1、第11章 色度学基础 第11章 色度学基础 11.1 光与视觉光与视觉 11.2 颜色匹配颜色匹配 11.3 CIE 1931标准色度系统标准色度系统 11.4 CIE 1964补充标准色度系统补充标准色度系统11.5 CIE色度的计算方法色度的计算方法 11.6 CIE 1960均匀色度标尺图均匀色度标尺图 11.7 CIE的均匀颜色空间的均匀颜色空间 11.8 CIE标准照明体和标准光源标准照明体和标准光源 第11章 色度学基础 11.1 光与视觉光与视觉 11.1.1 可见光辐射可见光辐射光是一定波长范围内的电磁辐射。电磁辐射的波长范围很广，最短的如宇宙射线，其波长只有千兆兆分之几米(1
2、015m1014m)，最长的如交流电，其波长可达数千千米。在整个电磁辐射中，只有很小的一段进入人眼后能引起视觉感知，这部分光辐射称为可见光辐射，简称可见光。一般认为可见光的波长范围在380nm780nm，如图11-1所示。因此，广义上的光指的是包括X射线、紫外光、可见光、红外光等在内的光辐射；而狭义上的光通常就是指可见光。第11章 色度学基础 图11-1 可见光在电磁波谱中的范围 第11章 色度学基础 不同波长的可见光辐射引起人们不同的颜色感觉，单一波长的光辐射表现为一种颜色，称为单色光或光谱色。单色光的波长由长到短，对应着的颜色感觉由红到紫。一般认为，红色780nm620nm，橙色620nm
3、590nm，黄色590nm560nm，黄绿色560nm530nm，绿色530nm500nm，青色500nm470nm，蓝色470nm430nm，紫色430nm380nm。这种划分只是给出了大致的范围。实际上单色光的颜色是连续渐变的，不存在严格的界限。同时，实验指出可见光区域除了572nm、503nm和478nm这三个光谱点不受光强变化的影响外，其它各波长的单色光颜色感觉第11章 色度学基础 都会随着光强度的不同而变化。例如660nm的红色光当视网膜照度由2000楚兰德减少到100楚兰德时，就必须减少波长34nm才能保持原来的颜色。图11-2是各种波长的恒定颜色线。人们在日常生活中见到单色光的机
4、会不多，一般接触到的都是如自然界中的太阳光等所谓的复色光，这是由不同波长的单色光组合而成的混色光。复色光的不同波长辐射的相对功率分布决定了人们对它的颜色感觉。所以，一定成分的复色光对应一种确定的颜色；但是，一种颜色感觉并不只对应一种光谱组合，即两种成分完全不同的复色光有可能引起完全相同的颜色感觉，这就是颜色科学中很重要的同色异谱问题。第11章 色度学基础 图11-2 各种波长的恒定颜色线 第11章 色度学基础 11.1.2 视网膜的颜色感知特性视网膜的颜色感知特性当眼睛注视着某一点时，以这点为中心眼睛所看到的范围称为眼睛的视野。一般来讲，垂直视野为140，单只眼睛的水平视野为150，双眼的水平
5、视野为180。分辨色彩的视野为色视野。由于视网膜的中央凹和边缘部位其视感细胞的分布不同，其中中央视觉主要是锥体细胞起作用，而边缘视觉则主要由杆体细胞起作用，所以视网膜不同区域的颜色感受性亦有所不同。因此，正常颜色视觉的人其视网膜中央能分辨各种颜色，由中央向边缘过渡，锥体细胞减少，杆体细胞增加，对颜色的分辨能力逐渐减弱，最后对颜色的感觉消失。第11章 色度学基础 与中央凹相邻的外周区先丧失红色、绿色的感受性，视觉呈红绿色盲。在这里，眼睛只能看到红色和绿色所具有的明暗程度，即把这两种颜色及其混合色看成不同明暗的灰色，而黄蓝颜色感觉仍保留。在视网膜的更外围边缘，对黄色、蓝色的感受性也丧失，成为全色盲
6、区。在这个区域只有明暗感觉而无颜色感觉，各种颜色都被看成不同明暗的灰色。因此，人的正常色视野的大小随颜色而不同。在同一光亮条件下，白色视野的范围最大，其次是黄蓝色，而红绿色视野最小，如图11-3为右眼视网膜的颜色区。即使在中央凹范围内，对颜色的感受性也不一样。在中央凹中心15视角的区域内对红色的感受性最高，但对蓝色和黄色的感受性丧失，第11章 色度学基础 所以在远距离观察信号灯光时常会发生误认现象。这是因为视网膜中央的黄斑区被一层黄色素覆盖，因而降低了光谱短波(如蓝色)的感受性。黄色素在中央凹处密度最大，向外逐渐减弱，会造成观察小面积和大面积物体时颜色的差异。当观察大于4视场的物体颜色时，在视
7、场正中会看到一个略带红色的圆斑，称为麦克斯韦尔圆斑，此圆斑就是由中央的黄色素造成的。黄色素对人眼的颜色视觉有一定的影响，并且黄色素随着年龄的增长而变化，年龄大的人其黄色素变得越发黄，因此，不同年龄的人其颜色感受性也会有差异。第11章 色度学基础 图11-3 右眼视网膜的颜色区 第11章 色度学基础 11.1.3 颜色的分类和颜色特性颜色的分类和颜色特性人类很早就知道用挖掘出来的矿物颜料涂饰自己居住的洞穴墙壁，用植物色素来染原始的衣服，但如何确切地表示颜色这个问题，却是在20世纪20年代以后才引起人们的普遍关注并取得较大进展的。以前，人们用许多不同的方式来给颜色命名。最多的是用自然界最常见的植物
8、或动物来命名与它们的颜色相近的颜色，如“玫瑰红”、“苹果绿”、“孔雀蓝”等等。也有用颜料的来源、产地、化学名称来命名颜色的。某些颜色的特殊用途有时也会反过来作为颜色的名称。这些形形色色的命名法的缺陷是显而易见的。首先是它们不能准确地表示事实上千差万别的颜色。据有些学者的研究，人眼第11章 色度学基础 可以分辨的表面色有一千多万种，而其中有商业价值的约五十万种。更重要的是，上述命名法很难准确地传递有关颜色的信息和在没有样品的情况下复现颜色。这在人类社会商业活动日益频繁、信息交流剧增的现代社会，就成了一个突出的问题。20世纪60年代就有研究表明，全世界由于这方面的原因造成的金钱和商品的损失，每年总
9、计达数十亿美元。正是在这样的背景下，许多艺术家、心理学家和物理学家致力于如何客观地表示颜色的研究，并且取得了显著的成绩。下面简要介绍大多数学者对颜色的分类及其特性。第11章 色度学基础 颜色可分为非彩色和彩色两大类。颜色是非彩色和彩色的总称。非彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色。它们可以排成一个系列，由白色逐渐到浅灰、再到中灰，再到深灰，直至黑色，叫做白黑系列。白黑系列中由白到黑的变化可以用一条垂直线表示，一端是纯白，另一端是纯黑，中间有各种过渡的灰色。纯白是理想的完全反射的物体，对可见光所有波长的反射比都等于1；纯黑是理想的无反射的物体，对可见光所有波长的反射比都等于零。白黑系列的非彩色代
10、表物体的光反射比的变化，在视觉上是明度的变化。愈接近白色，明度愈高；愈接近黑色，明度愈低。第11章 色度学基础 对于光来说，非彩色的白黑变化相应于白光的亮度的变化。当白光的亮度非常高时，人眼就感觉到是白色的；当光的亮度很低时，就感觉到暗或发灰；无光时是黑色的。明度是人眼对物体的明亮感觉，受视觉感受性和过去经验的影响。一般，明度的变化相应于亮度的变化。物体表面或光源的亮度愈高，人感觉到的明度也愈高。但二者的关系并不完全固定。若亮度的变化很微小，达不到人眼的分辨阈限，眼睛就感觉不出明度的变化，这时亮度虽有变化而明度却不变。在暗环境中观察一张高反射率的书页，在亮环境中观察一块低反射率的黑墨，虽然后者
11、的亮度可能大于前者，但由于观察者已经知道它们是书页和黑墨，所以书页仍感觉为白色，有较高的明度，而黑墨仍为黑色，有较低的明度。这是因为观察者对书页和黑墨的记忆和经验，有周围其它物体的相对明度作为参考，以及对不同照明条件的认识，影响了明度感觉。第11章 色度学基础 彩色是指白黑系列以外的各种颜色。为了科学地比较和鉴别不同彩色，人们制定出了衡量彩色标准的三个独立属性：色调、明度、饱和度。色调:所谓色调就是色别，或是色的相貌，如红、橙、黄、绿、蓝等。色调的实质就是可见光谱不同波长的辐射在视觉上表现出来的感觉。不同波长的光波具有不同的色调，它们是一一对应的，一般视觉正常的人眼最多能够清晰地分辨出100个
12、左右的色调。光源的色调取决于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。物体的色调取决于光源的光谱组成和物体表面所反射(或透射)的各波长辐射的比例对人眼所产生的感觉。第11章 色度学基础 明度:所谓明度就是彩色光明暗、深浅的程度。彩色光的亮度愈高，人眼就愈感觉明亮，或者说有较高的明度。彩色物体表面的光反射率愈高，它的明度就愈高。各种色调的明度是不相同的，黄色的明度最高，紫色的明度最低。饱和度：所谓饱和度就是指彩色的纯洁性，又称纯度。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺入白光成分愈多时，就愈不饱和。当光谱色掺入白光成分达到很大比例时，在眼睛看来，它就不再成为一个彩色光，而成为白光了。物体色的饱和
13、度取决于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。物体对光谱某一较窄波段的反射率愈高，而对其它波长的反射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，这一颜色的饱和度就高。第11章 色度学基础 11.1.4 颜色立体颜色立体用一个三维空间纺锤体可以将颜色的三个基本特性色调、明度、饱和度全部表示出来，如图11-4所示。在颜色立体中，垂直轴代表白黑系列明度的变化，顶端是白色，底端是黑色，中间是各种灰色的过渡。色调由水平面的圆周表示，圆周上的各点代表光谱上各种不同的色调。圆形的中心是中灰色，中灰色的明度和圆周上各种色调的明度相同。从圆周向圆心过渡表示颜色饱和度逐渐降低。从圆周向上下白黑方向变化也表示颜色饱和
14、度的降低。颜色色调和饱和度的改变不一定伴随明度的变化。当颜色在立体同一平面上变化时，只改变色调或饱和度而不改变明度。但只要颜色离开圆周，它就不是最饱和的颜色了。第11章 色度学基础 图11-4 颜色立体 第11章 色度学基础 这个颜色立体只是一个理想化了的示意模型，目的是为了使人们更容易理解颜色三特性的相互关系。在真实的色彩关系中，饱和度最大的黄色并不在中等明度的地方，而是在靠近白色明度较高的地方；饱和度最大的蓝色在靠近黑色明度较低的地方。因此，颜色立体中部的色调圆形平面应该是倾斜的，黄色部分较高，蓝色部分较低；而且该平面的圆周上的各种饱和色调离开垂直轴的距离也不一样，某些颜色能达到更高的饱和
15、度，所以这个圆形平面并不是真正的圆形。第11章 色度学基础 11.1.5 格拉斯曼颜色混合定律格拉斯曼颜色混合定律1854年格拉斯曼(HGrassmann)将颜色混合现象总结成颜色混合的定性性质，称为格拉斯曼定律，这为现代色度学的建立奠定了基础。该定律内容如下：(1)人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调、饱和度。(2)在由两种成分组成的混合色中，如果一个成分连续地变化，则混合色的外貌也连续地变化。由这一定律可进一步导出两个定律：补色律：每一种颜色都有一个相应的补色。如果某一颜色与其补色以适当比例混合，便产生白色或灰色；如果两者按其它比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。第11章
16、 色度学基础 中间色律:任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色调取决于两颜色的相对数量，其饱和度取决于两者在色调顺序上的远近。(3)颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。换言之，凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。由这一定律导出颜色的代替律。代替律:相似色混合后仍相似，如果颜色A=颜色B；颜色C=颜色D，那么颜色A+颜色C=颜色B+颜色D代替律表明，只要在感觉上颜色是相似的，便可以互相代替，所得的视觉效果是同样的。设A+B=C，如果没有B，而X+Y=B，那么A+(X+Y)=C。这个由代替而产生的混合色与原来的混合色在视觉上具有相同的效果。第11章 色度学基础
17、 根据代替律，可以利用颜色混合方法来产生或代替各种所需要的颜色。颜色混合的代替律是一条非常重要的定律，现代色度学就是建立在这一定律基础上的。(4)混合色的总亮度等于组成混合色的各颜色光亮度的总和。这一定律叫做亮度相加律。上面所说的格拉斯曼颜色混合定律是色度学的一般规律，适用于各种颜色光的相加混合，但这些规律不适用于染料或涂料的混合。第11章 色度学基础 11.2 颜色匹配颜色匹配 11.2.1 颜色匹配实验颜色匹配实验根据格拉斯曼颜色混合定律，外貌相同的颜色可以相互代替，相互代替的颜色可以通过颜色匹配实验来找到。把两个颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫做颜色匹配。颜色混合可以是颜色光的混合，也
18、可以是染料的混合，这两种混合方法所得到的结果是不同的，前者称为颜色相加混合，后者称为颜色相减混合。将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官，便产生不同于原来颜色的新的颜色感觉，这就是颜色相加混合的方法。图11-5中介绍的颜色匹配实验方法第11章 色度学基础 就是利用颜色光相加来实现的。图的左侧是一块白色的屏幕，上方为红、绿、蓝三原色光，下方为待测色光，三原色光照射白色屏幕的上半部分，待测色光照射白色屏幕的下半部分，白色屏幕上下两部分用一黑挡屏隔开，由白色屏幕反射出来的光通过小孔抵达右方观察者的眼内，人眼看到的视场如图右下方所示，视场范围在2左右，被分成两部分。图11-5的右上方还有一束光，它
19、投射在小孔周围的背景白板上，因而视场周围有一圈色光作为背景，这束光的颜色和强度都可以调节。在此实验装置上可以进行一系列实验。待测光的颜色可以通过调节上方三种原色光的强度来混合形成，当视场中两部分光色相同时，视场中的分界线消失，两部分 第11章 色度学基础 合为同一视场。此时认为待测光的光色与三原色的混合光色达到色匹配。不同的待测光达到匹配时三原色光强度值不同。视场两部分光色达到匹配后，改变背景光的明暗程度，发现视场中颜色会发生变化。例如,在暗背景光照明下感知的视场颜色为饱和的桔红色，而在亮背景光时视场颜色成为暗棕色，但是视场两部分还是匹配的。这实验证明了一条色匹配的基本定律，称为颜色匹配恒常律
20、：两个相互匹配的颜色，尽管处在不同的条件下，两个颜色仍始终匹配，即不管颜色周围环境的变化，或者人眼已经对其它色光适应后再来观察，视场中的两种颜色始终保持匹配。第11章 色度学基础 图11-5 颜色光的匹配实验 第11章 色度学基础 通过颜色匹配实验还发现，这三个原色不一定是红、绿、蓝三色，也可以是其它三种颜色，条件是三个原色中的任何一个不能由其余两个相加混合出来。实验证明，用红、绿、蓝三原色产生其它颜色最方便，所以这三种颜色是最优的三原色。需要说明的是，在上述颜色光的匹配实验中，由三原色组成的颜色的光谱组成与被匹配的颜色光的光谱组成可能很不一致。例如，由红、绿、蓝三个颜色光混合的白光与连续光谱
21、的白光在视觉上一样，但它们的光谱组成却不一样。我们称这一颜色匹配为“同色异谱”的颜色配对。由三原色混合成的颜色只表达被匹配颜色的外貌，而不能表达它的光谱组成情况。第11章 色度学基础 最后，不同的颜色刺激同时作用到视网膜非常邻近的部位，也可产生颜色混合现象。在彩色电视机荧光屏幕上，密集地布满细小的红、绿、蓝发光荧光粉条或粉点，它们刺激视网膜非常邻近的感光细胞，以致视觉不能区分独立的粉条或粉点。通过调节屏幕上相邻的三色粉条或粉点的亮度比例，就在视觉上产生各种颜色混合效果。第11章 色度学基础 11.2.2 颜色匹配方程颜色匹配方程图11-5颜色匹配实验的结果可用格拉斯曼定律来阐述，也可以用代数式
22、和几何图形来表示。颜色匹配方程就是表示颜色匹配的代数式。如果用(C)代表被匹配的颜色，以(R)、(G)、(B)分别代表产生混合色的红、绿、蓝三原色，又以R、G、B分别代表红、绿、蓝三原色的数量，把为了匹配某一特定颜色所需的三原色数量叫做三刺激值，则可写出颜色方程(C)R(R)+G(G)+B(B)(11-1)第11章 色度学基础 这个方程即为颜色匹配方程，简称“颜色方程”。它在形式上是一个代数方程，但本质上与我们熟悉的代数方程有很大的不同。首先，颜色方程式中的“”号的意义是方程两边的颜色是匹配的，即视觉上相等，与代数方程中的恒等号意义不同。其次，方程中加号“+”的意义表示色光的混合，实质上是代表
23、一个实验操作而非一种数量运算。第11章 色度学基础 在上述颜色匹配实验中，如果在屏幕上被匹配的一侧是光谱上非常饱和的颜色(即接近光谱色)，而在屏幕的另一侧仍用红、绿、蓝三原色的混合光去试行匹配，就会发现，大部分光谱色的饱和度太高，不能用这三原色产生满意的配对。在这种情况下，可选取三原色中的一种，少量地加入被匹配的颜色光中，然后用剩下的两种原色去匹配这个已同原来的被匹配的颜色稍微不同的颜色光。假设加入被匹配的颜色光中的原色是蓝原色，那么这一颜色匹配关系可用方程(C)+B(B)R(R)+G(G)(11-2)表达，这一方程在色度学中可写成为(C)R(R)+G(G)B(B)(11-3)第11章 色度学
24、基础 例如，对光谱中的黄单色光，就不能用三原色的混合取得满意的匹配。这时，只用红和绿两原色光相混合，而把少量的蓝原色光加到黄光谱色的一侧，才能实现满意的匹配。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(亦称为光谱色)，对应一种波长的单色光可以得到一组三刺激值R、G、B。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三刺激值。如果将各单色光的辐射能量值都保持为相同(这样的光谱分布称为等能光谱)来做上述一系列实验，所得到的三刺激值称为光谱三刺激值，也就是匹配等能光谱色三原色的数量,用第11章 色度学基础 符号、表示。光谱三刺激值又称为颜色匹配函数，它的数值只取决
25、于人眼的视觉特性。为匹配波长的等能光谱色(C)的颜色方程为上式中光谱三刺激值、之一可能是负值。本书中，我们约定用、表示某一光谱色(C)的三刺激值，而用R、G、B表示某一混合光(非光谱色)的三刺激值。rgb(C)(R)(G)(B)rgb(11-4)rgbrgb第11章 色度学基础 在上述可能具有负值方程的颜色匹配条件下，所有的颜色，包括白黑系列的各种灰色、各种色调和饱和度的颜色，都能由红、绿、蓝三原色的相加混合产生。综上所述，任何一种颜色，包括可见光谱的全部颜色，都能用红、绿、蓝三原色相加混合出来，条件是三个原色中的任何一个不能由其余两个相加产生。第11章 色度学基础 11.2.3 色度坐标和色
26、度图色度坐标和色度图在色度学中，我们有时不直接用三刺激值R、G、B来表示颜色，而用三原色各自在三刺激值总和(R+G+B)中的相对比例来表示颜色，把三原色各自在三刺激值总和(R+G+B)中的相对比例叫做色度坐标，用符号r、g、b表示。某一光谱色(C)的色度坐标为而某一非光谱色(C)的色度坐标为 rgbrgbrgbrgbrgb，(11-6)RGBrGBRGBRGBRGB，(11-7)第11章 色度学基础 在色度学里，三刺激值的单位(R)、(G)、(B)不是用物理量为单位，而是选用色度学单位，也称为三T单位。它的确定方法是选某一特定的白光(W)作为标准，另外选定三个特定波长的红、绿、蓝三原色光进行混
27、合，直到三原色光以适当比例匹配出标准白光。如测得所需要的三原色的光通量值(R)为lR流明；(G)为lG流明；(B)为lB流明。我们把每一原色光的光通量值作为一个单位来看待，三者的比例关系定为1 1 1的等量关系。换言之，将比值lR lG lB定为三刺激值的相对亮度单位，即色度学单位。例如匹配FC流明的(C)光，需要FR流明的(R)，FG流明的(G)和FB流明的(B)，写出颜色方程为第11章 色度学基础 FC(C)FR(R)+FG(G)+FB(B)(11-8)此式中各单位是以1流明表示的。若用色度学单位表示则方程为C(C)R(R)+G(G)+B(B)(11-9)式中C=R+G+B显然，为了匹配标
28、准白光，三原色的数量R、G、B(三刺激值)相等，即R=G=B=1，将标准白光(W)的三刺激值代入式(11-6)，其色度坐标为,GRBRGBFFFRGBlll第11章 色度学基础 因而(W)0.33(R)+0.33(G)+0.33(B)(11-11)标定一个颜色，还可以在色度图上用色度坐标定出它的位置。麦克斯韦(J.axwell)首先提出一个三角形色度图表示颜色，所以这一色度图称为麦克斯韦颜色三角形。该色度图是一个直角三角形的平面坐标图，如图11-6所示。三角形三个顶点对应于三原色(R)、(G)、(B)，纵坐标为色度坐标g，横坐标为色度坐标r。标准白光(W)在色度图上的位置是r=0.33，g=0
29、.33。只需给出r和g两个坐标值就可确定任意颜色在色度图上的位置。1110.33,0.33,0.331 1 11 1 11 1 1rgb (11-10)第11章 色度学基础 图11-6 麦克斯韦颜色三角形及色度坐标 第11章 色度学基础 11.2.4 三刺激值计算公式三刺激值计算公式CIE色度学系统用三刺激值来定量描述颜色，但是要得到每种颜色的三刺激值不可能都用匹配实验来测得。根据格拉斯曼颜色混合的代替律，如果两个颜色光R1、G1、B1和R2、G2、B2相加混合后，则混合光的三刺激值为R=R1+R2G=G1+G2B=B1+B2混合色的三刺激值为各组成色三刺激值之和，这一规律称为颜色相加原理。该
30、原理不仅适用于两个颜色的相加，而且可以扩展到许多颜色的相加。因此，对于一个任意光源的三刺激值应等于匹配该光源各波长光谱色的三刺激值各自之和。第11章 色度学基础 对一个光源的光谱，用特定的三原色匹配每一波长的光谱色，所需的三刺激值的比例是不同的，但是对任何光源，匹配同波长光谱色的三刺激值比例关系却是固定的，只是在改变光源时，由于光源的光谱功率分布不同，就需要对匹配各个波长光谱色的固定三刺激值分别乘以不同的因数。如果将各种波长光谱色的辐射能量值都保持为相同，在可见光380780nm范围内，每隔一定波长间隔如5nm，对各个波长的光谱色进行一系列匹配实验，可以得到对应于各种波长光谱色的三刺激值，可以
31、用一组方程来表示：第11章 色度学基础 经过这样的匹配实验，就可以得到颜色视觉正常的标准人眼用这三原色光匹配等能光谱各波长光谱色所需要的三刺激值，即已知标准观察者的光谱三刺激值、。380380380380385385385385390390390390780780780780(C)(R)(G)(B)(C)(R)(G)(B)(C)(R)(G)(B)(C)(R)(G)(B)rgbrgbrgbrgb(11-12)()r()g()b第11章 色度学基础 因此，我们就得到一种测量颜色的方法，当我们规定三个原色光(R)、(G)、(B)，并且已知标准观察者的光谱三刺激值、时，就可以此为标准去计算光谱功率分布
32、不同的光源的三刺激值和色度坐标。计算方法是将待测光的光谱功率分布S()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，就得出该待测光的三刺激值()r()g()b dddRkSrGkSgBkSb(11-13)第11章 色度学基础 11.3 CIE1931标准色度系统标准色度系统 现代色度学采用CIE所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法，称为CIE标准色度学系统。这一系统以两组基本视觉实验数据为基础。一组数据叫做“CIE1931标准色度观察者”，适用于14视场的颜色测量。另一组数据叫做“CIE1964补充标准色度观察者”，适用大于4视场的颜色测量。按照CIE规定，必须在明视觉条件下
33、使用这两类标准观察者的数据。第11章 色度学基础 用三刺激值来定量描述颜色量是一种可行的方法。为了测得物体颜色的三刺激值，首先必须研究人眼的颜色视觉特性，测出光谱三刺激值。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的，故有可能根据一些观察者进行的颜色匹配实验，将它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“标准色度观察者光谱三刺激值”，以此来代表人眼的平均视觉特性。当时，不少科学工作者进行了这类实验，但是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。1931年在美国剑桥举行的CIE第8次会议上，统一了
34、上述实验结果，建立起CIE1931标准色度系统，从而奠定了现代色度学的基础。第11章 色度学基础 11.3.1 1931CIE-RGB系统系统1931CIE-RGB系统是建立在莱特(W.D.Wright)和吉尔德(J.Guild)两项颜色匹配实验基础上的。莱特在19281929年间，选择650nm(红)、530nm(绿)和460nm(蓝)三种单色光作为三原色进行光谱色匹配实验，在2视场范围内，用这三种原色匹配等能光谱的各种颜色。三刺激值单位是这样规定的：相等数量的绿和蓝原色匹配494nm的蓝绿色，相等数量的红和绿原色匹配582.5nm的黄色，得出它们的相对亮度单位为lR lG lB。由10名观
35、察者在它设计的目视色度计上进行实验，测得一组光谱三刺激值数据。第11章 色度学基础 吉尔德在1931年选用630nm(红)、542nm(绿)和460nm(蓝)作为三原色来匹配等能光谱的各种颜色，其三刺激值单位是以三原色相加匹配NPL(NationalPhysicalLaboratory，英国国家物理实验室)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lR lG lB。在他自己设计的目视测色计上由7名观察者在2观察视场下进行了颜色匹配实验，测得了一组独立的光谱三刺激值数据。第11章 色度学基础 CIE综合了上述两项实验结果，并将他们两人使用的三原色转换成700nm(红)、546
36、.1nm(绿)和435.8nm(蓝)三原色，并以相等数量的三原色刺激值匹配出等能白光(又称为E光源)来确定三刺激值单位。然后重新比较两组实验数据，发现其结果非常接近。因此，CIE于1931年采用了他们两人的实验结果的平均值来定出匹配等能光谱色的RGB三刺激值，用、来表示。这一组函数叫做“1931CIE-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“1931CIE-RGB系统标准色度观察者”，其数据如表11-1所示，光谱三刺激值曲线如图11-7所示。图11-8是根据1931CIE-RGB系统标准观察者光谱三刺激值所绘制的色度图。rgb第11章 色度学基础 图11-7 1931CIE-RGB系统标
37、准色度观察者光谱三刺激值曲线 第11章 色度学基础 图11-8 1931CIE-RGB系统色度图 第11章 色度学基础 表表11-1 1931CIE-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值系统标准色度观察者光谱三刺激值 第11章 色度学基础 第11章 色度学基础 在色度图中，偏马蹄形曲线是所有光谱色色度坐标点连接起来的轨迹称为光谱轨迹。容易看到，光谱轨迹很大一部分的r坐标都是负值。1931CIE-RGB系统用700nm、546.1nm和435.8nm作为(R)、(G)、(B)三原色，是因为700nm是可见光谱的红色末端，546.1nm和435.8nm是两个较为明显的汞亮线谱，三者都比较容易精确地
38、产生出来。1931CIE-RGB系统规定用等量的(R)、(G)、(B)匹配等能白光。经实验和计算确定，匹配等能白光(R)、(G)、(B)三原色单位的亮度比率为：1.0000 4.5907 0.0601；它们的辐亮度比率为：72.0962 1.3791 1.0000。第11章 色度学基础 从图11-7和图11-8可看到，、光谱三刺激值和光谱轨迹的色度坐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。1931CIE-RGB系统的、光谱三刺激值是从实验得出的，本来可以用于色度学的计算，但计算中会出现负值，用起来不方便，又不易理解，因此，1931年CIE推荐了一个新的国际通用
39、的色度系统1931CIE-XYZ系统。rgbrgb第11章 色度学基础 11.3.2 1931CIE-XYZ系统系统1.1931CIE-RGB系统向系统向1931CIE-XYZ系统的转换系统的转换1931年CIE在RGB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图CIE1931色度图。将它匹配等能光谱的三刺激值，定名为“CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值”，简称为“CIE1931标准色度观察者”。这一系统叫做“CIE1931标准色度学系统”或“1931CIE-XYZ系统”。1931CIE-XYZ系统中三个假想原色的确定主要考虑下面几个问题：第11章 色度学基
40、础(1)规定两原色只代表色度，没有亮度，光度量只与三刺激值Y成正比。XZ线称为无亮度线，它在r-g色度图中的方程应满足零亮度线的条件。前面提到(R)、(G)、(B)三原色的相对亮度比是lR lG lB=1.0000 4.5907 0.0601，在色度图上，某一颜色的色度坐标为r,g,b，则它的亮度方程可写成l(C)=r+4.5907g+0.0601b(11-14)如果此颜色在无亮度线上则l(C)0，所以r+4.5907g+0.0601b=0(11-15)代入b=1rg，则得r+4.5907g+0.06010.0601r0.0601g=0(11-16)第11章 色度学基础 整理后得XZ线的方程为
41、0.9399r+4.5306g+0.0601=0(11-17)(2)在此系统中光谱三刺激值和光谱轨迹上以及轨迹以内的色度坐标都成为正值。要达到此目的，在选择三原色时，必须使三原色所形成的颜色三角形能包括整个光谱轨迹。也就是这三个原色在色度图上必须落在光谱轨迹之外，而不能在光谱轨迹的范围之内。这就决定了选用三个假想的原色(X)、(Y)、(Z)，其中(X)代表红原色，(Y)代表绿原色，(Z)代表蓝原色，它们虽不真实存在，但X，Y，Z所形成的虚线三角形却包含了整个光谱轨迹。第11章 色度学基础(3)光谱轨迹从540nm附近至700nm，在RGB色度图中基本上是一条直线，用这段线上的两个颜色相混合可以
42、得到两色之间的各种颜色，新的XYZ三角形的XY边应与这段直线重合，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，使计算方便。光谱轨迹从540nm至700nm这段直线的方程为r+0.99g1=0(11-18)这就是XY线的方程。第11章 色度学基础 另外新的XYZ三角形的YZ边应尽量与光谱轨迹短波部分的一点(503nm)靠近。结合上述XY边与红端光谱轨迹相切，就可以使光谱轨迹内的真实颜色尽量落在XYZ三角形内较大部分的空间，从而减少三角形内设想颜色的范围。YZ边取与光谱轨迹波长503nm点相靠近的直线，其直线方程为 1.45r+0.55g+1=0 (11-19)由以
43、上三条直线相交，就得到(X)、(Y)、(Z)三原色点在RGB系统色度图中的坐标值，它们是第11章 色度学基础(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以上确定了假想的三原色(X)、(Y)、(Z)在1931CIE-RGB色度图中的位置(即色度坐标)，从而确定了新的XYZ三角形，如图11-9所示，但在1931CIE-RGB色度图中，这个三角形是个钝角三角形，用起来很不方便。需要将1931CIE-RGB色度图转换成1931CIE-XYZ色度图。第11章 色度学基础
44、 图11-9 1931CIE-RGB系统色度图上X，Y，Z的位置 第11章 色度学基础 假想的三原色(X)、(Y)、(Z)在1931CIE-XYZ色度图中的坐标应是(X):x=1,y=0,z=0(Y):x=0,y=1,z=0(Z):x=0,y=0,z=1确定了三个原色坐标之后，还必须选择一个标准白，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点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第11章 色度学基础 在x-y坐标系统内为x=0.3333，y=0.3333知道了三原色和等能白点在r-g坐标系和x-y坐标系中的位置后，经
45、过坐标转换，可求得XYZ系统和RGB系统刺激值之间的转换关系式同样经过转换，也可以找到它们之间的色度坐标转换关系式X=2.7689R+1.7517G+1.1302BY=1.0000R+4.5907G+0.0601BZ=0 +0.0565G+5.5943B(11-20)第11章 色度学基础 由CIE推荐的RGB系统三原色(R)、(G)、(B)的波长分别为700nm，546.1nm，435.8nm，按照关系式(11-21)可以根据其在RGB系统中的坐标(r，g，b)计算出它们在XYZ系统中的色度坐标(x，y，z)，如表11-2所示。0.49000+0.31000+0.20000 x=0.66697
46、+1.13240+1.200630.176970.812400.010630.666971.132401.200630.000000.010000.990000.666971.132401.20063rgbrgbrgbyrgbrgbzrgb(11-21)第11章 色度学基础 表表11-2 三原色三原色(R)、(G)、(B)的色度坐标的色度坐标 第11章 色度学基础 因此，可以根据转换关系式(11-21)计算出CIE1931RGB系统中各波长的光谱在CIE1931XYZ系统中相应的色度坐标，并将各波长谱线的坐标点连接起来就形成CIE1931XYZ系统色度图，如图11-10所示，图中WE表示等能白
47、光E的色度点。可以看到，假想的三原色(X)、(Y)、(Z)在1931CIE-RGB色度图中的位置(即色度坐标)确定的钝角三角形，在1931CIE-RGB色度图中就成为麦克斯韦直角三角形，即目前国际通用的CIE1931色度图，在CIE1931色度图中仍保持RGB系统的基本性质和关系。第11章 色度学基础 图11-10 CIE1931XYZ系统色度图(颜色三角形)第11章 色度学基础 2.CIE1931标准色度观察者标准色度观察者通过(11-20)式，可将表11-1中的1931CIE-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值数据转换成表11-3中1931CIE-XYZ系统标准色度观察者光谱三刺激值数据
48、。波长间隔一般取5nm或者10nm，得到的一套数据称为“CIE1931标准色度观察者”。这套数据中代表了匹配各波长等能光谱色的三个假想原色的三刺激值。图11-11就是CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线图。1931CIE-XYZ系统给色度学的计算带来很大的方便，它的特点是的数值全部为正值。bgr ,zyx ,zyx ,zyx ,第11章 色度学基础 图11-11 CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值 第11章 色度学基础 由于在1931CIE-XYZ系统选择三原色时就考虑到只有Y值既代表色度又代表亮度。而X，Z只代表色度，所以与明视觉光谱光效率函数一致，即=V()。因而用已知的CI
49、E1931色度图的光谱轨迹色度坐标x()，y()，z()和光谱光效率函数V()就可求得光谱三刺激值、为)(y)(y)(y)(x)(z()()()()()()()()()()xzxVyVzVyy，(11-22)第11章 色度学基础 CIE1931标准观察者光谱三刺激值曲线分别代表匹配各波长等能光谱刺激所需要的红、绿、蓝三原色的量。在理论上，要想得到某一波长的光谱颜色，可以从表11-3中或图11-11上查出相应的三刺激值，也就是说，按数量的红、绿、蓝设想原色相加，便能得到该光谱色。zyx ,zyx ,zyx ,第11章 色度学基础 表表11-3 CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值标准色度观察
50、者光谱三刺激值 第11章 色度学基础 第11章 色度学基础 图11-11中，各曲线所包括的总面积分别用X，Y，Z代表。表11-3CIE1931标准观察者等能光谱各波长的总量，总量和总量是相等的，都是21.371(X=Y=Z=21.371)。这个21.371数值是相对数，没有绝对意义，它表明一个等能光谱的白光(E光源)是由相同数量的X，Y，Z组成的。CIE1931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(视场范围14)。在观察2视场的小面积物体时，主要是中央凹锥体细胞起作用。对极小面积的颜色观察此数据不再有效，对于大于4视场的观察面积，另有10视场的“CIE1964补充标准色度观察者”
