第六章颜色的度量体系要点课件.ppt

1、第六章第六章 颜色的度量体系颜色的度量体系 6.1 描述颜色的几个术语6.2 颜色的度量体系 6.3 Munsell颜色系统6.4 Ostwald颜色系统 6.5 CIE颜色系统 6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语一、什么是颜色一、什么是颜色 人的视觉系统感知到的颜色由光波的频率决定。眼睛感知到的颜色和波长之间的对应关系如下图所示。纯颜色通常使用光的波长来定义，用波长定义的颜色叫做光谱色(spectral colors)。6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语 而国际照明委员会(CIE)则使用用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是色调

2、，饱和度和明度，它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性。6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语二、色调二、色调 色调(hue)又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。色调取决于可见光谱中的光波的频率，它是最容易把颜色区分开的一种属性。色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。用于描述感知色调的一个术语是色彩(colorfulness)。6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语 色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫(red，orange,yellow，green，cyan，blue，indigo，violet，ROYGBIV)。在这个次序中，当人

3、们混合相邻颜色时，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调。色调在颜色圆上用圆周表示，圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度，但它们的色调不同。6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语 三、饱和度三、饱和度 饱和度(saturation)是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁性，它可用来区别颜色明暗的程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时，就说颜色愈不饱和。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜。饱和度在颜色圆上用半径表示，如图所示。沿径向方向上的不同颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同。饱和度最小饱和度最大6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语四、亮度四、亮度1.明度(br

4、ightness)明度是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率。明度常用垂直轴表示,明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色。相同的色调和饱和度 明度最小 明度最大 6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语2.亮度 由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比较容易度量的物理量，称为亮度(luminance)。亮度是用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率(radiant power)。亮度的值是可度量的，它用单位面积上反射或者发射的光的强度表示。明度和亮度的关系不是线性关系。6.1 描述颜色的几个

5、术语描述颜色的几个术语3.光亮度 光亮度是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，并用L*表示。其中，Y是CIE XYZ系统中定义的亮度，Yn是参考白色光的亮度。光亮度用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于发光体,该术语用来描述反射表面或者透射表面。16/116*3nYYL(/)0.008856nY Y3*903.3/nLY Y008856.0)/(nYY6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语五、颜色空间五、颜色空间 颜色空间是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定和产生颜色，使颜色形象化。对于人来说，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色；对于显示设

6、备来说，人们使用红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜色；对于打印或者印刷设备来说，人们使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色。6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语色调-饱和度-明度颜色空间 6.1 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语 颜色空间有设备相关和设备无关之分。设备相关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色与生成颜色的设备有关。如RGB颜色空间。设备无关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色与生成颜色的设备无关，例如CIE L*a*b*颜色空间。6.2 颜色的度量体系颜色的度量体系 颜色度量体系(color system)，也叫做颜色制或者叫做颜色体制或颜色系统，实际

7、上就是人们组织和表示颜色的方法。目前，组织和表示颜色的方法主要有两种：颜色模型(color model)：是用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义。如RGB,HSB,CMY,CIE XYZ,CIELAB，CMYK和颜色的光谱描述方法等。编目系统(cataloging system)。给每一种颜色分配一个唯一的名称或者一个号码。如Munsell颜色系统，Pantone颜色系统等。6.2 颜色的度量体系颜色的度量体系颜色的度量方法 6.3 6.3 MunsellMunsell颜色系统颜色系统 Munsell颜色系统是精确指定颜色和显示各种颜色之间关系的一种方法。每种颜色都有色调(hue)、明度值(

8、value)和色度(chroma)这三种属性。后来修改后的Munsell颜色系统使用色调、饱和度和和明度表示颜色的三种属性。6.3 6.3 MunsellMunsell颜色系统颜色系统在Munsell颜色系统中色调被分成红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)，这五种色叫做主色调(principal hues)，在主色调之间插入红黄、黄绿、绿蓝、蓝紫，紫红5种色调。度量颜色明暗的明度值(value)从白到黑被分成11个等级，度量颜色的饱和度或者叫纯度的色度(Chroma)被分成15等级。Munsell制中的颜色用三个符号表示，写成HVC(Hue，Value，Chroma)。如5R 4/

9、14。6.4 Ostwald颜色系统颜色系统Ostwald制是根据对颜色起决定作用的波长、纯度和亮度来映射色调、饱和度和明度的值。Ostwald假设色调有8种主色调组成，分别是黄色(yellow)，橙色(orange)，红色(red)，紫色(purple)，蓝色(blue)，青绿色(turquoise)，海绿色(seagreen)和叶绿色(leafgreen)，每一种再细分成3种，共24种，安排在如图所示的色圆上。6.4 Ostwald颜色系统颜色系统 Ostwald制使用垂直轴表示亮度，从黑色、灰色到白色。这些参数的数值通过一个盘色度计(disc colorimeter)来产生，如图所示。O

10、stwald颜色空间中的点用C(full color)，W(white)和B(black)来分别表示全色、白色和黑色，表示它们在一个圆上所占的百分比。如45,30,25 6.5 CIE颜色系统颜色系统 一、一、CIE 1931 RGBCIE 1931 RGB 红、绿和蓝单光谱基色匹配所有可见颜色 红、绿和蓝三种单色光的波长分别定义为700 nm(R)、546.1 nm(G)和435.8 nm(B)6.5 CIE颜色系统颜色系统标准白光Ew可以用每个基色单位为1的物理三基色配出：根据三基色原理，任意一种颜色可以用下式匹配：式中的系数r,g,b分别为红、绿和蓝三基色的比例系数，也就是三种单位基色光

11、的光通量的倍数。BGRCwE111bBgGrRC6.5 CIE颜色系统颜色系统光通量的倍数的大小决定颜色光的光通量，三者之间的比例决定它的颜色。因为三基色的总光通量必须与被表示的颜色相等，因此之和必等于1,即:1bgr6.5 CIE颜色系统颜色系统二、二、CIE 1931 XYZCIE 1931 XYZ 使用红、绿和蓝三基色系统匹配某些可见光谱颜色时，需要使用基色的负值，而且使用也不方便。而CIE XYZ系统采用想象的X，Y和Z三种基色，它们与可见颜色不相应。CIE选择的X，Y和Z基色具有如下性质：所有的X，Y和Z值都是正的，匹配光谱颜色时不需要一种负值的基色。用Y值表示人眼对亮度(lumin

12、ance)的响应。如同RGB模型，X，Y和Z是相加基色。因此，每一种颜色都可以表示成X，Y和Z的混合。6.5 CIE颜色系统颜色系统从RGB空间转换到XYZ空间时使用下式：从XYZ空间转换到RGB空间时使用下式：6.5 CIE颜色系统颜色系统BGRZYX0.99 0.010000 0.0000000.01 0.812400 0.1769620.20 0.310008 0.489989ZYXBGR1.009200 0.014407-0.005203-0.088746-1.426409 0.515150-0.468083-0.896580-2.364700 6.5 CIE颜色系统颜色系统所有的坐标

13、轴都不在这个实心锥体内。相应于没有光照的黑色位于坐标的原点。曲线的边界代表纯光谱色的三基色刺激值，这个边界叫做光谱轨迹(spectral locus)。光谱轨迹上的波长是单一的，因此其数值表示可能达到的最大饱和度。所有的可见光都在锥体上。6.5 CIE颜色系统颜色系统6.5 CIE颜色系统颜色系统如同RGB模型，在XYZ中任何一种颜色都可用三种基色单位表示，其配色方程就变成：式中，表示颜色，和 为三个基色单位；X,Y和Z均为正的基色系数；合成的颜色光的色度由,X,Y和Z的比值确定。当X=Y=Z时，合成白光 ，总的辐射能量X+Y+Z。ZYXZYXCYX,CZwE6.5 CIE颜色系统颜色系统三、

14、三、CIE 1931 xyYCIE 1931 xyY 1.从XYZ到xyY CIE XYZ的三基色刺激值X，Y和Z对定义颜色很有用，其缺点是使用比较复杂，而且不直观。因此，又定义了一个叫做CIE xyY的颜色空间。对于一种给定的颜色，如果增加它的明度，每一种基色的光通量也要按比例增加，这样才能匹配这种颜色。6.5 CIE颜色系统颜色系统由于色度值仅与波长(色调)和纯度有关，而与总的辐射能量无关，因此在计算颜色的色度时，把X,Y和Z值相对于总的辐射能量 X+Y+Z 进行规格化 x,y,z 称为三基色相对系数，于是配色方程可规格化为:x+y+z=1ZYXXxZYXYyZYXZz6.5 CIE颜色系

15、统颜色系统 由于z可以从x+y+z=1导出，因此通常不考虑z，而用两个系数x和y表示颜色。在CIE xyY系统中，根据颜色坐标(x,y)可确定，但不能仅从x和y导出三种基色刺激值X,Y和Z，还需要使用携带亮度信息的Y，其值与XYZ中的Y刺激值一致，因此，YyyxZYYYyxX1,6.5 CIE颜色系统颜色系统2.CIE 1931色度图(1)xyY色度图 CIE xyY色度图是从XYZ直接导出的一个颜色空间，它使用亮度Y参数和颜色坐标x,y来刻画颜色。xyY中的Y值与XYZ中的Y刺激值一致，表示颜色的亮度或者光亮度，颜色坐标x,y用来在二维图上指定颜色，这种色度图叫做CIE 1931色度图。6.

16、5 CIE颜色系统颜色系统(2)色度图上看色调 利用CIE xyY色度图可直观地表示出彩色的色调和饱和度。6.5 CIE颜色系统颜色系统(3)色度图上看色域 在色度图中，闭合曲线所包围的区域叫做色域(gamut)。色域应该是指由三维的颜色空间所包围的一个区域，但在CIE 1931色度图上用两维空间表示。大致可分成23个区域。6.5 CIE颜色系统颜色系统 3.彩色电视的色度范围 彩色显像管利用混色法重现颜色。它用红、绿、蓝三种荧光粉所发出的非谱色光作为显像三基色光，目前的技术还不能直接采用CIE规定的标准光谱三基色：700 nm(R)、546.1 nm(G)和435.8 nm(B)。采用不同彩

17、色电视制式的国家，所选用的显像三基色荧光粉、标准白光以及它们在色度图上的坐标并不相同。制式NTSC制PAL制基色与光源RNGNBNCERPGPBPD65色坐标0.670.210.140.3100.640.290.150.3130.330.710.080.3160.330.600.060.329xy6.5 CIE颜色系统颜色系统6.5 CIE颜色系统颜色系统四、四、CIE 1960 YUVCIE 1960 YUV和和CIE YUVCIE YUV CIE 1960 YUV是由CIE 1931 xyY经过线性变换之后得到的一种颜色空间,目的是企图得到这样的一种色度图：在色度图中，代表两种颜色的两个点

18、之间的色差与对颜色感知的差别是均匀的。其中的Y与XYZ或者xyY中的Y相同。u和v坐标定义如下:261.5361.5xuyxyvyx6.5 CIE颜色系统颜色系统 为了进一步减少色差与感知的非线性，CIE还开发了另一种颜色空间，叫做CIE YUV颜色空间。其中的Y没有改变，u和v坐标定义如下，261.54.51.561.5 xuuyxyvvyx6.5 CIE颜色系统颜色系统五、五、CIE 1976 LUVCIE 1976 LUV CIE 1931 xyY二维色度图有两个比较明显的缺点：明度没有反映在色度图中。在颜色空间中两种颜色之间的距离与这对两种颜色感知的色差有差异。6.5 CIE颜色系统颜

19、色系统 提出了许多均匀色度换算(uniform chromaticity scale，UCS)方案。首先把亮度和颜色完全分开，然后使用数学公式把CIE 1931 XYZ中的x,y坐标变换到一个名为u,v的新坐标系。后来又作了进一步的改进，把u,v重新命名为u,v，于是得到一个更加均匀的色度图。6.5 CIE颜色系统颜色系统 CIE定义了一个均匀的光亮度比例(uniform lightness scale)，L*，其值从0(黑色)100(白色)。CIE使用L*,u和v定义了一个L*u*v*空间，称为CIELUV颜色空间，或简称为Luv颜色空间，也称CIE 1976 L*u*v*颜色空间。在CIE

20、LUV颜色空间中，任意两种颜色之间的差别叫做色差(color difference)。六、六、CIE 1976 LABCIE 1976 LAB CIE 1976 LAB颜色空间简写为CIELAB，也称CIE 1976 L*a*b*(简写为CIE L*a*b*)颜色空间，它是 CIE 1931 XYZ颜色空间的一种数学变换的结果。CIE 1976 L*a*b*颜色空间和CIE 1931 XYZ颜色空间的相同之处是，它们都使用相同的基本原理，即颜色是光、物体和观察者组合的结果，三种基色值是用CIE定义的光、物体和观察者的数据进行计算得到的。不同之处是，CIE 1976 L*a*b*颜色空间是建筑在

21、对色视觉理论(opponent color theory of vision)之上的颜色空间。6.5 CIE颜色系统颜色系统6.5 CIE颜色系统颜色系统 CIELAB系统使用的坐标叫做对色坐标(opponent color coordinate)。CIELAB使用坐标轴定义CIE颜色空间。其中，L*值代表光亮度，其值从0(黑色)100(白色)。a*和b*代表色度坐标，其中a*代表红-绿轴，b*代表黄-蓝轴，它们的值从0到10。因此L*就代表从黑到白的比例系数。6.5 CIE颜色系统颜色系统从三基色刺激值值计算可按照如下所示的变换式计算：13116()16*903.3()0.008856 0.

22、008856nnnnYYYYLYYYY如果如果)()(500*nnYYfXXfa)()(200*nnZZfYYfb130.008856()167.7870.008856116tf tttt 如果如果其中：6.5 CIE颜色系统颜色系统七、七、CIELUV LChCIELUV LCh和和CIELAB LCh CIELAB LCh 许多CIE用户喜欢使用颜色空间L*C*h指定颜色，因为人们认为光亮度、色调和色度的概念更符合颜色的视觉感知。CIELUV L*C*h和CIELAB L*C*h 是分别从CIE 1976 L*u*v*和CIE 1976 L*a*b*的值导出的颜色空间 L*:光亮度坐标，它的数量与CIE LUV和CIE LAB中L*的相同。C*：色度，与光亮度轴的垂直距离。h：用度表示的色调角。角度等于0 表示色度在+a*轴上，90 表示色度在b*轴上。