色度学的基本知识

色度学的基本知识报告人﹕老不死的部门﹕炎黄新产品育成中心2004-01-15色度学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，它是一门本世纪发展起来的，以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。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。而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,以对光强的度量来说,物理光学以光的辐射能量这个客观单位来度量,而色度学却以色光对人眼的刺激强度来度量。色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。以对光强的度量来说,物理光学以光的辐射能量这个客观单位来度量,而色度学却以色光对人眼的刺激强度来度量。辐射能量很大的波长很长的红光对人来说却没有辐射能量很小的黄光亮,人们就认为黄光的强度比红光大。在人们眼中所反映出的颜色，不单取决于物体本身的特性，而且还与照明光源的光谱成分有着直接的关系。所以说在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果。我们用色度学来评价的结论就是这种综合效果每个人的视觉并不是完全一样的。在正常视觉的群体中间，也有一定的差别。目前在色度学上为国际所引用的数据，是由在许多正常视党人群中观测得来的数据而得出的平均结果。就技术应用理论上来说，已具备足够的代表性和可靠的准确性。国际照明委员会(CIE)国际照明委员会(CommissionInternationaleedI'Eclairage-CIE)主要研究照明的专业术语、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，1931年根据莱特(W.D.Wright)在1928-1929年和吉尔德(J.Guild)在1931年研究三原色的角度观察效果，加以平均，规定了CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值，并据以绘制出偏马蹄形曲线的*色度图，称为“1931CEL-RGB系统色度图”，后经修改被推荐为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年又综合斯泰尔斯(W.S.Stiles)和伯奇(J.M.Bruch)以及斯伯林斯卡娅(N.I.Speranskaya)1959年发表的研究结果，制定了CIE1964补充色度学系统以及相应的色度图，为世界各国广泛采用，据以进行色度计算和色差计算。1964年又提出了“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”。眼睛的剖视结构*角膜(Cornea):眼球壁的正前方，1mm厚，为一弹性的透明组织占眼球壁面积1/6，光线经角膜曲光折射进入眼内。*虹膜(Iris):位于形成眼压的房水(AqueousHumor)后面(水晶体前面)决定眼睛的颜色白种人儿童虹膜色素少，为蓝色，年老色素增多成棕黑色）其肌键可控制瞳孔（Pupil)大小(约为2-8mm之变化)使得影像随外界明暗变化成像于视网膜上。*水晶体(Lens)：虹膜后透明双凸透镜，两曲面之曲率不同，厚4mm，9mm直径曲光率靠睫状肌(CiliaryBody)收缩而改变。眼睛的剖视放大图片视觉原理人眼基本上可以看成是一个包含在巩膜内的不透光暗室。它具有一个由角膜﹑前房水﹑水晶体和玻璃体组成的折射光学系统﹐它们将入射光线聚焦在眼球后面的视网膜上形成一个倒像。虹膜上的小孔叫瞳孔﹐瞳孔的大小可以改变﹐以便调节进入眼睛的光通量。在低亮度它完全打开时﹐直径可达8mm左右﹐而在高亮度环境中﹐其直径为1.5mm左右﹐其有效孔径(光圈)从f/11到f/2﹐焦距约为16mm。视网膜由一个感光细胞薄层组成﹐上面的细胞分为两种类型﹕一种是锥形的﹐一种是杆形的﹐它们大约有一亿二千五百万个﹐不均匀地分布在视网膜上。这两类细胞的作用不同﹐杆形细胞作用相当于高灵敏度﹑粗颗粒的黑白底片﹐它在很暗的光照下还能起作用﹐但不能区别颜色﹐的到的像轮廓不够清晰﹔锥形细胞作用相当于灵敏度比较差﹑颗粒细的彩色底片﹐它在较强的光照下才能起作用﹐能区别颜色﹐得到的像的细节较清晰。视觉原理进入眼睛的光线通过瞳孔后到达水晶体凸透镜﹐在周围睫状肌的作用下﹐透镜可以适当地调节它的形状﹐使一定远近范围内(约从无穷远到15cm)的物体都能分别成像于视网膜上﹐两种感光细胞把像的讯号经过视神经通道传送到大脑。水晶体是折射率不均匀的物体﹐其外层折射率为1.38﹐内层折射率接近1.41﹐水晶体的焦距可以靠其表面曲率的变化来改变。随着物体离眼睛距离的不同﹐水晶体焦距作相应的变化﹐因而在视网膜上可以得到物体清晰的像﹐这个过程称为调焦。正常的眼睛处于没有调节的自然放松状态时﹐无穷远物体正好成像在视网膜上﹐即眼睛的像放焦点正好与视网膜重合﹐所以眼睛观察远处物体不容易疲劳﹐故目视仪器的调节应使像成于无限远处。观察近距物体时﹐水晶体周围的睫状肌向内收缩﹐使水晶体曲率半径变小﹐这时眼睛的焦距缩短﹐像方焦点由网膜上向前移动﹐使有限距离处的物体成像在视网膜上。视神经放大图片视觉原理进入眼睛的光线被视网膜（Retina)上的杆状（Rod）和锥状(Cone)细胞（见右图）所接受，并产生电子讯号刺激后方的神经细胞层在精于大脑整合产生视觉影像。杆状（Rod）细胞主司明暗的判别，平均约有1亿两千万个细胞，可接受400～600nm波长的光线，不具色彩判别力。锥状(Cone)细胞，则集中在视网膜中央的部分，可接受400～700nm波长的光线，具辨别色彩的能力，但数量只有6百万个。这也说明了为什么人的眼睛对明暗对比的判定，要比色彩的变化来的敏感的原因。视觉暂留现象人眼之所以能够看清一个物体，乃是由于该物体在光的照射下，物体所反射或透射的光进入人眼，刺激了视神经，引起了视觉反应。当这个物体从眼前移开，对人眼的刺激作用消失时，该物体的形状和颜色不会随着物体移开而立即消失，它在人眼还可以作一个短暂停留，时间大约为1/10秒。物体形状及颜色在人眼中这个短暂时间的停留，就称为视觉暂留现象。正因为有了这种视觉暂留现象，人们才能欣赏到电影、电视的连续画面。视觉暂留现象是视错觉的一种表现。眼睛的分辨能力眼睛分辨物体细节的能力与视网膜的结构(主要是其上面的感光单元的分布)有关﹐不同部分亦很大的差别。在网膜中央靠近光轴的一个很小的区域(称为黄斑直径约为1.5mm)里﹐分辨能力最高。能分辨的最近两点对眼睛的张角﹐称为最小分辨角。在白昼的照明条件下﹐黄斑内的最小分辨角接近1‘﹐趋向网膜边缘﹐分辨能力急剧下降。所以人的眼睛视场虽然很大﹐水平方向视场角约为160度﹐垂直方向约为130度﹐但其中只有中央视角6~7度的一个小范围内才能较清楚地看到物体的细节。另外﹐眼睛的分辨能力与照明环境有很大的关系﹐在夜间照明条件比较差的时候﹐眼睛的分辨能力大大下降﹐最小分辨角可达1度以上。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。颜色的视觉(视网膜的颜色区)对颜色的感觉是光的辐射能对视网膜上锥体细胞作用的结果﹐由于锥体细胞的分布不同﹐因而不同区域对颜色的感受能力也不同。视网膜中央能分辨各种颜色﹐由中央向外围部分过渡﹐对颜色的分辨能力逐渐减弱﹐直到对颜色的感觉消失。观察小视场和大视场的颜色会有不同结果。眼感受到颜色﹐不只决定于客观的刺激﹐还取决于用眼的什么位置接受这个刺激。(例﹕当比较两种颜色时﹐视场的角值不应超过1.5度)颜色的视觉(颜色辨认)颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。因而物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统有关系。一般来说可见光谱上的各种颜色随光强度的增加而有所变化(向红色或蓝色变化)。这种颜色随光强度而变化的现象﹐叫做贝楚德-朴尔克效应。但在光谱上黄(527nm)﹑绿(503nm)﹑蓝(478nm)三点基本上不随光强而变。人眼对波长变化引起的颜色变化的辨认能力(颜色辨认的灵敏阈)﹐在光谱中的不同位置是不同的。人眼刚能辨认的颜色变化就称为颜色辨认的灵敏阈。最灵敏处为480nm(青)及600nm(橙黄)附近﹔最不灵敏处为540nm(绿)及光谱两端。灵敏处只要波长改变1nm﹐人眼就能感受到颜色的变化﹐而多数要改变1~~2nm才行。颜色的视觉(颜色的分类)颜色可分为彩色和非彩色。非彩色指白色﹑黑色和各种不同深浅的灰色。彩色就是指黑白系列以外的各种颜色。对于理想的完全反射的物体﹐其反射率为100%﹐称它为纯白﹔而对于理想的完全吸收的物体﹐其反射率为零﹐称它为纯黑。白色﹑黑色﹑和灰色物体对光谱各波段的反射和吸收是没有选择性的﹐称它们为中性色。对光来说﹐非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化﹐即当白光的亮度非常高时﹐人眼就感觉到是白色的﹔当光的亮度很低时﹐就感觉到发暗或发灰﹐无光时是黑色的。颜色的视觉(非彩色的特性)1)非彩色的特性可用明度表示﹕明度是指人眼对物体的明亮感觉。影响的因素﹕辐射的强度大小(亮度的大小)一般亮度越大﹐我们感觉物体越明亮﹔但当亮度变化很小﹐人眼不能分辨明度的变化﹐可以说明度没变﹐但不能说亮度没变。因为亮度是有标准的物理单位﹐而明度是人眼的感觉。人的经验在同样的亮度情况下﹐我们可能认为暗环境高反射率(例如在较暗环境中的白色书页)明度比亮环境较低反射率(例如在光亮环境中的黑墨)的物体明度高。彩色的三个特性(明度)彩色有三种特性﹕明度﹑色调和饱和度。色调和饱和度又总称为色品(色度)。明度是指色彩的明暗程度。每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别，我们知道，物体的各种颜色，必须在光线的照射下，才能显示出来。这是因为物体所呈现的颜色，取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能。前面提到的红布之所以呈现红色，是由于它只反射红光，吸收了红光之外的其余色光。白色的纸之所以呈现白光，是由于它将照射在它表面上的光的全部成分完全反射出来。如果物体表面将光线中各色光等量的吸收或全部吸收，物体的表现将呈现出灰色或黑色。同一物体由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别。白颜料属于高反射率物质，无什么颜色掺入白颜料，可以提高自身的明度。黑颜料属于反射率极低的物质，因此在各种颜色的同一颜色中（黑除外）掺黑越多明度越低。在摄影中，正确处理色彩的明度很重要，如果只有色别而没有明度的变化，就没有纵深感和节奏感，也就是我们常说的没层次。彩色的三个特性(色调)色调就是指不同颜色之间质的差别，它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志。色彩所具有的最显著特征就是色调，也称色相。它是指各种颜色之间的差别。从表面现象来讲，例如一束平行的白光透过一个三棱镜时，这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带，形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，就是不同的色调。从物理光学的角度上来讲，各种色调是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的，色调即色相的形成取决于该光谱成分的波长。物体的色调由照射光源的光谱和物体本身反射特性或者透射特性决定。例如蓝布在日光照射下，只反射蓝光而吸收其它成分。如果分别在红光，黄光或绿光的照射下，它会呈现黑色。红玻璃在日光照射下，只透射红光，所以是红色。光源的色调取决于辐射的光谱组成和光谱能量分布及人眼所产生的感觉。彩色的三个特性(饱和度)饱和度是指构成颜色的纯度也就是彩色的纯洁性﹐色调深浅的程度。它表示颜色中所含彩色成分的比例。彩色比例越大，该色彩的饱和度越高，反之则饱和度越低。从实质上讲，饱和度的程度就是颜色与相同明度有消色的相差程度，所包含消色成分越多，颜色越不饱和。色彩饱和度与被摄物体的表面结构和光线照射情况有着直接的关系。同一颜色的物体，表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大；强光下比阴暗的光线下饱和度高。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色(即单色光)掺入白光成份时﹐其彩色变浅﹐或者说饱和度下降。当掺