第四章色度学基础.

色度学基础•色度学是上世纪发展起来的以物理光学、视觉生理学和视觉心理学等学科领域为基础的综合性学科。在科学研究、生产和生活中有许多现象往往和视觉联系在一起，这些现象是物理过程和生理过程的一种混合。要完全理解这些现象，必须研究视觉这个领域，特别是色的视觉，即色度学所一、颜色和人的色觉•不同波长可见光辐射作用于视觉器官后在大脑产生的综合感觉是色觉，所产生的心理感受就是颜色•颜色是不同波长（380~760nm）组成的光引起的一种主观感觉，是观察者的一种视觉经验•单色光：波长一定的光，其色叫光谱色。•彩色的种类大大超过在可见光谱上看到的各种谱色。•部分混合色仍是谱色，更多混合色不再出现在可见光谱上（非谱色）（二）色觉的形成•人辨别颜色的能力是指视网膜对不同波长光的感受特性。•视锥细胞对红、绿、蓝吸收率最高，红、绿、蓝三种光混合比例不同，就可形成不同的颜色，从而产生各种色觉。•人眼对任一色彩的视觉反应取决于红、绿、蓝三色输入量的代数和--格拉斯曼定律人眼结构二、颜色的分类及其属性•1、非彩色和彩色–非彩色：黑、白及白与黑之间深浅不同的灰色所组成的颜色系列–彩色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等•2、原色、间色、复色和补色原色：不能由其他颜色合成得到•所谓光学三原色，就是指红、绿、蓝这三种色。•其中的任意一色都不能由另外两种原色混合产生，而其他色可由这三色按照一定的比例混合出来，色彩学上将这三个独立的色称为三原色。间色：两种原色混合得到的颜色，例如...复色：两种或者两种以上间色组成的颜色，例如白色。补色：混合得到白色或灰色的两种色，称为补色•如绿色与紫色互补，蓝色与黄色,红色与青色互补关于视觉后像•当外界物体的视觉刺激作用停止以后，在眼睛视网膜上的影像感觉并不会立刻消失，这种视觉现象叫做视觉后像。视觉后像的发生，是由于神经兴奋所留下的痕迹作用，也称为视觉残像。如果眼睛连续视觉两个景物，即先看一个后再看另一个时，视觉产生相继对比，因此又称为连续对比。•视觉后像有两种：当视觉神经兴奋尚未达到高峰，由于视觉惯性作用残留的后像叫正后像；由于视觉神经兴奋过度而产生疲劳并诱导出相反的结果叫负后像。无论是正后像还是负后像均是发生在眼睛视觉过程中的感觉，都不是客观存在的真实景像。•正后像节日之夜的烟花，常常看到条条连续不断的各种造型的亮线。其实，任意一瞬间，烟火无论在任何位置上只能是一个亮点，然而由于视觉残留的特性，前后的亮点却在视网膜上引成线状。•再如你在电灯前闭眼三分钟，突然睁开注视电灯两三秒钟，然后再闭上眼睛，那么在暗的背景上将出现电灯光的影像。以上现象叫正后像。电视机、日光灯的灯光实际上都是闪动的，因为它闪动的频率很高，大约100次／秒上，由于正后像作用，我们的眼睛并没有观察到。•电影技术也是利用这个原理发明的，在电影胶卷上，当一连串个别动作以16图形／秒以上的速度移动的时候，人们在银幕上感觉到的是连续的动作。现代动画片制作根据以上原理，把动作分解绘制成个别动作，再把个别动作续起来放映，即复原成连续的动作。試一試全神貫注地看箸黃色的部分，並維持30秒，然后闭上眼睛，看到什么•视觉的后像现象：•如果眼睛只看到互补色的其中一色，而欠缺另一色时，我们会在视网膜上形成相对的补色，而不是实际看到的颜色。负后像•正后像是神经正在兴奋而尚未完成时引起的，负后像则是经兴奋疲劳过度所引起的，因此它的反映与正后像相反。例如：当你长时间（两分钟以上）的凝视一个红色方块后，再把目光迅速转移到一张灰白纸上时，将会出现一个青色方块。这种现象在生理学上可解释为：含红色素的视锥细胞，长时间的兴奋引起疲劳，相应的感觉灵敏度也因此而降低，当视线转移到白纸上时，就相当于白光中减去红光，出现青光，所以引起青色觉。由此推理，当你长时间凝视一个红色方块后，再将视线移向黄色背景，那么，黄色就必然带有绿（红视觉后像为青，青＋黄＝绿）。•手术室里医生们为何要穿绿色的衣服，不穿白色的？•不仅因为绿色是中性的温和之色,更重要的是绿色能减轻外科医生因手术中长时间受到鲜红血液的刺激引起的视觉疲劳,避免发生视觉残像而影响手术正常进行。（二）颜色的属性•色彩的主观三属性：色调、明度、饱和度•色彩的客观三属性：波长、亮度、纯度1、色调（Hue）•色调是区分不同彩色的特性。不同波长，色调不同：绿545nm，黄580nm•分辨力有差异–黄和青是1nm，红末端和紫末端几乎分辨不出•光源颜色的色调取决于辐射的光谱组成，物体颜色与照明光光谱有关，也与物体对光的选择吸收有关色调对比橙色由红黄调成，故与红色在一起感觉偏黄，与黄色在一起感觉偏红，两颜色越接近补色，对比越强烈互補色對比非互補色對比在互补色对比下，给人强烈的视觉效果（紅色更紅，青色更青）2、明度（brightness）•也称色阶，亮度深浅，表示颜色的明亮程度–与波长有关，黑色明度最低，白色最高–同一色调也有差异，浅蓝比深蓝亮–加白光-明度高，反之亦然将相同的色彩，放在黑色和白色上，会发现黑色上的色彩感觉比较亮，白色上的色彩感觉比较暗，明暗的对比效果非常强烈明显，明度差异很大的对比，让人有不安的感觉。明度对比3、饱和度（Saturation）•也称彩度，纯度，表示彩色的纯洁性•单色光最饱和，一种颜色可以看成是某种光谱色与白色混合的结果，其中光谱色所占比例越高，饱和度就越高。加白光变不饱和•非彩色只有明度的差别，没有色调的区分，饱和度为0色彩和另一彩度较高的色彩并列时，会觉得本身彩度变低，而和另一个彩度较低的色彩时，会觉得彩度变高，彩度（饱和度）对比4、色调、明度与饱和度之间的关系三、颜色混合和颜色混合定律•各种颜色可以通过两种或几种颜色混合得到。颜色混合有2种方式，色光和色料混合。色光三原色：红、绿、蓝。色料三原色：品红、黄、青。定义：不同颜色光的直接混合，是颜色的相加混合。原理：两种或两种以上的色光同时反映于人眼，视觉会产生另一种色光的效果，即在视网膜上的同一个部位，同时射入两种以上的色(光)刺激，感觉出另一种颜色的现象。1、色光混合3.最优三原色。四.颜色的人工合成1.格拉斯曼定律。2.CIE1931色度图。4.加色法。遵守格拉斯曼颜色混合定律。白黑•光学三原色（红、绿、蓝）中任意两种色光等量相加，则成为三原色光中另一种色光的互补色光。即：等量的红光+绿光=黄光，互补于蓝光；等量的红光+蓝光=品红光（也称洋红，即较浅的紫红），互补于绿光；等量的绿光+蓝光=青光，互补于红光。头尾两色相加等于中间色，三角形的角与对边成互补色色光混合不同强度色光相加得到不同混合色光2、色料混合法定义：两种或两种以上的色料混合后会产生另一种颜色的色料的现象。是相减混合，在白光照射下，颜料将某些光谱成分吸收，其余光谱成分被反射而呈现某种颜色YMCRGBK3.最优三原色。四.颜色的人工合成1.格拉斯曼定律。2.CIE1931色度图。4.加色法。5.减色法。遵守格拉斯曼颜色混合定律。不遵守格拉斯曼颜色混合定律。白黑•青色、品红、黄色，简称C、M、Y，即颜料三原色。•显示成像的都是利用光学三原色，而现实中的物体颜色就是颜料三原色。（二）颜色混合定律（格拉斯曼定律）适用于颜色的相加混合•1、色调、明度和饱和度是人的视觉只能分辨的颜色的三种变化•2、如果2个颜色组成一种混合色，其中一种颜色连续变化，则混合色的外貌也随之连续变化。3、补色律：每一种颜色都有一种相应的补色。如果某一颜色与其补色以适当比例混合，便产生白色。4、中间色律：任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色调、饱和度决定于两颜色的比例。5、颜色外貌相同的光，不管他们的光谱组成是否一样，在颜色混合中都有相同的效果。代替律：相似色混合后仍相似A+B=C，若X+Y=B，则A+(X+Y)=C根据代替律可以利用颜色混合的方法来产生各种所需的颜色。•6、亮度相加律：混合色的亮度等于参与混合的各颜色光亮度的总和。•凡是不能准确辨别各种颜色者为色觉障碍。•临床上按色觉障碍的程度，可分为色盲和色弱。•色弱主要表现辨色能力迟钝或易于疲劳。五、色觉检查•色觉异常，也称色觉障碍，是指对各种颜色心理感觉的不正常，他们对颜色的认识完全来自别人的传授的经验。•如正常人看起来是红色的东西，色觉障碍者看起来是可能是我们对黄色的感觉，但是别人都说他是红色的，因此他就认为它是红色的。彩色的度量及表示法•CIE标准色度系统：CIE规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法•三刺激值：在颜色匹配实验中，与待测色达到颜色匹配时所需三原色数量。任意两种颜色只要三刺激值相等，颜色感觉就相同•色品坐标与色品图（色度图）颜色匹配实验•颜色匹配实验是利用色光加色来实现的。人眼看到的视场如图右下方所示，视场范围在2°左右，被分成两部分。图右上方还有一束光，照射在小孔周围的背景白版上，使视场周围有一圈色光做为背景。三原色的单位量•国际照明委员会（CIE）规定红、绿、蓝三原色的波长分别为700nm、546.1nm、435.8nm，在颜色匹配实验中，当这三原色光的相对亮度比例为1.0000：4.5907：0.0601时就能匹配出等能白光，所以CIE选取这一比例作为红、绿、蓝三原色的单位量，即（R）：（G）：（B）=1：1：1。尽管这时三原色的亮度值并不等，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结果为白光，即（R）+（G）+（B）=（W）。CIE1931RGB光谱三刺激值•CIE-1931RGB光谱三刺激值是317位正常视觉者，用CIE规定的红、绿、蓝三原色光，对等能光谱色从380nm到780nm所进行的专门性颜色混合匹配实验得到的。实验时，匹配光谱每一波长的等能光谱色所对应的红、绿、蓝三原色数量，称为光谱三刺激值，它是CIE在对等能光谱色进行匹配时用来表示红、绿、蓝三原色的专用符号。负刺激值的产生•这是因为待配色为单色光，其饱和度很高，而三原色光混合后饱和度必然降低，无法和待配色实现匹配。为了实现颜色匹配，在实验中须将上方红、绿、蓝一侧的三原色光之一移到待配色一侧，并与之相加混合，从而使上下色光的饱和度相匹配。•色度图就是表示色度的图形。所谓色度，是把色调和饱和度两者合在一起的总称。任何一种颜色，可由它在色度图上的位置来决定，但因其不能代表亮度，不同亮度的颜色，在色度图上都占有同一位置。通常使用的标准色度图称为X、Y色度图，或叫做CIE（国际照明委员会）色度图。CIE1931RGB光谱三刺激值CIE1931标准色度系统-色品图（色度图）色品坐标x和y构成的图称为色品图。CIEXYZ光谱三刺激值•CIE-XYZ光谱三刺激值又称为CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值，简称CIE标准色度观察者，在物体色色度值的计算中代表人眼的颜色视觉特征参数。•如图所示。其中马蹄形的曲线，代表了波长从380nm蓝紫色到780nm红色的各种颜色范围内的纯谱色的轨迹。在曲线的两端，颜色几乎没有变化，如380～420nm及700～780nm之间几乎挤成一点，•在马蹄形的底部（400～700nm）的两点连结成的直线部分是没有波长标志的，因为它是由红和紫按各种不同比例混合而成的一系列的混合色，不是纯谱色。CIE1964补充标准色度系统•人眼对颜色的分辨力与观察物体时视场的大小有关。实验表明：人眼用４°以下的小视场观察颜色时，辨别差异的能力较低。当观察视场从２°增大到１０°时，颜色匹配的精度和辨别色差的能力都有提高。但视场再进一步增大时，则颜色匹配的精度提高就不大了。ＣＩＥ１９３１标准色度系统是在２°视场下实验的结果，因此又称为２°视场ＸＹＺ色度系统，它只适用于视场在１°～４°的范围。１９６４年ＣＩＥ又补充制定了一种１０°的视场色度系统，称为ＣＩＥ１９６４补充标准色度系统，又称为１０°视场Ｘ１０Ｙ１０Ｚ１０色度系统，简称为Ｘ１０Ｙ１０Ｚ１０色度系。•二者的等能白光Ｅ点是重合的，两条光谱轨迹在形状上是相似的，但是相同波长的光谱色在各自的光谱轨迹上的位置有较大差异。例如在４９０～５００ｎｍ这一段，图上的近似坐标值相差达５0ｎｍ以上。现代测色仪器已逐渐采用１０°视