光學(xué)與色學(xué)基礎(chǔ)

視聽信息系統(tǒng)導(dǎo)論1陳健生清華大學(xué)電子工程系信息認(rèn)知與智能系統(tǒng)研究所王東清華大學(xué)信息技術(shù)研究院語(yǔ)音和語(yǔ)言技術(shù)研究中心現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三第二章 光度學(xué)與色度學(xué)基礎(chǔ)Photometryand

Colorimetry2現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

光度學(xué)(Photometry):

度量人類視覺系統(tǒng)感知可見光亮度的科學(xué)。輻射測(cè)量學(xué)(Radiometry):

度量包括可見光在內(nèi)的電磁波輻射的科學(xué)。色度學(xué)(Colorimetry):

從物理上量化和描述人類顏色知覺的科學(xué)。光譜學(xué)(Spectrophotometry):

對(duì)電磁波譜進(jìn)行量化研究的科學(xué)。3現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三第二章

光度學(xué)與色度學(xué)基礎(chǔ)4光的特性與度量空間中的光表面上的光顏色感知與表示表色系統(tǒng)《圖像信息系統(tǒng)原理》2.13.1《ComputerVisionamodernapproach》2.12.22.3現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三第二章

光度學(xué)與色度學(xué)基礎(chǔ)5光的特性與度量空間中的光表面上的光顏色感知與表示表色系統(tǒng)現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光的特性與度量什么是光？光是人眼可見的電磁波輻射(Electromagnetic

radiation,

EMR)。對(duì)于波長(zhǎng)λ的輻射，強(qiáng)度用R(λ)表示，以瓦(watts)為單位。光場(chǎng)(Light

Field)：描述一個(gè)給定場(chǎng)景的光場(chǎng)，需要指定場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)上來自各個(gè)方向的光輻射強(qiáng)度。6現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三可見光波長(zhǎng)380~780nm，不同波長(zhǎng)呈現(xiàn)不同的顏色，隨著波長(zhǎng)減小依次為：紅 橙 黃

黃綠 綠 青 藍(lán) 紫單色光：?jiǎn)我徊ㄩL(zhǎng)成分,

例555nm黃綠光。復(fù)合光：兩種以上波長(zhǎng)成分。380~780nm的光波給人以白光的綜合感覺。如果白光中短波長(zhǎng)的光能量較多則呈現(xiàn)偏藍(lán)色調(diào)的“冷”白光，而長(zhǎng)波長(zhǎng)的光能量較多則呈現(xiàn)偏紅橙色調(diào)的“熱”白光。光的特性與度量7現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

光譜顏色波長(zhǎng)的范圍顏色波長(zhǎng)范圍（nm）紅620~780橙590~620黃560~590黃綠530~560綠500~530青470~500藍(lán)430~470紫380~430光的特性與度量8現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光源熱輻射體：光譜連續(xù)太陽(yáng)輻射功率譜光的特性與度量9現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光源熱輻射體：光譜連續(xù)非熱輻射體：不以高溫為發(fā)光基礎(chǔ)，光譜不規(guī)則。Wavelength

(nm)200280360440520

600

680

760Spectral

Irradiance光的特性與度量10現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三黑體

(black

body,

Kirchhoff

1862)

輻射理想物體,

能吸收外來的全部電磁輻射輻射出的電磁波頻率與能量完全取決于溫度，由普朗克（Planck）輻射定律以及由其推導(dǎo)出的斯特藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmann

law）描述隨黑體溫度升高，輻射功率譜向短波方向移動(dòng)（Wien定律）700K(Lord

Kelvin)以下全黑,

700K以上紅色→橙色→黃色→白色→藍(lán)色光的特性與度量11現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三普朗克曲線光的特性與度量12現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三5780K不同溫度黑體輻射光譜光的特性與度量13現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三5780K黑體輻射光譜光的特性與度量14現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三色溫(color

temperature)：光源的屬性，數(shù)值等于與光源同色度的黑體的溫度。色溫

≠

光源溫度

（通常：色溫≤溫度）光譜功率分布曲線不一定相同(同色異譜、相關(guān)色溫)光源(相關(guān))色溫光源(相關(guān))色溫火柴1700

K演播室照明3400

K5600K蠟燭1850

K月光4100

K白熾燈2700–

3300KCRT屏幕9300

K光的特性與度量15現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光的特性與度量16現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三標(biāo)準(zhǔn)光源：國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)規(guī)定作為照明光源的標(biāo)準(zhǔn)。A(2854

K)B(4800

K)C(6770

K)D65(6500

K)等能白光E光的特性與度量17現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三輻射測(cè)量是不限于可見光的輻射物理學(xué)參量的客觀度量。光度測(cè)量是以對(duì)人產(chǎn)生“視感度”的可見光波段的輻射量主觀度量。兩種相應(yīng)的參量都用同樣的字母，只是用腳注加以區(qū)分：輻射用e，光度用v。光的特性與度量18現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三輻射測(cè)量光度測(cè)量名稱符號(hào)單位名稱符號(hào)單位輻射能Q

e焦耳(J

)光量Q

v流明·秒(lm·s

)輻射通量Φe瓦特

(

W)光通量Φv流明(

lm

)輻射強(qiáng)度I

e瓦

/

球面度(W/sr

)光強(qiáng)度I

v坎德拉

(

cd

)流明

/

球面度(lm/sr

)輻射照度E

e瓦/米2(W/m2

)照度E

v勒克斯

(

lx

)流明/

米2(lm/m2

)輻射亮度L

e瓦/

米2·球面度(W/m2·sr

)亮度L

v坎德拉

/

米2(cd/m2

)輻射測(cè)量與光度測(cè)量單位光的特性與度量19現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三輻射測(cè)量光度測(cè)量輻射能Radiant

Energy光量Luminous

Energy輻射通量Radiant

Flux光通量Luminous

Flux輻射強(qiáng)度Radiant

Intensity光強(qiáng)度Luminous

Intensity輻射照度Irradiance照度Illuminance輻射亮度Radiance亮度Luminance光的特性與度量20現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光具有不同的亮度感。感覺最亮是黃綠色(555nm)

，其次是紫、藍(lán)、紅。光譜光效率函數(shù)(spectural luminous efficiencyfunction)

定義：

設(shè)人眼對(duì)某輻射亮度為E0

的555nm波長(zhǎng)光的亮度感為L(zhǎng)；對(duì)一個(gè)波長(zhǎng)為λ的光,

要感受到同樣的亮度L所需的輻射亮度E(λ)

按光照條件，視覺過程主要可以分為明視覺和暗視覺，相應(yīng)有光譜光效率函數(shù)V(λ)

和V’(λ)。E

與E0的比例即為光效率：V

E0光的特性與度量21現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三(

CIE,1951)光的特性與度量22現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光度學(xué)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位光強(qiáng)度

IV

：

基本單位cd

(Candela),

定義為555nm光輻射強(qiáng)度為每球面度1/683瓦時(shí)的光強(qiáng)度。亮度LV：導(dǎo)出單位cd/m2。照度Ev：導(dǎo)出單位

lx(Lux),

1lx

=

1lm/m2780光通量ΦV：導(dǎo)出單位lm(Lumen),1lm=

1cd·sr

；假設(shè)光源波譜為Φe,

總的光通量：v

683

e

V

d380光的特性與度量23現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光源的發(fā)光功效(Luminous

Efficacy)與發(fā)光效率（Luminous

Efficiency)發(fā)光功效

=

光通量/功率

(lm/W)發(fā)光效率

=

發(fā)光功效/683光的特性與度量24現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光源發(fā)光功效發(fā)光效率蠟燭0.30.04%白熾燈152.2%熒光燈8012%高壓鈉蒸汽燈15022%日亞（nichia)白光LED

(2009)24936%光的特性與度量25現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光的特性與度量輸入電力100%發(fā)光再結(jié)合48%藍(lán)色光 10%黃色光 22%光損失 16%芯片內(nèi)損失 22%半導(dǎo)體內(nèi)部阻抗 30%熱損失68%白色可見光32%26現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光的特性與度量27現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三28光的特性與度量LEDlampsrequirelesspowertoemitlightthantheolderlightsouces.Efficiencyisdenotedinluminousflus(measuredinlumen)perunitaddedpower(meansuredinwatt).Asaboutonefourthofworldelectricityconsumptionisusedforlightingpurposes,thehighlyenergy-efficientLEDlampscontributetosavingtheEarth’s

resources.TheNobelPrizeinPhysics

2014"fortheinventionofefficient

bluelight-emittingenabled brightdiodes which hasandenergy-savingwhitelight

sources"現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三第二章

光度學(xué)與色度學(xué)基礎(chǔ)29光的特性與度量空間中的光表面上的光顏色感知與表示表色系統(tǒng)現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光空間中的光30表面上的光亮度現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三什么是光的(輻射)亮度?如何去度量?光和表面之間如何相互作用?輻射測(cè)量空間中的光31現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三輻射亮度的測(cè)量W/

m2·

sr ?空間中的光32現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光球面坐標(biāo)與立體角笛卡爾坐標(biāo)

<?>

球面坐標(biāo)??

= ??2+??2+

??2??=

acos(??Τ??)??=atan2(??,

??)??=??????????

cos(??)??=??????????

sin(??)??=

????????(??)33現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光球面坐標(biāo)與立體角

光通常是從空間中某個(gè)特定角度范圍照射到物體或者從光源輻射出去的弧度(radian)=

dΦ/r34現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光球面坐標(biāo)與立體角

光通常是從空間中某個(gè)特定角度范圍照射到物體或者從光源輻射出去的球面度(steradian)dω=

dA/r235現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光球面坐標(biāo)與立體角

立體角ω和球面坐標(biāo)??,??的關(guān)系????=?????????????????????=

??2????????????????????????

= =

??????????????????236?

????

=

?

????????????????

=4??現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光源投影縮減效應(yīng)(Foreshortening)空間中的光37現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光源投影縮減效應(yīng)(Foreshortening)空間中的光38現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光投影縮減面積(forshortenedarea)39現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光

輻射能??

(Radiant

Energy):

空間某個(gè)區(qū)域當(dāng)中全部的光輻射能量,可以想象為光子數(shù)目的多少,單位是“焦耳”40現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光

輻射通量

??

(Radiant

Flux):

單位時(shí)間內(nèi)通過某片區(qū)域(area)的輻射能，單位是“瓦特”??

=????41????現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光

輻射照度

??

(Irradiance):

單位面積上的輻射通量，單位是“瓦特/平米”??

=????42????現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光光源43現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光

輻射強(qiáng)度

??

(Radiant

Intensity):

通過一個(gè)沒有面積的點(diǎn)的輻射通量難以用照度描述，因此考慮一個(gè)立體角內(nèi)的輻射通量，單位是“瓦特/球面度”??

=????44????現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光

輻射亮度

??

(Radiance):

radiant

flux

entering

orleavingasurfacepersolidangle,perunitforshortenedarea,單位“??/(????

???2)”45現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三空間中的光

輻射亮度

??

強(qiáng)調(diào)是

forshortened

area,

這和輻射照度有所不同??(??)

=??????

=????????=

? ????

????????????Ω入射方向半球面積分??(??)

=?????

??????????2??46??????????????

????現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三亮度(Luminance)光譜光效率函數(shù)輻射亮度(Radiance)空間中某點(diǎn)在某個(gè)指定方向上，單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上（垂直于指定方向），單位立體角內(nèi)通過的能量。[Sillion,

1994]空間中的光47現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三第二章

光度學(xué)與色度學(xué)基礎(chǔ)48光的特性與度量空間中的光表面上的光顏色感知與表示表色系統(tǒng)現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表面上的光?49? ????光線入射到一個(gè)不發(fā)光表面之后會(huì)如何?一部分被吸收

(轉(zhuǎn)化成其他能量，例如：熱、動(dòng)能)一部分穿過了這個(gè)表面

(折射)一部分被反射出來

(多種反射方式)現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表面上的光50現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表面上的光51現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表面上的光52C.

Wylie首次在顯示物體時(shí)加入光照效果，認(rèn)為物體表面某點(diǎn)的光強(qiáng)與該點(diǎn)到光源距離成反比

(1967)；Bouknight基于Lambert漫反射定律，提出首個(gè)光反射模型，指出物體表面朝向是確定物體表面上一點(diǎn)光強(qiáng)的主要因素

(Comm.

of

ACM,

1970)；Gourand提出用漫反射模型計(jì)算多邊形頂點(diǎn)的光亮度，再用增量法插值計(jì)算(IEEE

Trans.

onComp.,

1971)；Phong提出圖形學(xué)中第一個(gè)有影響的光反射模型，進(jìn)一步考慮高光和法向插值。Phong模型雖然只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其真?shí)度已達(dá)到可接受的程度(Comm.

ofACM,

1975)?，F(xiàn)在是52頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三鏡面反射部分漫反射理想漫反射

如何定量地描述光線在各個(gè)方向上的反射情況？A B C表面上的光53現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三雙向反射分布函數(shù)(bidirectional

reflectancedistributionfunction

；BRDF)法線方向表面上的光

給定一個(gè)入射方向

和一個(gè)反射

方向

，入射光中的多大比例沿該反射方向反射。??=

??????????????????54??????????????(?????1)現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三法線方向表面上的光????????

=

??????

=?????????? ??

??????????????55現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表面上的光BRDF

的性質(zhì)光路可逆性 (reciprocity)：交換入射和出射角度不會(huì)改變BRDF的值??????,????,

????,

???? =??????,????,

????,????能量守恒：出射總能量不會(huì)超過入射總能量? ??????????????≤

1Ω56現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表面上的光

BRDF

應(yīng)用于渲染????????

=

??????

=?????????? ??

??????????????????

=?Ω?????? ????????????

????rendering

equation57現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表面上的光Somevisualized

BRDF58現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三漫反射

(diffuse

reflection)沒有光澤的粗糙的表面，例如粉筆等微表面將入射光分散反射出去完全漫反射：光線均勻的向各方向反射表面上的光59現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三理想漫反射表面

(Lambertian

surface)反射輻射亮度同觀察角度無關(guān)輻射亮度和入射光的角度相關(guān)計(jì)算機(jī)視覺中最為常用的模型[J.H.Lambert,

1760]表面上的光60現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三61L,

N,

V

–

單位向量Lr

=

反射輻射亮度Li

=

入射輻射亮度Lambert’s

Law:Lr

kdLiN

Lkd -

漫反射系數(shù)(albedo)表面上的光理想漫反射表面的

BRDF??

=

???? (?????1)??《computer

vision

...》現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三鏡面反射

(specularreflection)理想的鏡面，反射光從單一方向射出。近似理想的鏡面，反射光圍繞R形成高亮區(qū)。Li if V

R

0

otherwiseLr

insrsL

k V

R

L表面上的光62現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三移動(dòng)入射光位置改變 ns表面上的光63現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三snsi dkN

L

kV

R

L

k

L

Lr

表面上的光

Phong

反射模型

(B.T.

Phong,

1975)

反射由三個(gè)部分共同組成：漫射項(xiàng)(diffuse)、反射項(xiàng)(specular)、環(huán)境項(xiàng)(ambient)64現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表面上的光65“Intryingtoimprovethequalityof

thesyntheticimages,wedo

notdisplaythe

objectexpectexactlyto

beas

itable

towouldappear in reality,overcast shadows,withhopetexture,only todisplay an imageetc. Wethatapproximatestheprovide

arealobjectcloselyenoughtocertain degreeof realism.”–

B.T.Phong,1975現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表面上的光 Cook-Torrance模型(SIGGRAPH

1981) Oren-Nayar模型(SIGGRAPH

1994) Walter模型(ESG

2007)66現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三67表面上的光 Cook-Torrance模型(SIGGRAPH

1981)H LVD(H)

:

微表面法線分布函數(shù)，即朝向?yàn)閔

的微表面比例陰影 掩蔽 折射G(L

,V)

:

幾何衰減因子函數(shù)，光線可以從L入射反射到V的比例F(L

,H)

:

菲涅爾方程，光線中被反射而非折射部分的比例(L,V)

F(L,H)

*

G(L,V)

*

D(H)4

cos(i)cos(e)RobertL.Cook,KennethE.Torrance,"AReflectanceModelforComputerGraphics",Proceedings

ofShItGtGpRsA:P/H/z1h9u8a1現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

BRDF的測(cè)量

反射計(jì)(Gonioreflectometer)由可移動(dòng)的光源和攝像頭組成。Stanfordlightfield

gant表面上的光68現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

BRDF的測(cè)量表面上的光“LightStage”[Debevec,

2000]69現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三 Columbia-UtrechtReflectanceandTextureDatabaseDatabase:

表面上的光70現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三 MERFBRDFDatabase:

表面上的光71現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三第二章

光度學(xué)與色度學(xué)基礎(chǔ)72光的特性與度量空間中的光表面上的光顏色感知與混色表色系統(tǒng)現(xiàn)在是72頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三顏色視覺的機(jī)理三原色學(xué)說

(Young-Helmholtz,

1860)：眼睛有感受R、G、B光的三類感光組織

(部分證實(shí))。對(duì)立顏色學(xué)說

(Hering,

1878)：視網(wǎng)膜上存在紅-綠、黃-藍(lán)、黑-白三種感覺物質(zhì)，它們的響應(yīng)(同化與異化的程度)決定色度。階段學(xué)說

(Vos

andWalraven,

1971)：視覺細(xì)胞階段符合三色理論，視覺中樞的階段符合對(duì)立色理論?！?/p>

…顏色感知與混色73現(xiàn)在是73頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三顏色感知與混色BlueandBlack?Whiteand

Golden?74現(xiàn)在是74頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三顏色感知與混色彩色參量：亮度(value)、色調(diào)(hue)、飽和度(saturation)色調(diào)變化：

人感知顏色的色調(diào)會(huì)隨光強(qiáng)度變化(Bezold-Brücke

Shift,

1874)。不變點(diǎn)

572nm、503nm、478nm

除外。視網(wǎng)膜光刺激強(qiáng)度75現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三波長(zhǎng)的分辨 [Wright&

Pitt,1934]

藍(lán)和紅色波長(zhǎng)變化分辨差；青色和黃色區(qū)特別好，其中最敏感波長(zhǎng)(覺察1nm變化)：494nm(青色)、585nm(黃色)。顏色感知與混色76現(xiàn)在是76頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光譜飽和度等級(jí)

[Martin,Warburton,Morgan,1932]可分辨的飽和度等級(jí)：最不敏感是黃色的飽和度可區(qū)分4級(jí)，而對(duì)紅色的飽和度則多達(dá)25級(jí)。顏色感知與混色77現(xiàn)在是77頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三心理物理色：用抽象的色刺激函數(shù)來確定，不分光源色還是不發(fā)光的物體色，色度學(xué)中的方法。感知色：基于物體的色外觀，是心理印象、主觀感覺。包含物體表面質(zhì)感、距離感、周圍環(huán)境等感知因素。孔徑色：是通過小孔看到的色，視野限制在2°(或10°)周圍為黑暗狀態(tài)。物體色：屬于物體本身并被感知的顏色，分光源發(fā)出的光源色和不發(fā)光色(表面色、透過色)。色彩心理物理色感知色孔徑色物體色不發(fā)光色光源色表面色透過色顏色感知與混色78現(xiàn)在是78頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三記憶色：對(duì)日常物體會(huì)記憶其特有顏色。例如天空、草地、皮膚，一般亮度和飽和度高于實(shí)際色。主觀色(Fechner

色):

高速旋轉(zhuǎn)(5~10圈/每秒)有特殊黑白圖案的Benham圓盤，可以看到飽和度很低的不同色環(huán)?？赡苁怯捎谠谝暰W(wǎng)膜上三基色的色過渡時(shí)間特性和空間特性不同，黑白圖案通過空間和時(shí)間上的同時(shí)調(diào)制(通過條紋圖形和旋轉(zhuǎn))才顯現(xiàn)出了彩色。顏色感知與混色79現(xiàn)在是79頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三80色匹配方法（Hunt,

1987）

三基色原理：任意色刺激都可以用等于三種感光組織響應(yīng)量的三種色光的混色來與其匹配(主觀上形成等色

)。

白色標(biāo)準(zhǔn)：純硫酸鋇粉壓成的片(

光吸收率約2%

，

且在可見光范圍與波長(zhǎng)無關(guān))

。也可以使用氧化鎂的煙熏面。顏色感知與混色現(xiàn)在是80頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

相加混色(additive color model) ：CIE三基色光 (水銀光譜 R:700nm

G:546.1nm

B:435.8nm)。混色方法有時(shí)間混色(視覺惰性)、空間混色(視覺銳度)、生理混色

(雙目視融合)

。用配色方程表示

：F=R[R]+G[G]+B[B] 。式中[

]是三基色單位；[

]前的是三色系數(shù)。E白的方程：F=1[R]+1[G]+1[B]顏色感知與混色81現(xiàn)在是81頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

相減混色(subtractive color model)：混色分量通過從照明光譜中吸收一定的光譜范圍(其三基色C、M、Y，分別是R、G、B的補(bǔ)色)。

電影、幻燈、繪畫和印刷等都是利用相減混色。顏色感知與混色82現(xiàn)在是82頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三顏色的表示與混合83L.D.Hauron,

1877現(xiàn)在是83頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三顏色感知與混色190284現(xiàn)在是84頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三色匹配公理

(Grassmann’s

Law,

1853)任何色都可以用不多于三個(gè)基色配得，基色相互獨(dú)立但是不唯一；在一個(gè)輻射級(jí)上的色匹配結(jié)果可以在相當(dāng)寬的輻射通量范圍內(nèi)保持不變；人眼不能分解混合色光的各個(gè)分量；混合色的光亮度等于各分量光的亮度和；色光匹配滿足加法律、減法律、轉(zhuǎn)移律等。顏色感知與混色85現(xiàn)在是85頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三第二章

光度學(xué)與色度學(xué)基礎(chǔ)86光的特性與度量空間中的光表面上的光顏色感知與混色表色系統(tǒng)現(xiàn)在是86頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表色系統(tǒng)87顯色（減色）表色系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)物體的色外觀為基礎(chǔ)色進(jìn)行目視比色構(gòu)建的表色系統(tǒng)，基于心理主觀感覺。如：(修正)Munsell表色系，Ostwald表色系，HSV、HLS和HIS表色系等。混色表色系統(tǒng)基于心理感覺與物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系構(gòu)建。如：CIE-RGB表色系，CIE-XYZ表色系、CIE

1960,

CIE

1964，CIE1976等。現(xiàn)在是87頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三修正Munsell表色系色相(H)：把一周均分成五種主色調(diào)(R、Y、G、B、P)和五種中間色(YR、GY、BG、PB、RP)。相鄰的兩個(gè)位置之間再均分10份，共100份。亮度(V)從黑色到白色

：0~10色度(C)從0開始增加，普通顏色在10左右，某些反光材料可以到30。色表示形式：H

V/C，例如5Y

9/14的黃色。白基準(zhǔn)為MgO煙著面，反射率(Y)定為100%表色系統(tǒng)中數(shù)值V

與Y

的關(guān)系叫亮度函數(shù)：Y=1.2219V－0.23111V2

+

0.2395V3

－ 0.021009V4+

0.0008404V5

(美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì))。表色系統(tǒng)88現(xiàn)在是88頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表色系統(tǒng)89現(xiàn)在是89頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三Munsell表色系色相圖表色系統(tǒng)90現(xiàn)在是90頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三表色系統(tǒng)91Munsell

表色系三維示意圖現(xiàn)在是91頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三CIE-RGB

表色系

1931水銀光譜中特定波長(zhǎng)作為三基色(R:700nm

G:546.1nm

B:435.8nm)。等能白光E白作為白色基準(zhǔn)。任意顏色

F=R[R]+G[G]+B[B]

F

E白=1[R]+1[G]+1[B]

配出等能白光的三基色光通量之比為[R]

:[G]:[B]=1:4.5907:

0.0601色系數(shù)表色系統(tǒng)92現(xiàn)在是92頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三分布色系數(shù)（color

matching

function）

匹配單波長(zhǎng)(λ)光的色系數(shù):b

r

g

表色系統(tǒng)93現(xiàn)在是93頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

對(duì)于功率譜為Φ(λ)

的光，其色系數(shù)為：780380G

780gd

B

780b

d380 380rdR

表色系統(tǒng)

色度坐標(biāo)

(chromaticity

coordinate):

r,

g,

bF=(R+G+B){r[R]+g[G]+b[B]

}

色度坐標(biāo)

（r,

g)，b

=

1-r-g光通量│F│=1R+4.5907G+0.0601B(lm)Rg

G r

BR

G

B R

G

BR

G

Br

b94現(xiàn)在是94頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三彩色立體空間和Maxwell三角形基色單位構(gòu)成三維彩色立體空間彩色表示為原點(diǎn)出發(fā)的向量，向量的方向表示色度，長(zhǎng)度表示飽和度。Maxwell三角形位于r+g+b=1的色度圖平面上。表色系統(tǒng)95現(xiàn)在是95頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三Maxwell,

18

1表色系統(tǒng)96現(xiàn)在是96頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三RGB色度圖(chromaticity

diagram)色度圖平面向[R]-[G]平面投影；單

波

長(zhǎng)

光

譜

色

的

色

度

坐

標(biāo)

形

成

光

譜

軌

跡(spectrum

locus)；Maxwell三角形的投影稱為相加混色區(qū)；540~690nm成直線，線上譜色可由兩端點(diǎn)光混配出；連接[R][B]的紫色線上是由紅和藍(lán)混配的非譜色。表色系統(tǒng)97現(xiàn)在是97頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三[Y][Z]CIE-RGB

1931

色度圖[R][X][G][B]表色系統(tǒng)98現(xiàn)在是98頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

CIE-XYZ

表色系

1931

三基色[X],

[Y],

[Z]為虛基色單位。等能白光E白作為白色基準(zhǔn)

F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]仿照CIE-RGB定義色系數(shù)(X,Y,Z>0)，分布色系數(shù)以及色度坐標(biāo)

0.0828

0.09120.2524

0.0025[G]0.0157 0.1786

[B]0.0009

[R][Z

][Y

]

0.158[

X

]

0.4185表色系統(tǒng)99現(xiàn)在是99頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三CIE-XYZ

分布色系數(shù)表色系統(tǒng)100現(xiàn)在是100頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三CIE-XYZ

色度圖表色系統(tǒng)101現(xiàn)在是101頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三光源xyzA0.44760.40750.1450B0.34840.35160.3000C0.31010.31620.3737D650.3130.3290.358E0.33330.33330.3333標(biāo)準(zhǔn)光源色度坐標(biāo)表色系統(tǒng)102現(xiàn)在是102頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

色系數(shù)、色度坐標(biāo)的計(jì)算

色系數(shù)(X,

Y,

Z)，亮度僅由Y表示。

色度坐標(biāo) (x,

y,

Y)。

X

Z

0.0000Y

1.00001.7518

1.1302R4.5907 0.0601G

0.0565

5.5943B2.7689Xy

Y z

ZX

Y

Z X

Y

ZX

Y

Zx

表色系統(tǒng)103現(xiàn)在是103頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三已知兩色光CIE坐標(biāo)分別

C1(x1,y1,Y1)和C2(x2,y2,Y2),

求它們混合光的CIE坐標(biāo)C12答：C12=(x1+x2,y1+y2,

Y1+Y2)答：

X=x*Y/y

,

Z=(1-x-y)*Y/y混合光的色系數(shù)：{(X1+X2),(Y1+Y2),

(Z1+Z2)}所以：其中：m1=Y1/y1,

m2=Y2/y2

1 2 1 2, Y1

Y2m

m m

m

m1x1

m2

x2 m1y1

m2

y2C12

,表色系統(tǒng)104現(xiàn)在是104頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三色域(color

gamut)圖：將大致相同的顏色分成若干小區(qū)，并標(biāo)出該處的顏色名稱。CIE的RGB相加混色區(qū)與虛線圍成的區(qū)域是繪畫的彩色范圍。相加混色的電視以及基于光譜吸收的電影、照相和繪畫都不能重現(xiàn)全部的光譜色與自然界中的顏色。表色系統(tǒng)105現(xiàn)在是105頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三等色調(diào)波長(zhǎng)線：線上色調(diào)取該線與譜色軌跡交點(diǎn)處譜色光色調(diào)補(bǔ)色波長(zhǎng)線：線上色調(diào)取延長(zhǎng)線與譜色軌跡交點(diǎn)譜色光色調(diào)，位于紫色線與白色標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的三角形內(nèi)。等飽和度線：線上色飽和度相同表色系統(tǒng)光譜軌跡等飽和度線等色調(diào)波長(zhǎng)線106現(xiàn)在是106頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三等色差域圖色差辨別閾(JND)：覺察出彩色差別量的最小單位。等色差域：用橢圓表示的顏色差別寬容區(qū)。短軸為敏感方向長(zhǎng)軸為不敏感方向。色度圖上相等的面積或相等的距離并不反映相等的視覺差異。JNDMac-Adam

橢圓表色系統(tǒng)107現(xiàn)在是107頁(yè)\一共有120頁(yè)\編輯于星期三

其他表色系統(tǒng)

CIE-UCS

1960均勻色度圖:4xu

2x

12

y

3

2x

12

y

36

yv

w

1

u

v CIE-U*V*W*

1964均勻彩色空間