第三章--CIE色度学体系。

第三章CIE色度学体系颜色是光作用于人眼后所形成的神经反应，不是单纯的物理量，想要将颜色感觉定量描述很不容易，它与照明条件、观察条件、视觉生理、视觉心理、文化习俗、经验习惯等等均有关系，长久以来，科学家们一直在探索将颜色感觉以确定唯一的一组数据准确表达的方法。在综合了一些颜色科学家的研究和实验基础上，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标准色度系统（CIEstandardcolorimetricsystem）CIE标准色度学系统特点：1.是一种混色系统，以颜色匹配实验为出发点建立起来的。2.用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色。3.不是用颜色的三个色貌特征明度、色调、彩度（饱和度）的大小为度量来表示颜色。3.1颜色匹配（colourmatching）3.1.1颜色匹配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3.1.2三刺激值和颜色匹配方程一、三刺激值（tristimulusvalues）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。primarycolor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。因为视网膜上的锥体细胞只含有红、绿、蓝三种感色物质。三原色可以任意选取，只要三原色中任何一种原色不能由其余两种原色相混合得到就可以。颜色匹配实验中，当与待测色达到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。通过颜色匹配实验获取表示颜色的三刺激值，这就是CIE标准色度系统的基本出发点。颜色空间RGBC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。二、颜色匹配方程)()()()(BBGGRRCC“≡”表示颜色相互匹配C(C)代表该颜色的矢量C代表矢量的长度，(C)代表矢量的方向；(R)、(G)、(B)代表三原色，是三个坐标轴方向上的单位矢量，R、G、B是三刺激值，为代数量，是(R)、(G)、(B)三个坐标轴方向的分量。选某一特定波长的红、绿、蓝三原色去进行混合，直到三原色光以适当比例匹配标准白光，我们将此时的三原色数量均定为一个单位(R)、(G)、(B)。即匹配标准白光时三原色的数量R、G、B(三刺激值)相等，R=G=B=1。三刺激值单位的确定：三、光谱三刺激值（spectraltristimulusvalues）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表示。（读作rbar……）或)(),(),(bgr单色光的颜色方程：))(())(())(())((BbGgRrCC]780,380[nmnm任意色光都是由单色光组成的，可以理解为都是混合色光，那么如果各单色光的光谱三刺激值预先测得，根据混色原理就能计算出该色光的三刺激值来。任意颜色刺激的三刺激值)()()()()()(bkBgkGrkRφ(λ)——颜色刺激的光谱分布k——归化常数——计算所用的波长间隔四、色品坐标和色品图三原色各自在R+G+B总量中的相对比例叫做色品坐标，用符号r，g，b来表示。（chromaticitycoordinates）b=B/(R+G+B)=1-r-gr=R/(R+G+B)g=G/(R+G+B)色品坐标与三刺激值关系式以色品坐标r，g表示的平面图称为色品图色品图（Chromaticitydiagram）标准白光(W)33.0133.0111133.01111grBGRBbBGRGgBGRRr3.2CIE标准色度系统现代色度学采用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（4°视场）3.2.1CIE1931-RGB系统•选择三原色：700nm(R)、546.1nm(G)、435.8nm(B)•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。白光色品r=g=b=1/(1+1+1)=0.33三原色单位亮度比：Lr:Lg:Lb=1.000:4.5907:0.0601匹配人类视觉响应红绿蓝等能光谱色白屏挡屏观察者2°2°2°2°等能白光2°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，用光谱三刺激值来表示，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bgr,,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品坐标的关系式CIE1931-RGB系统色品图及(R)、(G)、(B)向(X)、(Y)、(Z)的转换光谱轨迹注意：出现了负的三刺激值与色品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是由实验获得的，代表了视觉的光谱特性，本来可以用于色度计算，但由于光谱三刺激值与色品坐标都出现了负值，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。bgr,,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。3.2.2.CIE1931标准色度系统（CIEstandardcolorimetricsystem）BGZBGRYBGRX5943.50565.00601.05907.40000.11302.17517.17689.2g.r..g.r..yg.r..g.r..x385700157378466530649399006010385700157378466621506387113021称为“CIE1931标准色度观察者光谱刺激值”简称“CIE1931标准色度观察者”bgr,,zyx,,光谱三刺激值这一系统叫做“CIE1931标准色度系统”或“CIE1931-XYZ”系统。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色品图可用来表示所有颜色的色度特性。色品图中心为白点（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，越接近色品图中心（白点），颜色的饱和度越低。围绕色品图中心不同的角度，颜色的色调不同。CIE1931色品图颜色光谱由来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值既代表色品又代表亮度，又称为亮度因数，而X、Z只代表色品，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)。Ｙ——亮度因数在使用数字描述颜色时，常采用Yxy表色方法，即采用色品坐标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。Yxy立体图Yxy表色方法3.2.3CIE1964补充标准色度系统（CIE1964supplementarystandardcolorimetricsystem）在大面积视物观察条件下(4°)，由于杆体细胞的参与以及没有了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。•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”，（CIE1964supplementarystandardcolorimetricobserver）•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。为了适应大视场颜色测量的需要，101010,,zyx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。三刺激值波长（ｎｍ）观察者观察者CIE色品图3.3CIE色度计算方法光源——物体——或人眼+大脑——或Szyx,,101010,,zyx颜色视觉产生过程四要素作用已经量化，可以计算颜色了！S(λ)z(λ)y(λ)x(λ)3.3.1三刺激值与色品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。照明体或光源（自发光体）透明物体（透射物体）非透明物体（反射物体）SSS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：λ范围取380-780nm　　　　　dzkZdykYdxkXdzkZdykYdxkX101010101010101010在实际计算中，用求和来近似积分，求和的表达式为：zkZykYxkX或Ｓ(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。（见第四章）101010101010101010zkZykYxkX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：S式中　）（时，Ｙ为物体光透过率所以当%S）（时，Ｙ为物体光反射率当%SnmdzSkZdySkYdxSkX780~380其中色度计算公式！！！光源光谱分布物体光谱反射率光谱三刺激值zyx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)红光源物体眼睛大脑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品坐标：ZYXZzZYXYyZYXXx或10101010101010