第2章色度学原理与CIE标准色度学系统讲座.ppt

1、第2章 色度学原理与 CIE 标准色度学系统,1颜色匹配（色光相加混合）,1-1 颜色匹配定义和方法 颜色匹配的定义： 两个视场的颜色在视觉上相等。 颜色匹配的方法： 光谱匹配：不同光谱成分的混合（调节光源的发射光谱、物质的吸收与反射光谱。,颜色匹配的方法：,时间混合：用色转盘， 调节转盘上颜色块的面积。 空间混合： 调节不同色颗粒发光的比例。 （显示屏） 其基础是光谱的混合， 后两种混合方法是利用了人眼的视觉特性。,1-2颜色匹配方程,如果 （C）为待匹配的目标色 （R） （G） （B）为三原色 C、 R、 G、 B 为目标色及三原色的量， 当用三原色混合实现与颜色（C）的匹配时有 （C）=

2、R （R） +G （G） +B （B） 此式即为颜色匹配方程。 当三原色之一(例如B)必須加在被匹配的顏色上时顏色方程可表示 为 C (C) + B (B) = R (R)+ G (G) 這一方程在色度学中可表达成 C (C)= R (R)+ G (G)- B (B) 根据颜色方程任何一种颜色可以用匹配该颜色的三原色的量来表示， 匹配该颜色所需要三原色的数量颜色的三刺激值 这就是将颜色“量化”的思想,实现颜色知觉“量化”的方法： 有以下问题需要解决： 怎样选定三原色？ 怎样确定三原色的单位量？ 怎样确定任何一种颜色的三刺激值， 是否比必需做匹配实验？ 怎样利用颜色的光谱构成，确定颜色的三刺激值

3、？ CIE规定了以上问题的解决方案CIE标准色度学系统,2 CIE标准色度学系统,国际照明委員会(Commission Internationale ed IEclairage-CIE) 光度学和色度学的国际学术研究机构。 设在巴黎。早在1924年前就已从事标准色度学系统的研究。 规定了：CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值， 绘制出 “1931 CEL-RGB系统色度图”， 推荐1931 CIE-XYZ系统，为国际通用色度学系统， 称为“CIE标准色度学系统”， 所作的图则称“CIE 1931色度图”。 1964年制定了CIE1964补充色度学系统以及相应的色度图， 进行色度计算和色差

4、计算。 1964年提出“均匀颜色空间”的三维空间概念， 1976年加以修订，并正式被采用。 CIE为此还提出了确定的参照光源，称“CIE标准光源”。,2-1 选定三原色 1、其中任何一种原色不能被其他两种原色匹配 2、三色之间的光谱间隔大，匹配色覆盖的颜色最多 3、容易实现 CIE确定： Red Green Blue nm 700 546.1 435.8 为标准三原色 这样規定的原因是上述三者都比较容易精确地产生出來。是采用汞弧光谱中经滤波后的单一谱线获得，色度稳定而准确，配出彩色也较多。,2-2 选定三原色的单位量 等能白：SE Red Green Blue Mixture nm 700 5

5、46.1 435.8 单位量（流明） 1.0000 4.5907 0.0691 5.6508 1 Red unit = R = 1.0000 cd/m2 ; 1 Green unit = G = 4.5907 cd/m2 ; 1 Blue unit = B = 0.0691 cd/m2 . （亮度比和光通量比是等效的）,2-3 确定等能白光的光谱三刺激值,等能白光（E光源）假想的在整个可見光譜范为內光谱辐射能相等的光源的光色也称等能白色。与色溫为5500k的白光很相似。 光谱三刺激值混配出单位辐射功率、波长为的单色光所需要的三刺激值。 实验证明：几乎所有的颜色都可以用三原色按某个特定的比例混合

6、而成。如果用上述规定单位量的三原色，在可见光380nm780nm范围内每隔波长间隔（如10nm)对等能白色的各个波长进行一系列的颜色匹配实验，可得每一光谱色的三刺激值。,光谱三刺激值曲线,可得到如下图三条曲线光谱三刺激值曲线 也就是CIE1931-RGB标准色度观察者,2-4 等能白光的光谱色品坐标,在颜色科学中，我们不直接用三刺激值R、G、B来表示颜色，而用三原色各自占R+G+B总量的相对比值表示颜色， 即。色度坐标：三原色各自占R+G+B总量的相对比值。 对等能白光的光谱色而言，其色度坐标为： 由此即可得出 ：r+g+b=1即色品坐标rgb中只有兩个独立因此可用二維空间表示彩色光的色品。

7、对于等能白光R=G=B=1因此等能白光的色坐标为r=g=b=1/3,2-5 1931 CIE-RGB 系统色度图,2-6由相对光谱功率分布求任一颜色的三刺激值,如果已知色光C的光谱功率分布，怎样来确定它的三刺激值及色度坐标呢？ 设：颜色CE光谱功率分布为E()，（如下图） 由颜色的混合规律： CE=CE380+CE390+CE400+CE780 而 ： CE380=C380 E(380) CE390=C390 E(390) CE400=C400 E(390) . . . CE780=C780 E(780),求任一颜色的三刺激值,结合： 代入：CE=CE380+CE390+CE400+CE780

8、 并考虑E()所对应的波长间隔 得：,求任一颜色的三刺激值,由CE=RE（R）+GE（G）+BE（B） 所以颜色CE的三刺激值为： 其色品坐标为：,求任一颜色的三刺激值,所以根据CIE1931-RGB标准色度观察者 如果已知任一颜色的光谱功率分布就可以计算出该颜色的三刺激值和色品坐标 这样就实现了颜色的“量化”表示，从而建立了颜色评价的“客观”标准,3 CIE1931-XYZ标准色度学系统,3-1 CIE1931-RGB标准色度观察者与CIE1931-XYZ标准色度观察者的转换 RGB系统在某些场合下例如被匹配顏色的饱和度很高時三色系数就不能同时取正而且由于三原色都对混合色的亮度有贡献当用顏色

9、方程計算时就很不方便。 希望有一种系统能滿足以下的要求 (1)三刺激值均为正 (2)某一原原色的刺激值正好代表混合色的亮度而另外两种原色对混合色的亮度沒有贡献。 (3)当三刺激值相等时混合光仍代表标准(等能)白光。 这样的系統在以实际的光譜色为三原色时是找不到的于是就出現了以假想色为三原色的XYZ表色系統。,亮度仅由Y表示，X、Y、Z所形成的虚线三角形包含了整个光谱轨迹，使得光谱轨迹上和轨迹之内的色度坐标都成了正值。,XYZ假想三原色的由来：,色度坐标的转换,三条直线在RGB系统中的直线方程： XZ直线为无亮度线。即： 1.0000r+4.5907g+0.0601b=0 又由： r+g+b=1

10、, 代入上式得： 0.9399r+4.5306g+ 0.0601=0 XY直线为： r+0.99g-1=0 YZ直线为：1.45r+0.55g+1=0,X、Y、Z 三点在rg图中的坐标是： X：r = 1.2750，g = - 0.2778，b = 0.0028 Y：r = -1.7392，g = 2.7671，b = - 0.0279 Z：r = - 0.7431，g = 0.1409，b = 1.6022 在1931 CIE-XYZ 色度图中，等能的白光，即E光源的色度坐标也为： xE = 0.3333，yE = 0.3333。,色度坐标的转换,由此得到RGB系统和XYZ系统三刺激值的转换

11、关系为 X=2.7689 R+1.7517 G+1.1302 B Y=1.0000 R+4.9507 G+0.0601 B Z=0.0000 R+0.0565 G+5.5943 B 色品坐标r(),g(),b()与x()y()z()转换关系为,3-2 系统的光谱三刺激值,依据光谱三刺激值与色品坐标之间的关系有 并且国际照明委员会规定：CIE1931XYZ系统的Y() 与光谱光视效率V（）相一致： Y() = V（） 所以有：,由此可以得到XYZ系统的光谱三刺激值。称为CIE1931XYZ标准色度观察者 x()、y（）、z（）、如下图所示,3-3 CIE1931XYZ系统色品图,由色品坐标x()

12、y()z()可以画出等能白色光谱色品坐标在XYZ系统中的轨迹图即CIE1931XYZ系统色品图,由CIE1931XYZ系统色品图可知： 光谱轨迹曲线以及链接光谱轨迹两端的直线所构成的马蹄形内，包含了所有物理上能实现的颜色（只要选取适当的原色） 人的视觉不能区分700770nm的光谱色的差别，所以他们有相同的色品坐标点。 540700nm的光谱轨迹基本上与XY直线重合，所以用540nm和700nm的光谱色可以匹配出他们之间的饱和度较高的光谱色,链接400nm 与700nm两点的连线称为紫线，是由400nm 与700nm的光谱色按不同比例混合的颜色 Y=0的直线（XZ),是无亮度线，靠近这条线的坐

13、标点表示较低的视觉亮度，色品图表示，在相同的辐射能量下，蓝紫色的可视亮度较低 色品图的中心为白色（灰色）区域，所以越靠近中心的颜色饱和度越低， 经过中心白色点直线连接的颜色互为补色。,CIE1931XYZ标准色度系统,CIE1931XYZ标准色度（观察者） 和CIE1931XYZ标准色度图一起构成了 CIE1931XYZ标准色度系统 CIE1931XYZ标准色度系统是国际上色度计算、颜色测量、和颜色表征的统一标准，是所有测色仪器的设计与制造依据,4 CIE 1964 补充色度学系统 (10o观察条件),单纯原色的混合物，在整个视场低于10o时出现不均匀现象，工业上配色总是在比2o视场更大的范围

14、。为了适合于10o大视场的色度测量，1964年CIE规定了一组CIE l964 补充标准观察者光谱三刺激值和相应的色度图，这一系统称为CIE l964补充标准色度学系统。 在CIE l964补充色度学系统色度图中，等能白光的色度坐标： x10E = 0.3333，y10E = 0.3333，z10E = 0.3333。 研究表明，观察视场增加到10o辨色精度能提高，但视场进一步增大就不再提高了。,CIE l964与CIE l931光谱三刺激值曲线比较,CIE1964 色度图与CIE l931 色度图比较,5 CIE色度计算方法,5-1 光源色的色度计算： 如果已知光源的相对光谱功率分布为P（）

15、 则该光源的颜色三刺激值按下式计算： 其中： 为归化系数， 其物理意义是将光源的，其物理意义是将光源的Y值调整到100.即,该光源的色度坐标为： 注意：Y=100 是光源的归化亮度，不是光源的实际亮度（由相对光谱功率分布不能求出光源的实际亮度），光源的实际亮度应有光源实际的光谱功率w()分布算出： 需要用积分球测量,5-1 物体色的色度计算：,设照亮物体的光源的相对光谱功率分布为p() 不透明物体的表面光谱反射比() 透明物体的光谱透射比() 则：进入人眼睛的相对光谱功率分布（颜色刺激函数）为 p() ()（反射体）， 或p() ()（投射体） 其颜色三刺激值分别为：,其中 因此 或 分别代表

16、物体反射或投射光源亮度的百分比,该物体色的色度坐标为 则该物体色的色度坐标与亮度表示为（x, y）Y 注： 1、在计算中根据具体要求 使用CIE1931标准色度观察者或者 CIE1960标准色度观察者 2、按计算精度要求取10nm,5nm或1nm,5-2颜色相加计算,混合色的三刺激值等于参混色的三刺激值之和： 若有：C1（X1、Y1、Z1）， C2（X2、Y2、Z2） C（X、Y、Z）= C1+ C2 则： X= X1+ X2 , Y= Y1+ Y2 , X= Z1+ Z2 混合色的色品坐标与参混色的色品坐标之间没有线性叠加关系 若 已知参混色的色品坐标和亮度 （x、y、Y） 则需先计算出各自

17、的三刺激值，然后相加： 由： X/x=Y/y=Z/z=X+Y+Z, x+y+z=1 得：X=xY/y Y=Y Z =zY/y =(1-x-y) Y/y 例：（P70、P72),6 均匀颜色空间与色差计算,面临的问题： 1、人眼睛对颜色差别感受的特性 2、颜色差别的数量表达方法 3、颜色差别的数量表达与人眼所感受的颜色 差别的一致性（均匀颜色空间） 4、色差计算公式,6-1 人眼对颜色差别的分辨特性,人眼对光谱颜色的差别感受性 ：非均匀性,人眼对颜色的恰可分辨范围,麦 克 亚 当 的 颜 色 椭 圆 形 宽 容 量 范围,6-2 均匀色度空间,以上研究结果表明： 1、人眼对颜色差别辨别能力对于不

18、同的颜色有很大的差别（相差达十几倍） 2、在CIE1931XYZ色度系统中，用不同坐标点之间的距离不能准确表示人眼对色差的感觉，二者没有较好的一致性。 均匀颜色空间：一种可以表示颜色的色调、明度、饱和度的坐标空间，在此空间中不同坐标点之间的距离可以表示颜色之间的差别，而且在整个空间和不同的方向上有较好的一致性和均匀性。,CIEl960 均匀色度空间（CIE l960UCS）,u = 4X / ( X + 15Y + 3Z ) = 4x / ( -2x + 12y + 3 ) v = 6Y / ( X + 15Y + 3Z ) = 6y / ( -2x + 12y + 3 ),在CIE l960

19、UCS图上的麦克亚当椭圆,CIE 1976 UCS 色度图 ( u , v 图) u = 4x/(-2x+12y+3) , v = 9y/(-2x+12y+3) u=4X/(X+15Y+3Z), v = 9Y X+15Y+3Z),CIE l964 均匀颜色空间,用明度指数W*、色度指数U*和V*三个参数来表示颜色的空间位置： W* = 25 Y1/3 17 （1Y100） U* = 13 W* (u - uo) V* = 13 W* (v - vo) 式中：u 和v是颜色样品在CIE l960 均匀色度空间的色度坐标， uo和vo则是所采用光源在CIE l960 均匀色度空间的色度坐标。,CI

20、E1964 LUV色差公式,在CIE l964 均匀颜色空间中的两个颜色（ U*1 V*1 W*1）和（ U*2 V*2 W*2）色差为： E uv = (W* )2 + (U* )2 + (U* )212 U*= U*1 U*2 V*= V*1 V*2 W*= W*1 W*2 色差单位： E =1为1NBS单位（最佳条件下人 眼恰可察觉色差的5倍） 一般允许色差：涂料：1 NBS单位，纺织品： 2 NBS单位，彩电：45 NBS单位,CIE l976 L*u*v*均匀颜色空间( CIELUV ),L* = 116 (Y / Yo )1/3 - 16 ( Y / Yo 0.008856 ) L* = 903.3( Y/ Yn) ( Y/ Yn 0.008856 ) u* = 13 L* ( u uo) v* = 13 L* ( v vo) 式中X、Y、Z为颜色样品的三刺激值； u = u、v = 1.5 v为颜色样品在CIE 1976 UCS 色度图的色度坐标； Xo、Yo、Zo为CIE标准照明体照射在完全漫反射体上，然后反射到人眼中的三刺激值，即Yo = 100；uo、vo为照明体在CI