色度學(xué)基本知識(shí)

色度學(xué)基本知識(shí)

主要內(nèi)容色彩的三個(gè)主要因素：

光物體觀察者顏色的分類和特性視覺生理特性CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)第一部分色彩的三個(gè)主要因素

色彩的感覺是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的過程，單從物理觀點(diǎn)來考慮，色彩的產(chǎn)生有三個(gè)主要因素：光源、被照射的物體和觀察者一光

刺激人眼能引起視覺的光輻射稱為可見光輻射，簡(jiǎn)稱可見光。可見光的波長(zhǎng)不同，引起人眼的顏色感覺就不同。單色光的波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短，對(duì)應(yīng)著的顏色感覺由紅到紫。一般認(rèn)為：紅色770—620nm，橙色620—590nm，黃色590—560nm，黃綠色560—530nm，綠色530—500nm，青色500—4700m，藍(lán)色470—430nm，紫色430—380nm光的色散使一束太陽光通過一個(gè)三棱鏡，我們可以看到圖中的一條彩色的譜帶，紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。而各譜帶之間并沒有明顯的界限，是一條連續(xù)的譜帶，人們把這種現(xiàn)象稱之為光的色散。像這樣由不同波長(zhǎng)的光組合在一起的光，在物理學(xué)上中稱為復(fù)色光，而把單一波長(zhǎng)的光稱為單色光。

自然界人們見到單色光的機(jī)會(huì)不多，一般都是復(fù)色光。一定成分的復(fù)色光，有一種確定的顏色與之對(duì)應(yīng)；但是反過來，一種顏色感覺并不只對(duì)應(yīng)一種光譜組合，就是說兩種成分完全不同的復(fù)色光有可能引起的顏色感覺完全一樣，這就是同色異譜。光譜分布自然光和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。光源的輻射能按波長(zhǎng)分布的規(guī)律隨著光源的不同而變化。光源的光譜密度與波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光譜分布。光源的光譜分布既是它本身光色的決定因素，又是它照明下觀察物體時(shí)，影響顏色的重要因素之一。幾種典型的光譜分布二物體的光譜特性

在太陽光照射下，不同物體呈現(xiàn)出不同顏色。原因就在于物體對(duì)光譜成分有選擇吸收和選擇反射的性質(zhì)。物體本身的光譜特性是物體產(chǎn)生不同顏色的主要原因。光照射到物體上后，部分被反射，部分被吸收，部分透過。透明體的顏色主要由透過的光譜組成決定；不透明體的顏色則由它的反射光譜組成決定。光射到物體表面上時(shí)，部分光被反射，下圖表示物體表面對(duì)光的反射情況。

(1)表示反射光遵守反射定律，從鏡面反射方向射出，這部分光叫正反射光或鏡面反射光，

(2)所示的是完全反射漫射面的反射特性，完全反射漫射面能無損地全部將入射的輻通量反射出去，而且在各個(gè)方向上具有相同的亮度。實(shí)際的物體既不是理想的鏡面，也不是完全反射漫射面，而是正反射與漫反射同時(shí)存在。物體表面對(duì)光的反射情況物體表面對(duì)光的反射情況

紡織品的顏色染料纖維表面積織物表面性質(zhì)光的入射角等染料對(duì)織物顏色的影響染料本身的特性染料在織物上的物理狀態(tài)纖維比表面積的影響

通常比表面積大，得色越淺；比表面積越小，得色越深。三觀察者

觀察者即為人或檢測(cè)器。人的眼睛主要是由角膜、晶狀體和感光細(xì)胞組成。只要物體有光反射出來，投射在人的眼睛里，那么物體的像將呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上，通過視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞把信號(hào)傳遞給大腦，經(jīng)過大腦的綜合判斷，于是就產(chǎn)生了視覺。

視角即被觀察對(duì)象的大小對(duì)人眼形成的張角。視角的大小決定視網(wǎng)膜上投影的大小。明視覺、暗視覺視網(wǎng)膜中有兩種不同的感光細(xì)胞：錐體細(xì)胞和桿體細(xì)胞。這兩種感光細(xì)胞分別在不同條件下執(zhí)行不同的視覺功能。也就是視覺二重性，也稱為明視覺、暗視覺特性。光譜光視效率不同波長(zhǎng)的光引起人眼的感受程度是不同的，功率相同但波長(zhǎng)不同的單色光，人眼感到的明亮程度不同。眼睛的靈敏度與波長(zhǎng)的依賴關(guān)系，稱為光譜光視效率。因?yàn)槿搜塾忻饕曈X和暗視覺二重功能，光譜光視效率也有兩種。在光亮條件下，讓觀察者調(diào)節(jié)光譜的不同單色光的強(qiáng)度去匹配一個(gè)固定的白光；在黑暗條件下，調(diào)節(jié)各單色光的強(qiáng)度，達(dá)到剛剛可以看到光亮的程度；實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的各單色光的相對(duì)輻射能量與它對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的關(guān)系，就是光譜光視效率。明視覺和暗視覺光譜光視效率是光度學(xué)計(jì)算的重要依據(jù)。對(duì)于人能夠感知顏色的問題屬于顏色視覺生理和顏色視覺心理范疇。經(jīng)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)代顏色理論的兩大類，三色學(xué)說和對(duì)立顏色學(xué)說被顏色視覺的階段學(xué)說統(tǒng)一在一起?，F(xiàn)代神經(jīng)生理學(xué)發(fā)現(xiàn)，顏色視覺過程可以分成幾個(gè)階段：第一階段是在視網(wǎng)膜內(nèi)有三種獨(dú)立的錐體感色物質(zhì)，它們有選擇地吸收光譜不同波長(zhǎng)的輻射，同時(shí)每一物質(zhì)又可單獨(dú)產(chǎn)生白和黑的反應(yīng)，在強(qiáng)光作用下產(chǎn)生白的反應(yīng)，無外界刺激時(shí)是黑的反應(yīng)。第二階段是在神經(jīng)興奮由錐體細(xì)胞向視覺中樞的傳導(dǎo)過程中，這三種反應(yīng)又重新組合，最后形成三對(duì)對(duì)立性的神經(jīng)反應(yīng)：紅—綠，黃—藍(lán)，白—黑。第二部分顏色的分類和特性

顏色可分為彩色和非彩色兩類非彩色指白色、黑色和各種深淺不同的灰色組成的系列，稱為白黑系列。當(dāng)物體表面對(duì)可見光譜所有波長(zhǎng)反射比都在80—90％以上時(shí)，該物體為白色；其反射比均在4％以下時(shí)，該物體為黑色；介于兩者之間的是不同程度的灰色。彩色是指白黑系列以外的各種顏色。彩色有三種特性，例如：明度、色調(diào)、飽和度明度；人眼對(duì)物體的明暗感覺。物體反射比越高，明度越高。色調(diào)：彩色彼此相互區(qū)分的特性，即紅、黃、綠、藍(lán)、紫等。不同波長(zhǎng)的單色光具有不同的色調(diào)。物體的色調(diào)決定于照明光源的光譜組成和物體本身的光譜反射的特性。飽和度：是指彩色的純潔性。可見光譜中的各種單色光是最飽和的彩色。物體色的飽和度決定于物體反射特性。如果物體反射光的光譜帶很窄，它的飽和度就高。

用一個(gè)三維空間紡錘體可以將顏色的三個(gè)基本特性——明度、色調(diào)、飽和度表示出來

第三部分視覺生理特性

視網(wǎng)膜的顏色區(qū)視網(wǎng)膜中央凹部位與邊緣部位椎體細(xì)胞與桿體細(xì)胞的分布不同。中央視覺主要是錐體細(xì)胞起作用，邊緣視覺主要是桿體細(xì)胞起作用。正常顏色視覺的人，視網(wǎng)膜中央能分辨各種顏色。由中央向邊緣過渡，錐體細(xì)胞減少，桿體細(xì)胞增多，對(duì)顏色的分辨能力逐漸減弱，直到對(duì)顏色感覺消失。與中央?yún)^(qū)相鄰的外周區(qū)先喪失紅色、綠色的感受性，再向外部，對(duì)黃色、藍(lán)色的感受也喪失，成為全色盲區(qū)。因此人的正常色視野的大小，視顏色而不同。

色對(duì)比和色適應(yīng)

顏色視覺除了受被觀察物體在視網(wǎng)膜上成像的區(qū)域大小影響外，還受到被觀察物體周圍環(huán)境的影響，同時(shí)也要受到觀察者觀察前眼睛觀看過其他顏色歷史的影響。色對(duì)比和色適應(yīng)就是考慮到這兩種因素的顏色視覺現(xiàn)象。

在視場(chǎng)中，相鄰區(qū)域的不同顏色的相互影響叫做顏色對(duì)比，它包括有明度對(duì)比、色調(diào)對(duì)比、飽和度對(duì)比。

將一塊灰色紙片放在白色背景上看起來發(fā)暗；而放在黑色背景上看起來發(fā)亮，這種當(dāng)明暗不同的物體并置于視場(chǎng)中會(huì)感到明暗差異增強(qiáng)的現(xiàn)象稱為明度對(duì)比。

在紅色背景上放一塊小的白紙，用眼睛注視白紙中心，幾分鐘后，白紙上會(huì)現(xiàn)出淡淡的綠色。紅和綠是互補(bǔ)色，每一種顏色都在其周圍誘導(dǎo)出它的補(bǔ)色。兩種不同色調(diào)的物體并置于視場(chǎng)中，每一種顏色的色調(diào)都向另一顏色的補(bǔ)色方向變化，從而增強(qiáng)了兩顏色色調(diào)的差異，這種現(xiàn)象稱為色調(diào)對(duì)比。

將兩種飽和度不同的顏色并置于視場(chǎng)中，會(huì)感到兩飽和度的差異增強(qiáng)，高飽和度的更高，而低飽和度的則更低，這種現(xiàn)象稱為飽和度對(duì)比。

明適應(yīng)

當(dāng)人由暗環(huán)境進(jìn)入亮環(huán)境時(shí)，人會(huì)感到睜不開眼睛，看不清物體，但經(jīng)過一段時(shí)間后，人眼適應(yīng)了，能夠獲得清晰的視覺，這種適應(yīng)過程稱為明適應(yīng)。在此段時(shí)間內(nèi)包含了兩種生理過程：瞳孔縮小，以減少射人眼內(nèi)的光能；同時(shí)人眼由桿體細(xì)胞起作用轉(zhuǎn)變成錐體細(xì)胞起作用，因此人眼能夠看清周圍物體。一般只需要1分鐘左右的時(shí)間，適應(yīng)過程基本上可以完成。暗適應(yīng)當(dāng)人由亮環(huán)境進(jìn)入暗環(huán)境時(shí)，開始人眼也不適應(yīng)，看不清周圍的物體，經(jīng)過一段時(shí)間，人眼的瞳孔放大，以增加射入眼內(nèi)的光能，同時(shí)人眼由錐體細(xì)胞起作用轉(zhuǎn)變成桿體細(xì)胞起作用。因此人眼適應(yīng)了新的亮度水平，能夠看清周圍物體，這種適應(yīng)過程稱為暗適應(yīng)。色適應(yīng)在亮度適應(yīng)狀態(tài)下視覺系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)中顏色變化也會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)的過程。人眼對(duì)某一色光適應(yīng)后，觀察另一物體的顏色時(shí)，不能立即獲得客觀的顏色印象，而帶有原適應(yīng)色光的補(bǔ)色成分，需經(jīng)過一段時(shí)間適應(yīng)后才會(huì)獲得客觀的顏色感覺，這過程就是色適應(yīng)的過程。

因此，在顏色視覺實(shí)驗(yàn)中，如果先后在兩種光源下觀察顏色時(shí)，就必須考慮前一光源對(duì)視覺的顏色適應(yīng)影響。如果在某一光源下觀察顏色時(shí)，周圍環(huán)境還有其它顏色光，則也要考慮周圍光的顏色對(duì)比效應(yīng)的影響。

色覺缺陷

顏色視覺正常的人的視網(wǎng)膜上有三種錐體細(xì)胞，含有三種不同的視色素：親紅、親綠、親藍(lán)色素。他們能夠分辨各種顏色。常見的色覺缺陷

色弱：他們對(duì)光譜上紅色和綠色區(qū)域的顏色分辨能力較差。色盲：是嚴(yán)重的異常色覺者，對(duì)顏色辨別能力很差。色變異一對(duì)色樣在不同的光源下比較會(huì)有不同的色差異。影響因素：照明體觀測(cè)者染料、基質(zhì)、染色條件等黑體黑體是指在任何溫度下將落到它表面的任何波長(zhǎng)的輻射全部吸收。黑體輻射的光譜分布完全取決于它的溫度。因此只要溫度一定，它的光譜分布就可以計(jì)算出來。色溫度當(dāng)黑體溫度由接近1000K開始升高時(shí)，顏色由紅向藍(lán)變化。因此人們就用黑體對(duì)應(yīng)的溫度表示它的顏色。當(dāng)某種光源的色品與某一溫度下的黑體色品相同時(shí)，則將黑體的溫度稱為此光源的顏色溫度，簡(jiǎn)稱色溫。照明體A鎢絲燈光，色溫度約為2856KC平均太陽光源，色溫度約為6774KD65平均太陽光源，色溫度約為6500KCWF冷白熒光燈，色溫度約為4200KD50平均太陽光源，色溫度約為5000KD75平均太陽光源，色溫度約為7500K第四部分CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)

物體的顏色既決定于外界物理刺激，又決定于人眼的視覺特性，顏色的測(cè)量和標(biāo)定應(yīng)符合人眼的觀察結(jié)果。目前國(guó)際上各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的是以兩組基本視覺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的一套顏色的表示、測(cè)量和計(jì)算方法，即CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)。它是一種混色系統(tǒng)，是基于每一種顏色都能用三個(gè)選定的原色按適當(dāng)比例混合而成的基本事實(shí)建立起來的。顏色匹配

顏色可以相互混合，顏色混合可以是顏色光的混合，也可以是染料的混合，這兩種混合方法所得到的結(jié)果是不同的，前者稱為顏色相加混合，后者為顏色相減混合。加法混色加法混色是指各種不同顏色的光的加和。加法混色的實(shí)例；紡織品的熒光增白。減法混色對(duì)光具有吸收作用的物質(zhì)如染料、顏料等的混合稱減法混色。減法混色后樣品的亮度是降低的，這與加法混色相反。顏色匹配實(shí)驗(yàn)三刺激值顏色匹配實(shí)驗(yàn)中選取三種顏色，由它們相加混合能產(chǎn)生任意顏色，這三種顏色稱為三原色，亦稱為參照色刺激。三原色可以任意選定，但三原色中任何一種原色不能由其余兩種原色相加混合得到。最常用的是紅、綠、藍(lán)三原色。在顏色匹配實(shí)驗(yàn)中，與待測(cè)色達(dá)到色匹配時(shí)所需要的三原色的數(shù)量，稱為三刺激值。色品圖根據(jù)1931或1964標(biāo)準(zhǔn)觀察者繪制在x、y坐標(biāo)圖上稱為色品(度)圖?；⌒吻€是光譜軌跡，連接400和700nm的直線是光譜上沒有的由紫到紅的顏色，在這個(gè)馬蹄形內(nèi)包括一切物理上能實(shí)現(xiàn)的顏色。均勻色空間

1931年色度圖最大的缺點(diǎn)是在視覺上是不均勻的。圖上相等的空間在視覺效果上不是等差的，為此致力于研究一種新的色度圖。曾有CIEl960UCS圖、CIEl964(U*V*W*)均勻顏色空間。在1975年CIE第18屆大會(huì)上(倫敦)推薦了CIEl976(L*a*b*)和(L*u*v*)兩個(gè)均勻色空間。在物體色測(cè)量中常用CIEl976(L*a*b*)均勻色空間。我國(guó)也訂立了標(biāo)準(zhǔn)。

CIELAB色彩空間L—顏