color addition) 色彩減除 (Color subtraction) 轉移定律 (Transitive law) 色彩匹配 (Color match),2020/7/29,色彩方程式,C：代表匹配的色刺激 R

14、0、 G0、B0 ：用來匹配色刺激的三原色光 R、 G、B：C色刺激的三刺激值,若以積分來表示,色彩刺激函數,光源光譜函數,物體穿透或反射函數,2020/7/29,X=14.27 Y=14.31 Z=51.52,色度座標計算,X , Y , Z：CIE1931三刺激值 , , ：CIE1931光譜三刺激值 k ：為歸一化係數(normalizing factor),光源色時,物體色時,k 為光源的Y值調整到100的係數,2020/7/29,標準光源的色彩座標,On the basis of the CIE 1931 standard observer Incident radiant powe

15、r from the CIE standard illuminant D65,2020/7/29,色彩混合兩色混合,假設C1及C2兩色混合 C1的色度座標值為(x1 , y1)，亮度單位為Y1 C2的色度座標值為(x2 , y2)，亮度單位為Y2 混合成 C 的色度座標值為(x , y)，亮度單位為Y 依據 亮度加成定律 可知 色彩混合重心定律 C1的比重為 可知,2020/7/29,色彩混合多色混合,假設C1及C2.Cn多色混合 C1的色度座標值為(x1 , y1)，亮度單位為Y1 C2的色度座標值為(x2 , y2)，亮度單位為Y2 ： ： Cn的色度座標值為(xn , yn)，亮度單位為

16、Yn,2020/7/29,x,Just-noticeable chromaticity differences 恰可察覺色度差,Wright 1941, 2 線段長短(已放大10倍)代表人眼感覺不出色彩變化的範圍(即稱為 色彩寬容量),x,y,色差,2020/7/29,x,y,MacAdam 1942 以25個色度點為中心測試 橢圓(已放大10倍)代表此點色彩寬容量 橢圓大小表示人眼 色度分辨極限,CIE (x, y) is not a uniform color space.,色差,2020/7/29,L*: Lightness Yn: Y value of illuminant (usua

17、lly 100),均勻的明度規格,反射率對人眼並非均勻空間，Y值與反射率成正比，Y值為非均勻空間 將 Y 值轉換以得到 均勻的 視覺規格( Visual scale) 明度( Lightness),2020/7/29,Color difference E*ab,CIE LAB 均勻色彩系統,Y值為非均勻空間，X,Z也轉成為Vx,Vy,Vz (Musnsell明度函數值) Vx-Vy 為紅綠變化 Vy 為明度變化 Vz-Vy 為黃藍變化,2020/7/29,CIE LAB 均勻色彩系統,2020/7/29,L* Lightness,C* Chroma,Hue difference H*uv,h

18、Hue angle,CIE LCH 均勻色彩系統,2020/7/29,CIE 1976： 色彩轉換後表現區域 (u , v)代表物體色彩 均勻色彩空間 任意兩點間的距離直接表示色差,6500,8500,CIE LUV 均勻色彩系統,Color difference E*uv,2020/7/29,Thermal radiation : 輻射體會有一個固定的溫度 T Blackbody : 在任何溫度下能夠全部吸收任何波長輻射的物體 Ideal blackbody,黑體輻射,2020/7/29,黑體輻射與光譜,隨著溫度增加，黑體的輻射能量也增加，輻射光顏色也有變化 輻射的最大能量往短波長移動,2020/7/29,色溫,將黑體輻射當成光源，隨光譜及色彩，引入色溫的概念 色溫的三種形式： 分布溫度 (Distribution temperature) 色溫度 (Color temper