色度學(xué)原理與CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)分解課件

1、色度學(xué)原理與CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng) 專 業(yè)：紡織化學(xué)與染整工程 姓 名：王先鋒 日 期：2012年10月顏色科學(xué)1.基礎(chǔ)理論知識(shí)2.CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)3.均勻顏色空間和色差公式1.1 顏色匹配實(shí)驗(yàn)Q：黑色扇面的作用引入概念三刺激值 “為了匹配某一特定顏色所需要的三原色的數(shù)量”意義：說明了顏色混合匹配的原理更精密的匹配顏色光匹配實(shí)驗(yàn)顏色光匹配實(shí)驗(yàn)“同色異譜”的顏色配對(duì)：由三原色組成的顏色的光譜組成與被匹配的顏色光的光譜組成可能不一致。500nm左右，紅光出現(xiàn)了負(fù)值？匹配此波長(zhǎng)的光譜色時(shí)，需要將紅色光源移至下方目標(biāo)光源處，從而上下方的光源可以做到顏色匹配，因此在曲線圖中產(chǎn)生負(fù)的函數(shù)。1.2 亮度相加三

2、種不同顏色的色光：P*、Q*、R*。P、Q、R作為相應(yīng)顏色的單位量值，它們是任意取的。以之為基數(shù)，則可用pP、qQ、rR表示顏色的照度，其中p、q、r代表顏色的強(qiáng)度。調(diào)節(jié)P、Q、R的亮度 ，使它們光亮度相等，即：P/Lp=Q/Lq=R/Lr。 Lp、Lq、Lr為各單位顏色的光亮度值。如果我們將pP、qQ兩色混合，調(diào)節(jié)p、q值使之與rR亮度相等。則此時(shí)：pLp+qLq=rLr。P份光亮度值為L(zhǎng)p的光混合1.3 顏色的數(shù)學(xué)表示色度匹配 當(dāng)給定一個(gè)色光照射時(shí)，可通過適當(dāng)比例的三原色混合，得到與給定色光相同的顏色和亮度。色三角形 三角形內(nèi)各點(diǎn)距三邊的距離為r、g、b，相當(dāng)于三原色的混合比例。顏色方程

3、CC=RR+GG+BB可以將R*、G*、B*、C*看作是向量， R、G、B 、C為單位向量，R、G、B、C為相應(yīng)的顏色強(qiáng)度和色量。R、G、B為顏色的三刺激值CC=RR+GG-BB（舉例：黃單色光）色度坐標(biāo)：三原色各自占R+G+B總量的相對(duì)比值。顏色C*的色度坐標(biāo)： r=R/R+G+B，g=G/R+G+B，b=B/R+G+B定義 C*的單位值C=rR+gG+bB ，則其色量C=R+G+Br+g+b=1rgb的數(shù)值與R*G*B*所采用的單位光亮度有關(guān)規(guī)化RGB的單位值使白色位于色三角形的中心。 令白色單位向量為W，且色度坐標(biāo)為r=g=b=1/3，即：W=1/3R+1/3G +1/3B顏色C*的單位

4、光亮度：LC=rLR+gLG+bLB 其中LR、LG、LB 為RGB的光亮度值，它們不相等，為相應(yīng)的定值。顏色C*的色量C為：C=L/LC1.4 色度相加原理與色譜圖色光C1C1：三刺激值R1G1B1，色度坐標(biāo)r1g1b1色光C2C2：三刺激值R2G2B2，色度坐標(biāo)r2g2b2混合后得到：C12C12，其顏色方程如下：在色三角形坐標(biāo)中兩色混合的色度，相當(dāng)于C1*、C2*兩色依其色量C1、C2而形成的重心點(diǎn)。光譜色 從380-780nm可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的單色光所對(duì)應(yīng)的顏色。光譜色是最純的，在色調(diào)上是最濃的，在色三角形中是不存在的，但是在其中混入部分白光，可使混合色進(jìn)入色三角形范圍內(nèi)。記波長(zhǎng)500

5、nm處的光譜色為C*500=C1C1，混入白光后： C1C1+W1W=G1G1+B1B根據(jù)色度相加原理，任何現(xiàn)實(shí)顏色的色度坐標(biāo)必然都在光譜軌跡與長(zhǎng)短波兩端點(diǎn)連線所構(gòu)成的范圍之內(nèi)，由此構(gòu)成的圖譜稱為色譜圖。此光譜色的三刺激值至少有一個(gè)為負(fù)值，此點(diǎn)在色三角形之外，且從理論上說明了三刺激值會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。1.5 光譜三刺激值這部分是單波長(zhǎng)向連續(xù)波長(zhǎng)的一個(gè)延伸。光譜功率分布 光源的光譜輻射按波長(zhǎng)順序和各波長(zhǎng)強(qiáng)度分布稱為光源的光譜功率分布。已知色光E的光譜功率分布E() 三刺激值和色度坐標(biāo)？每一波長(zhǎng)的光譜色都有相應(yīng)的色度坐標(biāo)r() g() b()，波長(zhǎng)的單色光E()d 的亮度為kV()E()d ，從而得出其

6、色量值dC() ：K規(guī)化系數(shù)，V()光譜光效率函數(shù)在設(shè)定r()、 g() 、b()的前提下得到如上公式。上式表示的是：r()、 g() 、b()函數(shù)一旦確定，對(duì)于任一色光，只要測(cè)得它的光譜功率分布，就能計(jì)算出其色度坐標(biāo)。因此， r()、 g() 、b()稱為光譜三刺激值。1.6 色度轉(zhuǎn)換同一種顏色相對(duì)于兩種不同的三原色將有不同的色度坐標(biāo)。以顏色C*為例，采用色向量來推導(dǎo)：三原色：R*G*B*，單位向量：RGBC，三刺激值：RGB；三原色：X*Y*Z*，單位向量：XYZC，三刺激值：XYZ；XYZ的色度坐標(biāo)分別為：(rx,gx,bx)、(ry,gy,by)、(rz,gz,bz)。從而有：X與X如

7、何關(guān)聯(lián)呢？在色度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，對(duì)X*Y*Z*體系可能按照不同的規(guī)化條件（例如采用不同的白色），采用與R*G*B*體系不同的色度單位量值。得出結(jié)論：R G B=X Y Z(A.k)。如何確定k呢？當(dāng)R G B為白色rw gw bw時(shí),X Y Z=1/3 1/3 1/3,從而得出k。依相同的原理，可得XYZ系統(tǒng)中光譜三刺激值x ()、y () 、z() 與RGB系統(tǒng)中的光譜三刺激值r()、 g() 、b()的轉(zhuǎn)換關(guān)系。2 CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)CIECommission Internationale de LEclairage（法）國際照明委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)CIE所規(guī)定的一套顏色測(cè)量原理、數(shù)據(jù)和計(jì)算方法

8、?；A(chǔ)：CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值CIE1964補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值通過許多觀察者的顏色視覺實(shí)驗(yàn)，確定一組為匹配等能光譜色所需要的三原色數(shù)據(jù)。以此代表人眼的平均顏色視覺特征。2.1 1931CIE-RGB系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明，幾乎所有的顏色都可以用三原色按某個(gè)特定的比例混合而成。在2觀察視場(chǎng)范圍內(nèi)，采用紅(R：700 nm)、綠(G：546.1 nm)、藍(lán)(B：435.8 nm)三原色，通過對(duì)不同波長(zhǎng)光譜線顏色的匹配實(shí)驗(yàn)，可以得到的一組曲線r()、 g()和b()，它們表示在380780 nm范圍內(nèi)，當(dāng)各光譜線的能量相同時(shí)，某一光譜線所對(duì)應(yīng)的 r()、g()和b()的混色結(jié)果與

9、該光譜色相同，稱這三條曲線為光譜三刺激值曲線。根據(jù)不同波長(zhǎng)處的三刺激值，可以計(jì)算出相應(yīng)的色度坐標(biāo)r、g、b， 以r、g作為直角坐標(biāo)繪制出一個(gè)直角坐標(biāo)圖。它是由所有光譜色的 色度坐標(biāo)點(diǎn)連接起來而形成的光譜軌跡。匹配等能白光的三原色(R)、(G)、(B)的亮度之比為1.000 0：4.950 7：0.060 1三刺激值中出現(xiàn)了負(fù)值，計(jì)算不方便。從而引出了假想三原色的概念，并導(dǎo)出了1931CIE-XYZ系統(tǒng)。2.2 1931CIE-XYZ系統(tǒng)在建立新的色度系統(tǒng)時(shí)，首先要選定作為基準(zhǔn)的三原色。在選擇假想的(X)、(Y)、(Z)三原色時(shí)，主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行考慮：(1) 必須在(R)、(G)、(B)三

10、原色之外選擇一組新的三原色，并且由此組成的三角形應(yīng)能包圍整個(gè)光譜軌跡。這組三原色(X)、(Y)、(Z)中的(X)代表假想的紅色，(Y)代表假想的綠色，(Z)代表假想的藍(lán)色。(2)在CIE1931 RGB系統(tǒng)中的光譜軌跡560700 nm是一條直線，在這條直線上的兩個(gè)顏色以不同的比例混合就能得到這兩種顏色之間的各種光譜顏色，所以新三原色的XY邊應(yīng)選擇與這一直線重合。 (3)規(guī)定原色(X)和(Z)的亮度為零，所以XZ線稱為無亮度線。在無亮度線上的各點(diǎn)均僅代表色度，而原色(Y)則同時(shí)代表顏色的亮度和色度。XY邊的計(jì)算光譜軌跡560-700 nm是一條直線，設(shè)此直線的方程為：g=mr+b，將560nm

11、和700nm波長(zhǎng)處的r、g值代入即可計(jì)算出其方程：r + 0.99g 1 = 0，將此作為新系統(tǒng)中的XY邊。無亮度線XZ邊的計(jì)算據(jù)CIE-RGB三原色亮度關(guān)系：lR：lG：lB=1:4.5907: 0.0601以（R）（G）（B）三原色匹配顏色C時(shí)，由格拉斯曼亮度相加原理，顏色C的亮度方程為：lC=rlR+glG+blB=r + 4.5907g +0.0601b若此顏色在無亮度線上，則lC= 0 即：r + 4.5907g + 0.0601b = 0在r-g色度圖中，r+g+b=1 故上式經(jīng)過數(shù)學(xué)處理得： 0.9399r + 4.5306g + 0.0601 = 0 （XZ無亮度線方程）另外再

12、找一條線，與光譜軌跡上波長(zhǎng)503nm處靠近。這條直線的方程是：1.45r+0.55g+1=0，從而確定了假想三原色。 XY、XZ、YZ三條直線的交點(diǎn)，就是假想三原色在r-g色度圖中的坐標(biāo)。(X):r=1.2570 g=-0.2778 b=0.0028(Y):r=-1.7392 g=2.7671 b=-0.0279(Z):r=-0.7431 g=0.1409 b=1.6022將XYZ三角形轉(zhuǎn)換為麥克斯韋直角三角形，即得到目前通用的1931CIE-XYZ色度圖。根據(jù)XYZ三點(diǎn)在r-g圖中的坐標(biāo)以及色度轉(zhuǎn)換矩陣，我們可以先求出規(guī)化矩陣k，從而求算出兩個(gè)色度圖的色度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。2.3 CIE1964

13、補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)目的：為了適合10大視場(chǎng)的色度測(cè)量視場(chǎng)：在觀察物體時(shí)，當(dāng)眼睛的位置不動(dòng)時(shí)，被觀察物體的立體角范圍。2視場(chǎng)VS10視場(chǎng)視網(wǎng)膜中央部位的黃色素會(huì)降低眼睛對(duì)短波長(zhǎng)光（藍(lán)色）的感受性。觀察視場(chǎng)從2到10，顏色匹配精度增加。10 大視場(chǎng)的新標(biāo)準(zhǔn)，不僅視網(wǎng)膜中央凹的錐體細(xì)胞發(fā)揮作用，而且中央凹周圍的桿體細(xì)胞也發(fā)揮一定的作用，更接近人的實(shí)際視覺特性。表明視網(wǎng)膜上中央凹外部的桿狀細(xì)胞對(duì)波長(zhǎng)短的光波感受性更強(qiáng)2.4 色度圖上的顏色三屬性對(duì)于任何顏色，可以在CIE色度圖上用主波長(zhǎng)（或補(bǔ)色波長(zhǎng)）、純度和Y值來粗略地分別代表色相、飽和度和明度。Reference white is C.Dominan

14、t Wavelength of color S1 is D1 of color S2 is D2.Complementary Wavelength of color S1 is Df.S2 does not have a complimentary wavelength.Excitation Purity of S1 is the ratio CS1/CD1of S2 is the ratio CS2/CD2of S3 is the ratio CS3/CD3 如果能夠以兩點(diǎn)的距離表示色差，就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字表達(dá)。色差是指兩個(gè)顏色在顏色知覺上的差異，它包括明度差、彩度差和色相差三方面。心理概念，表示

15、物體表面色而非光色，常用色相、明度、飽和度表示理論上是可以的，但是有兩個(gè)問題需要解決。3 均勻顏色空間和色差公式問題1：色差是知覺色的差異，是以人對(duì)物體顏色的感覺為基準(zhǔn)的。問題2：CIE推薦的XYZ系統(tǒng)是以光的混合為基礎(chǔ)建立的。 那么，在x-y 色度圖中距離相等的兩個(gè)顏色，在人的顏色感覺上，是否能夠有同等的色差呢？讓實(shí)驗(yàn)來證明吧！人眼對(duì)光譜顏色的差別感受性在CIE色度圖中，每個(gè)點(diǎn)代表一種顏色，但是當(dāng)這點(diǎn)的坐標(biāo)變化很小時(shí)，人眼仍然認(rèn)為是原來的顏色。 可見，一個(gè)顏色在色度圖上意味著一個(gè)點(diǎn)。但是對(duì)于人的視覺而言，一個(gè)顏色在色度圖中意味著一個(gè)范圍。 這種人眼感覺不出來的顏色變化范圍叫做顏色的寬容量。4

16、90nm和600nm，辨色能力很高（1nm改變即被察覺）430nm和650nm，辨色能力很低（5nm的改變才可被察覺）麥克亞當(dāng)顏色橢圓麥克亞當(dāng)顏色橢圓形寬容量范圍選擇25個(gè)顏色點(diǎn)，確定恰可覺察差以試驗(yàn)顏色點(diǎn)為中心，測(cè)定5-9個(gè)對(duì)側(cè)方向上顏色匹配范圍圍繞顏色試驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差點(diǎn)可以連成一個(gè)橢圓形從右圖可以看出：在色度圖不同位置，橢圓形大小不同，長(zhǎng)軸方向不同色度圖不同位置，顏色寬容量不同，藍(lán)色部分寬容量最小，綠色部分最大在色度圖同樣空間內(nèi)，人眼能看到更多數(shù)量的各種藍(lán)色，只能看到較少數(shù)量的各種綠色。從麥克亞當(dāng)顏色橢圓可以得出結(jié)論：在xy 色度圖中，距離相等的兩個(gè)顏色，在人的顏色感覺上，不一定有同等的色差

17、。因此不能以顏色點(diǎn)之間的距離來表示色差。同時(shí)說明，CIE1931-XYZ顏色空間是不均勻的。圖上相等的空間在視覺上不等差，不能正確反映顏色的視覺效果。若想用顏色點(diǎn)之間的距離來表示色差，必須對(duì)原來的CIE1931XYZ顏色空間進(jìn)一步修正為能夠適應(yīng)人眼的均勻顏色空間。 例如一對(duì)綠色色樣和一對(duì)藍(lán)色色樣在人眼睛看來色差級(jí)別大致差不多，但是在不均勻的色度空間中，用數(shù)字來表示時(shí)卻相差很多。解決問題的辦法是使顏色空間均勻化。為了方便色差的計(jì)算，CIE從1960年開始進(jìn)行均勻顏色空間的建立和相應(yīng)色差式的建立。均勻顏色空間建立途徑不同，計(jì)算色差的公式就不同，計(jì)算出來的色差和視覺的相關(guān)性也不同。行業(yè)不同，色相、明

18、度、飽和度差對(duì)于總色差的影響大小是不同的。印染行業(yè)中，色相和飽和度（鮮艷或暗淡）的影響要大于明度（顏色深淺）的影響。色差計(jì)算的基礎(chǔ)是均勻顏色空間的建立。3.1 CIE1960UCS圖（均勻色度標(biāo)尺圖）如右圖，25個(gè)顏色范圍雖不是等大，卻已是在一個(gè)平面上所能做到的最均勻的轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)：沒有給出顏色的明度差別因此產(chǎn)生了，CIE1964W*U*V*均勻顏色空間（W*代表明度，U*和V*代表色度指數(shù)）CIE-XYZ系統(tǒng) CIE1964W*U*V*均勻顏色空間根據(jù)CIE規(guī)定的UVW，可以計(jì)算出相應(yīng)的色度坐標(biāo)。u=U/U+V+W,x=X/X+Y+Z3.2 CIELUV顏色空間和CIELAB顏色空間目的：進(jìn)一

19、步改進(jìn)和統(tǒng)一顏色評(píng)價(jià)的方法CIELUV顏色空間：1976年，CIE改進(jìn)了原有的CIE1964W*U*V*顏色空間,提出采用L*u*v*作為三維直角坐標(biāo)的顏色空間,稱為CIELUV顏色空間,它主要用于如電視工業(yè)等加混色( additive mixture)的表示和評(píng)價(jià)。CIELAB顏色空間：主要用于如紡織印染等表面色料工業(yè)減混色( subtractive mixture)的表示和評(píng)價(jià)的。CIEW*U*V*均勻顏色空間 CIELUV顏色空間L*-亮度u*-表示紅綠v*-表示黃藍(lán)u和v是顏色樣品的色度坐標(biāo)（u=u，v=1.5v）u0和v0是照明體的色度坐標(biāo)XYZ是顏色樣品的三刺激值X0Y0Z0是標(biāo)準(zhǔn)

20、照明體照射在完全漫反射體上，之后反射到人眼中的三刺激值，Y0=100CIELAB顏色空間L*=明度，指顏色明暗的程度a*=紅綠軸b*=黃藍(lán)軸C*=彩度，指顏色的鮮艷程度H*=色相，指顏色的相貌CIE 1976 L*a*b*均勻顏色空間是CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)的非線性變換，它將XYZ直角坐標(biāo)顏色空間轉(zhuǎn)換為柱面極坐標(biāo)，將三刺激值XYZ轉(zhuǎn)換成與眼睛視覺相一致的明度L*和色度a*、b*，其中a* 、b*與色調(diào)、飽和度的感覺相一致L* = 116( Y/ Y0)1/3 -16 ( Y/ Y0 0.008856 ) L* = 903.3( Y/ Y0) ( Y/ Y0 0.008856 ) f(x

21、) = 7.87x - 16/116 ( x 0.008856 )色調(diào)角 hab 和彩度 C*abtg hab = b*/a*C*ab = ( a*2 + b*2 ) 關(guān)于h以及兩個(gè)h算術(shù)平均的計(jì)算3.3 色差公式色差的視覺判斷,主要有兩種直觀的評(píng)價(jià),即可感知性(perceptibility)和可接受性( acceptability) ?？筛兄允侵赣^察者能夠看到顏色的差別或能夠判斷兩個(gè)顏色樣品對(duì)之間色差的大小的視覺屬性;而可接受性則表示觀察者是否可以接受被觀察顏色差別的視覺判斷。一般來說,可感知性對(duì)應(yīng)于人眼的視覺辨別閾值;而可接受性則體現(xiàn)了對(duì)顏色質(zhì)量的要求。所以,可感知性主要受觀察者心理和生理因素的影響,而可接受性與觀察者的主觀意愿和被評(píng)價(jià)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)等有關(guān)。對(duì)于可接受性,它會(huì)受到許多因素的影響。例如,雖然某產(chǎn)品的試樣與標(biāo)準(zhǔn)色樣之間的視覺色差很大,可是如果能夠大大降低其成本的話,該試樣就變得可以接受了。由此可知,目視比較和判斷具有較大的主觀性和易變性,在工業(yè)生產(chǎn)中不宜直接作為顏色質(zhì)量的評(píng)價(jià)依據(jù)。因此,儀器測(cè)色顯得尤為重要。但是,物理測(cè)量的數(shù)據(jù)應(yīng)該能預(yù)測(cè)觀察者所看到的情況,并需要有合適的色差公式,使之計(jì)算出來的色差能夠預(yù)測(cè)目視色差。CIELAB和CIELCH色差Luo & Rigg CIELAB Tolerance清楚地說明了CIELAB是個(gè)均勻性很差的顏色空間。如果CIE