色度學原理與CIE標準色度系統(tǒng).ppt

1、1,色度學原理與CIE標準色度系統(tǒng),專 業(yè)：紡織化學與染整工程 姓 名：王先鋒 日 期：2012年10月,顏色科學,2,3,1.1 顏色匹配實驗,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驗,4,顏色光匹配實驗,“同色異譜”的顏色配對：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)了負值？,5,匹配此波長的光譜色時，需要將紅色光源移至下方目標光源處，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)生負的函數(shù)。,6,1.2 亮度相加,三種不同顏色的色光

2、：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：pLp+qLq=rLr。,P份光亮度值為Lp的光混合,7,1.3 顏色的數(shù)學表示,色度匹配 當給定一個色光照射時，可通過適當比例的三原色混合，得到與給定色光相同的顏色和亮度。 色三角形 三角形內(nèi)各點距三邊的距離為r、g、b，相當于三原色的混合比例。,8,顏

3、色方程 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：三原色各自占R+G+B總量的相對比值。 顏色C*的色度坐標： 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+B,r+g+b=1,rgb的數(shù)值與R*G*B*所采用的單位光亮度有關(guān),9,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，且色度坐標為r=g=b=1/3，即：W=1/3R+1/

4、3G +1/3B 顏色C*的單位光亮度：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/LC,10,1.4 色度相加原理與色譜圖,色光C1C1：三刺激值R1G1B1，色度坐標r1g1b1 色光C2C2：三刺激值R2G2B2，色度坐標r2g2b2 混合后得到：C12C12，其顏色方程如下：,在色三角形坐標中兩色混合的色度，相當于C1*、C2*兩色依其色量C1、C2而形成的重心點。,11,光譜色 從380-780nm可見光波長范圍內(nèi)的單色光所對應(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

5、其中混入部分白光，可使混合色進入色三角形范圍內(nèi)。記波長500nm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)實顏色的色度坐標必然都在光譜軌跡與長短波兩端點連線所構(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為負值，此點在色三角形之外，且從理論上說明了三刺激值會出現(xiàn)負值。,12,1.5 光譜三刺激值,這部分是單波長向連續(xù)波長的一個延伸。 光譜功率分布 光源的光譜輻射按波長順序和各波長強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？ 每一波長的光譜色都有相應(yīng)的色度坐標r(

6、) g() b()，波長的單色光E()d 的亮度為kV()E()d ，從而得出其色量值dC() ： K規(guī)化系數(shù)，V()光譜光效率函數(shù),13,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，對于任一色光，只要測得它的光譜功率分布，就能計算出其色度坐標。因此， r()、 g() 、b()稱為光譜三刺激值。,14,1.6 色度轉(zhuǎn)換,同一種顏色相對于兩種不同的三原色將有不同的色度坐標。 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

7、； XYZ的色度坐標分別為：(rx,gx,bx)、(ry,gy,by)、(rz,gz,bz)。從而有：,X與X如何關(guān)聯(lián)呢？,15,在色度坐標轉(zhuǎn)換中，對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R G B為白色rw gw bw時,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。,16,2 CIE標準色度系統(tǒng),CIECommission

8、 Internationale de LEclairage（法）國際照明委員會 標準色度系統(tǒng)CIE所規(guī)定的一套顏色測量原理、數(shù)據(jù)和計算方法。 基礎(chǔ)： CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激值 CIE1964補充標準色度觀察者光譜三刺激值,通過許多觀察者的顏色視覺實驗，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。,17,2.1 1931CIE-RGB系統(tǒng),實驗證明，幾乎所有的顏色都可以用三原色按某個特定的比例混合而成。在2觀察視場范圍內(nèi)，采用紅(R：700 nm)、綠(G：546.1 nm)、藍(B：435.8 nm)三原色，通過對不同波長光譜線顏色的匹配實驗，可

9、以得到的一組曲線r()、 g()和b()，它們表示在380780 nm范圍內(nèi)，當各光譜線的能量相同時，某一光譜線所對應(yīng)的 r()、g()和b()的混色結(jié)果與該光譜色相同，稱這三條曲線為光譜三刺激值曲線。,18,根據(jù)不同波長處的三刺激值，可以計算出相應(yīng)的色度坐標r、g、b， 以r、g作為直角坐標繪制出一個直角坐標圖。它是由所有光譜色的 色度坐標點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)了負值，計算不方便。從而引出了假想三原色的概念，并導(dǎo)出了1931CIE-XYZ系統(tǒng)。,19,2.2 1931C

10、IE-XYZ系統(tǒng),在建立新的色度系統(tǒng)時，首先要選定作為基準的三原色。在選擇假想的(X)、(Y)、(Z)三原色時，主要從以下三個方面進行考慮： (1) 必須在(R)、(G)、(B)三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

11、稱為無亮度線。在無亮度線上的各點均僅代表色度，而原色(Y)則同時代表顏色的亮度和色度。,20,XY邊的計算,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和700nm波長處的r、g值代入即可計算出其方程：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，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

12、 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)學處理得： 0.9399r + 4.5306g + 0.0601 = 0 （XZ無亮度線方程）,21,另外再找一條線，與光譜軌跡上波長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，就是假想三原色在r-g色度圖中的坐標。,(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=1.6022,22

13、,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三點在r-g圖中的坐標以及色度轉(zhuǎn)換矩陣，我們可以先求出規(guī)化矩陣k，從而求算出兩個色度圖的色度坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系。,23,2.3 CIE1964補充標準色度學系統(tǒng),目的：為了適合10大視場的色度測量 視場：在觀察物體時，當眼睛的位置不動時，被觀察物體的立體角范圍。 2視場VS10視場 視網(wǎng)膜中央部位的黃色素會降低眼睛對短波長光（藍色）的感受性。 觀察視場從2到10，顏色匹配精度增加。10 大視場的新標準，不僅視網(wǎng)膜中央凹的錐體細胞發(fā)揮作用，而且中央凹周圍的桿體細胞也發(fā)揮一定的作用，更接近人的實際視覺特性。

14、,表明視網(wǎng)膜上中央凹外部的桿狀細胞對波長短的光波感受性更強,24,2.4 色度圖上的顏色三屬性,對于任何顏色，可以在CIE色度圖上用主波長（或補色波長）、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. Dominant 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

15、ratio CS1/CD1 of S2 is the ratio CS2/CD2 of S3 is the ratio CS3/CD3,25,如果能夠以兩點的距離表示色差，就實現(xiàn)了數(shù)字表達。,色差是指兩個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，但是有兩個問題需要解決。,3 均勻顏色空間和色差公式,26,問題1：色差是知覺色的差異，是以人對物體顏色的感覺為基準的。 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顏色，在人的顏色感覺上，是否能夠有同等

16、的色差呢？ 讓實驗來證明吧！,27,人眼對光譜顏色的差別感受性,在CIE色度圖中，每個點代表一種顏色，但是當這點的坐標變化很小時，人眼仍然認為是原來的顏色。 可見，一個顏色在色度圖上意味著一個點。但是對于人的視覺而言，一個顏色在色度圖中意味著一個范圍。 這種人眼感覺不出來的顏色變化范圍叫做顏色的寬容量。,490nm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）,28,麥克亞當顏色橢圓,麥克亞當顏色橢圓形寬容量范圍 選擇25個顏色點，確定恰可覺察差 以試驗顏色點為中心，測定5-9個對側(cè)方向上顏色匹配范圍 圍繞顏色試驗點的標準差點可

17、以連成一個橢圓形 從右圖可以看出： 在色度圖不同位置，橢圓形大小不同，長軸方向不同 色度圖不同位置，顏色寬容量不同，藍色部分寬容量最小，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)量的各種藍色，只能看到較少數(shù)量的各種綠色。,29,從麥克亞當顏色橢圓可以得出結(jié)論： 在xy 色度圖中，距離相等的兩個顏色， 在人的顏色感覺上，不一定有同等的色差。因此不能以顏色點之間的距離來表示色差。 同時說明，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。 若想用顏色點之間的距離來表示色差，必須對原來的CIE1931XYZ顏色空間進一步修正為能夠適應(yīng)人眼的

18、均勻顏色空間。,例如一對綠色色樣和一對藍色色樣在人眼睛看來色差級別大致差不多，但是在不均勻的色度空間中，用數(shù)字來表示時卻相差很多。解決問題的辦法是使顏色空間均勻化。,30,為了方便色差的計算，CIE從1960年開始進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，計算色差的公式就不同，計算出來的色差和視覺的相關(guān)性也不同。 行業(yè)不同，色相、明度、飽和度差對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。 色差計算的基礎(chǔ)是均勻顏色空間的建立。,31,3.1 CIE1960UCS圖（均勻色度標尺圖）,如右圖，25個顏色范圍雖不

19、是等大，卻已是在一個平面上所能做到的最均勻的轉(zhuǎn)換。 缺點：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)）,32,CIE-XYZ系統(tǒng) CIE1964W*U*V*均勻顏色空間,根據(jù)CIE規(guī)定的UVW，可以計算出相應(yīng)的色度坐標。 u=U/U+V+W, x=X/X+Y+Z,33,3.2 CIELUV顏色空間和CIELAB顏色空間,目的：進一步改進和統(tǒng)一顏色評價的方法 CIELUV顏色空間：1976年，CIE改進了原有的CIE1964W*U*V*顏色空間,提出采用L*u*v*作為三維直角坐標的顏色空間,稱為CIELUV顏色空間,它主要用

20、于如電視工業(yè)等加混色( additive mixture)的表示和評價。 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)的表示和評價的。,34,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 u和v是顏色樣品的色度坐標（u=u，v=1.5v） u0和v0是照明體的色度坐標 XYZ是顏色樣品的三刺激值 X0Y0Z0是標準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=100,35,CIELAB顏色空間,L*=明度，指顏色明暗的程度 a*=紅綠軸 b*=黃藍軸 C*=彩度，指顏

21、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標準色度學系統(tǒng)的非線性變換，它將XYZ直角坐標顏色空間轉(zhuǎn)換為柱面極坐標，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,36,L* = 116( Y/ Y0)1/3 -16 ( Y/ Y0 0.008856 ) L* = 903.3( Y/ Y0) ( Y/ Y0 0.008856 ) f(x) = 7.87x - 16/116 ( x 0.008856 ) 色調(diào)角 hab 和彩度 C*ab tg hab = b*/a* C*ab =

22、 ( a*2 + b*2 ) 關(guān)于h以及兩個h算術(shù)平均的計算,37,3.3 色差公式,色差的視覺判斷,主要有兩種直觀的評價,即可感知性(perceptibility)和可接受性( acceptability) 。可感知性是指觀察者能夠看到顏色的差別或能夠判斷兩個顏色樣品對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,可感知性對應(yīng)于人眼的視覺辨別閾值;而可接受性則體現(xiàn)了對顏色質(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價產(chǎn)品的技術(shù)指標等有關(guān)。對于可接受性,它會受到許多因素的影響。例如,雖然某產(chǎn)品的試樣與標準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)量的評價依據(jù)。因此,儀器測色顯得尤為重要。但是,物理測量的數(shù)據(jù)應(yīng)該能預(yù)測觀察者所看到的情況,并需要有合適的色差公式,使之計算出來的色差能夠預(yù)測目視色差。,38,CIELAB和CIELCH色差,39,Luo & Rigg CIELAB Tolerance,清楚地說明了CIELAB是個均勻性很差的顏色