第1~3章光和光度量、光和视觉、颜色

照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术课程性质与教学安排课程性质：在本科课程体系中的位置核心工程应用领域专业选修课室内外场所的照明及配电设计1）照明设计2）光环境设计3）室内设计教学安排1~12周课堂教学，17~18周课程设计课程性质与教学安排教学目标了解光的基本概念、颜色的基本特性；掌握电光源的种类、性能指标、工作原理；掌握照度计算方法；掌握照明电气设计，为毕业设计打好基础。照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术课程性质与教学安排考核办法：考查。试卷成绩占70％平时成绩占30％（以考勤为依据）教材：电气照明（第四版），俞丽华，同济大学出版社参考书：

GB50034-2013建筑照明设计标准JGJ16-2008民用建筑电气设计规范教材与参考书前言照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明人工照明天然照明天然光源生物光太阳光电气照明所谓照明，就是合理运用光线以达到满意的视觉效果，它归根结底是一种光线的应用技术，是光的控制与分配技术。功能照明艺术照明

电气照明包含了建筑学、光学、电学、生理学、心理学、美学、控制科学等多种学科的知识。电气照明的功能

1、满足视觉要求为人们工作、学习、生活提供良好的视觉条件。

2、丰富空间内容在现代照明设计中，利用人工光的扬抑、隐现、虚实、动静以及控制投光角的范围，以建立光的构图、秩序、节奏等手法，可以大大渲染空间的变换效果，改善空间比例，限定空间领域，强调趣味中心，增加空间层次，明确空间导向。3、装饰空间艺术人工光的装饰效用可以通过灯具自身的造型、质感以及灯具的排列组合对空间起着点缀或强化艺术效果的作用。4、渲染空间气氛灯具的造型和灯光色彩，用以渲染空间气氛，能够收到明显的效果。第一章光和光度量§1-1光的基本概念在照明工程中，光是指辐射能的一部分，即能产生视觉的辐射能。一、光的本质

从物理学的观点，光是电磁波谱的一部分，波长范围在380~780nm之间，这个范围在视觉上可能稍有些差异。

目前科学家们用两种理论来阐述光的本质．这就是“电磁波理论”和“量子理论”，电磁波理论认为发光体以辐射能的形式发射光，而辐射能又以电磁波形式向外传输，电磁波作用在人眼上就产生光的感觉。光在空间的运动可以用电磁波理论圆满地加以解释。

光对物体（例如对阻挡层光电池、光度计）的效应可用量子论圆满地加以解释。

量子论认为发光体以分立的（光子）“波束”形式发射辐射能，这些波束沿直线发射出来作用在人眼上而产生光的感觉。

辐射能以波长或频率顺序排列的图形称为辐射能波谱或电磁能波谱。可以用它来表明各种不同辐射能波长范围之间的关系。可见光谱辐射能的波长在380~780nm之间。

在1666年，牛顿使一束自然光线通过棱镜，从而发现光束中包含组成彩虹的全部颜色。可见光谱的颜色实际上是连续光谱混合而成的。下图表示光的颜色与相应的波段，波长从380nm向780nm增加时，光的颜色从紫色开始，按蓝、绿、黄、橙、红的顺序逐渐变化。可见光谱

紫外线波谱的波长在100~380nm之间，紫外线是人眼看不见的。太阳是近紫外线发射源。人造发射源可以产生整个紫外线波谱。紫外线有三种效应。

红外线波谱的波长在780nm~1mm之间，红外线也是人眼看不见的，太阳是天然的红外线发射源。

紫外线、红外线两个波段的辐射能与可见光一样，可用平面镜、透镜或棱镜等光学元件进行反射、成像或色散，故通常把紫外线、可见光、红外线统称为光辐射。

所有形式的辐射能在真空中传播时速度均相同，每秒为999793公里（接近每秒为30万公里）。当辐射能通过介质时它的波长和速度将随介质而改变，但频率是由产生电磁波的辐射源决定的，它不随所通过的介质而变。通过下式，可确定辐射能的速度，同时亦可表明频率和波长的关系。式中：V—在介质中波长的速度，m/s；n—介质的折射率；—在真空中的波长，m；——频率，HZ。二、光谱光视效率

光谱光视效率用来评价人眼对不同波长的灵敏度。不同波长的光在人眼中产生光感觉的灵敏度不同。人眼对波长为555nm的黄绿光感受效率最高，对其他波长的光感受效率比较低。故称555nm为峰值波长；用来度量辐射能所引起的视觉能力的量叫光谱光视效能，Km=683lm/W。其他任意波长的光谱光效能K（λ）与Km之比称为光谱光视效率。用V（λ）表示，它随波长而变化，即，上式中：K（λ）—给定波长λ时的光谱光视效能。Km—峰值波长λm时的光谱光视效能。V（λ）—给定波长λ时的光谱光视效能。§1-2常用的光度量一、光通量[指单位时间内光辐射能量的大小，光通量的单位为：流明（lm）]

光通量一般就视觉而言，即辐射体发出的辐射通量按V（λ）曲线的效率被人眼所接受，若辐射体的光谱辐射通量为Φe.λ，其光通量Φ的表达式为：式中：Km—最大光谱光效能，683lm/w（λ=555nm）；V（λ）——明视觉的光谱光效率；

Фe.λ——光谱辐射通量，即在给定波长为λ

的附近无限小范围内，单位时间内发出辐射能量的平均值。单位为w／nm。辐射通量也称辐射功率。

——光通量，lm。例1：某白炽灯的光谱能量分布如表所示，求该灯的光通量。35.031.027.021.516.110.56.02.5750700650600550500450400解：列表计算如下：0.210x10-30.000120.0350750800.98x10-30.9950.01615506.355x10-30.00410.0310700169.58x10-30.3230.0105500144.45x10-30.1070.02706500.228x10-30.0380.0060450678.33x10-30.6310.02156000.050x10-30.00040.0025400由上表求得：故光通量：

二、发光强度[光强，光强单位为：坎德拉（cd）]

由于辐射发光体在空间发出的光通量不均匀，大小也不相等，故为了表示辐射体在不同方向上光通量的分布特性，需引入光通量的角（空间的）密度概念。如图S为点状发光体，它向各个方向辐射通光通量，若在某方向上取微小立体角dω，在此立体角内发出的通量为dф，则两者的比值即为该方向上的光强I。单位立体角

照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术例2：100W普通白炽灯输出的光通量为1250lm，假设光源向四周是均匀发射其光通量的，求光源某方向上的光强。解：裸光源（40w）配灯具光源（40W）平均光强为28cd平均光强为70~80cd如配镜面反射罩，光强可达数百cd

照度是用来表示被照面上光的强弱，以被照场所光通的面积密度来表示．取微小面积dA，入射的光通为dφ，则照度E为：

三、照度[单位：勒克司（lx）]

对于任意大小的表面积A，若入射光通量为Ф，则在表面积A上的平均照度E为：

被照物体表面照度值（lx）被照物体表面照度值（lx）晴朗满月夜0.2白天采光良好的室内100～500中午太阳直射100000晴天室外太阳散射1000照度的单位为勒克斯（lx）。1lx即表示在1m2的面积上均匀分布1lm的光通量的照度值。或者是一个光强为1cd的均匀发光的点光源，以它为中心，在半径为1m的球表面上，各点所形成的照度值。常见照度例3：100W普通白炽灯输出的光通量为1250lm，假设光源向四周是均匀发射其光通量的，求灯下2m处的照度值。解：照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术例4：有一个向四周均匀发光的点光源，发光强度为10cd。如果以这个点光源为球心，以1m为半径作一球面，问：

（1）在球面上多大的面积范围内所通过的光通量为1lm？

（2）整个球面所通过的光通量是多少？

（3）如果球半径增大为2m和3m，上述两问又如何？照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术解：1）2）3）当半径变化时，光通量不变。

具有一定面积的发光体，其表面上不同点的发光强弱可能是不一致的。为表示这个辐射光通量的密度，可在表面上任取一微小的单元面积dA，如果它发出的光通量为dФ，则该单元面积的平均光出射度M为：

四、光出射度M

[面发光度，

单位:辐射勒克司即（rlx）]对于因反射或透射而发光的二次发光表面，其出射度M是：=(被照射面的反射比·被照面的照度)=(被照射面的透射比·被照面的照度)五、亮度

光的出射度只表示单位面积上发出光通量的多少，没有考虑光辐射的方向，不能表征发光面在不同方向上的光学特性。如下图所示，在一个广光源上取一个单元面积dA，从与表面法线成θ角的方向上去观察在这个方向上的光强与人眼所见到”的光源面积之比，即亮度为：亮度的单位为坎德拉每平方米（尼特）（cd/m2）理想漫射发光体或理想漫反射表面的二次发光体

如果dA是一个理想的漫射发光体或理想漫反射表面的二次发光体，它的光强将按余弦分布：则

则亮度Lθ与方向无关，常数L。表示从任意方向看，亮度都是一样的。对于完全扩散的表面，光出射度与亮度的关系为：§1-3材料的光学性质一、反射、透射和吸收比光线如果不遇到物体时，总是按直线方向行进，当遇到某种物体时，光线或被反射、或被透射、或被吸收。当光投射到不透明的物体时，光能量的一部分被吸收，另一部分则被反射，光投射到透明物体时，光通量除被反射与吸收一部分外，其余部分则被透射。

在入射辐射的光谱组成、偏振状态和几何分布给定的条件下，漫射材料对光的反射、透射和吸收性质在数值上可用相应的系数表示：二、光的反射当光线遇到非透明物体表面时，大部分光被反射，小部分光被吸收。光线在镜面和扩散面上的反射状态有以下几种：

1．规则反射在研磨很光的镜面上，光的入射角等于反射角，反射光线总是在入射光线和法线所决定的平面内，并与入射光分处在法线两侧，称为反射定律，如图所示。在反射角以外，人眼是看不到反射光的，这种反射称为规则反射(regularreflection)，亦称镜面反射(specularreflection)。它常用来控制光束的方向，灯具的反射罩就是利用这一原理制作的，但一般由比较复杂的曲面构成。2．散反射当光线从某方向入射到经散射处理的铝板、经涂刷处理的金属板或毛面白漆涂层时，反射光向各个不同方向散开，但其总的方向是一致的(图1-11)，其光束的轴线方向仍遵守反射定律。这种光的反射称为散反射(spreadreflection)。3．漫反射光线从某方向入射到粗糙表面或涂有无光泽镀层的表层时，光线被分散在许多方向，在宏观上不存在规则反射，这种光的反射称为漫反射(diffusereflection)。当反射遵守朗伯余弦定律，即向任意方向的光强Iθ与该反射面的法线方向的光强Io所成的角度θ的余弦成比例：Iθ=Iocosθ，而与光的入射方向无关，从反射面的各个方向看去，其亮度均相同，这种光的反射称为各向同性漫反射，如图1-12所示。

4．混合反射(mixedreflection)

光线从某方向入射到瓷釉或带高度光泽的漆层上时，规则反射和漫反射兼有，如上图所示，图(a)为漫反射与镜面反射的混合；图(b)为漫反射与散反射的混合；图(c)为镜面反射与散反射的混合。在定向反射方向上的发光强度比其他方向要大得多，且有最大亮度，在其他方向上也有一定数量的反射光，而其亮度分布是不均匀的。三、光的折射与透射

1．折射光在真空中的传播速度为30万km／s，在空气中约低6～7km／s。在玻璃、水或其他透明物质内传播时，其速度就显著降低了。使光速减得较小的介质称为光密物质，光传播速度较大的介质则称为光疏物质。光从第一种介质进入第二种介质时，若倾斜入射，则在入射面上有反射光，而进入第二种介质时有折射光，如图1-14所示。在两种介质内，光速不同，入射角i与折射角γ不等，因而呈现光的折射(refraction)。不论入射角怎样变化，人射角与折射角正弦之比是一个常数，这个比值称为折射率，即：质的折射率称为这一介质的折射率。若两种不同介质的折射率分别为n1及n2，光由第一种介质进入第二种介质时，还有下列关系式：图1-15为光透射和折射的情况，图中θ1为入射角，θ2为折射角。光在平行透射材料内部折射时，入射光与透射光的方向不变；而在非平行透射材料中折射后，出射方向有所改变。这种折射原理常用来制造棱镜或透镜。2．全反射在光线由光密物质射向光疏物质时，如图1-16所示，n1>n2，此时入射角i小于折射角γ。当入射角未达到90。时，折射角已达到90。，继续增大入射角时，则光线全部回到光密物质内，不再有折射光，这种现象称为全反射(fullreflection)。利用它获得不损失光的反射表面。3．光的透射光入射到透明或半透明材料表面时，一部分被反射，一部分被吸收，大部分可以透射(transmission)过去。如光在玻璃表面垂直入射时，入射光在第一面(入射面)反射4％，在第二面(透过面)反射3％～4％，被吸收2％～8％，透射率为80％～90％。由于透射材料的品种不同，透射光在空间分布的状态有以下几种：1)规则透射当光线照射到透明材料上时，透射光是按照几何光学的定律进行透射，这就是规则透射(regulartransmission)如图1-17所示。其中，图(a)为平行透光材料(图中为平板玻璃)，透射光的方向与原入射光方向相同，但有微小偏移；图(b)为非平行透光材料(图中为三棱镜)，透射光的方向由于光折射而改变了方向。

2)散透射光线穿过散透射材料(如磨砂玻璃)时，在透射方向上的发光强度较大，在其他方向上发光强度较小，表面亮度也不均匀，透射方向较亮，其他方向较弱，这种情况称为散透射(spreadtransmission)，亦称为定向扩散投射，如图118所示。3)漫透射光线照射到散射性好的透光材料上时(如乳白玻璃等)，透射光将向所有的方向散开并均匀分布在整个半球空间内，这称为漫透射(diffusetransmission)。当透射光服从朗伯定律，即发光强度按余弦分布，亮度在各个方向上均相同时，即称为均匀漫透射或完全漫透射，如图1-19所示。

4)混合透射光线照射到透射材料上，其透射特性介于规则透射与漫透射(或散透射)之间的情况，称为混合透射(mixedtransmission)。图1-20为几种材料样品的透射与反射情况。图(a)为在毛玻璃样品的光滑面入射时的散透射；图(b)为在毛玻璃样品的粗糙面入射时的散透射；图(c)为光人射于乳白玻璃或白色塑料板形成的漫透射；图(d)为光通过乳白玻璃时的混合透射。

四、亮度系数

在漫反射的条件下，表面的亮度对各个方向均是相同的，现证明如下：由上式可知，任一方向的亮度都是一样的数值。1、漫反射表面亮度2、漫反射表面亮度与反射系数的关系4、亮度系数若为理想漫反射面则

五、材料的光谱特性

材料表面具有选择性地反射光通量的性能，即对于不同波长的光，其反射性能也不同。这就是在太阳光照射下物体呈现各种颜色的原因。对于色温为5500k的白光而言有：

六、材料的其他光谱特性1、光的偏振

光是由许多原子以特定的振动发出的电磁波，引起视觉和生理作用的电磁被的电场强度振动均匀地分布在各个方向，如下图所示。这种光称为自然光或称为非偏振光。

自然光在被某些材料反射或透射的过程中，这些材料能消除自然光的一部分振动，使反射和透射出来的光线中，在某一方向的振动较强而在另一方向的振动较弱，这种现象称为光的偏振，这种光就称为偏振光。

当两个分开而又“相干”的光源照射在同—屏幕上时，就会出现光的干涉现象。“相干”的光源是指两个光源辐射出波长完全相同的光，并且有固定的相位关系。当这两个光源的光相互合并时，能使屏幕上某些地方两个光波同相位而彼此相加而在另外一些地方两个光波相位而互相抵消或减弱，其结果在屏幕显出明暗相间的条纹这就是光的干涉。

2、光的干涉

§2-1视觉的生理基础第二章光和视觉

眼睛是一个复杂而精密的感觉器官，如下图所示，它在很多方面与照相机相似，这可以从下表中的对比中看出。

一、眼睛的构造眼睛照相机巩膜机盖和机壳脉络膜中间衬层视网膜胶卷虹膜光阑瞳孔孔径眼睑快门晶状体透镜

当380—780nm的电磁波进入眼睛的外层透明保护膜后，发生折射，光线从角膜进入水样体和瞳孔。进入的光量通过瞳孔的收缩或者扩张自动地得到调节，光线通过瞳孔和晶状体后，由晶状体和透明玻璃状体液将光线聚焦在视网膜上。视网膜的锥状和杆状神经开始起作用，接着发生一个电化学过程，锥状和杆状神经产生的脉冲传输至视神经，再由视神经传输至大脑，产生光的感觉或者引起视觉。视觉是由大脑和眼睛密切合作而形成的。二、视觉产生过程2.2.1视觉阈限2.2.2明视觉和暗视觉2.2.3视觉适应2.2.4后像2.2.5炫光照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术

2光和视觉

2.2视觉特性

2光和视觉

2.2视觉特性

2.2.1视觉阈限照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术⑴定义：能引起人有光感的最低限度的光量，一般用亮度来度量时，称为视觉亮度阈限。⑵影响视觉阈限的因素：A.目标物的大小，用视角表示B.目标物发出的光的颜色C.观察时间(3)绝对感受性：衡量感觉器官对最小光刺激的反应能力，为1/Lmin（视觉绝对亮度阈限的倒数）2光和视觉

2.2视觉特性

2.2.2明视觉和暗视觉照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术(1)锥体细胞和杆(柱)体细胞(2)明视觉：L>3cd/m2，锥体细胞起主要作用，λm=555nm，黄绿光明亮，有颜色感；(3)暗视觉：L<0.03cd/m2，主要由杆体细胞工作,λm=507nm，蓝绿色明亮；(4)中间视觉：0.03nt<L<3nt，杆状体、锥状体都参与工作。

2光和视觉

2.2视觉特性

2.2.3视觉适应照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术(1)适应：人的视觉器官对光刺激变化相顺应的感受性。(2)暗适应：光亮处进入黑暗处(3)明适应：黑暗处进入光亮处2光和视觉

2.2视觉特性

2.2.3视觉适应照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术工程应用：隧道照明为避免白天进出隧道时的和“黑洞”和“白洞”效应，照明区段划分为引入段、适应段、过渡段，然后是基本照明段，路面照度值呈梯形依次递减或递增。根据电气规范规定的相应照明区段的隧道路面亮度或照度值，达到各照明区段路亮度或照度要求，以满足隧道内行人和车辆行驶的需要。照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术2光和视觉

2.2视觉特性

2.2.4后像照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术⑴定义：视觉在高亮度的闪光之后往往还可感受到有一连串的影像，以不规则的强度和不断降低的频率正负交替出现的现象。正后像：与闪光的颜色相同负后像：暗，颜色接近闪光的补色(2)临界融合频率：如果闪光的频率增加到一定数值，闪光的闪烁感就被这种连续的影像所融合而消失，眼睛感觉到的好像是连续光一样，这个频率称为临界融合频率。照明技术暗视觉：低于10Hz明视觉：频率增加(3)应用：电影、动画等等。2.2.5眩光

由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象，统称为眩光。按其评价的方法，后者称为失能眩光前者称为不舒适眩光。眩光是评价照明质量的标准之一。影响眩光的因素有：1．周围环境较暗时，眼睛的适应亮度很低，即使是亮度较低的光，也会有明显的眩光。2．光源表面或灯具反射面的亮度越高，眩光越显著。3．光源距视线起近眩光越显著。4．在视场内，光源面积越大、数目越多眩光越显著。舒适区舒适区不舒适区不舒适区2.3.1对比敏感（灵敏）度2.3.2可见度2.3.3视力2.3.4视觉感受速度2.3.5视功效特性2.3.6视觉满意度照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术

2光和视觉

2.3视觉功效

照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术2光和视觉

2.3视觉功效

2.3.1对比灵敏度照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术(1)亮度差：(2)亮度比：(3)临界亮度比：(4)亮度对比灵敏度：2光和视觉

2.3视觉功效

2.3.2可见度照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术(1)表达式：(2)与以下因素有关：2光和视觉

2.3视觉功效

2.3.2可见度照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术(3)最大可见度：在最佳照度条件下目标物实际亮度对比与最小临界亮度对比之比(4)相对可见度：具有一定视角的目标物在某照度条件下的可见度对数值与最佳照度条件下的最大可见度对数值之比。2光和视觉

2.3视觉功效

2.3.3视力照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术(1)定义：眼睛能分辨的最小视角（分）的倒数。(2)视力与亮度的关系：①当L<1000cd/m2时，L↑，视力大大加强；②当1000cd/m2<L<10000cd/m2,L↑，视力↑，但增加的程度放慢；③L>104cd/m2，L↑，视力不再↑。④周围亮度≤被视点亮度时，视力较高周围亮度>被视点亮度时，视力下降；(3)兰道尔圆环视标

2光和视觉

2.3视觉功效

2.3.3视力照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术兰道尔圆环是一个缺口圆环，设缺口的尺寸为Dm，视距为Pm，则以分为单位计算眼睛的视角α为：设Dm=1mm，视距为Pm=5m，则：设Dm=1.5mm，视距为Pm=5m，则：2光和视觉

2.3视觉功效

2.3.4视觉感受速度照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术(1)是眼睛能感受对象所必需的最小时间tmin的倒数，即形成视觉所需时间的倒数。(2)影响视觉感受速度的因素：

2光和视觉

2.3视觉功效

照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术照明技术2.3.5视功效特性：视角、背景亮度（或照度）和临界亮度对比的关系。2.3.6视觉满意度第三章颜色3.1颜色视觉3.2颜色的特性3.3表色系统3.4光源颜色第一节颜色视觉

人的视觉器官不但能反映光的强度，而且也能反映光的波长特性。前者表现为亮度的感觉，后者表现为颜色的感觉。1)视网膜的颜色区

由于视网膜中央窝部位（黄斑区）和边缘部位的结构不同，视野的中央视觉主要是锥状细胞起作用，边缘视觉主要是杆状细胞起作用。所以视网膜不同区域的颜色感受性也有所不同。从中央区向外围过渡，锥状细胞减少，杆状细胞增多，对颜色的分辨能力逐渐减弱，直至对颜色的感觉消失。

全色区：具有正常视觉的人，其视网膜中央窝能分辨各种颜色。红绿盲区或中间区：在视网膜中央区相邻的外周区，先丧失红、绿色的感受，视觉呈红、绿色盲。在这个区域里，眼睛把红、绿及其混合色看成不同明暗的灰色，而仍保持黄、蓝颜色感觉。全色盲区：在视网膜外周区更外围边缘，对黄、蓝色的感觉也丧失。在这个区域内，只有明暗感而无颜色感，各种颜色都被看成不同明暗的灰色。另外，视网膜中央部位(2°)被一层黄色素覆盖着。黄色素能降低眼睛对光谱短波端(蓝色)的感受性，而使颜色感发生变化。黄色素在中央窝的密度最大，在视网膜边缘显著降低。这就造成观察小面积颜色和观察大面积颜色的差异。2)颜色辨认

颜色与波长的关系：除了光谱上的572nm(黄)、503nm(绿)和478nm(蓝)三点具有固定的关系外，其余波长，光的颜色都受该波长光线强度的影响，即一定波长的光，当强度改变时，所看到的颜色也改变。改变的规律大致是：强度增加时，都略向红色或蓝色变化。光谱颜色随光的强度而变化的这种现象称为贝楚德—朴尔克效应。颜色视觉正常的人，在明亮条件下能看见光谱的各种颜色的波长和其范围3）彩色细节分辨力人眼对彩色细节的分辨力远比对黑白细节的分辨力低。并且人眼对不同色调细节的分辨力也不相同如图。例如，当在白色背景上能分辨出的黑色细节直径为lmm时，则在同样条件下，在红色背景上能分辨出绿色细节的直径就要增大到2.5mm，而在蓝色背景上的绿色细节必须增大到5mm才能为人眼所分辨。如果眼睛对黑白细节的分辨力定为100％，则实验测得人眼对各种彩色细节的分辨力分别为表中所列数值。表中数据说明，人眼分辨景物彩色细节的能力很差。因此，电视系统在传送彩色图像时，细节部分可以只送黑白图像，而不送彩色信息，这就是利用大面积着色原理节省传输频带的依据。

4）彩色色调分辨阈人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分辨阈。其数值随波长而改变，如图所示(视场角为20)。由图可知，人眼对480~640nm区间色光的色调分辨力较高，其中，对500nm(青一绿色)和600nm(橙黄色)两个波长来说，只要波长变化约lnm，便可分辨出色调的变化。而有的波长区间，例如，从655nm的红色到可见光谱长波末端，以及从430nm的紫色到可见光谱短波末端，人眼几乎感觉不到色调的差别。

当饱和度减小时，人眼的色调分辨力将下降；当亮度太大或太小时，色调分辨力也会下降。

5）彩色饱和度分辨力人眼能分辨出自然界中各种彩色具有不同的饱和度，但对不同颜色的饱和度变化却有不完全一样的灵敏度.使各种波长色光的饱和度，由100％逐渐降低，一直到零为止，由此确定出视觉所能分辨出的饱和度变化的等级数。结果发现在黄色区，人眼只能分辨出四级饱和度，而在红色、蓝色区域，灵敏度较高，可以分辨出25个等级，如图所示。第二节颜色的特性一、彩色三要素颜色可分为无彩色和彩色两大类。无彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色，它们可以排列成一个系列，称为黑白系列。白色、黑色和灰色物体对光谱各波长的反射没有选择性，故称它们是中性色。彩色是指黑白系列以外的各种颜色。彩色有三个要素（特性）：亮度（明度）、色调和饱和度。

⑴亮度（明度）：是光作用于人眼引起的明暗程度的感觉。在同样照明条件下，依据表现为白色或高透射比的表面的视亮度来判断的某一表面的视亮度。⑵色调：又称色相，表示可见光谱不同波长的辐射在视觉上的属性（颜色的类别），如红、黄、绿、蓝等。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。物体的色调决定于物体对光源的光谱辐射有选择地反射或透射对人眼所产生的感觉。（3）彩度在同样照明条件下，一区域根据表现为白色或高透射比的一区域的视亮度比例来判断的颜色丰富程度。

饱和度：表示彩色光在整个色觉(包括无彩色)中的纯度（简单地说就是指颜色的深浅程度或浓度）。可见光谱中各种单色光是最纯的，是最饱和的色彩（100%的饱和度）。当光谱色渗入白光成分愈多时，它就愈不饱和（变浅）。当光谱色渗入很大比例的白光时，在眼睛看来，它就不是彩色光，而是成了白光。当物体表面的反射具有很强的光谱选择性时，这一物体的颜色就具有较高的饱和度。

色调与饱和度又合称为色度。二、三基色原理

1、前面讲过人眼的视觉特性，在彩色复现过程中，并不要求恢复原景物辐射(反射或透射)光的光谱成分，而重要的是应获得与原景物相同的彩色感觉。既然与某一单色光相同的彩色感觉，可由具有不同光谱分布的色光的组合所引起。于是想到利用少数几种基本颜色相配，一定可以得到色度不同的多种颜色。那么基本颜色选几种？

2、大量实验证明：三个独立色（其中任一基色都不能由其它两基色混合产生）最好（现在都常用三基色混合）。适当选择三种基色，将它们按不同比例进行合成，就可以引起各种不同的彩色感觉，合成彩色的亮度由三个基色的亮度之和决定，而色度(即色调与饱和度)则由三个基色分量的比例决定。这就是三基色原理的主要内容。勒布朗(JacobChristophLeBlon1667-1741)的＜色彩论＞(TraitéduColoris,1756)可能是最早提出三原色说的论著。根据三基色原理，可以采用不同的三基色组。但是在彩色电视中，比较恰当的、符合人眼彩色视觉特性的还是在红色、绿色和蓝色的光谱色区域内选择三个基色。这样，自然界中所能观察到的各种彩色几乎都能由它们相混配出。三基色原理对光混合系统（尤其像电视）极为重要，它把传送具有成千上万、瞬息万变彩色的这一任务简化为传送三个信号。

3、相加混色：

将三种基色光按不同比例相加而获得不同彩色光的方法，称为相加混色法，如图所示。红色光与绿色光相加作用于人眼所引起的彩色感觉与黄光作用于人眼所引起的彩色感觉相同，所以就说红光、绿光相加得黄光。同理，绿光、蓝光相加得青光；蓝光、红光相加得品色光(即紫红色光。品红简称品，也有人称之为紫，但实际上与谱色紫不一样)；红、绿、蓝三色光按一定比例相加为白光。

红＋绿＝黄

红＋蓝＝紫

绿＋蓝＝青

红＋绿＋蓝＝白

目前所有发光系统均采用相加混色。它利用人眼的视觉特性（对彩色有空间和时间的混色效应）来相加混色。相加混色称为RGB色彩空间。相加混色不仅运用三基色原理，还进一步利用人眼的视觉特性，产生较相减混色更宽的彩色范围。常用的相加混色方法有以下三种：时间混色法：将三基色按一定比例轮流投射（到同一屏幕上），由于人眼的视觉惰性，只要交替速度足够快，产生的彩色视觉与三基色直接相混时一样。空间混色法：将三基色同时投射到彼此距离很近的点上，利用人眼分辨力有限的特性而产生混色，或者使用空间坐标相同的三基色光的同时投射产生合成光，这是同时制彩色电视图像和计算机图像的显示基础。生理混色法：利用两只眼睛分别观看两个不同颜色的同一景象，也获得混色效果。4、相减混色：

彩色印刷或彩色打印的纸张是不能发射光线的，因而印刷机或彩色打印机就只能使用一些能够吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或颜料。油墨或颜料的三基色是青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow）（习惯上的蓝、红、黄），简称为CMY。理论上说，任何一种由颜料表现的色彩都可以用这三种基色按不同的比例混合而成，这种色彩表示方法称CMY色彩空间表示法。彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY色彩空间。其是白光中减去基色的方法。

黄＝白－蓝

紫＝白－绿

青＝白－红黄（＋）紫＝白－蓝－绿＝红黄（＋）青＝白－蓝－红＝绿青（＋）紫＝白－红－绿＝蓝黄（＋）青（＋）紫＝白－蓝－红－绿＝黑由于它在原理上是通过过滤得到需要的颜色，所以现实中许多高亮度的彩色无法配出。为了配出更多更艳丽的颜色，有的印刷厂采用不止三种颜料。由于同样的原因，有的彩色喷墨打印机有5种甚至更多的墨水。5、互补色

凡是两种色光相混合而成白光或灰色，这两种色光互为补色（Complementary

Colors）。任何二非补色相混合会产生中间色。

CMY空间正好与RGB空间互补，也即用白色减去RGB空间中的某一色彩值就等于同样色彩在CMY空间中的值。RGB相加混色CMY相减混色对应色彩000111001110010101011100100011101010110001111000RGB空间与CMY空间的互补关系如表所示：

根据这个原理，很容易把RGB空间转换成CMY空间。由于彩色墨水和颜料的化学特性，用等量的CMY三基色得到的黑色不是真正的黑色，因此在印刷术中常加一种真正的黑色（blackink），所以CMY又写成CMYK。第三节表色系统

颜色的种类很多，日常用不同的名称命名，如红、大红、朱红、粉红、紫红、桃红等等。由于人们感受的差别，这种命名往往会造成不确切的结果。将颜色进行分类，并用数字、字母加以表示，这是很必要的。表色系统可分两大类。

一类是以颜色的三个特征为依据，即按色调、明度和彩度来分类；另一类是以三原色说为依据，即任一给定颜色可以用三种原色按一定比例混合而成。属于前一类的表色系统称为单色分类系统，这是一个由标准的颜色样品系列组成，并将它们按序排列予以命名的系统，需要说明的颜色只要与这类系统中的某一种颜色样品相一致就可确定其颜色，目前用得最广泛的是孟塞尔表色系统。属于后一类的表色系统称为三色分类系统，这是以进行光的等色实验结果为依据的、由色刺激表示的体系，用得最广泛的是CIE表色系统。一、孟塞尔表色系统：美国的美术教育家AlbertH.Munsell1905年发表）孟塞尔表色系统是由孟塞尔（1858-1918）创立的，它是一种采用颜色图册的表色系统，按颜色的三个属性即色调、明度和彩度进行分类，并以它们的各种组合来表示。

①色调H(孟塞尔色调)：

按红(5R)、黄红(5YR)、黄(5Y)、黄绿(5GY)、绿(5G)、蓝绿(5BG)、蓝(5B)、蓝紫(5PB)、紫(5P)、红紫(5RP)分成10个色调，每一色调又各自分成从0～10的感觉上的等距指标，共有40个不同的色调。②明度V(孟塞尔明度)：对同一色调的色来说，浅的明亮，深的阴暗。其中光波被完全吸收而不反射者为最暗，明度定为零，光被全部反射而不吸收者为最亮，明度定为10，在它们之间按感觉上的等距指标分成10等分来表示其明度值。

③彩度C(孟塞尔彩度)：对相同明度的色彩来说，又有鲜艳和阴沉之分，鲜艳的程度称为彩度。如红旗的红，其彩度高，红小豆的红，其彩度就低，而一般光谱色的彩度最高。色调和明度具有一定的颜色，在图册排列中把无彩色的彩度作为零，彩度按感觉上的等距指标增加。彩度不像明度那样规定为11个等级，不同的色调所分的等级也不同。例如蓝色为1～6，红色为1～16。在一种色内，数字大的彩度就高。按上述色调、明度和彩度的分类，孟塞尔表色系统用数字和符号表示颜色的方法是：先写色调，其次写明度，然后在斜线下写出彩度(HV／C)。如红旗要表示为5R5/10。对于无彩色用符号N，再标上明度值，如N5。二、CIE表色系统

①视觉的三色原理假说（辩色原理）眼睛受单一波长的光刺激产生一种颜色感觉，而受一束包含各种波长的复合光刺激也只产生一种颜色感觉。这说明视觉器官对刺激具有特殊的综合能力。研究证明，光谱的颜色基本上可以用红、绿、蓝三种光谱波长的光相混合而得，据此而提出了彩色视觉的三原色学说。

这个学说可以追述到19世纪：英国心理学家杨格(ThomasYoung1773-1829)于1802年提出三原色说。他发现混合红、绿、蓝三色光可得到各种不同的色彩。德国心理学家亨姆霍兹(HermanL.F.vonHelmholtz1821-1894)

验证其学说并发表于其＜生理光学＞(PhysiologicalOptics1866)一书中。

这个学说认为锥状细胞包含红、绿、蓝三种反应色素（或三种细胞类型红敏、绿敏、蓝敏细胞），它们分别对不同波长的光发生反应，视觉神经中枢综合这三种刺激的相对强度而产生一种颜色感觉。三种刺激的相对强度不同时，就产生不同的颜色感觉。三种反应色素（或三种感光细胞）对可见光的反应灵敏度曲线见图。Vr（λ）、Vg（λ）、Vb（λ）分别表示红敏、绿敏、蓝敏细胞的光谱光效率曲线，其最大值分别在光谱的红、绿、蓝区域；三者相加得明视觉曲线。

当一束光射入人眼时，三种细胞产生各自不同的反应。如：580nm黄光射入，只对红敏、绿敏产生刺激，蓝敏无反应。在红敏、绿敏共同作用下产生黄色感觉。如品蓝色对红、蓝敏产生刺激引起品色。从分析可看出：有两组光谱分布不同的光，只要三种光敏细胞对其反应相同，则主观色彩感觉相同。某复合彩色光的功率波谱为Φe（λ），对三种光敏细胞来讲其光通量分别为：大脑根据ΦR、ΦG、ΦB三者的比例决定了总的色度感觉；而三者合成的总光通量决定了总的亮度感觉。因此，具有不同功率波谱Φe(λ)的两种光，只要由它们计算出的ΦR、ΦG、ΦB分别相同，则从人眼彩色视觉来讲是完全等效的。复合光的亮度等于各光分量的亮度之和这一规律，称为格拉司曼(Grassman)定律。三、RGB计色制

1、配色实验：据三基色原理，三种基色按不同比例混合可以得到不同色彩。现在给定一色彩，如何知道混出这种彩色所需的三基色量的比例？这由配色实验完成。配色实验原则上可采用各种不同的三色组，为标准化起见，国际照明委员会(CIE)作了统一规定选水银光谱中波长为546.1nm的绿光为绿基色光；波长为435.8nm的蓝光为蓝基色光；波长为700nm的红光为红基光。实验表明：为配出标准白光E白，三基色的光通量比例为：

1:4.5907:0.0601＝1[R]+1[G]+1[B]

国际上规定：光通量为1lm（光瓦）的红光为一个红基色单位，用[R]表示；4.5907lm（光瓦）的绿光为一个绿基色单位，用[G]表示；0.0601lm（光瓦）的蓝光为一个蓝基色单位，用[B]表示。作这样规定后，比色计调节器的度数可以直接用[R],[G],[B]进行刻度。用F表示某一具有一定亮度和色度的彩色光，︱F︱表示其光通量，则：

FE白＝1[R]+1[G]+1[B]

注意：若三基色光按同样比例增大或减小，配出的仍是E白光；但光通量发生变化。2、配色方程与色系数：

F=R[R]+G[G]+B[B]

式中：R,G,B表示需配彩色光中所含的三基色单位的数量。其比例关系决定了需配光的色度，其数值则决定了该光的光通量：

︱F︱＝（R＋4.5907G+0.0601B）lm此公式被称为RGB计色制的亮度方程。3、分布色系数：CIE-RGB光谱的分布色系数是317位正常视觉者，用CIE规定的红、绿、蓝三原色光，对等能光谱色从380nm到780nm所进行的专门性颜色混合匹配实验得到的。也就是配出辐射功率为1瓦波长为λ的单色光所需的三基色光的单位数。计为：则单位辐射功率的单色光的配色方程为：F（λ）的在数值上表示等能光谱色的相对亮度。如右图。F（555）＝1。按“标准观察者”测定的分布色系数的标准数据。根据这些数据绘出的一组曲线，称为混色曲线(也称光谱系数曲线)。如图所示。由图可见，在某些波长区间可能为负值……利用分布色系数还可以计算具有任意功率波谱Φe（λ）的彩色光F的色系数。即：4、RGB色度图：在只考虑色度的情况下，起作用的是RGB的比例。∴令m＝R+G+B（色模）；r＝R/m，g＝G/m，b＝B/m配色方程可变为：F=m{r[R]+g[G]+b[B]}；

︱F︱＝m{r+4.5907g+0.0601b}r、g、b称为色度坐标或相对色系数，它们分别表示：当规定所用三基色单位总量为1时（r+g+b=1），为配出某给定色度的彩色光所需要的[R]、[G]、[B]数值。根据分布色系数可求出光谱色中所有单色光的相对色系数(即色度坐标)即：∵r+g+b=1∴只要两个就可以表示出色度。于是，各种彩色的色度可以采用二维表示法。RGB色度图就是用r-g直角坐标系来表示各种色度时所画出的平面图形，如下页图所示。舌形曲线（数字、虚线、谱色光、饱和度、三基色顶点、）

彩色合成计算：两个彩色光F1，F2混合得到另一个彩色光F1+2

。配色实验表明：为配出合成色光F1+2所需各基色的色系数，正好等于色光F1和F2对应该基色分量的色系数之和。即：F1=R1[R]+G1[G]+B1[B]F2=R2[R]+G2[G]+B2[B]F1+2=(R1+R2)[R]+(G1+G2)[G]+(B1+B2)[B]图中单位红基色[R]的色度坐标为r＝1，g＝b＝0；单位绿基色[G]的坐标为g＝1，r=b=0；单位蓝基色[B]的坐标为r＝0、g＝0(对应b＝1)，而r＝g＝1/3(b＝1/3)表示等能白光E白。由[R]、[G]、[B]三点连成的三角形称彩色三角形，其重心E即为等能白光E白的位置。在连接[R]和[G]的直线上，r、g之和恒为l，即b＝0。在彩色三角形内r+g≤l，r、g、b均为正值，说明由三基色相加混合配出的各种彩色均在三角形内。5、XYZ计色制RGB计色制采用物理三基色，物理概念清楚，但用起来很不方便。首先，在色度图上不能表示出亮度，某彩色光的光通量仍需按式进行计算。其次，混色曲线r(λ)、g(λ)、b(λ)中有负值存在，在用求和法对色系数R、G、B进行近似计算时，容易出差错。另外，谱色轨迹不全在坐标的第一象限内，作图也感不便。因此，为了克服上述缺点，国际照明委员会规定了另一种坐标系，就是现在常用的CIE1931-XYZ制系统。

1、三基色单位[X],[Y],[Z]的确定：在XYZ计色制中，任一种彩色光的配色方程为：F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]

必须指出XYZ不能由配色实验测得，[X],[Y],[Z]（计算三基色）不能用物理方法求得。∵它们不是实际的颜色，只是用来计算的假象颜色。选择[X],[Y],[Z]时作了以下规定：(1)当它们配出实际色彩时，三个色系数均应为正值；(2)为方便计算，使合成彩色光的亮度仅由Y[Y]一项确定，并且规定1[Y]光通量为1lm（光瓦）。换句话说，另外两个基色光不构成混合色光的亮度，但合成光的色度仍然由[X]、[Y]、[Z]的比值确定;(3)X=Y=Z时，混合得到是E白光。XYZ计算三基色系统是在物理三基色系统基础上提出来的，∴必须弄清楚XYZ系统中各个单位和系数与RGB系统之间的关系，从而根据物理三基色配色实验数据来确定计算三基色系统的各项标准数据和曲线。确定计算三基色在RGB色度图上的位置：据零亮度线、舌形曲线上取700nm、640(560)nm两点作直线、选用略微离开504nm点的切线的平行线；三条直线相交得到[X],[Y],[Z]三点。三点形成的三角形把舌形曲线包括在内，从而保证实际彩色XYZ都为正值。

[X],[Y],[Z]在RGB色度图的坐标为：rgbX1.275-0.2780.003Y-1.7392.767-0.028Z-0.7430.1411.602虽然[X],[Y],[Z]是虚基色，但从数学角度来看，仍可以认为每一计算基色是由物理三基色以适当比例混合得到。∴1[X]＝m1｛r1[R]＋g1[G]＋b1[B]｝1[Y]＝m2｛r2[R]＋g2[G]＋b2[B]}1[Z]＝m3｛r3[R]＋g3[G]＋b3[B]｝据条件②③得由物理三基色求计算三基色的关系。

2、配色方程与色系数：(同一个彩色光的色系数转换）计算求出XYZ与RGB系统之间的色系数的转换关系。

方法为：已知某彩色光F在RGB坐标中的色系数R、G、B则

F=R[R]+G[G]+B[B]；该彩色光在XYZ系统中可表示为F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]

由于是代表同一色彩，应相等。经代入整理得：倒过来由XYZ求RGB的公式：XYZ系统的分布色系数：在XYZ系统中也可以用分别表示配出1瓦谱色光F(λ)所需的[X],[Y],[Z]的数量。称为XYZ系统的分布色系数。可由上面的矩阵求得。见书上的表。得到右侧曲线。如果是合成光，其功率波谱为Φ（λ），那么该彩色光的计算三色系数为：3、XYZ色度图（CIE1931－XY色度图）：只考虑色度时，无需XYZ的绝对值，仅知相对比例就可。∴仿照RGB系统引入色模m’＝X+Y+Z；x＝X/m’，y＝Y/m’，z＝Z/m’x+y+z=1。∴XYZ系统也可用二维坐标表示任意色度。

F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]=m’{x[X]＋y[Y]＋z[Z]}XYZ系统的色坐标也可由分布色系数求得：

相对色系数x、y、z只有两个是独立的，规定用x、y为坐标画出平面色度图。

说明：①所有光谱色都位于舌形曲线上，轨迹两端可用直线连起来，位于位于这条直线上的是非谱色，如各种紫红色。

②连接色度图上两点的直线，其上各点代表了用这两种彩色按不同比例混合所得到的颜色。连接三点颜色形成的三角形，形内任一颜色可用此三颜色混合而成。[R],[G],[B]位于舌形曲线上（单一波长谱色光），[R],[G],[B]构成的三角形表示可以混合得到的颜色范围；之外……。[X],[Y],[Z]三点构成直角三角形，所有色彩都在其内，基色[X],[Y],[Z]位于实际色彩区域之外，为假想的彩色∵位于饱和度100%的红绿蓝附近，∴称为过饱和红绿蓝色。

③色域：各种实际色彩在XYZ色度图的位置大致的划分如图。图中的色彩是逐渐变化的越靠近舌形轨迹色彩越深……，中心区域是白色区域。④绝对黑体辐射轨迹。⑤饱和度：当某彩色光的色度坐标确定后，就可以在色度图上标出它的位置。另外，一定的色度也可以用色调波长(或称主波长)和饱和度(或称纯度)来表示。例如，在图中，从标准白光E白的坐标点W向谱色轨迹上波长为λ的某点G作一直线WG，则直线上某点F对应的色光可认为是由单色光Fλ与白光相混配出的。因而λ称为F色光的色调波长。显然，在WG