第2章色度学原理与CIE标准色度学系统讲座

2第2章色度学原理与CIE标准色度学系统2§1颜色匹配（色光相加混合）•§1-1颜色匹配定义和方法•颜色匹配的定义：两个视场的颜色在视觉上相等。•颜色匹配的方法：•光谱匹配：不同光谱成分的混合（调节光源的发射光谱、物质的吸收与反射光谱。2颜色匹配的方法：•时间混合：用色转盘，•调节转盘上颜色块的面积。•空间混合：•调节不同色颗粒发光的比例。•（显示屏）•其基础是光谱的混合，•后两种混合方法是利用了人眼的视觉特性。2§1-2颜色匹配方程•如果（C）为待匹配的目标色（R）（G）（B）为三原色C、R、G、B为目标色及三原色的量，当用三原色混合实现与颜色（C）的匹配时有（C）=R（R）+G（G）+B（B）•此式即为颜色匹配方程。当三原色之一(例如B)必須加在被匹配的顏色上时﹐顏色方程可表示为﹕C(C)+B(B)=R(R)+G(G)這一方程在色度学中可表达成﹕C(C)=R(R)+G(G)-B(B)•根据颜色方程任何一种颜色可以用匹配该颜色的三原色的量来表示，•匹配该颜色所需要三原色的数量——颜色的三刺激值•这就是将颜色“量化”的思想2•实现颜色知觉“量化”的方法：•有以下问题需要解决：•怎样选定三原色？•怎样确定三原色的单位量？•怎样确定任何一种颜色的三刺激值，是否比必需做匹配实验？•怎样利用颜色的光谱构成，确定颜色的三刺激值？•CIE规定了以上问题的解决方案—CIE标准色度学系统2§2CIE标准色度学系统•国际照明委員会(CommissionInternationaleedI‘Eclairage-CIE)光度学和色度学的国际学术研究机构。•设在巴黎。早在1924年前就已从事标准色度学系统的研究。•规定了：CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值，•绘制出“1931CEL-RGB系统色度图”，•推荐1931CIE-XYZ系统，为国际通用色度学系统，•称为“CIE标准色度学系统”，•所作的图则称“CIE1931色度图”。•1964年制定了CIE1964补充色度学系统以及相应的色度图，•进行色度计算和色差计算。•1964年提出“均匀颜色空间”的三维空间概念，1976年加以修订，并正式被采用。•CIE为此还提出了确定的参照光源，称“CIE标准光源”。2§2-1选定三原色1、其中任何一种原色不能被其他两种原色匹配2、三色之间的光谱间隔大，匹配色覆盖的颜色最多3、容易实现CIE确定：RedGreenBluenm700546.1435.8为标准三原色这样規定的原因是上述三者都比较容易精确地产生出來。是采用汞弧光谱中经滤波后的单一谱线获得，色度稳定而准确，配出彩色也较多。2•§2-2选定三原色的单位量•等能白：SERedGreenBlueMixturenm700546.1435.8单位量（流明）1.00004.59070.06915.65081Redunit=[R]=1.0000cd/m2;1Greenunit=[G]=4.5907cd/m2;1Blueunit=[B]=0.0691cd/m2.（亮度比和光通量比是等效的）2§2-3确定等能白光的光谱三刺激值•等能白光（E光源）假想的在整个可見光譜范为內光谱辐射能相等的光源的光色﹐也称等能白色。与色溫为5500k的白光很相似。•光谱三刺激值—混配出单位辐射功率、波长为λ的单色光所需要的三刺激值。•实验证明：几乎所有的颜色都可以用三原色按某个特定的比例混合而成。如果用上述规定单位量的三原色，在可见光380nm~780nm范围内每隔波长间隔（如10nm)对等能白色的各个波长进行一系列的颜色匹配实验，可得每一光谱色的三刺激值。)()()(:)()()()()()()()()(780780780780400400400400390390390390380380380380BbGgRrCBbGgRrCBbGgRrCBbGgRrC2光谱三刺激值曲线•可得到如下图三条曲线—光谱三刺激值曲线•也就是CIE1931-RGB标准色度观察者)(r)(g)(b2§2-4等能白光的光谱色品坐标在颜色科学中，我们不直接用三刺激值R、G、B来表示颜色，而用三原色各自占R+G+B总量的相对比值表示颜色，即。色度坐标：三原色各自占R+G+B总量的相对比值。对等能白光的光谱色而言，其色度坐标为：由此即可得出：r+g+b=1﹐即色品坐标r﹑g﹑b中﹐只有兩个独立﹐因此可用二維空间表示彩色光的色品。•对于等能白光﹐R=G=B=1﹐因此等能白光的色坐标为r=g=b=1/3r)/()/()/(bgrbbbgrggbgrrr2§2-51931CIE-RGB系统色度图2§2-6由相对光谱功率分布求任一颜色的三刺激值如果已知色光C的光谱功率分布，怎样来确定它的三刺激值及色度坐标呢？设：颜色CE光谱功率分布为E()，（如下图）由颜色的混合规律：CE=CE380+CE390+CE400+……CE780而：CE380=C380E(380)CE390=C390E(390)CE400=C400E(390)...CE780=C780E(780)E(λ)λ(nm)380390400380390400780C380C390C780CE390CE380CE780CE400C4002求任一颜色的三刺激值•结合：•代入：CE=CE380+CE390+CE400+……CE780•并考虑E()所对应的波长间隔△得：)()()(:)()()()()()()()()(780780780780400400400400390390390390380380380380BbGgRrCBbGgRrCBbGgRrCBbGgRrC780380EEC）（C)(780380E)(780380E)(780380E780380E)()()(780380ECECBbGgRrBbGgRr）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（2求任一颜色的三刺激值•由CE=RE（R）+GE（G）+BE（B）•所以颜色CE的三刺激值为：其色品坐标为：780380E780380E780380E）（）（）（）（）（）（bBgGrREEE)/(B)/(Gg)/(EEEEEEEEEEEEEEEBGRbBGRBGRRr2求任一颜色的三刺激值•所以根据CIE1931-RGB标准色度观察者•如果已知任一颜色的光谱功率分布就可以计算出该颜色的三刺激值和色品坐标•这样就实现了颜色的“量化”表示，从而建立了颜色评价的“客观”标准2§3CIE1931-XYZ标准色度学系统•§3-1CIE1931-RGB标准色度观察者与CIE1931-XYZ标准色度观察者的转换•RGB系统在某些场合下﹐例如被匹配顏色的饱和度很高時﹐三色系数就不能同时取正﹐而且由于三原色都对混合色的亮度有贡献﹐当用顏色方程計算时就很不方便。•希望有一种系统能滿足以下的要求﹕•(1)三刺激值均为正•(2)某一原原色的刺激值﹐正好代表混合色的亮度﹐而另外两种原色对混合色的亮度沒有贡献。•(3)当三刺激值相等时﹐混合光仍代表标准(等能)白光。•这样的系統在以实际的光譜色为三原色时是找不到的﹐于是就出現了以假想色为三原色的XYZ表色系統。2亮度仅由Y表示，X、Y、Z所形成的虚线三角形包含了整个光谱轨迹，使得光谱轨迹上和轨迹之内的色度坐标都成了正值。XYZ假想三原色的由来：2色度坐标的转换•三条直线在RGB系统中的直线方程：•XZ直线为无亮度线。即：•1.0000r+4.5907g+0.0601b=0•又由：r+g+b=1,•代入上式得：•0.9399r+4.5306g+0.0601=0•XY直线为：r+0.99g-1=0•YZ直线为：1.45r+0.55g+1=02X、Y、Z三点在rg图中的坐标是：X：r=1.2750，g=-0.2778，b=0.0028Y：r=-1.7392，g=2.7671，b=-0.0279Z：r=-0.7431，g=0.1409，b=1.6022在1931CIE-XYZ色度图中，等能的白光，即E光源的色度坐标也为：xE=0.3333，yE=0.3333。2色度坐标的转换•由此得到RGB系统和XYZ系统三刺激值的转换关系为•X=2.7689R+1.7517G+1.1302B•Y=1.0000R+4.9507G+0.0601B•Z=0.0000R+0.0565G+5.5943B•色品坐标r(λ),g(λ),b(λ)与x(λ)y(λ)z(λ)转换关系为）））））））））））））））））））））(20063.1(13240.1(66697.0(9900.0(0100.0(0000.0((20063.1(13240.1(66697.0(01063.0(81240.0(17697.0((20063.1(13240.1(66697.0(2000.0(3100.0(4900.0(bgrbgrzbgrbgrybgrbgrx2§3-2ＸＹＺ系统的光谱三刺激值•依据光谱三刺激值与色品坐标之间的关系有•并且国际照明委员会规定：CIE1931XYZ系统的Y(λ)与光谱光视效率V（λ）相一致：Y(λ)=V（λ）所以有：）（）（）（））（））（））（zyxzxyxxx(((）（）））（），（）（），（）））（Y((YY((yzzyyxx2•由此可以得到XYZ系统的光谱三刺激值。称为CIE1931XYZ标准色度观察者•x(λ)、y（λ）、z（λ）、如下图所示2§3-3CIE1931XYZ系统色品图•由色品坐标x(λ)y(λ)z(λ)可以画出等能白色光谱色品坐标在XYZ系统中的轨迹图即CIE1931XYZ系统色品图22•由CIE1931XYZ系统色品图可知：•光谱轨迹曲线以及链接光谱轨迹两端的直线所构成的马蹄形内，包含了所有物理上能实现的颜色（只要选取适当的原色）•人的视觉不能区分700~770nm的光谱色的差别，所以他们有相同的色品坐标点。•540~700nm的光谱轨迹基本上与XY直线重合，所以用540nm和700nm的光谱色可以匹配出他们之间的饱和度较高的光谱色2•链接400nm与700nm两点的连线称为紫线，是由400nm与700nm的光谱色按不同比例混合的颜色•Y=0的直线（XZ),是无亮度线，靠近这条线的坐标点表示较低的视觉亮度，色品图表示，在相同的辐射能量下，蓝紫色的可视亮度较低•色品图的中心为白色（灰色）区域，所以越靠近中心的颜色饱和度越低，•经过中心白色点直线连接的颜色互为补色。2CIE1931XYZ标准色度系统•CIE1931XYZ标准色度（观察者）•和CIE1931XYZ标准色度图一起构成了•CIE1931XYZ标准色度系统•CIE1931XYZ标准色度系统是国际上色度计算、颜色测量、和颜色表征的统一标准，是所有测色仪器的设计与制造依据）（）、（）、（zyx2§4CIE1964补充色度学系统(10o观察条件)单纯原色的混合物，在整个视场低于10o时出现不均匀现象，工业上配色总是在比2o视场更大的范围。为了适合于10o大视场的色度测量，1964年CIE规定了一组CIEl964补充标准观察者光谱三刺激值和相应的色度图，这一系统称为CIEl964补充标准色度学系统。在CIEl964补充色度学系统色度图中，等能白光的色度坐标：x10E=0.3333，y10E=0.3333，z10E=0.3333。研究表明，观察视场增加到10o辨色精度能提高，但视场进一步增大就不再提高了。2CIEl964与CIEl931光谱三刺激值曲线比较2CIE1964色度图与CIEl931色度图比较2§5CIE色度计算方法•§5-1光源色的色度计算：•如果已知光源的相对光谱功率