第8讲(1) CIE标准色度系统

1、第五章色度学的技术基础第五章色度学的技术基础(CIE(CIE标准色度系统标准色度系统) )廖宁放廖宁放 .北京理工大学颜色科学与工程国家专业实验室北京理工大学颜色科学与工程国家专业实验室第五章色度学的技术基础第五章色度学的技术基础 引言引言5.1 颜色的基本术语颜色的基本术语5.2 颜色匹配颜色匹配5.3 CIE 1931标准色度系统标准色度系统 5.4 CIE 1964补充标准色度系统补充标准色度系统 5.CIE色度计算方法色度计算方法5.7 同色异谱程度的评价同色异谱程度的评价5.8 CIE光源显色指数计算方法光源显色指数计算方法5.9 其它表色系统其它表色系统

2、 引引 言言 光源色与物体色光源色与物体色2. 人眼的色视觉模型人眼的色视觉模型3. 色度学的研究内容色度学的研究内容 引引 言言光源色与物体色光源色与物体色引引 言言光源色与物体色光源色与物体色菩萨蛮大柏地 毛泽东 1933年夏 赤橙黄绿青蓝紫，赤橙黄绿青蓝紫， 谁持彩练当空舞？谁持彩练当空舞？ 雨后复斜阳，雨后复斜阳， 关山阵阵苍。关山阵阵苍。 当年鏖战急，当年鏖战急， 弹洞前村壁。弹洞前村壁。 装点此关山，装点此关山， 今朝更好看。今朝更好看。 引引 言言光源色与物体色光源色与物体色引引 言言光源色与物体色光源色与物体色引引 言言光源色与物体色光源色与物体色光源 光谱分布特性观察者 眼睛

3、和大脑物体 吸收和反射（透射）特性光光眼睛和大脑眼睛和大脑物体物体引言引言-人眼的色视觉模型人眼的色视觉模型引言引言-人眼的色视觉模型人眼的色视觉模型黑/白引言引言-人眼的色视觉模型人眼的色视觉模型黑/白三三色色模模型型引言引言-人眼的色视觉模型人眼的色视觉模型概述概述黑/白四色四色(对立色对立色Opponent-color)模型模型引言引言-人眼的色视觉模型人眼的色视觉模型黑/白红绿色盲测试红绿色盲测试引言引言-人眼的色视觉模型人眼的色视觉模型黑/白红绿色盲测试红绿色盲测试引言引言-人眼的色视觉模型人眼的色视觉模型黑/白黄蓝色盲测试黄蓝色盲测试颜色光学颜色光学颜色化学颜色化学颜色生理颜色生理

4、颜色心理颜色心理颜色艺术颜色艺术 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容1818世纪，牛顿揭示颜色的本质：光本身没有颜色、色环概念世纪，牛顿揭示颜色的本质：光本身没有颜色、色环概念19世纪，世纪，Young-Helmholtz , 提出并发展了提出并发展了 “ 三原色三原色”理论。理论。Grassmann 提出颜色的混合定律提出颜色的混合定律19世纪末，世纪末，Hering, 提出提出“ 对立色对立色”（四色说）理论模（四色说）理论模型型(20世纪后期，出现阶段性世纪后期，出现阶段性“ 视觉模型视觉模型”)1931:CIEXYZ色度系统; 197

5、6:CIEL*a*b*;20世纪初，Munsell色序系统，随后有NCS色序系统等二十世纪80年代：色貌模型研究:CIECAM02；图貌模型iCAM; ICC数字颜色管理系统CMS色度学的定义色度学的定义(Colorimetry, Chromatics )=(Colorimetry, Chromatics )=研究颜色度量和评价方法的一门科学研究颜色度量和评价方法的一门科学 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容GRB亮度亮度长度长度时间时间重量重量 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容GRB 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容三基色三基色 空间空间 引引 言言色度学的研究内

6、容色度学的研究内容(三属性三属性:HSI, HSV，HSB ，HLS)GRB 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容三属性三属性 空间空间(HSI, HSV，HSB ，HLS)孟塞尔(Munsell)色标系统 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容自然色(NCS) 色标系统 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容YUV, YIQ（模拟电视）模拟电视）,YCbCr (数字电视)色度与亮度分离空间 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容CIE1931 标准色度系统CIE 1931(三基色三基色) 空间空间 引引 言言色度学的研究内容色度学的研究内容北京理工大学北京理工大学颜色科学理

7、论与技术课程体系颜色科学理论与技术课程体系本科生：本科生：辐射度、光度与色度及其测量辐射度、光度与色度及其测量（三度学）（三度学） 硕士生：硕士生：色度学色度学 （必修）（必修） 数字颜色技术数字颜色技术 （选修）（选修） 博士生：博士生： 数字图文图像颜色管理系统概论数字图文图像颜色管理系统概论 （数字颜色管理（数字颜色管理 ） 全校选修课：颜色科学及其应用全校选修课：颜色科学及其应用 引言引言国际颜色科学学术组织国际颜色科学学术组织国际照明委员会国际照明委员会CIE :下设下设8个专业技术委员会个专业技术委员会 第第1分部：分部：Vision and Color 第第8分部：分部：Imag

8、ing Technology国际色彩学会国际色彩学会AIC国际色彩联盟国际色彩联盟ICC CIE: Commission Internationale de LEclairage（法）（法） International Commission on Illumination （英）（英） CIE的总部位于奥地利维也纳的总部位于奥地利维也纳引言引言中国颜色科学领域的学术机构中国颜色科学领域的学术机构 中国照明学会中国照明学会（ CIE CHINA） 第第1分部：视觉与颜色：分部：视觉与颜色： 第第8分部：图像技术专业委员会：分部：图像技术专业委员会：中国光学学会颜色专业委员会中国光学学会颜色专业委

9、员会：全国颜色标准化委员会：全国颜色标准化委员会： 引言引言第五章色度学的技术基础第五章色度学的技术基础5.1 颜色的基本术颜色的基本术语语关于颜色术语可以参阅关于颜色术语可以参阅CIE出版物色度学和我国国家出版物色度学和我国国家标准标准GB5698颜色术语及其它文献。颜色术语及其它文献。1. 颜色颜色：目视感知的一种属性，它可以用一些颜色名：目视感知的一种属性，它可以用一些颜色名称进行描述，例如白、黑、灰、黄、红、绿等等称进行描述，例如白、黑、灰、黄、红、绿等等(1995) 。颜色颜色：光：光 作作 用用 于于 人人 眼引起除眼引起除空间属性空间属性以外的视觉特性。以外的视觉特性。用色名或色

10、的三属性来表示的视觉特性用色名或色的三属性来表示的视觉特性(2001) 。2. 光源色光源色：由光源发射的光的颜色。：由光源发射的光的颜色。3. 物体色物体色：光被物体反射或透射后的颜色。：光被物体反射或透射后的颜色。4. CIECIE标准照明体标准照明体：由由CIE规定的具有特定的相对光谱功规定的具有特定的相对光谱功率分布的一系列率分布的一系列发光体或光源。其中包括：标准照明体。其中包括：标准照明体A、D65、D55、D75。 、E，等，等标标 准准 照照 明明 体体A A：根据国际实用温标而规定的绝对温度为2856K的完全辐射体。标标 准准 照照 明明 体体C C：相关色温约为67 74K

11、 的平均昼光。标标 准准 照照 明明 体体D65D65：相关色温约为65 04K 的平均昼光；标标 准准 照照 明明 体体 D 55D 55： 相关色温约为55 03K 的昼光；标标 准准 照照 明明 体体 D 75D 75： 相关色温约为7504K的昼光;标标 准准 照照 明明 体体 E E： 等能光谱.CIECIE标准照明体标准照明体表示。表示。5. 三刺激值三刺激值Tristimulus values ：在三色系统中，与待测光达：在三色系统中，与待测光达到色匹配所需的三种原刺激的量。到色匹配所需的三种原刺激的量。6. 光谱三刺激值光谱三刺激值：在三色系统中，匹配等能单色辐射的一：在三色系

12、统中，匹配等能单色辐射的一系列三刺激值。在系列三刺激值。在CIE1931和和CIE1964标准表色系统中分别用标准表色系统中分别用xyz,xyz101010,和和7. CIE1931色品坐标色品坐标：三刺激之值与它们之和的比。：三刺激之值与它们之和的比。8. 均匀色空间均匀色空间：能以相同距离表示相同知觉色差的色空间。：能以相同距离表示相同知觉色差的色空间。9. 色差色差：以定量表示的色知觉差异。：以定量表示的色知觉差异。10. 同色异谱同色异谱：具有同样颜色而光谱分布不同的两个色刺激。：具有同样颜色而光谱分布不同的两个色刺激。E11. 色调（色相）色调（色相）( (hue)hue)：表示红、

13、黄、绿、蓝、紫等颜色特性。表示红、黄、绿、蓝、紫等颜色特性。颜色的三属性之一。颜色的三属性之一。1 12.2.明度明度( (lightness)lightness)：物体表面相对明暗的特性。物体表面相对明暗的特性。在同样在同样的照明条件下，以白板作为基准，对物体表面的视知觉特性给的照明条件下，以白板作为基准，对物体表面的视知觉特性给予的分度。颜色的三属性之一。予的分度。颜色的三属性之一。1 13.3.彩度彩度( (chroma)chroma)：某特定颜色的浓淡程度。颜色的三属性之某特定颜色的浓淡程度。颜色的三属性之一。一。Colorfulness or chroma, the perceive

14、d intensity of a specific color .14.14.饱和度饱和度( (saturation)saturation)：按照正比于物体表面的视亮度判断按照正比于物体表面的视亮度判断色浓度的一种目视感知属性，因此可称为相对色浓度。色浓度的一种目视感知属性，因此可称为相对色浓度。Colorfulness, chroma, and saturation are related but distinct concepts referring to the perceived intensity of a specific color. Colorfulness is the di

15、fference between a color against gray. Chroma is the colorfulness relative to the brightness of another color which appears white under similar viewing conditions. Saturation is the colorfulness of a color relative to its own brightness 15.显色性显色性：与参考光源相比较时，光源显现物体颜色的特：与参考光源相比较时，光源显现物体颜色的特性。性。16.显色指数显

16、色指数：光源显色性的度量。以被测光源下物体的颜：光源显色性的度量。以被测光源下物体的颜色和参考光源下物体的颜色的相符程度来表示。色和参考光源下物体的颜色的相符程度来表示。5.2 5.2 颜色匹配颜色匹配 颜色研究的第一阶段，色匹配的研究阶段颜色研究的第一阶段，色匹配的研究阶段一、颜色匹配实验一、颜色匹配实验 颜色可以相互混合，颜色可以相互混合，颜色混合可以是颜颜色混合可以是颜色光的混合，也可色光的混合，也可以染料的混合，这以染料的混合，这两种混合方法是不两种混合方法是不同的，前者称为同的，前者称为加加色混合色混合，后者为颜，后者为颜色色减色混合减色混合。将几。将几种颜色光同时或快种颜色光同时或

17、快速先后刺激人的视速先后刺激人的视觉器官，产生不同觉器官，产生不同于原来颜色的新的于原来颜色的新的颜色感觉，这就是颜色感觉，这就是颜色相加混合的方颜色相加混合的方法。法。 色光的混合加色法色光的混合加色法C= G +B =W-RM= B+ R =W-G Y= R+ G =W-B互补色互补色:Y+B=W 白色白色光三原色：光三原色：R, G, B 色料的混合色料的混合-减色法减色法n色料减色n色料三原色：Y,M,CnY+M=RnM+C=BnC+Y=GnY+M+C=BK二、格拉斯曼定律二、格拉斯曼定律 18541854年格拉斯曼年格拉斯曼( (H Grassmann)H Grassmann)总结出

18、颜色混合的定性性质，总结出颜色混合的定性性质，称为格拉斯曼定律，为现代色度学的建立奠定了基础。称为格拉斯曼定律，为现代色度学的建立奠定了基础。(1) (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。( (例如明度、色调、例如明度、色调、饱和度饱和度) )(2) (2) 在由两个成份组成的混合色中，如果一个成份连续地变化，在由两个成份组成的混合色中，如果一个成份连续地变化，混合色的外貌也连续变化。混合色的外貌也连续变化。若两个成份互为补色，以适当比例混合，便产生白色或若两个成份互为补色，以适当比例混合，便产生白色或灰色，若按其它比例混合，便产生近似比重大的颜色成份的灰色，

19、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；若任何两个非补色相混合，便产生中间色，中间非饱和色；若任何两个非补色相混合，便产生中间色，中间色的色调及饱和度随这两种颜色的色调及相对数量不同而变色的色调及饱和度随这两种颜色的色调及相对数量不同而变化。化。(3) (3) 颜色外貌相同的光，不管它们的颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成光谱组成是否一样，是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。就是说，凡是在视觉上相同在颜色混合中具有相同的效果。就是说，凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。由这一定律导出的颜色都是等效的。由这一定律导出颜色的代替律颜色的代替律：两个相同的颜色各自与另外两个相同的颜

20、色相加混合后两个相同的颜色各自与另外两个相同的颜色相加混合后，颜色仍相同。用公式表示为，颜色仍相同。用公式表示为DCBA,DBCA式中符号式中符号“”代代表颜色相互匹配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DCBA,DBCA一个单位量的颜色与另一个单位量的颜色相同，那么一个单位量的颜色与另一个单位量的颜色相同，那么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。即同。即 BA nBnA 根据代替律可知，只要在感觉上颜色是相同的，便可根据代替律可知，只要在感觉上颜色是相同的，便可以互相代替，所得的视觉效果是相同的，因而可以利

21、用以互相代替，所得的视觉效果是相同的，因而可以利用颜色混合的方法来产生或代替所需要的颜色。例如：颜色混合的方法来产生或代替所需要的颜色。例如：设设 ，如果没有，如果没有B B种颜色，但是种颜色，但是 ，那，那么么 。这个由代替而产生的混合色与原来。这个由代替而产生的混合色与原来的混合色具有相同的效果。的混合色具有相同的效果。(4) (4) 混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度总和，称为总和，称为亮度相加定律亮度相加定律。格拉斯曼定律仅适用于各种颜色光的相加混合过程。格拉斯曼定律仅适用于各种颜色光的相加混合过程。 三、颜色匹配方程三、颜色匹

22、配方程 颜色匹配的结果可用格拉斯曼定律来阐述，还可以颜色匹配的结果可用格拉斯曼定律来阐述，还可以用代数式和几何图形来表示。用代数式和几何图形来表示。用代数式表示的色匹配过程称为用代数式表示的色匹配过程称为颜色匹配方程颜色匹配方程 表示为下列方程表示为下列方程：CBABYXCYXA)()()()()(BBGGRRCC其中其中( (C)C)代表被匹配颜色的单位，代表被匹配颜色的单位，( (R)R)，(G)(G)，(B)(B)代表产代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位。生混合色的红、绿、蓝三原色的单位。R R，G G，B B，C C分别分别代表红、绿、蓝和被匹配色的数量。代表红、绿、蓝和被匹配色的

23、数量。用几何图形表示：用几何图形表示： 四四、三刺激值和色品图、三刺激值和色品图 1 1三刺激值三刺激值 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。也就是颜色匹配方程的三原色的数量，称为三刺激值。也就是颜色匹配方程式中的式中的R R、G G、B B值。值。三原色可以任意选定，但三原色中任何一种颜色不三原色可以任意选定，但三原色中任何一种颜色不能由其余两种原色相加混合得到。最常用的是红、绿、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。蓝三原色。三刺激值的单位三刺激值的单位( (R)R)、(G)(G)、(B)

24、(B)：不是用物理量为单位，不是用物理量为单位，而是选用色度学单位，亦称三而是选用色度学单位，亦称三T T单位。确定方法是：选单位。确定方法是：选一特定白光一特定白光( (W)W)作为标准，在颜色匹配实验装置上用选作为标准，在颜色匹配实验装置上用选定的三原色光定的三原色光( (红、绿、蓝红、绿、蓝) )相加混合与此白光相加混合与此白光( (W)W)相匹配，相匹配，达到匹配时，如测得所需要的三原色光的达到匹配时，如测得所需要的三原色光的光通量值光通量值( (R)R)为为流明；流明；( (G)G)为流明；为流明；B B为流明。则将它们的比值为流明。则将它们的比值 定为三刺激值的定为三刺激值的相对亮

25、度相对亮度单位单位，即色度学单位。，即色度学单位。 RlGlBlBGRlll:2 2光谱三刺激值光谱三刺激值 在颜色匹配实验中，待测色光也可以是某一种波长在颜色匹配实验中，待测色光也可以是某一种波长的单色光的单色光( (亦称为光谱色亦称为光谱色) )，对应一种波长的单色光可以得，对应一种波长的单色光可以得到一组三刺激值到一组三刺激值R R、G G、B B。对不同波长的单色光做一系对不同波长的单色光做一系列类似的匹配实验，可以得到对应于各种波长单色光的列类似的匹配实验，可以得到对应于各种波长单色光的三刺激值。如果将各单色光的辐射能量值都保持为相同三刺激值。如果将各单色光的辐射能量值都保持为相同(

26、 (这样的光谱分布称为这样的光谱分布称为等能光谱等能光谱) )来做上述一系列实验，所来做上述一系列实验，所得到的三刺激值称为得到的三刺激值称为光谱三刺激值光谱三刺激值，也就是匹配等能光，也就是匹配等能光谱色的三原色的数量。用符号谱色的三原色的数量。用符号 表示。光谱三刺表示。光谱三刺激值又称为激值又称为颜色匹配函数颜色匹配函数，它的数值只决定于人眼的视，它的数值只决定于人眼的视觉特性。匹配方程表示为觉特性。匹配方程表示为 )()()(BbGgRrC任何颜色的光都可以看成是不同单色光混合而组成的，所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。以光谱三

27、刺激值能作为颜色色度计算的基础。3 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） )(),(),(bgr在色度学中，我们用三刺激值来表示颜色。根据格拉在色度学中，我们用三刺激值来表示颜色。根据格拉斯曼斯曼颜色混合的代替律颜色混合的代替律 ，可以得出混合色的三刺激值为各，可以得出混合色的三刺激值为各组成色三刺激值之和组成色三刺激值之和 。例如。例如：212121BBBGGGRRR任意色光都是由单色光组成的，如果各单色光的光谱任意色光都是由单色光组成的，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三三刺激值预先测得，根据混色原理就能计算出该

28、色光的三刺激值来刺激值来。计算方法是将待测光的光谱分布函数，按波长加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，权光谱三刺激值，得出每一波长的三刺激值，再进行积分，就得出该待测光的三刺激值就得出该待测光的三刺激值 )(dbkBdgkGdrkR)()()()()()(积分的波长范积分的波长范围为可见光波围为可见光波段，一般从段，一般从380nm至至780nm 4 4色品坐标和色品图色品坐标和色品图 当当C=1，颜色匹配方程颜色匹配方程(5-1)可写成可写成 )()()()(BBGRBGBGRGRBGRRC由方程中可知一个单位的颜色由方程中可知一个

29、单位的颜色( (C)C)的色品只决定于三原的色品只决定于三原色的刺激值各自在色的刺激值各自在R+G+BR+G+B总量中的相对比例，此比值叫做总量中的相对比例，此比值叫做色品坐标色品坐标，用符号表示。色品坐标与三刺激值用符号表示。色品坐标与三刺激值之间的关系如下之间的关系如下 bgr,BGRBbBGRGgBGRRr1bgr且且所以色品坐标只有两个自由度所以色品坐标只有两个自由度色品图色品图: :以色品坐标表示的平以色品坐标表示的平面图称为色品图。面图称为色品图。只只需给出需给出r r 和和g g 坐标就可坐标就可确定颜色在色品图的确定颜色在色品图的位置。位置。 标准白光（标准白光（W）:R =

30、G = B = 1; r = 0.333,g = 0.3335.3 CIE 19315.3 CIE 1931标准色度系统标准色度系统 CIE1931-RGB系统系统;CIECIE1931-XYZ1931-XYZ系统系统; ;CIE1964-XYZ系统系统;CIE1960-UCS均匀色度空间均匀色度空间(David MacAdam);CIE1964-W*U*V*均匀色度空间均匀色度空间;CIE1976-L*u*v*均匀色度空间均匀色度空间;CIECIE1976-L1976-L* *a a* *b b* *均匀色度空间均匀色度空间; ;CIE94色差公式色差公式; CIEDE 2000色差公式色差

31、公式;CIECAM02 色貌模型色貌模型 L, c, h5.3 CIE 1931XYZ5.3 CIE 1931XYZ标准色度系统标准色度系统 (1) (1) 三原色三原色: X ,Y, Z ?; : X ,Y, Z ?; 白场白场:W ?:W ?(2) (2) 标准观察者光谱三刺激值匹配函数标准观察者光谱三刺激值匹配函数 (3) 色度坐标系统色度坐标系统CIE 1931XYZCIE 1931XYZ标准色度系统标准色度系统 (4) 三刺激值计算三刺激值计算5.3 CIE 19315.3 CIE 1931标准色度系统标准色度系统 CIE1931xy色品图CIE1931RGB光谱三刺激值光谱三刺激值

32、匹配函数匹配函数 CIE1931XYZ光谱三刺激值匹配函数 5.3 CIE 19315.3 CIE 1931标准色度系统标准色度系统 关键数据：关键数据： 人眼的光谱三刺激值:由光谱匹配实验获得实验证明不同观察者的视觉特性多少是有差实验证明不同观察者的视觉特性多少是有差异的，但是具有正常颜色视觉的人此差异是不大异的，但是具有正常颜色视觉的人此差异是不大的，故有可能根据一些观察者进行的颜色匹配实的，故有可能根据一些观察者进行的颜色匹配实验，将他们的实验数据加以平均，确定一组匹配验，将他们的实验数据加以平均，确定一组匹配等能光谱色所需要的三原色数据。此数据称为等能光谱色所需要的三原色数据。此数据称

33、为标标准色度观察三刺激值准色度观察三刺激值:。 光谱匹配方法的问题关键：光谱匹配方法的问题关键： 三原色选择、三刺激值单位的统一三原色选择、三刺激值单位的统一 。 1931 1931年在英国剑桥举行的年在英国剑桥举行的CIECIE第第8 8次会议上，统一了实次会议上，统一了实验结果，提出了最早的主要推荐书验结果，提出了最早的主要推荐书CIECIE标准色度观标准色度观察者和色品坐标系统察者和色品坐标系统；并规定了；并规定了三种标准光源(A，B，C)；还对还对测量反射面的照明观测条件测量反射面的照明观测条件进行了标准化。建进行了标准化。建立起立起CIE 1931CIE 1931标准色度系统标准色度

34、系统。从而奠定了现代色度学的。从而奠定了现代色度学的基础。基础。一、一、CIE1931-RGBCIE1931-RGB系统系统数据的来源：数据的来源：CIECIE1931-RGB1931-RGB系统是建立在莱特（系统是建立在莱特（W.D.WrightW.D.Wright）和吉尔德（和吉尔德（J.GuildJ.Guild）两项颜色匹配实验基础上的。两项颜色匹配实验基础上的。莱特（莱特（W.D.WrightW.D.Wright）的实验条件：的实验条件： RGB RGB三原色：三原色：650650nm 530nm 460nmnm 530nm 460nm 视场：视场：2 2 1. 1.三刺激值的单位：三

35、刺激值的单位：相等数量的绿和蓝原色匹配相等数量的绿和蓝原色匹配494nm的蓝绿色，相的蓝绿色，相等数量的红和绿原色匹配等数量的红和绿原色匹配582.5nm的黄色，得出它们的的黄色，得出它们的相对亮度单位为。相对亮度单位为。 吉尔德（吉尔德（J.Guild）的实验条件：的实验条件：RGB三原色：三原色：630nm 542nm 460nm视场：视场：2 三刺激值的单位：三刺激值的单位： 以三原色相加匹配以三原色相加匹配NPL（英国国家物理实验室的缩写）英国国家物理实验室的缩写）白色光源的条件下，认为三原色的刺激值相等定出它们白色光源的条件下，认为三原色的刺激值相等定出它们的相对亮度单位为的相对亮度

36、单位为 CIE所做的统一工作所做的统一工作三原色：三原色：700nm 546.1nm 435.8nm视场：视场：2 BGRlll:BGRlll:三刺激值的单位确定：三刺激值的单位确定： 以相等数量的三原色刺激值匹配出等能白光（又称为以相等数量的三原色刺激值匹配出等能白光（又称为E E光源）来确定三刺激值单位光源）来确定三刺激值单位 。经实验和计算确定，匹。经实验和计算确定，匹配等能白光的（配等能白光的（R），（），（G），（），（B）三原色单位的亮三原色单位的亮度比率为度比率为1.0000：4.5907：0.0601，它们的辐亮度比率，它们的辐亮度比率为为72.0962：1.3791：1.00

37、00 CIE统一的方法：统一的方法：将将J.Guild和和Wright的的两套实验数据进行坐标转换两套实验数据进行坐标转换结果：结果：转换后的数据非常一致，取平均值后得出人眼的转换后的数据非常一致，取平均值后得出人眼的光谱三刺激值，用来表示。这一组函数叫做光谱三刺激值，用来表示。这一组函数叫做“CIE1931-RGB系统标准色度观察者光谱刺激值系统标准色度观察者光谱刺激值”。简称简称“CIE1931-RGB系统标准色度观察者系统标准色度观察者”。 反映的反映的是是2 视场的平均颜色视觉特性。这一系统叫做视场的平均颜色视觉特性。这一系统叫做CIE1931-RGB色度系统色度系统。bgr,光谱三刺

38、激值与光谱色色品坐标的关系式为光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系式为 bgrggbgrrr色品图和色度图色品图和色度图CIE1931-RGB存在的问题存在的问题可看到光谱三刺激值和光谱轨迹的色品坐可看到光谱三刺激值和光谱轨迹的色品坐标有很大一部分出现负值。负值出现的物理意义标有很大一部分出现负值。负值出现的物理意义可以从匹配实验的过程中来理解它。当投射到半可以从匹配实验的过程中来理解它。当投射到半视场的某些光谱色，用另一半视场的三原色来匹视场的某些光谱色，用另一半视场的三原色来匹配时，不管三原色如何调节都不能使两视场颜色配时，不管三原色如何调节都不能使两视场颜色达到匹配，只有在光谱色半视场内加

39、入适量的原达到匹配，只有在光谱色半视场内加入适量的原色之一才能达到匹配，加在光谱色半视场的原色色之一才能达到匹配，加在光谱色半视场的原色就用负值来表示，这就出现负的色品坐标值。色就用负值来表示，这就出现负的色品坐标值。色品图的三角形顶表示红（品图的三角形顶表示红（R R）、）、绿（绿（G G）、）、蓝（蓝（B B）三原色。在色品图上，负值的色品坐标落在原色三原色。在色品图上，负值的色品坐标落在原色三角形之外。在原色三角形以内的各色品点的坐三角形之外。在原色三角形以内的各色品点的坐标为正值。标为正值。CIECIE1931-RGB1931-RGB系统是从实验得出的，可系统是从实验得出的，可以用于色

40、度学计算，但计算中会出现负值，用起以用于色度学计算，但计算中会出现负值，用起来不方便，又不易理解，所以来不方便，又不易理解，所以19311931年年CIECIE推荐了一推荐了一个新的国际通用的色度系统，个新的国际通用的色度系统，CIE1931CIE1931XYZXYZ系统。系统。 二、二、CIE1931-XYZ标准色度系统标准色度系统 n设想设想：在在CIE1931-RGB系统的基础上改用三个假想的原色系统的基础上改用三个假想的原色X、Y、Z建立了一个新的色度系统。将它匹配等能光谱的建立了一个新的色度系统。将它匹配等能光谱的三刺激值，定名为三刺激值，定名为“CIE1931标准色度观察者光谱三刺

41、标准色度观察者光谱三刺激值激值”，简称为，简称为“CIE1931标准色度观察者标准色度观察者”。这一系。这一系统叫做统叫做“CIE1931标准色度系统标准色度系统”或称为或称为“2视场视场XYZ色度系统。色度系统。假想三原色的确定假想三原色的确定1) 规定（规定（X）、（）、（Z）两原色只代表色度，没有亮度，光度两原色只代表色度，没有亮度，光度量只与三刺激值量只与三刺激值Y成比例。成比例。XZ线称为无亮度线，它在线称为无亮度线，它在r-g 色品图上的方程应满足零亮度线的条件。色品图上的方程应满足零亮度线的条件。前面提到（前面提到（R)，(G），），(B）三原色的相对亮度比是三原色的相对亮度比是

42、 ，在色品图上，某一颜色的色品坐标为，在色品图上，某一颜色的色品坐标为r，g，b，则则它的亮度方程可写成它的亮度方程可写成 0601. 0:5907. 4:0000. 1:BGRlllbgrCl0601. 05907. 4)(若无亮度，则方程可写成若无亮度，则方程可写成0)(Cl00601. 05907. 4bgrgrb1因为因为，则，则00601. 00601. 00601. 05907. 4grgr整理后得整理后得X ZX Z线的方程为线的方程为 00601. 05306. 49399. 0gr2 2）在此系统中光谱三刺激值全为正值。要达到此目的在）在此系统中光谱三刺激值全为正值。要达到此

43、目的在选择三原色时，必须使三原色所形成的颜色三角形能包选择三原色时，必须使三原色所形成的颜色三角形能包括整个光谱轨迹。整个光谱轨迹完全落在括整个光谱轨迹。整个光谱轨迹完全落在X X，Y Y，Z Z所形所形成的虚线三角形内。成的虚线三角形内。 3 3）光谱轨迹从）光谱轨迹从540540nmnm附近至附近至700700nmnm，在在RGBRGB色品图上基色品图上基本是一段直线，用这段线上的两个颜色相混合可以得到本是一段直线，用这段线上的两个颜色相混合可以得到两色之间的各种光谱色，新的两色之间的各种光谱色，新的XYZXYZ三角形的三角形的XYXY边应与这边应与这段直线重合，这样能使计算简便，因为在这

44、段线上光谱段直线重合，这样能使计算简便，因为在这段线上光谱轨迹只涉及（轨迹只涉及（X X）原色和（原色和（Y Y）原色的变化，不涉及（原色的变化，不涉及（Z Z）原色。原色。 则边的方程为则边的方程为0199. 0grY ZY Z边取与光谱轨迹波长边取与光谱轨迹波长503503nmnm点相切的直线，其方程点相切的直线，其方程为为 0155. 045. 1gr5) 5)求假想三原色、在求假想三原色、在RGBRGB系统中的坐标系统中的坐标即求三条直线方程的交点，得即求三条直线方程的交点，得（X X）：）：r =1.2750r =1.2750，g =-0.2778g =-0.2778，b =0.00

45、28b =0.0028（Y Y）：）：r =-17392r =-17392，g =2.7671g =2.7671，b=-0.0279b=-0.0279（Z Z）：）：r =-0.7431r =-0.7431，g =0.1409g =0.1409，b =1.6022b =1.6022它们在它们在x-yx-y图中的坐标应是图中的坐标应是（X X）：）：x =1x =1，y =0y =0，z =0z =0（Y Y）：）：x =0 x =0，y =1y =1，z =0z =0（Z Z）：）：x =0 x =0，y =0y =0，z =1 z =1 定了三个原色坐标之后，还必须选择一种标准白，以确定了三

46、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。定三刺激值的单位。XYZ系统是用相等数量的三原色刺系统是用相等数量的三原色刺激值匹配出等能白来定各原色刺激值单位的。等能白点激值匹配出等能白来定各原色刺激值单位的。等能白点在在r-g坐标系统内为坐标系统内为r =0.3333，g =0.3333在在x-y坐标系统内为坐标系统内为x =0.3333，y =0.3333 6)采用坐标转换的方法，可求得采用坐标转换的方法，可求得XYZ系统和系统和RGB系统三系统三刺激值间的关系，得刺激值间的关系，得BGZBGRYBGRX5943. 50565. 000601. 05907. 40000. 1

47、1302. 17517. 17689. 2色品坐标间的关系为：色品坐标间的关系为：bgrbgrzbgrbgrybgrbgrx20063. 113240. 166697. 099000. 001000. 00000. 020063. 113240. 166697. 001063. 081240. 017697. 020063. 113240. 166697. 020000. 031000. 049000. 0说明说明：通过以上两式，可将通过以上两式，可将CIE1931 RGB色度系统的光谱三色度系统的光谱三刺激值数据转换成刺激值数据转换成XYZ系统的值。这套数据定义为系统的值。这套数据定义为“C

48、IE1931标准色度观察者标准色度观察者”。 CIE1931-XYZCIE1931-XYZ标准色度系统的特点标准色度系统的特点(1) 由于在由于在XYZ选择原色时就考虑到只有选择原色时就考虑到只有Y值既代表色品又值既代表色品又代表亮度，而代表亮度，而X，Z只代表色品，所以函数曲线与明只代表色品，所以函数曲线与明视觉光谱光视效率一致，即视觉光谱光视效率一致，即。 (2) CIE1931标准色度观察者的数据适用于标准色度观察者的数据适用于 视场的中视场的中央视觉观察条件（视场在央视觉观察条件（视场在 范围内）范围内），主要是主要是中央窝锥体细胞起作用。中央窝锥体细胞起作用。 (3) 对极小面积的颜

49、色的观察数据无效对极小面积的颜色的观察数据无效 (4) CIE1931标准色度观察者的色品图是马蹄形的，假想的标准色度观察者的色品图是马蹄形的，假想的三原色（三原色（X）为红原色，（）为红原色，（Y）为绿原色，（）为绿原色，（Z）为蓝）为蓝原色。它们都落在光谱轨迹的外面，在光谱外面的所原色。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。理上能实现的颜色。 )(y)(V)()(Vy241CIE x、y色

50、品图的光谱轨迹 在在CIEx、y色品图上，光谱轨迹还表现有如下的颜色视色品图上，光谱轨迹还表现有如下的颜色视觉特点：觉特点：n靠近波长末端靠近波长末端700770nm的光谱波段的光谱波段具有一个恒定的色品值，具有一个恒定的色品值，所以在色品图上由一个所以在色品图上由一个点来代表。点来代表。n光谱轨迹光谱轨迹540700nm这这一段是一条与一段是一条与XY边基边基本重合的本重合的直线直线。在这段。在这段光谱范围内的任何光谱光谱范围内的任何光谱色都可通过色都可通过540nm和和700nm二种波长的光以二种波长的光以一定比例相加混合产生。一定比例相加混合产生。 n光谱轨迹光谱轨迹380540nm一一

51、段是段是曲线曲线，在此范围内，在此范围内的一对光谱色的混合不的一对光谱色的混合不能产生二者之间位于光能产生二者之间位于光谱轨迹上的颜色，而只谱轨迹上的颜色，而只能产生光谱轨迹所包围能产生光谱轨迹所包围面积内的混合色。光谱面积内的混合色。光谱轨迹上的颜色饱和度最轨迹上的颜色饱和度最高。图上的高。图上的C和和E代表代表的是的是CIE标准光源标准光源C和和等能白光等能白光E，等能白光，等能白光E点位于点位于XYZ颜色三角形颜色三角形的中心处。图上越靠近的中心处。图上越靠近C或或E点的颜色饱和度点的颜色饱和度越低。越低。0,2653. 0,7347. 0zyx在在CIEx、y色品图上，光谱轨迹还表现有

52、如下的颜色视觉特点色品图上，光谱轨迹还表现有如下的颜色视觉特点n连接色度点连接色度点400nm和和700nm的直线称为的直线称为紫红轨迹紫红轨迹，亦称紫线。因为将亦称紫线。因为将400nm的蓝色刺激与的蓝色刺激与700nm的红的红色刺激混合后会产生紫色。色刺激混合后会产生紫色。ny=0的直线（的直线（XZ）与亮度没有关系，即无亮度线。）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，但端的光能够引起标准观察者的反应，但380420nm波长的辐射通量在视觉上引起的亮度感觉很低。波长的辐射通量在视觉上引

53、起的亮度感觉很低。三、色度系统的转换三、色度系统的转换由于三原色选择不同，以及规定三原色刺激值单位的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。都可以互相转换，转换方法实质上是一个坐标转换的问题。 5.45.4CIE 1964-XYZ CIE 1964-XYZ 补充标准色度系统补充标准色度系统 CIE1931-XYZ标准色度系统建立后，经过多年实标准色度系统建立后，经过多年实践证明，践证明，CIE1931-XYZ标准色度观察者的数据代表了标准

54、色度观察者的数据代表了人眼视场的色觉平均特性。但是，当观察视场增大人眼视场的色觉平均特性。但是，当观察视场增大到以上时，某些研究者从实验中发现在波长到以上时，某些研究者从实验中发现在波长380nm至至460nm区间内数值偏低。这是由于大面积视区间内数值偏低。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范围，因此，为了适应大视场颜色测视野经常超过范围，因此，为了适应大视场颜色测量的需要，量的需要，CIE在在1964年规定了一组年规

55、定了一组“CIE1964补充补充标准色度观察者光谱三刺激值标准色度观察者光谱三刺激值”简称为简称为“CIE1964补充标准色度系统补充标准色度系统”，也叫做，也叫做视场视场X10Y10Z10色度系色度系统统。 24210数据来源数据来源 建立在斯泰尔斯（建立在斯泰尔斯（W.S.Stiles）与伯奇（）与伯奇（J.M.Burch）以及斯）以及斯伯林斯卡娅（伯林斯卡娅（N.I.Speranskaya）两项颜色匹配实验的基础上。）两项颜色匹配实验的基础上。 n斯泰尔斯和伯奇的实验：斯泰尔斯和伯奇的实验：n三原色：三原色：645.2nm 526.3nm 444.4nm 视场：视场：10 为了避免杆体细

56、胞的参与，在实验中使用高亮度的颜色刺为了避免杆体细胞的参与，在实验中使用高亮度的颜色刺激。在上述实验条件下测出补充标准色度观察者大视场的匹配激。在上述实验条件下测出补充标准色度观察者大视场的匹配等能光谱的三刺激值。等能光谱的三刺激值。 n斯伯林斯卡娅的实验：斯伯林斯卡娅的实验：三原色：三原色：640nm 545nm 465nm 视场：视场：10 在实验中没有排除杆体细胞的作用，但消除麦克斯韦圆斑在实验中没有排除杆体细胞的作用，但消除麦克斯韦圆斑的影响，将视场中心部分（范围）遮住的影响，将视场中心部分（范围）遮住 。 贾德（贾德（Judd）将这两项实验结果进行了加权处理，按观察）将这两项实验结果

57、进行了加权处理，按观察者人数给予斯泰尔斯和伯奇的结果以较大的加权量（者人数给予斯泰尔斯和伯奇的结果以较大的加权量（3：1），），并对斯伯林斯卡娅的结果作了杆体细胞参与的修正。从而确并对斯伯林斯卡娅的结果作了杆体细胞参与的修正。从而确定了定了1964年年CIER10G10B10系统的补充标准色度观察者光谱系统的补充标准色度观察者光谱三刺激值的数值。三刺激值的数值。 .转换成转换成CIE1964补充标准色度系统补充标准色度系统 n将三刺激值转换成将三刺激值转换成CIE标准色度系统标准色度系统的标准色度观察者光谱三刺激值的标准色度观察者光谱三刺激值 。它们之间的转换关系式如下它们之间的转换关系式如下

58、 )(),(),(101010bgr)(),(),(101010zyx)(08878. 2)(0375154. 0)(000000. 0)()(073588. 0)(837182. 0)(138972. 0)()(390202. 0)(188273. 0)(341427. 0)(101010101010101010101010bgrzbgrybgrx这套数据就称为这套数据就称为CIE1964补充标准色度观察者补充标准色度观察者，光谱三，光谱三刺激值函数曲线刺激值函数曲线 为为3. 3.数据的使用数据的使用n当观测或匹配颜色样品的视场角度在时则采用当观测或匹配颜色样品的视场角度在时则采用“CIE

59、1964补充标准色度观察者补充标准色度观察者”这套数据；当观测或这套数据；当观测或匹配颜色样品的视场角度在时采用匹配颜色样品的视场角度在时采用“CIE1931标准色度观察者标准色度观察者”的数据。的数据。4. 1931与与1964色品图的差别色品图的差别 10442由图可看出二者的光谱轨迹在由图可看出二者的光谱轨迹在形状上很相似，但相同波长的形状上很相似，但相同波长的光谱色在各自的光谱轨迹上的光谱色在各自的光谱轨迹上的位置有相当大的差异。例如，位置有相当大的差异。例如，在在490nm500nm一带，两张图一带，两张图上的坐标值在波长上相差达上的坐标值在波长上相差达50nm以上，其他相同波长的坐

60、以上，其他相同波长的坐标值也都有差异，仅只在标值也都有差异，仅只在600nm处的光谱色坐标值大致处的光谱色坐标值大致相近。两张色品图上唯一重合相近。两张色品图上唯一重合的色品点就是等能白点。的色品点就是等能白点。 如果将两者的光谱三刺激曲线绘在同一坐标上进行比较，如果将两者的光谱三刺激曲线绘在同一坐标上进行比较，则更能清楚地看到它们的差异，则更能清楚地看到它们的差异， 由图中可看出，曲线在400nm500nm区域高于视场的，表明视网膜上中央窝以外的区域对短波光谱有更高的感受性。 )(10y2)(y5.5.CIECIE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 要计算颜色的色品