色度学基础

色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学一.光的种类仅从颜色，频率成分和发光方式三方面将其分类。1.按颜色可分为彩色光和非彩色光2.按频率成分可分为单色光和复合光。单色光非单色光即复合光。指具有一波长的色光或者所占波谱宽度小于5nm的色光；3.按频率和颜色综合考虑可分为谱色光和非谱色光主要是指波长从780nm到380nm，而颜色按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的各种单色光；谱色光复合光把两个或者两个以上的单色光混合所得，但又不能作为谱色出现在光谱上的色光。非谱色光白光是非谱色光。光的频率和谱色光关系：单色光一定是谱色光，非谱色光一定是复合光，而复合光也可能是谱色光例：红单色光和绿单色光合成的复合光为黄色，它属于谱色光。4.按发光方式可分为直射光，反射光和透射光。发光体(光源)直接发出的光称为直射光；能够进行反射所形成的光称为反射光；能进行透射所形成的光称为透射光。说明当然直射光，反射光和透射光分别会改变各自的光能，波谱。二.光的颜色无论是什么光，它的颜色都是取决于客观与主观两方面的因素。1.客观因素是它的功率波谱分布。2.主观因素是人眼有视觉特性。色盲例：概述色度学与物理光学等学科的基础不同。物理光学可以认为是客观的科学,是与人类无关的。色度学却是一种主观的科学,它以人类的平均感觉为基础,因此它属于人类工程学范畴。色度学是和人种无关的。人们大约可分辨出一百多种颜色。这种单波长的色光非常鲜艳,人们称为纯色。实际看到的色光大多数是由许多种波长的光组成的。例如太阳光就是从红光到蓝光的连续光谱组成的。色度学是一种主观的科学,属于人类工程学范畴。与人种无关的。结论一.颜色的辨认光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760~622660橙622~597610黄597~577570绿577~492540青492~470480兰470~455460紫455~400430141410841093.~.141410051084.~.141410451005.~.141410161045.~.141410461016.~.141410661046.~.141410571066.~.可见光七彩颜色的波长和频率范围思考光的波长和颜色是一一对应的吗？颜色视觉颜色和波长的关系并不确定的。只有三点是不变的颜色：(黄572nm)(绿503nm)(蓝478nm)其他的颜色在光强增加时都向红色波长或者蓝色波长移动，以保持原来的颜色。问题(1)通常我们定义的色彩它的亮度是多少呢？含义：只有波长增加或者减少才可以保证原来的色调。(2)人眼对波长的分辨力是不同的。并且这种分辨能力随光强而改变的。随视场亮度增加而增高的。楚蓝德：度量视网膜照度的物理量。22mmmm/cd11S瞳孔面积刺激亮度楚蓝德）以上（几个2m/cd二.颜色的分类和特性1.颜色的分类颜色非彩色：彩色白色，黑色，各种深浅不同的灰色。白色：当物体表面对可见光谱所有波长反射比都在80~90%以上。黑色：当物体表面对可见光谱所有波长反射比均在4%以下。灰色：介于两者之间的。纯白色：它的反射比100%。纯黑色：它的反射比0%。说明(1)对于发光的物体，白黑的变化相当于白光的亮度变化，亮度高时人眼感觉时白色；亮度低时感觉时黑色。(2)无光时是黑色。(3)非彩色只有明亮的差异。彩色的三个特性：明度、色调、饱和度。明度(brightness)视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性发光物体的亮度越高，则明度越高。非发光物体反射比越高，明度越高。(4)白色、灰色、黑色物体对光谱各波长的反射没有选择性，它们是中性色。彩色物体对光谱各波长反射具有选择性。所以它们在白光照射下出现彩色。色调(hue)视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，即对可见物体辐射或发射的光波波长的感觉色调是最容易把颜色区分开的属性色调用红(red)、橙(orange)、黄(yellow)、绿(green)、青(cyan)、蓝(blue)、靛(indigo)、紫(violet)等术语来刻画用于描述感知色调的术语是色彩(colorfulness)，如浅蓝或深蓝的感觉。黑、灰、白为无色彩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，见图6-2色调数目多于1000万种普通人可区分200种、50种饱和度和500级灰度颜色专业人士可辨认的色调数大约300～400种图1.色调表示法饱和度(saturation)色彩的纯洁度。可见光中的各种单色光是最饱和的色彩了。物体色的饱和度取决于物体反射(透射)特性。例：物体反射光的光谱很窄，则色的饱和度就高。(是指彩色的纯洁性。)饱和度红蓝绿橙黄绿黄绿蓝紫白黑(1)色调与饱和度合称为色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。(2)色度再加上亮度，就能对颜色作完整的说明。总结颜色匹配一.颜色匹配实验颜色的混合光的混合染料的混合颜色的相加混合三原色颜色的相互混合称为混色。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。加法混色。颜色相加混合(加法混色)染料的混合称为减色混合。红、绿、蓝三种颜色染料等量混合之后的颜色为黑色。红、绿、蓝三种等光量混合之后的颜色为白色。颜色的相减混合白屏幕黑挡屏黑挡屏黑挡屏结论把两个颜色调节到视觉上相同的方法─颜色匹配。颜色匹配实验一.H.Grassmann(格拉斯曼)颜色混合定律1.人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度，色调，饱和度2.在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续变化，混合色的外貌也连续变化。补色律每一种颜色都由一个相应的补色。如果二者以适当的比例混合，便产生白色+=255,255,25596,255,210159,0,45彩色负片的颜色也是照片的补色。例：(1)(2)中间色律任何的两个非补色相混合，便产生中间色，其色调决定于两颜色的相对数量，其饱和度决定于二者在色调顺序上的远近。如果二者按其他比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。(3)常识：人们在长时间注视一种颜色时,突然将视线转到白色上,就会在白色底子上出现刚才那种颜色的补色。颜色三角形由红，蓝，绿混合产生的色域可以用等边三角形代表。颜色三角形但是这个颜色色域并不完全，三角形的外面也存在被眼睛感知的色光的。注意按顺序把饱和度最高的谱色光和紫红色围成一个近似的圆环，每一颜色都在圆环上或环内占有一确定位置。白色位于圆心，颜色饱和度愈低，愈靠近圆心。颜色环圆心对边的任何两种颜色都是互补色，按适当比例混合是得到白色或灰色。黄色与蓝色，红色与青色，绿色与品红色。例：颜色环上任何两种非补色相混合，可产生中间色，它的位置在此两色的连线上。中间色的色调决定于两颜色的比例多少，并按重力中心定律偏向比重大的一色；中间色的饱和度决定于两色在颜色环的距离，二者距离愈近，饱和度越大，反之越小。互补色在色环上的距离被认为是最远。对于补色律对于中间色律3.颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，混合中具有相同的效果。凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。代替律相似色混合后仍相似。颜色A=颜色B颜色C=颜色D颜色A+颜色C=颜色B+颜色DA+B=C例：X+Y=BA+(X+Y)=C说明：可以利用颜色混合的方法来产生或者代替各种所需要的颜色。4.混合色的总亮度=组成混合色的各颜色光亮度的总和。在颜色亮度相加律由几个颜色组成的混合色的亮度=各个颜色光亮度的总和。说明：以上的规律适用于各种颜色光的相加混合，但不适用于染料或者涂料的减光混合。三.三基色（三原色）任取三个互不能由其他两个表现(线性无关)的色光,都可以组成人眼能分辨的任意色光。这就是三基色现象,也叫三原色现象。说明(1)当然“任选三个”是数学上的条件,它允许色光为负。(3)绝大多数场合都使用红、绿、蓝作为三基色,以表现尽可能多的颜色。(2)实际操作中是不可能产生负的光。(4)三基色单位的选定在RGB计色制中，国际照明委员会(CIE)规定：波长为700nm，光通量为1光瓦的红光作为一个红基色单位(或称单位量)，用[R]表示；波长为546.1nm，光通量为4.5907光瓦的绿光作为一个绿基色单位(或称单位量)，用[G]表示；波长为435.8nm，光通量为0.0601光瓦蓝光作为一个蓝基色单位(或称单位量)，用[B]表示。比色计的读数将按基色单位[R]、[G]、[B]进行刻度，而不按辐射功率或者光通量进行刻度。说明四.颜色匹配方案颜色方程C(C)≡R(R)+G(G)+B(B)说明：(1)≡表示视觉上的相等。(3)R，G，B被匹配颜色的数量，且是代数量，可以为负值。(4)同色异谱色光视觉(颜色外貌)一样，但光谱分布不同的颜色。(2)(C),(R),(G),(B)分别代表被匹配颜色的单位，混合色，红，绿，蓝三原色的单位。(4)R，G，B的比例决定被匹配颜色的色度，它们的大小决定了所配色光的光通量五.三刺激值C(C)≡R(R)+G(G)+B(B)R，G，B三原色的数量三刺激值说明(1)一种颜色与一组R，G，B数值相对应。(2)当然颜色感觉可以通过三刺激值来定量表示。(3)任意两种颜色只要R，G，B数值相等，颜色感觉就相同的。(4)(R)，(G)，(B)的单位。三TBGRLLL::例：肉眼分不出哪一种白光是由太阳光连续光谱组成的,哪一种是由红、绿、蓝三种色光组成的。1.三刺激值例在RGB计色制中W≡1(红基色单位)+1(绿基色单位)+1(蓝基色单位)则被匹配的白光的光通量为：4.59071+0.0601+=5.6508光瓦这就是遵循亮度相加律。W≡X(红基色单位)+X(绿基色单位)+X(蓝基色单位)同样是白光，不同的仅仅是亮度。2.光谱三刺激值如果匹配的光为光谱色，如果再将所有匹配的光谱色的辐射能都保持为相同，所得到的三刺激值光谱三刺激值bgr,,用表示也称为：颜色匹配函数匹配过程方程)()()(BbGgRrC3.三刺激值的计算公式要获得每一种颜色的三刺激值不可能都用匹配实验来测的，这就是提出该计算公式的意义。原理方法：将欲匹配的光的光谱分布函数按波长加权光谱三刺激值，得到每一波长的三刺激值；然后积分)(d)()(rkRd)()(gkGd)()(bkBnm760~nm380:调整系数:k4.色品坐标和色品图C(C)≡R(R)+G(G)+B(B)当C=1时，可以写为)()()()(BBGRBGBGRGRBGRRC由此可见：一个单位颜色(C)的色品只决定于三原色的刺激值各自在R+G+B总量中的相对比例色品坐标BGRBbBGRGgBGRRr1bgr仅仅有2个量是独立的。三原色的刺激值各自在R+G+B总量中的相对比例。色品图用色品坐标表示的平面图。例标准白光的三刺激值为33.01111gr0.20.40.60.81.0(R)(G)0.20.40.60.81.0(B)(W)CIE标准色度系统国际照明委员会所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法CIE1931标准色度观察者CIE1964补充标准色度观察者视场的颜色测量视场的颜色测量004~104明视觉条件一.CIE1931──RGB色度系统选三原色:红=700nm(R),绿=546.1nm(G),蓝=435.8nm(B)。来匹配等能光谱的各种颜色。为何选用这3个单色谱线？？700nm是可见光的红色末端，546.1nm和435.8nm是较为明显的汞谱线，三者都可以比较精确的产生。例求光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系。bgrrrbgrggbgrbb1bgr三基色和等能白光的值bgr,,红基色100绿基色010蓝基色001等能白光1/31/31/3rgbRGB制混色曲线马蹄形曲线是所有光谱色色品点连接起来的轨迹。光谱轨迹图形中负值的含义连线所表示的色光是由红基色和蓝基色合成。中间点为品红色。BR380nm与700nm连线所表示的色