色彩学第4章颜色的混色系统--CIE色度学系统表色法

第四章颜色的混色系统－－CIE标准色度系统物体颜色是光刺激人的视觉器官产生的反应，要将观察者的颜色感觉数字化，国际照明委员会(CIE)规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统，这一系统是近代色度学的基本组成部分，是色度计算的基础，也是彩色复制的理论基础之一。CIE标准色度学系统是一种混色系统，是以颜色匹配实验为出发点建立起来的。用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色。4.1颜色匹配4.1.1色光混合实验把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程叫作颜色匹配。颜色匹配实验MappingthehumanresponseRedRedGreenGreenBlueBlueTestLamp!WhiteScreenWhiteScreenMaskingScreenMaskingScreenObserver2°2°2°2°实验证明：三原色的选择是任意的，只要它们相互独立，也就是说任何一个原色不能由其余两个原色相加产生。各种实验方法已表明，无法找到一组三原色能够将自然界中的所有色彩匹配出来。4.1.2三刺激值和色度图一、三刺激值在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意颜色的三种颜色叫做三原色。通常加色混色中使用红、绿、蓝三种颜色光为三原色是为了得到最多的混合色。颜色匹配实验中，与待匹配色实现颜色匹配时所需要的三原色的数量，称为三刺激值，记作R、G、B。一种颜色与一组R、G、B值相对应，R、G、B值相同的颜色，颜色感觉(外貌)必定相同。因为一组特定的R、G、B三刺激值在特定的实验和观察条件下代表一个特定的颜色感觉，不同的R、G、B三刺激值代表不同的颜色感觉。因此，所有颜色感觉的集合就构成了一个三刺激值空间，又称为混色空间。在这个空间中，每一个颜色感觉用空间中的一个坐标点来表示。任一个颜色C，在三刺激值空间中可以用坐标原点为起点的矢量来表示，三刺激值R、G、B就是该矢量在三个坐标轴上的分量。二、颜色匹配方程在三刺激值空间中，颜色可以用一个矢量来表示，这个矢量对应的方程就称为颜色匹配方程或简称为颜色方程，代表匹配颜色感觉所需要的三原色数量之间的关系：C(C)≡R(R)+G(G)+B(B)三、光谱三刺激值匹配等能光谱中各单色光所需的三原色数量称为光谱三刺激值，又称为颜色匹配函数。用符号ｒ，ｇ，ｂ或r(λ)，g(λ)，b(λ)表示。C(λ)(C)≡r(λ)(R)+g(λ)(G)+b(λ)(B)，λ∈[380nm，780nm]四、色度坐标和色度图三原色各自在R+G+B总量中的相对比例叫做色度坐标，用符号r，g，b来表示。色度坐标与三刺激值的关系如下：r=R/(R+G+B)g=G/(R+G+B)b=B/(R+G+B)=1-r-g以色度坐标r，g表示的平面图称为色度图。又称为麦克斯韦三角形。4.2CIE标准色度系统为了统一计算颜色的方法和数值，现代色度学采用CIE所规定的一系列颜色测量原理、条件、数据和计算方法，称为CIE标准色度系统。这一色度系统以两组基本颜色视觉实验数据为基础：•CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值1°-4°视场•CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值大于4°视场、10°视场左右4.2.1CIE1931-RGB系统１、选择三原色：700nm(R)、546.1nm(G)、435.8nm(B)２、确定三原色单位：将相加匹配出等能白光(E光源)时三原色各自的数量定为三原色的单位。即从色彩角度，三原色等量（R=G=B=1)混合得到白光。白光色度r=g=b=1/(1+1+1)=0.332°视场下用上述选定三原色匹配等能光谱色的R、G、B三刺激值，用r,g,b来表示。光谱三刺激值曲线如图。这一组函数叫做“CIE1931-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE1931-RGB系统标准色度观察者”。以此来代表人眼2°视场的平均颜色视觉特性。颜色视觉特性r(λ)g(λ)b(λ)λ(nm)三刺激值0.40.2CIE1931-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值曲线bgrbbgrgbgrrbgr光谱三刺激值与光谱色色度坐标的关系式光谱轨迹：注意：出现了负的三刺激值与色度坐标值加入待匹配色一侧视场的原色数量为负值。CIE1931-RGB系统的光谱三刺激值r,g,b是由实验获得的，本来可以用于色度计算，但由于光谱三刺激值与色度坐标都出现了负值，计算起来不方便，又不易理解，因此，1931年CIE讨论推荐了一个新的国际通用色度系统—CIE1931-XYZ系统。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系统。将RGB系统光谱三刺激值进行转换后，变为以X、Y、Z三原色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”，记作x，y，z或x(λ)，y(λ)，z(λ)。这一系统叫做“CIE1931标准色度系统”或“CIE1931-XYZ”系统。4.2.2CIE1931XYZ标准色度系统光谱轨迹：CIE1931-XYZ系统三原色的选择考虑因素：（1）要想消除负坐标值，必须使新三原色包围所有的颜色范围。（2）规定(X)、(Z)两个原色只代表色度，没有亮度，全部亮度都由Y刺激值承担。（3）光谱轨迹曲线从540nm附近到700nm在r-g色度坐标图上近似是一条135°直线，直线上所有的颜色都可以由这两个单色光混合产生。（4）(Y)(Z)边与光谱轨迹上波长为503nm点的切线相重合（5）以相等数量的三刺激值匹配等能白光来确定XYZ新系统的三刺激值单位。X=2.7689R+1.7571G+1.1302BY=1.0000R+4.5907G+0.0601BZ=0.0565G+5.5943Bbgrbgry200.1132.1667.0010.0812.0177.0bgrbgrx200.1132.1667.0200.0310.0490.0bgrbgrz200.1132.1667.0990.0010.0000.0λ(nm)三刺激值z(λ)y(λ)x(λ)CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线图1.51.00.5400500600700理想三原色在CIE1931RGB色度图中的坐标：rgbX1.275-0.2780.003Y-1.7392.767-0.028Z-0.7430.1411.602光谱光视效率能量相同而波长不同的光，对人眼所引起的亮度感觉是不同的。眼睛的灵敏度与波长的依赖关系，称为光谱光视效率(或称视见函数)。由于人眼有明视觉和暗视觉两种视觉功能，光谱光视效率也分明、暗两种。CIE(国际照明委员会)分别于1924年和1951年根据不同科学家的实验结果规定了明视觉光谱光视效率V(λ)和暗视觉光谱光视效率Vˊ(λ)。CIE明视觉和暗视觉光谱光视效率是光度学计算的重要依据。CIE推荐采用明视觉和暗视觉光谱光视效率V(λ)和Vˊ(λ)作为标准光度观察者，代表人眼的平均(光)视觉特性。按照CIE标准光度观察者来评价的辐通量Φe即为光通量Фv。辐通量与光通量的关系式为：式中V(λ)为明视觉光谱光视效率；V′(λ)为暗视觉光谱光视效率；Фv,Фv′为光通量，单位是流明(lm)；Фe(λ)是以波长为自变量的辐通量，单位是瓦(W)；Km=683流明/瓦(lm/w)；Km′=1755流明/瓦(lm/w)。明视觉：暗视觉：dVKemV780380dVKemV780380色度图可用来表示所有颜色的色度特性。色度图中心为白点（非彩色点），光谱轨迹上的点代表不同波长的光谱色，是饱和度最高的颜色，越接近色度图中心（白点），颜色的饱和度越低。围绕色度图中心不同的角度，颜色的色调不同。0.80.8颜色光谱由来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1°-4°)，以此代表人的平均颜色视觉特性。CIE1931标准色度系统的三刺激值以X、Y、Z表示，三种原色由于选择时的考虑，只有Y值既代表色度又代表亮度，又称为亮度因数，而X、Z只代表色度，与亮度无关，所以y(λ)函数曲线与明视觉光谱光视效率V(λ)一致，即y(λ)=V(λ)。在使用数字描述颜色时，常采用Yxy表色方法，即采用色度坐标x，y表示颜色的色度特征，用亮度因数Y表示颜色的亮度特征，这样该颜色的外貌就能完全唯一地确定下来。右图直观地表示这三个参数之间的关系。Yxy立体图)()()()(Vzyz)()(Vy)()()()(Vxyx4.3CIE1964补充标准色度系统在大面积视物观察条件下(4°)，由于杆体细胞的参与以及中央凹黄色素的影响，颜色视觉会发生一定的变化。主要表现为饱和度的降低及颜色视场出现不均匀的现象。实验表明：人眼用小视场观察颜色时，颜色差异辨别力较低。当观察视场从2°增大到10°时，颜色匹配的精度也随之提高。但视场再进一步增大，颜色匹配精度的提高就不大了。为了适应大视场颜色测量的需要，CIE在1964年又规定了一组“CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值”，简称为“CIE1964补充标准色度观察者”，x10(λ)，y10(λ)，z10(λ)。这一系统称为“CIE1964补充标准色度系统”，也叫作10°视场X10Y10Z10色度系统。CIE1964补充标准色度系统三刺激值记作X10，Y10，Z10。在色度测量与计算中要根据观察视场的大小选择CIE1964或CIE1931标准色度观察者数据来代表人眼的平均颜色视觉特性。4.4CIE色度计算方法4.4.1三刺激值与色度坐标的计算光源或物体的颜色是由进入眼睛的不同波长的光混合而成的感觉。我们把进入眼睛的光能量随波长的分布称为颜色刺激函数Φ(λ)。Φ(λ)根据被测对象不同，有不同的计算方法。即＝Ｓ(λ)对于照明体或光源对于透明物体对于非透明物体ss而人眼对不同波长的颜色刺激感觉强度不同，只有Φ(λ)与该波长的CIE光谱三刺激值的乘积才是由这个波长的颜色刺激所引起的颜色感觉。根据颜色相加原理，总的颜色感觉应是各波长颜色感觉的总和。因此，三刺激值的计算公式为：X=k∫λΦ(λ)x(λ)dλX10=k10∫λΦ(λ)x10(λ)dλY=k∫λΦ(λ)y(λ)dλY10=k10∫λΦ(λ)y10(λ)dλZ=k∫λΦ(λ)z(λ)dλZ10=k10∫λΦ(λ)z10(λ)dλλ范围取380-780nm在实际计算中，用求和来近似积分，求和的表达式为：zkZykYxkX或101010101010zkZykYxkXＳ(λ)一般采用CIE规定的标准照明体，具体采用哪种照明体由被测物体的具体情况而定，例如物体是在日光下观察时可用D65或B、C照明体，而在灯光下观察时可用A照明体。dyskdysk1010100100或1010100100yskysk式中的常数K和K10叫做归化系数，它是将照明体(或光源)的Y值调整为100时得出的，即：此式中的S(λ)=∮(λ)。由于K是这样定义的，于是当∮(λ)＝Ｓ(λ)τ(λ)时，Y为物体的光透过率；当∮(λ)＝Ｓ(λ)ρ(λ)时，Y为物体的光反射率。nmdzSkZdySkYdxSkX780~380其中相对功率反射率三刺激值红颜色的光谱特性！！！S(λ)ρ(λ)Φ(λ)=S(λ)ρ(λ)红相对功率反射率Φ(λ)红计算出物体的三刺激值以后，再按下式将其转换为物体的色度坐标，即：ZYXZzZYXYyZYXXx或101010101010101010101010101010ZYXZzZYXYyZYXXx