第2章色度学原理与CIE标准色度学系统讲座

2第2章色度学原理与CIE标准色度学系统2色光匹配：RedGreenBluenm700546.1435.82颜色转盘2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。•时序混合：用色转盘，调节转盘上颜色块的面积。•空间混合：调节不同色颗粒的比例。•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。2格拉斯曼定律•（1)人眼只能分辨出颜色的三种变化：明度、色度、饱和度•（2）在有几个成分组成的混合色中，如果一个成分连续变化，则混合色的成分也连续变化。由此导出：•补色律：如果两个补色成分以适当混合产生灰色或白色，以其它比例混合产生近似于比重较大的颜色的非饱和色。•中间色律：如果两个非补色成分混合，便产生中间色，其色调云饱和度随这两种颜色的相对数量的不同而变化。2格拉斯曼定律•（3）颜色外貌相同的个光，不管他们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。•颜色的代替律:感觉上相同的颜色在颜色混合中可以互相代替•①如果•A=B，C=D•则A+C=B+D•②如果A=B•则nA=nB•（4）亮度相加定律：混合色的亮度等于参与混合的个颜色的亮度的总和。（颜色的加法混合，不适用于染料的混合）•格拉斯曼定律是颜色混合现象的总结与描述。22.2.2颜色方程•颜色匹配方程•如果（C）为待匹配的目标色•（R）（G）（B）为三原色•CRGB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）=R（R）+G（G）+B（B）•此式即为颜色匹配方程。•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2•方法何在？•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？2•等能白：SERedGreenBluenm700546.1435.8RedGreenBlueMixturecd/m21.00004.59070.06915.65081Redunit=[R]=1.0000cd/m2;1Greenunit=[G]=4.5907cd/m2;1Blueunit=[B]=0.0691cd/m2.22.2.2颜色方程在颜色科学中，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。色度坐标：三原色各自占R+G+B总量的相对比值。对颜色C*而言，其色度坐标为：r=R/(R+G+B)g=G/(R+G+B)b=B/(R+G+B)颜色C*的单位值：[C]=r[R]+g[G]+b[B]则颜色C*的色量C：C=R+G+B。2白色的单位向量[W]令[W]=(1/3)[R]+(1/3)[G]+(1/3)[B][W]色度坐标：r=1/3、g=1/3、b=1/3相应[R]、[G]、[B]的相对光亮度值：L[R]=1.0000、L[G]=4.5907、L[B]=0.0691，从而颜色C*的单位光亮度为L[C]=rL[R]+gL[G]+bL[B]若已知颜色C*的光亮度为L，并且测量得颜色C*的r、g、b值，则颜色C*的色量为C=L/L[C]=L/(rL[R]+gL[G]+bL[B])22.3色度相加原理根据格拉斯曼配色混合的代替律，如果色光A*=色光B*，色光C*=色光D*，则A*+C*=B*+D*。此式说明色光相加符合数学上的向量加法法则。22.5光谱三刺激值如果已知色光E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：光谱功率分布为E()，光谱色的色度坐标r()、g()、b()。首先找出单色光E()d的色量值dC()，单色光E()d的亮度：kV()E()d，其对应的C值dC()：dC()=kV()E()d/[r()L[R]+g()L[G]+b()L[B]]22.5光谱三刺激值再由式（2-10）得色光E的色度坐标为：rE=[r()dC()]/[dC()]，gE=[g()dC()]/[dC()]，bE=[b()dC()]/[dC()]或写成：dL)(bL)(gL)(r)(E)(kV)(rdr]B[]G[]R[EdL)(bL)(gL)(r)(E)(kV)(gdg]B[]G[]R[EdL)(bL)(gL)(r)(E)(kV)(bdb]B[]G[]R[E2对于任一色光，只要测得它的光谱功率分布，就能计算求得这一色光的色度坐标。]L)(bL)(gL)(r/[)(r)(kV)(r]B[]G[]R[]L)(bL)(gL)(r/[)(g)(kV)(g]B[]G[]R[]L)(bL)(gL)(r/[)(b)(kV)(b]B[]G[]R[令d)(E)(bd)(E)(gd)(E)(rbgrEEE：：：：其中k为规化系数。于是得：)(b)(g)(r、、需要指出，光谱三刺激值函数是与所选择的红、绿、蓝三原色有关。一般来说，光谱三刺激值在某些波段会出现负值。称为光谱三刺激值。22.6色度转换2.6.1色度坐标的转换三原色R*、G*、B*X*、Y*、Z*单位向量：[R]、[G]、[B]{X}、{Y}、{Z}设颜色向量C*单位向量：[C]{C}三刺激值：R、G、BX、Y、Z则颜色向量C*可表示为：C*=(R+G+B)[C]=R[R]+G[G]+B[B]=(X+Y+Z){C}=X{X}+Y{Y}+Z{Z}22.7CIE标准色度观察者现代色度学采用国际照明委员会(简称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。此系统是以两组现代色度学的基本视觉实验数据为基础的。CIEl931标准色度观察者光谱三刺激值，适于1o～4o视场的颜色测量；CIEl964补充标准观察者光谱三刺激值，适于大于4o视场的颜色测量。并且CIE规定必须在明视觉条件下使用这两组标准观察者的数据。22.7.11931CIE-RGB系统(2o观察条件)1931年CIE规定700nm的红、546.1nm的绿和435.8nm的蓝为色光三原色，三原色能相加匹配出等能白色(E光源)，然后在2o观察条件下，采用目视配色仪上匹配出等能光谱色的R、G、B分量，称为1931年CIE-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值，用bgr、、21931年CIE-RGB系统标准色度观察者)(r)(g)(b21931CIE-RGB系统色度图22.7.21931CIE-XYZ系统亮度仅由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：2X、Y、Z三点在rg图中的坐标是：X：r=1.2750，g=-0.2778，b=0.0028Y：r=-1.7392，g=2.7671，b=-0.0279Z：r=-0.7431，g=0.1409，b=1.6022在1931CIE-XYZ色度图中，等能的白光，即E光源的色度坐标为：xE=0.3333，yE=0.3333。21931CIE-XYZ色度图22CIEl931-XYZ标准色度观察者22.7.3CIE1964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。为了适合于10o大视场的色度测量，1964年CIE规定了一组CIEl964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CIEl964补充标准色度学系统。在CIEl964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。2CIEl964与CIEl931三刺激值曲线比较2CIE1964色度图与CIEl931色度图比较22.8CIE标准照明体和标准光源2.8.1光源（1）发光效率：一般指电光源所发出的光通量与该光源所消耗的功率之比，即每消耗一瓦功率所能产生的光通量。（2）光谱功率分布：一种光源所发射的光谱往往不是单一的波长，而是由许多不同波长的混合辐射所组成。光源的光谱辐射按波长顺序和各波长强度分布称为光源的光谱功率分布。（3）绝对光谱功率分布曲线和相对光谱功率分布曲线：前者指以光谱辐射的各种波长光能量绝对值所作的曲线；后者指将光源辐射光谱的各种波长的能量进行相互比较，作归一化处理后使辐射功率仅在规定的范围内变化的光谱功率分布曲线。22.8.1光源（4）连续光谱、线状光谱、混合光谱：由红到蓝各种色光在内的连续彩色光带称连续光谱；在整个光谱区域中某几个波长处发生狭窄的光谱称为线状光谱；在连续光谱中附上一些突出的线光谱称为混合光谱。（5）绝对黑体和全辐射体：指在任何波长下能够全部吸收任何波长的辐射的物体。（6）黑体轨迹：随着绝对黑体加热温度的升高，按照普朗克计算出在各种温度时的相对应光谱功率分布转换成CIEl931色度坐标，绝对黑体不同温度的色光变化在CIEl931色度图上形成的弧形轨迹，称为黑体轨迹。2（7）色温和相关色温：光源的色温：某光源的色度与绝对黑体辐射在某一温度下的色度一样，则这一温度称为某光源的色温。相同光源色温的相对光谱功率分布与某温度下黑体辐射的光谱功率分布可能完全一致，也可能不一致。同色同谱颜色：光谱功率分布完全一致的两色同色异谱颜色：色度和色温一样的两个光源的光谱功率分布不一定完全一致。相关色温：光源的光色在色度图上不一定准确地落在绝对黑体轨迹上，所以只能用光源与黑体轨迹最近的颜色来确定该光源的色温，称为相关色温。22.8.2CIE标准照明体A、B、C、DCIE推荐了四种标准照明体A、B、C、D和三种标准光源A、B、C。1、CIE标准照明体标准照明体：指一定的光谱功率分布，这种标准的光谱功率分布并不是必须由一个光源直接提供，也不一定能用一个光源来实现。•标准照明体A：相当于绝对黑体在加温到2856K时所辐射出来的光，它的相对光谱功率分布可根据普朗克辐射定律计算：标准照明体A色度点正好落在CIEl931色度图的黑体轨迹上。21、CIE标准照明体•标准照明体B：相当于相关色温4874K的直射阳光，光色相当于中午阳光，其色度点紧靠黑体轨迹。•标准照明体C：相当于相关色温为6774K的平均阳光，光色近似阴天天空的日光，其色度点在黑体轨迹上方。•标准照明体D65：相当于色温约为6504K的日光，其色度点在黑体轨迹的上方。•标准照明体D：代表标准照明体D65以外的其他日光。2第四章颜色评价4.1显色性评价4.1.1光源显色性我们认为在白炽灯和日光光源下看到的颜色是物体的“真实”颜色。人们在光源下所看到的物体颜色与在白炽灯和日光下所看到的颜色是不同的。例如，在日光下观察一块花布，再把它拿到高压汞灯下观察，就会发现，某些颜色已变了色，如粉色变成了紫色，蓝色变成了蓝紫色。因此，我们说，在高压汞灯下，物体失去了“真实”颜色，或颜色有所失真。24.1.1光源显色性按CIE的规定，我们把普朗克辐射体作为低色温光源的参照标准，把标准照明体D作为高色温光源的参照标准，用以衡量在其它各种光源照明下的颜色效果。光源的显色性：指与参照标准下相比较，一个光源对物体颜色外貌所产生的效果。光源的光谱功率分布决定了光源的显色性。日光、白炽灯都是连续光谱，具有与白炽灯和日光相似的连续光谱的光源均有较好的显色性。2三基色荧光灯桑顿发现，用光谱430nm(蓝)，540nm(绿)，610nm(红)的辐射以适当的比例混合所产生的白光，与连续光谱的日光或白炽灯具有同样优良的显色性。三基色荧光灯就是根据上述原理研制的光源，它不仅显色性好，而且光效高，是一种新型节能灯。实验发现：在不连续光谱的光源中，含有500nm和580nm波长附近的光谱对颜色显现有