色度学概述

色度学概述华杰研发部李家兴2016.11荆其诚，(1926.3.3～2008.9.28)是国际著名的心理学家，是20世纪80年代以来推动中国心理学改革开放、走向世界的杰出代表人物。1947年毕业于台湾天主教辅仁大学心理学。1950年获该校人类学研究院硕士学位。代表作品：《现代心理学发展趋势》《简明心理学百科全书》《中国大百科全书：心理学》等。与他人合著有《色度学》是中国第一部有关颜色科学的专著，对促进这一新兴科学领域在中国的发展起了重要作用。色度学主要研究正常色觉的人的颜色视觉规律、颜色测量的理论与技术的科学。是一门本世纪发展起来的，以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科领域为基础的综合性学科。由于色度学的建立，颜色工作者就能以统一的标准，对颜色做定量的描述和控制。色觉缺陷的材料对色度学有重要参考价值，特别当探讨颜色视觉的理论时，更不能不考虑色觉缺陷的种种事实。光与视觉光：380nm-780nm波长人眼可见的电磁辐射。光的颜色决定于进入人眼的可见光谱不同波长辐射的相对功率分布，简称相对光谱功率分布。两种细胞D、E、F、G锥细胞，650万个，集中在黄斑和中央凹3°视角范围内，明视觉器官，能够分辨颜色和物体细节。A、B、C、D杆细胞，1亿个，从中央凹逐渐增多，中央凹20°处最多，暗视觉器官，适于微光视觉，不能分辨颜色与视觉。视觉成像：倒像。α为角度兰道环视锐度：人通过视觉器官辨认外界物体的敏锐程度，表示视觉辨认物体细节的能力。在临床医学上也叫做“视力”。当人的视觉能够分辨视标中1分视角的细节单位时，他的视力为1.0LED显示屏最佳观看距离：4.9μ大约是一个椎体细胞的直径。就是说，在理论上，当视标的两个细节单位相距1分视角时，便落到视网膜的两个独立的感光细胞上，所以能够将两者区分开来。对比：对象与背景亮度差与背景亮度比值。视觉功能曲线视锐度（视力）和对比辨认都是视觉功能的重要指标。两者都受照明条件的影响，并彼此相互影响。颜色视觉人眼可辨认的颜色颜色随光强度而变化的现象叫做贝楚德—朴尔克效应只有572nm（黄）、503nm（绿）、478nm（蓝）三点近似为直线。颜色对比和颜色适应颜色对比：在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响叫做颜色对比。紧盯红色背景中的白纸数分钟，出现绿色。互补色：红-绿；黄-蓝颜色适应：人眼在颜色刺激的作用下所造成的颜色视觉变化。例：适应红光，看黄光显绿色；适应绿光，看黄光显红色。负后象：颜色适应的后效。例：白背景上一小块颜色，适应后移除出现补色。颜色分类和特性——非彩色颜色：非彩色和彩色。非彩色：白色、黑色和各种灰，叫做黑白系列。纯白：反射率为1的完全反射物体，自然界无纯白物体，氧化镁最接近。黑色：反射率为0的完全不反射物体，自然界无纯黑物体，黑绒最接近。明度：人眼对物体的明亮感觉，受视觉感受性和过去经验的影响。一般亮度高，明度高。反例：黑暗中的纸比如亮环境中的墨明度高。颜色分类和特性——彩色彩色：黑白系列以外的所有颜色。彩色的三种特性：明度、色调和饱和度。色调：彩色彼此区分的特性。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面所反射（透射）的各波长辐射的比例对人眼的感觉。饱和度：彩色的纯洁性。可见光谱的各单色光是最饱和的彩色。光谱色掺入白光成分愈多，愈不饱和。饱和度决定于物体表面反射光谱辐射的选择性程度。互补色：相混合产生白色或灰色的两种颜色。颜色环圆心对边的任意两种颜色都是互补色。颜色环上任何两个非补色相混合可以得出两色中间的混合色。它的位置在连接两色的直线上。按重力中心定律偏向于比重大的一方。根据颜色环黄和蓝可混合成白红和绿可混合成黄格拉斯曼颜色混合定律补色率：每一种颜色都有一个相应的补色。中间色率：任何两个非补色混合，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。代替率：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。代替率是非常重要的定律，现代色度学就是建立在这一定律基础上。亮度相加率：由几个颜色光组成的混合色的亮度是各颜色光亮度的总和。格拉斯曼颜色混合定律是色度学的一般定律，适用于各种颜色光的相加混合。但这些定律不适用于染料或涂料混合。染料和涂料混合是颜色光的减光过程。颜色匹配方式一：颜色混合是在视觉器官内部产生，如电视机方式二：颜色混合在外界发生，然后作用到视觉器官由三原色混合的白光与连续光谱的白光在视觉上一样，但光谱组成不一样，称这一颜色匹配为“同色异谱”的颜色匹配。颜色方程颜色方程网络资料：国际照明委员会（CIE）进行颜色匹配试验表明：当红、绿、蓝三原色的亮度比例为1.0000：4.5907：0.0601时，就能匹配出中性色的等能白光，尽管这时三原色的亮度值并不相等，但CIE却把每一原色的亮度值作为一个单位看待，所以色光加色法中红、绿、蓝三原色光等比例混合得到白光。等能白光网络资料：国际照明委员会（CIE）进行颜色匹配试验表明：当红、绿、蓝三原色的亮度比例为1.0000：4.5907：0.0601时，就能匹配出中性色的等能白光，尽管这时三原色的亮度值并不相等，但CIE却把每一原色的亮度值作为一个单位看待，所以色光加色法中红、绿、蓝三原色光等比例混合得到白光。颜色相加原理色觉缺陷异常三色觉者（色弱）二色觉者（局部色盲）全色盲颜色视觉理论一杨-赫姆霍尔兹学说1807年，根据红、绿、蓝三色混色原理，提出视网膜三种不同视觉神经纤维对红、绿、蓝色光的刺激产生的兴奋程度不同的假设。不能很好解释各种色盲现象。颜色视觉理论二赫林的对立颜色学说（四色学说）三对视素的破坏—建设平衡，可很好解释色盲问题，对三原色产生光谱一切颜色未说明。颜色视觉理论三阶段学说现代神经生理学发现：第一阶段：视网膜有三种独立的椎体感受物质。有选择吸收不同波长，都可感受明度。第二阶段：在视觉传导通路中为四色机制。CIE标准色度学系统（CIE：国际照明委员会）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。两组基本视觉试验数据“CIE1931标准色度观察者”，适用于1-4°视场的颜色测量。“CIE1964补充标准色度观察者”，适用于大于4°视场的颜色测量。必须在明视觉条件下使用这两类标准观察者的数据。CIE1931-RGB系统物体颜色决定于外界光学辐射对人眼的刺激和人眼的视觉特性。莱特的试验选择三原色：650nm红；530nm绿；460nm蓝匹配等能光谱各颜色。10名观察者，2°视场范围CIE1931-RGB系统。吉尔德的试验选择三原色：630nm红；542nm绿；460nm蓝匹配等能光谱各颜色。7名观察者，2°视场范围用三原色匹配白色条件下，规定三者为等量关系。CIE1931-RGB系统。莱恩和吉尔德试验综合结果选择三原色：700nm红；546.1nm绿；435.8nm蓝匹配等能光谱各颜色。7名观察者，2°视场范围将三原色的单位调整到相等数量相加匹配出等能白色条件下，规定三者为等量关系。CIE1931-RGB系统莱恩和吉尔德试验综合结果选择三原色：700nm红；546.1nm绿；435.8nm蓝匹配等能光谱各颜色。7名观察者，2°视场范围将三原色的单位调整到相等数量相加匹配出等能白色条件下，规定三者为等量关系。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CIE1931-RGB系统光谱三刺激值与光谱色坐标关系CIE1931-XYZ系统建立CIE1931-XYZ系统的三点考虑：避免出现象1931CIE-RGB系统中的三刺激值和色坐标出现的负值。新XYZ三角形的XY边应与1931CIE-RGB系统中540-700nm直线重合，YZ边应与503nm靠近，以减少三角形内设想颜色范围。规定X、Z亮度为0，Y即代表色度也代表亮度。CIE1931-XYZ系统CIE1931标准色度观察者CIE1931色度图反算光谱三刺激值CIE1931-XYZ系统应用限制和重要性CIE1931-XYZ系统应用1、x色度坐标相当于红原色的比例，以此类推，且x+y+z=12、连接400nm至700nm的直线是光谱上所没有的由紫到红的颜色3、光谱轨迹曲线以及连接光谱轨迹两端所形成的马蹄形内包括一切物理上所能实现的颜色。特性CIE1931-XYZ系统应用颜色主波长Q颜色主波长，C连接Q延伸至光谱轨迹线交点为Q的主波长，即Q的色调。Q越靠近C越不饱和，越靠近光谱轨迹线越饱和。两颜色混合色Q、S连线为Q、S混合的所有中间色。任何两个波长光相混合所得出的混合色或落在光谱轨迹线上，或落在光谱轨迹所包围的面积内，绝不会落在光谱轨迹线外。互补色通过C点的直线连接光谱轨迹线的两交点为一对互补色。在494nm-570nm之间的互补色只能由至少两种颜色混合出来。CIE1931色度图又称混色图CIE1931-XYZ系统应用CIE1964补充色度学系统目的：解决大于10º大视场的色度测量CIE1964年规定“CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值（颜色匹配函数）”和相应色度图称为“CIE1964补充标准色度学系统”斯泰尔斯和伯奇研究：49名观察者，10º视场，三原色R(645.2nm)，G(526.3nm)，B(444.4nm)。斯伯林斯卡娅研究：18名观察者，10º视场，三原色R(640nm)，G(545nm)，B(465nm)。后换算为如上三原色。CIE1964补充色度学系统CIE色度计算方法一、色度坐标——加权坐标法附录：光谱光效率函数光谱光效率函数是指在明视觉条件下，人眼对380~780nm可见光谱范围的不同波长的辐射，即各种色光具有不同的感受性。对于等能量的各色光，人眼觉得黄绿色最亮，其次是蓝、紫、最暗是红色。人眼对不同色光感觉性不一样，可用光谱光效率函数来表征，并用光谱光效率曲线来表示。所谓光谱光效率函数就是达到同样亮度时，不同波长所需能量的倒数，即V（λ）=1/Ελ，式中：V（λ）为光谱光效率函数值，Eλ为单色光能量。由于视网膜含两种不同的感觉细胞，在不同照明水平下，V（λ）函数会发生变化。当亮度大于3cd/㎡时，为明视觉，锥体细胞起主要作用，V（λ）的峰值产生在550nm~560nm部位；光亮度小于0.03cd/㎡时，为暗视觉，杆体细胞起主要作用，V（λ）的峰值向短波方向移动，相当500~510nm的蓝绿色部位。当亮度在0.03~3cd/㎡时，锥体细胞和杆体细胞共同起作用，称为中间视觉。中间视觉的视觉函数并不能由明视觉函数和暗视觉函数的线性组合来模拟。因为在中间视觉范围内的杆体细胞和锥体细胞存在着相互作用。附录：色温与标准光源附录：NTSC与PAL标准1953年美国制定NTSC标准时采用了C光源，以此为依据导出了现在仍然广泛使用的亮度方程Y=0.30R+0.59G+0.11B。1965年CIE定义了D光源也就是D65基准白，并被1966年制定的PAL标准首先采用。EBU制定PAL标准（EBUTecn.3213）THANKSFORLISTENINGMar.28th2014