色度学的技术基础.pptx

第第5章色度学的技术基础章色度学的技术基础5.1 5.2 CIE1931标准色度系统5.3 CIE1964补充标准色度系统5.4 CIE 色度计算方法5.5 均匀颜色空间5.6 特色异谱程度的评价5.7 CIE光源显色指数计算方法5.8 其它表色系统5.1 5.1 颜色匹配颜色匹配颜色匹配颜色匹配 颜颜颜颜色色色色混混混混合合合合可可可可是是是是颜颜颜颜色色色色光光光光的的的的混混混混合合合合,也也也也可可可可是是是是染染染染料料料料的的的的混混混混合合合合,这这这这两两两两种种种种混混混混合合合合方方方方法法法法所所所所得得得得结结结结果果果果不不不不的的的的,前前前前者者者者称称称称为为为为相相相相加加加加混混混混合合合合,后后后后者者者者为为为为颜颜颜颜色色色色相相相相减减减减混混混混合合合合。将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官。将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官。将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官。将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官,便产生便产生便产生便产生不同于原来颜色的新的颜色感觉不同于原来颜色的新的颜色感觉不同于原来颜色的新的颜色感觉不同于原来颜色的新的颜色感觉 -颜色相加混合方法颜色相加混合方法颜色相加混合方法颜色相加混合方法颜色匹配恒常律颜色匹配恒常律颜色匹配恒常律颜色匹配恒常律：两两两两个个个个相相相相互互互互匹匹匹匹配配配配的的的的颜颜颜颜色色色色即即即即使使使使处处处处在在在在不不不不同同同同条条条条件件件件下下下下，颜颜颜颜色色色色始始始始终终终终保保保保持持持持匹匹匹匹配配配配，即即即即不不不不管管管管颜颜颜颜色色色色周周周周围围围围环环环环境境境境的的的的变变变变化化化化或或或或者者者者人人人人眼眼眼眼已已已已对对对对其其其其它它它它色色色色光光光光适适适适应应应应后后后后再再再再来来来来观观观观察察察察，视视视视场场场场中中中中两两两两种种种种颜颜颜颜色色色色始始始始终终终终保保保保持持持持匹匹匹匹配。配。配。配。一、颜色匹配实验一、颜色匹配实验-颜色研究的第一阶段二、格拉斯曼定律二、格拉斯曼定律 仅适用于各种颜色光的相加混合过程仅适用于各种颜色光的相加混合过程 1854年格拉斯曼年格拉斯曼(H Grassmann)总结出颜色混合的定性总结出颜色混合的定性性质性质格拉斯曼定律，为现代色度学的建立奠定了基础。格拉斯曼定律，为现代色度学的建立奠定了基础。(1)人的视觉只能分辨颜色的三种变化人的视觉只能分辨颜色的三种变化(如明度如明度/色调色调/饱和度饱和度)(2)在在由由两两个个成成份份组组成成的的混混合合色色中中，如如果果一一个个成成份份连连续续地地变变化化，混混合色的外貌也连续变化。合色的外貌也连续变化。若若两两个个成成份份互互为为补补色色，以以适适当当比比例例混混合合，便便产产生生白白色色或或灰灰色色，若若按其它比例混合，便产生近似比重大的颜色成份的非饱和色；按其它比例混合，便产生近似比重大的颜色成份的非饱和色；若若任任何何两两个个非非补补色色相相混混合合，便便产产生生中中间间色色，中中间间色色的的色色调调及及饱饱和和度随这两种颜色的色调及相对数量不同而变化。度随这两种颜色的色调及相对数量不同而变化。(3)颜颜色色外外貌貌相相同同的的光光,不不管管它它们们的的光光谱谱组组成成是是否否一一样样,在在颜颜色色混混合合中具有相同的效果。即凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。中具有相同的效果。即凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。(4)混混合合色色的的总总亮亮度度等等于于组组成成混混合合色色的的各各种种颜颜色色光光的的亮亮度度总总和和 亮亮度相加定律。度相加定律。5.1 5.1 颜色匹配颜色匹配颜色匹配颜色匹配 颜色的代替律颜色的代替律颜色的代替律颜色的代替律：两两两两个个个个相相相相同同同同的的的的颜颜颜颜色色色色各各各各自自自自与与与与另另另另外外外外两两两两个个个个相相相相同同同同的的的的颜颜颜颜色色色色相相相相加加加加混混混混合合合合后，颜色仍相同。用公式表示为后，颜色仍相同。用公式表示为后，颜色仍相同。用公式表示为后，颜色仍相同。用公式表示为式中符号“”代表颜色相互匹配相减的情况也成立。即相减的情况也成立。即相减的情况也成立。即相减的情况也成立。即一个单位量的颜色与另一个单位量的颜色相同，则这两一个单位量的颜色与另一个单位量的颜色相同，则这两种颜色数量同时扩大或缩小相同倍数则两颜色仍为相同。即种颜色数量同时扩大或缩小相同倍数则两颜色仍为相同。即 根根据据代代替替律律可可知知，只只要要在在感感觉觉上上颜颜色色是是相相同同的的，便便可可以以互互相相代代替替，所所得得的的视视觉觉效效果果是是相相同同的的，因因而而可可以以利利用用颜颜色色混混合的方法来产生或代替所需要的颜色。合的方法来产生或代替所需要的颜色。颜色匹配可用格拉斯曼定律来阐述，还可用代数式和几颜色匹配可用格拉斯曼定律来阐述，还可用代数式和几何图形来表示。用代数式表示色匹配称为颜色匹配方程何图形来表示。用代数式表示色匹配称为颜色匹配方程。5.1 5.1 颜色匹配颜色匹配颜色匹配颜色匹配三、颜色匹配方程三、颜色匹配方程三、颜色匹配方程三、颜色匹配方程其其中中，(C)代代表表被被匹匹配配颜颜色色单单位位，(R)，(G)，(B)代代表表产产生生混混合合色色的的红红、绿绿、蓝蓝三三原原色色单单位位。R，G，B，C分分别别代代表表红红、绿绿、蓝和被匹配色数量。蓝和被匹配色数量。单位长度单位长度(R)(R)、(G)(G)、(B)(B)的选择是任意的的选择是任意的,一种常用的选择方一种常用的选择方式认为相等数量的式认为相等数量的R R、G G、B B混合后产生中性色混合后产生中性色N,N,使代表中性的使代表中性的N N矢量与矢量与R+G+B=1R+G+B=1的单位平面相交于三角形的重心处的单位平面相交于三角形的重心处,则三角则三角形与各坐标轴的交点处为形与各坐标轴的交点处为R=1,G=1,B=1R=1,G=1,B=1。单位平面是个重要的。单位平面是个重要的平面平面,每个颜色矢量与它只能有一交点，交点位置是固定的每个颜色矢量与它只能有一交点，交点位置是固定的,各各交点与原点交点与原点O O的连线的长度为各种颜色矢量的单位长度。的连线的长度为各种颜色矢量的单位长度。四、三刺激值和色品图四、三刺激值和色品图 1 1三刺激值三刺激值三刺激值三刺激值 在颜色匹配实验中，与待测色达到色匹配时所需要的三原色的数在颜色匹配实验中，与待测色达到色匹配时所需要的三原色的数量，称为三刺激值（即颜色匹配方程式的量，称为三刺激值（即颜色匹配方程式的R/G/BR/G/B值值)n n三原色的选定应使任何一种原色不能由其余两种原色相加混合得到。三原色的选定应使任何一种原色不能由其余两种原色相加混合得到。最常用的是红、绿、蓝三原色。最常用的是红、绿、蓝三原色。n n 三刺激值的单位三刺激值的单位(R)R)、(G)(G)、(B)(B)：不是用物理量为单位，而是选用色度不是用物理量为单位，而是选用色度学单位，亦称三学单位，亦称三T T单位。单位。三刺激值的单位确定方法三刺激值的单位确定方法：选选一一特特定定白白光光(W)W)作作为为标标准准,在在颜颜色色匹匹配配实实验验装装置置上上用用选选定定的的R/R/G/BG/B三三原原色色光光相相加加混混合合与与此此白白光光(W)W)相相匹匹配配,达达到到匹匹配配时时,如如测测得得所所需需要要的的三三原原色色光光的的光光通通量量值值(R)R)为为l lR R流流明明；(G)G)为为l lG G 流流明明；B B为为l lB B流流明明。则则将将比值比值l lR Rl lG Gl lB B定为三刺激值的相对亮度单位，即色度学单位。定为三刺激值的相对亮度单位，即色度学单位。5.1 5.1 颜色匹配颜色匹配颜色匹配颜色匹配2 2光谱三刺激值光谱三刺激值 在在颜颜色色匹匹配配实实验验中中,待待测测色色光光也也可可是是某某一一种种波波长长的的单单色色光光(亦亦称称为为光光谱谱色色)，对对应应一一种种单单色色光光可可得得到到一一组组三三刺刺激激值值R R、G G、B B。对对不不同同单单色色光光做做一一系系列列类类似似的的匹匹配配实实验验，可可得得到到对对应应于于各各种种单单色色光光的的三三刺刺激激值值。如如果果将将各各单单色色光光的的辐辐射射能能量量值值都都保保持持为为相相同同(称称为为等等能能光光谱谱)来来做做上上述述一一系系列列实实验验，所所得得到到的的三三刺刺激激值值称称为为光光谱谱三三刺刺激激值值，即即匹匹配配等等能能光光谱谱色色的的三三原原色色数数量量，用用符符号号 表表示示。光光谱谱三三刺刺激激值值又又称称为为颜颜色色匹匹配配函函数数，其其数数值只决定于人眼的视觉特性。匹配方程表示为值只决定于人眼的视觉特性。匹配方程表示为 任何颜色的光都可以看成是不同单色光混合而组成的，任何颜色的光都可以看成是不同单色光混合而组成的，所以光谱三刺激值能作为颜色色度计算的基础。所以光谱三刺激值能作为颜色色度计算的基础。四、三刺激值和色品图四、三刺激值和色品图 3三刺激值的计算公式三刺激值的计算公式（任意色的三刺激值）（任意色的三刺激值）色度学中用三刺激值来表示颜色。根据格拉斯曼颜色混合色度学中用三刺激值来表示颜色。根据格拉斯曼颜色混合的代替律的代替律，混合色的三刺激值为各组成色三刺激值之和，混合色的三刺激值为各组成色三刺激值之和。任意色光都由单色光组成的，如果各单色光的光谱三刺激值预任意色光都由单色光组成的，如果各单色光的光谱三刺激值预先测得，根据混色原理就能计算出该色光的三刺激值来先测得，根据混色原理就能计算出该色光的三刺激值来。计算方法是将待测光的光谱分布函数，按波长加权光计算方法是将待测光的光谱分布函数，按波长加权光谱三刺激值，得出每一波长的三刺激值，再进行积分，就得出谱三刺激值，得出每一波长的三刺激值，再进行积分，就得出该待测光的三刺激值该待测光的三刺激值 积分的波长范围为可见光波积分的波长范围为可见光波段，一般从段，一般从380nm至至760nm 四、三刺激值和色品图四、三刺激值和色品图 4 4色品坐标和色品图色品坐标和色品图 (C C=1)=1)一一个个单单位位的的颜颜色色(C)C)的的色色品品只只决决定定于于三三原原色色的的刺刺激激值值各各自自在在R+G+BR+G+B总总量量中中的的相相对对比比例例 色色品品坐坐标标，用用符符号号r r,g g,b b表表示示。色品坐标与三刺激值之间的关系如下色品坐标与三刺激值之间的关系如下 且色品坐标只有两个自由度四、三刺激值和色品图四、三刺激值和色品图 色品图、色度图标准白光(等能白点):R=G=B=1r=0.333,g=0.333 5.2 CIE 19315.2 CIE 1931标准色度系统标准色度系统 颜颜色色的的定定量量计计算算问问题题：颜色匹配方程和计算任一颜色三刺激值必须测得人眼的光谱三刺激值，将辐射光谱与人眼颜色特性相联。可可能能性性：实验证明不同观察者视觉特性有差异，但对正常颜色视觉的人差异不大，故可根据一些观察者的颜色匹配实验，确定一组匹配等能光谱色的三原色数据“标准色度观察三刺激值。”困困难难性性：由于选用的三原色不同及确定三刺激值单位的方法不一致，因而数据无法统一。CIE(国国际际照照明明学学会会)工工作作：1931年在CIE第8次会议统一了实验结果,提出了CIE标准色度观察者和色品坐标系统；并规定了三种标准光源(A,B,C)；对测量反射面的照明观测条件进行了标准化。建立起CIE 1931标准色度系统，奠定了现代色度学的基础。CIE 1931-RGB系统建立在莱特(W.D.Wright)和吉尔德(J.Guild)的颜色匹配实验基础上：莱特在2圆形视场内,选择650nm(R)/530nm(G)/460nm(B)三单色光作为三原色匹配等能光谱。三刺激值单位为：相等数量的G和B原色匹配494nm的蓝绿色,相等数量的R和G原色匹配582.5nm的黄色,得出相对亮度单位为lR:lG:lB。由10名观察者在目视色度计实验,测得光谱三刺激值数据。吉尔德在目视测色计上由7名观察者做了类似的匹配实验。观察视场是2，选用三原色波长为630nm，542nm，460nm，三刺激值单位以三原色相加匹配NPL(英国国家物理实验室的缩写)白色光源，认为三原色的刺激值相等定出相对亮度单位为lR:lG:lB，测得光谱三刺激值数据。一、CIE 1931-RGB系统两实验的平均值定出匹配等能光谱色的RGB三刺激值,用 表示，称为“CIE 1931 RGB系统标准色度观察一刺激值”，简称“CIE 1931 RGB系统标准色度观察者”，代表人眼2视场的平均颜色视觉特性，称为CIE 1931-RGB色度系统。CIE将三原色转换成700nm(R)/546.1nm(G)/435.8nm(B),以相等数量的三原色刺激值匹配等能白光(又称为E光源)确定三刺激值单位,发现两个实验经坐标变换后在新色品图上的结果基本一致。因此,1931年CIE采用CIE所做的修正在在色色品品图图中中偏偏马马蹄蹄形形曲曲线线是是所所有有光光谱谱色色色色品品点点连连接接起起来来的轨迹称为光谱轨迹。的轨迹称为光谱轨迹。三原色选700nm/546.1nm/435.8nm单色光是因为700nm是可见光谱的红色末端，516.1nm和435.8nm为明显的汞谱线，三者都能比较精确地产生出来。经实验和计算确定，匹配等能白光的(R)，(G)，(B)三原色CIE所做的修正单位的亮度比率为 1.0000 4.5907 0.0601辐亮度比率为 72.0962 1.3791 1.0000 光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系为光光谱谱三三刺刺激激值值和和光光谱谱轨轨迹迹的的色色品品坐坐标标有有很很大大一一部部分分出出现现负负值值。其其物物理理意意义义可可从从匹匹配配实实验验的的过过程程中中来来理理解解。当当投投射射到到半半视视场场的的某某些些光光谱谱色色,用用另另一一半半视视场场的的三三原原色色来来匹匹配配时时,不不管管三三原原色色如如何何调调节节都都不不能能使使两两视视场场颜颜色色达达到到匹匹配配,只只有有在在光光谱谱色色半半视视场场内内加加入入适适量量的的原原色色之之一一才才能能达达到到匹匹配配，加加在在光光谱谱色色半半视视场场的的原原色色用用负负值值表表示示，于于是是出出现现负负色色品品坐坐标标值值。色色品品图图的的三三角角形形顶顶表表示示红红(R)(R)、绿绿(G)(G)、蓝蓝(B)(B)三三原原色色；负负值值的的色色品品坐坐标标落落在在原原色色三三角角形形之之外外；在在原原色色三三角角形形以以内内的的各各色色品品点点的的坐坐标为正值标为正值。存在的问题存在的问题二、二、二、二、CIE 1931CIE 1931标准色度系统标准色度系统标准色度系统标准色度系统 CIE CIE 1931-RGB1931-RGB系系统统是是从从实实验验得得出出的的,可可用用于于色色度度学学计计算算,但但计计算算中中会会出出现现负负值值,用用起起来来不不方方便便,又又不不易易理理解解,故故19311931年年CIECIE推推荐荐了一个新的国际通用的色度系统了一个新的国际通用的色度系统 CIE 1931 CIE 1931XYZXYZ系统。系统。在在CIE CIE 1931RGB1931RGB系系统统的的基基础础上上,CIE CIE 19311931标标准准色色度度系系统统改改用用三三个个假假想想的的原原色色X X、Y Y、Z Z建建立立了了一一个个新新的的色色度度系系统统。其其匹匹配配等等能能光光谱谱的的三三刺刺激激值值定定名名为为“CIE CIE 19311931标标准准色色度度观观察察者者光光谱谱三三刺刺激激值值”，简称为，简称为“CIE 1931CIE 1931标准色度观察者标准色度观察者”。二、二、二、二、CIE 1931CIE 1931标准色度系统标准色度系统标准色度系统标准色度系统 1.1.假想三原色的确定假想三原色的确定A.规定(X)、(Z)两原色只代表色度，没有亮度，光度量只与三刺激值Y成比例。XZ线称为无亮度线，它在r-g 色品图上的方程应满足零亮度线的条件。(R),(G),(B)三原色的相对亮度比 假设在色品图上某一颜色的色品坐标为r，g，b，则它的亮度方程可写成 如果颜色在无亮度l(C)=0线上，则整理后得XZ线的方程为r+g+b=1B.系统中光谱三刺激值全为正值。为此选择三原色时，必须使三原色所形成的颜色三角形能包括整个光谱轨迹。即整个光谱轨迹完全落在X，Y，Z所形成的虚线三角形内。C.光谱轨迹从540nm附近至700nm，在RGB色品图上基本是一段直线，用这段线上的两个颜色可混合得到两色之间的各种光谱色，新的XYZ三角形的XY边应与这段直线重合，这样能使计算简便，因为在这段线上光谱轨迹只涉及(X)原色和(Y)原色的变化，不涉及(Z)原色。边的方程为二、二、二、二、CIE 1931CIE 1931标准色度系统标准色度系统标准色度系统标准色度系统 D.YZ边取与光谱轨迹波长503nm点相切的直线，其方程为 E.假想三原色、在RGB系统中的坐标(X)：r=1.2750，g=-0.2778，b=0.0028(Y)：r=-17392，g=2.7671，b=-0.0279(Z)：r=-0.7431，g=0.1409，b=1.6022在x-y图中的坐标是(X)：x=1，y=0，z=0(Y)：x=0，y=1，z=0(Z)：x=0，y=0，z=1 二、二、二、二、CIE 1931CIE 1931标准色度系统标准色度系统标准色度系统标准色度系统 确定三个原色坐标之后，还必须选择一种标准白，以确定三刺激值的单位。XYZ系统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。等能白点在r-g坐标系统内为:r=0.3333，g=0.3333在x-y坐标系统内为:x=0.3333，y=0.3333 F.采用坐标转换的方法，可得XYZ系统和RGB系统三刺激值间及色品坐标的关系二、二、二、二、CIE 1931CIE 1931标准色度系统标准色度系统标准色度系统标准色度系统 CIE 1931标准色度观察者CIE 1931CIE 1931标准色度系统的特点标准色度系统的特点由于在XYZ选择原色时就考虑到只有Y值既代表色品又代表亮度,而X，Z只代表色品，所以 函数曲线与明视觉光谱光视效率 一致，即。CIE 1931标准色度观察者的数据适用于2视场的中央视觉观察条件(视场在14范围内),主要是中央窝锥体细胞起作用对极小面积的颜色的观察不再有效;对于大于4视场的观察面积,另有10视场的“CIE 1964补充标准色度观察者数据”CIE1931标准色度观察者的色品图是马蹄形的，假想的三原色(X)为红原色，(Y)为绿原色，(Z)为蓝原色。它们都落在光谱轨迹的外面，在光谱外面的所有颜色都是物理上不能实现的。光谱轨迹曲线以及连接光谱两端点的直线所构成的马蹄形内包括了一切物理上能实现的颜色。靠近波长末端700-770nm的光谱波段具有一个恒定的色品值，,即在色品图上只由一个点来代表。光谱轨迹540700nm这一段是一条与XY边基本重合的直线。在这段光谱范围内的任何光谱色都可通过540nm和700nm二种波长的光以一定比例相加混合产生。光谱轨迹380540nm一段是曲线，其间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，而只能产生光谱轨迹所包围面积内的混合色。光谱轨迹上的颜色饱和度最高。图上的C和E代表的是CIE标准光源C和等能白光E，等能白光E点位于XYZ颜色三角形的中心处。图上越靠近C或E点的颜色饱和度越低。CIE 1931CIE 1931标准色度系统的特点标准色度系统的特点连接色度点400nm和700nm的直线称为紫红轨迹，亦称紫线。因为将400nm的蓝色刺激与700nm的红色刺激混合后会产生紫色。y=0的直线(XZ)与亮度没有关系，即无亮度线。光谱轨迹的短波段紧靠这条线，意味着虽然短波端的光能够引起标准观察者的反应，但380400nm波长的辐通量在视觉上引起的亮度感觉很低。CIE 1931CIE 1931标准色度系统的特点标准色度系统的特点由于三原色选择不同，以及规定三原色刺激值单位的方法不同会出现许多不同的色度系统，任何两个色度系统都可以互相转换，转换方法实质上是一个坐标转换的问题。令(X)、(Y)、(Z)代表新系统的三原色，(R)、(G)、(B)代表旧系统的三原色。据格拉斯曼定律可知，每单位新的原色可以由旧的三原色相加混合得到，可用下列方程组表示三、色度系统的转换式中，Ri，Gi，Bi(i=x,y,z)为匹配单位(I)原色所需要的旧三原色三刺激值。某一颜色C在旧系统和新系统中的颜色方程分别为 得到旧系统与新系统三刺激值之间矩阵形式的关系只要求得Rx，Gx，Bx，Bz九个系数，则两系统三刺激值的转换关系就可确定。三、色度系统的转换通通常常,往往往往知知道道新新系系统统三三原原色色在在旧旧坐坐标标系系统统中中的的色色品品坐坐标标：r rx x，g gx x，b bx x，r ry y，g gy y，b by y，r rz z，g gz z，b bz z，则，则 式中，式中，如如果果知知道道一一种种颜颜色色(例例如如参参照照白白)在在新新旧旧坐坐标标系系统统中中的的三三刺刺激激值值R R0 0，G G0 0，B B0 0和和X X0 0，Y Y0 0，Z Z0 0，代入上式就可求得，代入上式就可求得C Cx x，C Cy y，C Cz z。三、色度系统的转换通通常常,往往往往知知道道新新系系统统三三原原色色在在旧旧坐坐标标系系统统中中的的色色品品坐坐标标：r rx x，g gx x，b bx x，r ry y，g gy y，b by y，r rz z，g gz z，b bz z，则，则 式中，式中，如如果果知知道道一一种种颜颜色色(例例如如参参照照白白)在在新新旧旧坐坐标标系系统统中中的的三三刺刺激激值值R R0 0，G G0 0，B B0 0和和X X0 0，Y Y0 0，Z Z0 0，代入上式就可求得，代入上式就可求得C Cx x，C Cy y，C Cz z。三、色度系统的转换新旧三刺激值之间的转换式是线性齐次变换色品坐标的转换色品坐标的转换 三、色度系统的转换r+g+b=1，x+y+z=1 色品坐标的转换是平面影射变换 确定变换关系式必须确定9个系数，9个系数中8个是独立的，计算时可指定任1个系数为某一常量，其余8个系数随此常量大小同时扩大或缩小，不影响颜色的色品。两个方程有8个未知量，故必须找到4个已知点在新旧坐标系统中的对应坐标值，联立求解8个方程。一般地，4个已知点选择3个原色点及参照白点。三、色度系统的转换5.3 CIE 19645.3 CIE 1964补充标准色度系统补充标准色度系统 CIE 1931标准色度系统建立后,经过多年实践证明,CIE 1931标准色度观察者的数据代表了人眼2视场的色觉平均特性。但是，当观察视场增大到4以上时，某些研究者从实验中发现在波长380nm至460nm区间内数值偏低。这是由于大面积视场观察条件下，杆体细胞的参与以及中央窝黄色素的影响，颜色视觉会发生一定的变化。日常观察物体时视野经常超过4范围，因此，为了适应大视场颜色测量的需要，CIE在1964年规定了一组“CIE 1964补充标准色度观察者光谱三刺激值”简称为“CIE 1964补充标准色度系统”，也叫做10视场X10Y10Z10色度系统。1.1.数据来源数据来源 建立在斯泰尔斯(W.S.Stiles)与伯奇(J.M.Burch)以及斯伯林斯卡娅(N.I.Speranskaya)两项颜色匹配实验基础上。n斯泰尔斯和伯奇用49名观察者在10视场目视色度计上进行匹配实验。三原色分别为645.2nm(R),526.3nm(G),444.4nm(B)的单色光。为了避免杆状细胞的参与，使用高亮度的颜色刺激。测出补充标准色度观察者大视场匹配等能光谱的三刺激值。n斯伯林斯卡娅用18名观察者(后增加到27名)，10视场角，为消除麦克斯韦圆斑的影响，将视场中心部分(2范围)遮住。实验亮度较低,约为前者亮度的1/301/40,没有排除杆状细胞作用。三原色分别是(R)640 nm，(G)545nm，(B)465nm单色光。测出大视场光谱三刺激值，并将实验数据转换成三原色波长为645.2nm(R),526.3nm(G),444.4nm(B)数据。n贾德(Judd)将两项实验进行加权处理,按观察者数给予斯泰尔斯和伯奇结果以较大的加权量(31),对斯伯林斯卡娅结果作了杆体细胞的修正。确定了1964年CIER10G10B10系统的补充标准色度观察者光谱三刺激值。.CIE 1964补充标准色度系统 将 三刺激值转换成CIE标准色度系统的标准色度观察者光谱三刺激值 。转换关系如下 CIE 1964补充标准色度观察者 当观测或匹配颜色样品的视场角度在410时,采用“CIE 1964补充标准色度观察者”；当观测或匹配颜色样品的视场角度在24时采用“CIE 1931标准色度观察者”的数据。19311931与与19641964色品图的差别色品图的差别 光谱轨迹在形状上很相似,但相同波长的光谱色在各自的光谱轨迹上的位置有相当大的差异。例如，在490nm500nm一带，两张图上的坐标值在波长上相差达50nm以上，其他相同波长的坐标值也都有差异，仅只在600nm处的光谱色坐标值大致相近。两张色品图上唯一重合的色品点就是等能白点。曲线在曲线在400500nm 400500nm 区域高于区域高于2 视场的视场的 ，表明视网膜上中央窝以外表明视网膜上中央窝以外的区域对短波光谱有更高的区域对短波光谱有更高的感受性。的感受性。人人眼眼在在小小视视场场观观察察颜颜色色时时，辨辨别别颜颜色色差差异异的的能能力力较较低低。当当观观察察视视场场从从2 2 增增大大至至1010 时时，颜颜色色匹匹配配的的精精度度随随之之提提高高。但但视视场场再再进进一一步步增增大大，颜颜色色匹匹配配精度就难以再提高。精度就难以再提高。黑体轨迹黑体轨迹黑体轨迹上的各点代表不同温度的黑体的光色，温度由接近1000K开始升高时，颜色由红向蓝变化。因此人们就用黑体对应的温度表示它的颜色。5.4 CIE5.4 CIE色度计算方法色度计算方法一、色品坐标的计算一、色品坐标的计算1.三刺激三刺激的计算的计算的计算的计算 计算颜色的色品坐标必须先求得颜色的三刺激值。CIE色度系统三刺激值计算公式为 可见光波段380nm760nm=10nm=5nm()称为颜色刺激函数，即进入人眼产生颜色感觉的光辐射能量。被测物体是自发光体时，()为发光物体辐射的相对光谱功率分布。被测物体是非自发光物体时，透明体或不透明体的颜色刺激函数()分别为 式中，()为物体的光谱透射比；()为物体的光谱辐亮度因数；()为物体的光谱反射比；S()照明光源的相对光谱功率分布，一般采用CIE规定的标准照明体，例如物体在日光下观察时可用D65或B、C照明体，而在灯光下观察时可用A照明体。CIE规定的标准色度观察者的光谱三刺激值。计算时采用 完全由被测物体要求人眼观察的视角所决定,当要求人眼观察的视角为14时采用 ；当要求人眼观察的视角在410之间则采用 。2.色品坐标的计算色品坐标的计算 实际工作中，首先必须用光谱辐射计测得光源的相对光谱功率分布(对自发光体)或用分光光度计算测得物体的光谱反射比或光谱透射比(对非自发光物体)，再根据CIE推荐的标准照明体数据和标准色度观察者的光谱三刺激值数据，编写计算程序，可十分方便地得到样品的色品坐标值。二、颜色相加的计算二、颜色相加的计算 当两种已知色品坐标和亮度值的颜色相加混合后，混合色的色品坐标可用计算法和作图法求得。1 1计算法计算法 提示：混合色的色品坐标与已知色的色品坐标之间没有线性叠加的关系。而混合色的三刺激值与已知色之间存在着线性叠加的关系。三刺激值色品坐标先分别求出单个样品的三刺激值样品的三刺激值相加，求出混合色的三刺激值，即当已知颜色的色品坐标x,y及亮度Y时,则颜色三刺激值2.2.作图法作图法 在CIE x-y色品图上，两种颜色相加产生的第三种颜色总是位于连接此两种颜色的直线上。新颜色在直线上的位置决定于这两种颜色的三刺激值总和的比例。图中P为颜色1，Q为颜色2，M为PQ的混合色。C1和C2分别为颜色1和2的三刺激值之和C1X1Y1Z1C2X2Y2Z2根据重力中心定律表示QM的距离与C2成反比，即在混合色中C2所占的比例越大，QM的距离越短。三、三、主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度 CIE CIE推荐的色品表示法(1)主波长主波长 颜色S1的主波长是指波长d的光谱色按一定比例与一种确定的参照光源相加混合，能匹配出颜色S1。并不是所有的颜色都有主波长，色品图中连接白点和光谱轨迹两端点所形成的三角形区域内各色品点都没有主波长。为此,引入补色波长概念,即一种颜色S2的补色波长是指c的波长光谱色与适当比例的颜色S2相加混合，能匹配出某一种确定的参照白光。三、三、主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度 CIE CIE推荐的色品表示法 如果已知样品的色品坐标x-y和特定白光的色品坐标为xw,yw,则可用两种方法决定样品的主波长和补色波长。A.作图法作图法 在色品图上标出样品点S1和白点(O点),由O点向S1引一直线,延长直线与光谱轨迹相交于L点，L点的光谱色波长就是样品的主波长d(S1的d=583nm)。在色品图上标出样品S2的位置，由S2点向O点引一直线，延长与光谱轨迹相交，交点处的光谱色波长就是样品的补色波长c(S2的c=530nm)。三、三、主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度 CIE CIE推荐的色品表示法B.计算与查表法计算与查表法 连接白点(xw,yw)与样品点(x,y)的直线斜率可表示为 斜率=或者 斜率=在这两个斜率中选较小的绝对值，查附表2-11求得样品的主波长或补色波长。颜色的主波长大致相当于颜色知觉中颜色色调颜色的主波长大致相当于颜色知觉中颜色色调 三、三、主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度 CIE CIE推荐的色品表示法(2)兴奋纯度与色度纯度兴奋纯度与色度纯度 色纯度指样品的颜色同主波长光谱色接近的程度。色纯度有兴奋地纯度和色度纯度两种表示法。A.兴奋纯度兴奋纯度 兴奋纯度用CIE x,y色品图上两个线段的长度比表示。第一线段是白点到样品点的距离OS1(见图5-14)，第二线段是白点到主波长点的距离OL，以符号Pe=OS1/OL；对补色波长的点Pe=OS2/OP。颜色兴奋纯度表示主波长的光谱色被白光冲淡的程度，实质上也是表示主波长光谱色的三刺激值在样品三刺激值中所占的比重。可表示为三、三、主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度 CIE CIE推荐的色品表示法Pe也可用色品坐标来计算 式中，x,y代表光谱轨迹(主波长时)或连接光谱两端的直线紫红轨迹上(补色波长时)的色品坐标。计算自发光体主波长和兴奋纯度时通常选用等能白(E点)作为白点，对于非发光体的物体色则用CIE标准照明体作为参照白光(如A，B，C，D65),样品的主波长和兴奋纯度随所选用的白点不同会出现不同的结果。三、三、主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度主波长和色纯度 CIE CIE推荐的色品表示法B.色度纯度色度纯度 当样品颜色的纯度用亮度的比例表示时,称为色度纯度Pc,表示主波长的光谱色在样品中所占亮度的比重。式中，Y为主波长光谱色的亮度；Y为样品色的亮度。色纯度大致相当于颜色知觉中的色饱和度，但并不完全相同，因为色品图上色纯度相等点的色知觉并不完全对应于饱和度相等点的色知觉。用主波长和色纯度表示颜色色品比只用色品坐标表示颜色色品的优点在于能给人以具体的印象，能表明颜色的色调及饱和度的大致情况。5.5 均匀颜色空间 颜色的三刺激值不同，则颜色的外貌不同，但两种颜色的三刺激值差相同是否代表人感觉到的色知觉差异色差相同呢？实验证明：三刺激值差相同的两种颜色随两种颜色的不同而引起人的色知觉差异是不同的，对某两种颜色会感到有很大的差异，但同样的三刺激值差对另外两种颜色可能会感到色知觉差异很小。因此，需要寻找一个均匀颜色空间，在这个三维空间中，每个点代表一种颜色，空间中两点之间的距离代表两种颜色的色差，空间中相等的距离能代表相同的色差。为了解决这个问题，CIE对人眼的辨色能力做了大量的研究工作，得到了几种不同的均匀颜色空间。5.5.1 5.5.1 颜色分辨力颜色分辨力 确定色差必须对人眼的颜色分辨能力进行研究。颜色知觉特性包括明度、色度、饱和度三方面，后两方面合称为色品。(1)光亮度分辨力光亮度分辨力 色品相同但光亮度有差异的两种色光亮度分别为L、L+L,分别照射在实验装置的两半视场内,人眼恰能分辨出两个半视场光亮度不同时的L值称为光亮度差阈,也就是人眼的光亮度分辨力。如果L0,则L为刚能从黑暗中分辨出环境的最小光亮度,称为光亮度绝对阈,是能感知光亮度的最低极限值,对中央凹锥状细胞的光亮度绝对阈约为10-3 cd/m2，而对杆状细胞可达到10-6cd/m2。5.5.1 5.5.1 颜色分辨力颜色分辨力(2)波长和色纯度的分辨力波长和色纯度的分辨力 对亮度相同但波长不同的单色光波长分辨力可用专门装置测量。实验表明：光谱两端分辨力最差，特别在红端680nm以上,几乎不能分辨出差别。光谱中部的分辨力较高,尤其在蓝绿色490nm和黄色590nm左右分辨力最强,590nm附近约为1nm。如果色纯度降低，波长分辨力一般随之降低，只是蓝紫端随纯度变化与其它部分有些不同。波长分辨力随视场的增大而升高，10视场的波长分辨力比2视场高3倍。2视场时整个可见光谱上人眼能分辨出约150种颜色，而在10视场时可分辨出400至500种颜色。5.5.1 5.5.1 颜色分辨力颜色分辨力 人眼的色纯度分辨力实验:要测定白光(Pc=0)加色光后的分辨力(即低色纯度时的纯度分辨力)，可用色光亮度L和L-L分别照射在色度计的两半视场中，然后在L-L一边加单色光亮度L，使两边亮度相等，如果两边恰可分辨出不同的色光，所测定的即在白光时的色纯度分辨力Pc=L/L。实验证明：短波端的色纯度分辨力最好，400nm时Pc=0.001即能被人眼所分辨，即白光中加入千分之一亮度的色光，就可被认为不是白光。黄波段以570nm为最差，Pc=0.05。布里克韦德测量结果布里克韦德测量结果低色纯度时的色纯度分辨力低色纯度时的色纯度分辨力5.5.1 5.5.1 颜色分辨力颜色分辨力 近单色光时(Pc=1)的色纯度分辨力很有规则，几乎所有单色光中只需加百分之二左右的白光后人眼就能分辨出颜色变化。所以冲淡单色光时的Pc总是大致等于0.02。其它色纯度的分辨力，色纯度分辨力最差的是黄绿色(570nm)，最佳的是在光谱两端，尤其是紫蓝端。(3)色品分辨力色品分辨力 颜色之间的差异是它们三者变化的综合结果，故需研究综合分辨能力，尤其是颜色的色品分辨力。当每一种颜色在色品图上的位置变化很小时，人眼往往感觉不出颜色的变化，只有当坐标位置变化到一定范围时，人眼才能感觉出颜色的变化。把人眼感觉不出颜色变化的范围称为颜色的宽容量(或称恰可察觉差,简写j.n.d)，反映出人眼的色品分辨力。5.5.1 5.5.1 颜色分辨力颜色分辨力莱莱特特实实验验：图上各个直线段代表了不同位置上颜色的宽容量(为制图方便，图中线段长度比实际宽容量放大3倍)。麦麦克克亚亚当当实实验验：在CIE x-y色品图上不同位置选择了25个色品点,以色品点为中心,测定5至9个方向上的颜色匹配范围,用颜色匹的标准偏差定出颜色的宽容量，连成代表颜色宽容量的近似椭圆(图中椭圆按实验结果放大10倍绘制)。5.5.1 5.5.1 颜色分辨力颜色分辨力 莱特和麦克亚当的实验结果基本相似。在色品图不同位置颜色的宽容量不一样，蓝色部分宽容量最小，绿色部分最大。即在色品图上蓝色部分的同样空间内，人眼能看出更多种类的蓝色；