第三章--CIE色度学体系.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,CIE,色度学体系,颜色是光作用于人眼后所形成的神经反应，不是单纯的物理量，想要将颜色感觉定量描述很不容易，它与照明条件、观察条件、视觉生理、视觉心理、文化习俗、经验习惯等等均有关系，长久以来，科学家们一直在探索将颜色感觉以确定唯一的一组数据准确表达的方法。,在综合了一些颜色科学家的研究和实验基础上，国际照明委员会,(CIE),规定了一套标准色度系统，称为,CIE,标准色度系统这一系统是近代色度学的基本组成部分是色度计算的基础，也是彩色复制的理论基础之一。,CIE,标准色度系统,（,CIE standard colorimetric system,）,CIE,标准色度学系统特点：,1.,是一种混色系统，以颜色匹配实验为出发点建立起来的。,2.,用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色。,3.,不是用颜色的三个色貌特征明度、色调、彩度（饱和度）的大小为度量来表示颜色。,3.1,颜色匹配,（,colour matching,）,3.1.1,颜色匹配实验,把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程叫作,颜色匹配,。,颜色匹配实验,3.1.2,三刺激值和颜色匹配方程,一、三刺激值（,tristimulus values,）,在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意颜色的三种颜色叫做,三原色,。,primary color,原色,通常加色混色中使用红、绿、蓝三种颜色光为三原色是为了得到最多的混合色。,因为视网膜上的锥体细胞只含有红、绿、蓝三种感色物质。,三原色可以任意选取，只要三原色中任何一种原色不能由其余两种原色相混合得到就可以。,颜色匹配实验中，当与待测色达到色匹配时所需要的三原色的数量，称为,三刺激值,，记作,R、G、B。,通过颜色匹配实验获取表示颜色的三刺激值，这就是,CIE,标准色度系统的基本出发点。,颜色空间,R,G,B,C,一种颜色与一组,R、G、B,值相对应，,R、G、B,值相同的颜色，颜色感觉(外貌)必定相同,。,二、颜色匹配方程,“,”表示颜色相互匹配,C,(,C,),代表该颜色的矢量,C,代表矢量的长度 ，,(,C,),代表矢量的方向；,(,R,),、,(,G,),、,(,B,),代表三原色，是三个坐标轴方向,上的单位矢量，,R,、,G,、,B,是三刺激值，为代数量，是,(,R,),、,(,G,),、,(,B,),三个坐标轴方向的分量。,任意色光都是由单色光组成的，可以理解为都是混合色光，那么如果各单色光的光谱三刺激值预先测得，根据混色原理就能计算出该色光的三刺激值来。,任意颜色刺激的三刺激值,(,),颜色刺激的光谱分布,k,归化常数,计算所用的波长间隔,四、色品坐标和色品图,三原色各自在,R+G+B,总量中的相对比例叫做,色品坐标,，用符号,r，g，b,来表示。,（,chromaticity coordinates,）,b=B/(R+G+B)=1-r-g,r=R/(R+G+B),g=G,/(,R+G+B,),色品坐标与,三刺激值关系式,以色品坐标,r,，,g,表示的平面图称为色品图,色品图（,Chromaticity diagram,）,标准白光,(W),3.2 CIE,标准色度系统,现代色度学采用,CIE,所规定的一系列颜色测量,原理、条件、数据和计算方法,，称为,CIE,标准色度系统。,这一色度系统以两组基本颜色视觉实验数据为基础：,CIE1931,标准色度观察者光谱三刺激值,（1-4视场）,CIE1964,补充标准色度观察者光谱三刺激值,（,4视场）,3.2.1 CIE1931-RGB,系统,选择三原色：,700,nm(R),、,546.1nm(G),、435.8nm(B),确定三原色单位：,将相加匹配出等能白光(,E,光源)时三原色各自的数量定为三原色的单位。即从色彩角度，三原色等量（,R=G=B=1),混合得到白光。,白光色品,r=g=b=1/(1+1+1)=0.33,三原色单位亮度比：,Lr:Lg:Lb=1.000:4.5907:0.0601,匹配人类视觉响应,红,绿,蓝,等能光谱色,白屏,挡屏,观察者,2,2,2,2,等能白光,2视场下用上述选定三原色匹配等能光谱色的,R、G、B,三刺激值，用光谱三刺激值 来表示，这一组函数叫做“,CIE1931-RGB,系统标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“,CIE1931-RGB,系统标准色度观察者”。以此来代表人眼2视场的,平均颜色视觉特性,。,颜色视觉特性,r(),g(),b(),(nm),435.8,546.1,700.0,三刺激值,0.4,0.2,CIE1931-RGB,系统,标准色度观察者,光谱三刺激值曲线,光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系式,CIE1931-RGB,系统色品图及,(R),、,(G),、,(B),向,(X),、,(Y),、,(Z),的转换,光谱轨迹,注意：,出现了负的三刺激值与色品坐标值,加入待匹配色一侧视场的原色数量为负值。,CIE1931-RGB,系统的光谱三刺激值 是由实验获得的，代表了视觉的光谱特性，本来可以用于色度计算，但由于光谱三刺激值与色品坐标都出现了负值，计算起来不方便，又不易理解，因此，1931年,CIE,讨论推荐了一个新的国际通用色度系统,CIE1931-XYZ,系统。,1931,年,CIE,在,RGB,系统的基础上，改用三个假想的原色,X、Y、Z,建立了一个新的色度系统。,3.2.,2.,CIE1931,标准色度系统,（,CIE standard colorimetric system,）,称为“,CIE1931,标准色度观察者光谱刺激值”简称“,CIE1931,标准色度观察者”,光谱三刺激值,这一系统叫做“,CIE1931,标准色度系统”,或“,CIE1931-XYZ,”系统。,(nm),三刺激值,z(),y(),x(),CIE1931,标准色度观察者光谱三刺激值曲线图,1.5,1.0,0.5,400,500,600,700,色品图可用来表示所有颜色的色度特性。色品图中心为白点（非彩色点），光谱轨迹上的点代表不同波长的光谱色，是饱和度最高的颜色，越接近色品图中心（白点），颜色的饱和度越低。围绕色品图中心不同的角度，颜色的色调不同。,CIE1931,色品图,颜色光谱由来,CIE1931,标准色度观察者的数据适用于2视场的中央视觉观察条件(视场范围1-4)，以此代表人的,平均颜色视觉特性,。,CIE1931,标准色度系统的三刺激值以,X、Y、Z,表示，三种原色由于选择时的考虑，只有,Y,值既代表色品又代表亮度,，又称为亮度因数，而,X、Z,只代表色品，与亮度无关。,所以,y(),函数曲线与明视觉光谱光视效率,V(),一致，即,y()=V()。,亮度因数,在使用数字描述颜色时，常采用,Yxy,表色方法，即采用色品坐标,x，y,表示颜色的色度特征，用亮度因数,Y,表示颜色的亮度特征，这样该颜色的外貌就能完全唯一地确定下来。,Yxy,立体图,Yxy,表色方法,3.2.3CIE1964,补充标准色度系统,CIE 1964 supplementary standard colorimetric system,）,在,大面积视物观察条件下(4),，由于杆体细胞的参与以及没有了中央凹黄色素的影响，颜色视觉会发生一定的变化。主要表现为,饱和度的降低及颜色视场出现不均匀,的现象。实验表明：人眼用小视场观察颜色时，颜色差异辨别力较低。当观察视场从2增大到10时，颜色匹配的精度也随之提高。但视场再进一步增大，颜色匹配精度的提高就不大了。,CIE,在1964年又规定了一组“,CIE1964,补充标准色度观察者光谱三刺激值”，,简称为“,CIE1964,补充标准色度观察者”，（,CIE 1964 supplementary standard colorimetric observer,）,这一系统称为“,CIE1964,补充标准色度系统”，也叫作10视场,X,10,Y,10,Z,10,色度系统。,CIE1964,补充标准色度系统三刺激值记作,X,10,，Y,10,，Z,10,。,为了适应大视场颜色测量的需要，,在色度测量与计算中要根据观察视场的大小选择,CIE1964,或,CIE1931,标准色度观察者数据来代表人眼的,平均颜色视觉特性,。,三刺激值,波长（）,观察者,观察者,CIE,色品图,3.3 CIE,色度计算方法,光源,物体,或,人眼,+,大脑,或,颜色视觉产生过程四要素作用已经量化，可以计算颜色了！,S(),z(),y(),x(),3.3.1,三刺激值与色品坐标的计算,光源或物体的颜色是由进入眼睛的不同波长的光混合而成的感觉。我们把,进入眼睛的光能量随波长的分布称为颜色刺激函数,。,照明体或光源（自发光体）,透明物体（透射物体,）,非透明物体（反射物体）,而人眼对不同波长的颜色刺激感觉强度不同，,只有,(),与该波长的,CIE,光谱三刺激值的乘积才是由这个波长的颜色刺激所引起的颜色感觉,。根据颜色相加原理，,总的颜色感觉应是各波长颜色感觉的总和,。因此，三刺激值的计算公式为：,范围取380-780,nm,在实际计算中，用求和来近似积分，求和的表达式为：,或,(,),一般采用CIE,规定的标准照明体，具体采用哪种照明体由被测物体的具体情况而定，例如物体是在日光下观察时可用,D,65,或,B、C,照明体，而在灯光下观察时可用,A,照明体。（见第四章）,或,式中的常数,k,和,k,10,叫做归化系数，它是将照明体(或光源)的,Y,值调整为100时得出的，即：,色 度 计 算 公式！,光源光谱分布,物体光谱反射率,光谱三刺激值,相对功率,反射率,三刺激值,红,颜色的光谱特性！,S(),(),()=,S()(),红,相对功率,反射率,(),红,光源,物体,眼睛,大脑,计算出物体的三刺激值以后，再按下式将其转换为物体的色品坐标：,或,3.3.2,颜色相加的计算,一、,计算法,当两种或两种以上已知三刺激值的颜色,光,相加混合，混合色的三刺激值等于各色光三刺激值之和。,X=X,1,+X,2,+X,n,Y=Y,1,+Y,2,+Y,n,Z=Z,1,+Z,2,+Z,n,n,为组成混合色的色光数量。,混合色的色品坐标在三刺激值计算之后就可求得:,已知,:,x,，,y,，,Y,；,x,，,y,，,Y,2,求,:,混合色三刺激值及色品坐标,注意：因为混合色的色品坐标与已知色的色品坐标之间没有线性叠加的关系，所以必须先求出各颜色的三刺激值：,再计算混合色的色品坐标,二、作图法,P,颜色1,颜色2,M,1,，,2,的混合色,重心定律：,3.4,主波长与色纯度,CIE,推荐使用主波长和色纯度来大致描述颜色的色调和饱和度。,3.4.1,主波长,将与样品色具有相同色调的光谱色的波长叫作样品色的主波长，用符号,d,表示。,从色品图中白点,W(x,0,y,0,),向样品色色品点,S(x，y),作直线并延长交光谱轨迹上一点,L，,这一点光谱色的波长就是该颜色样品的主波长,d，,主波长光谱色与白光按一定比例混合可以匹配出样品色,。,补色波长记作-,d,或,c,3.4.2,色纯度,色纯度表示样品色与其主波长光谱色的接近程度，以符号,Pe,表示。,色纯度可大致反映颜色的饱和度。,用白点到样品点的距离,WS,与白点到主波长点的距离,WL,之比来表示，即,主波长光谱色被白光冲淡的程度！,主波长光谱色的三刺激值之和,X+Y+Z,样品色的三刺激值之和,当,Pe=1,时,光谱色,饱和度最高,当,Pe=0,时,非彩色,饱和度为0,Pe,两种极端情况,3.3,均匀颜色空间,在如印刷等需要处理物体表面色的行业，经常遇到的问题是需要去鉴别颜色的差别，要,用数量来描述颜色的差别，简称为,色差（,color difference,）,。色差大小是产品质量标准之一。,3.1.1,寻找均匀颜色空间的目的,CIEXYZ,色度系统解决了颜色的定量描述与计算的问题，但它的色度空间在视觉上是不均匀的，空间中相同的距离所带来的视觉上差异是不同的。,视觉明度,V,Y,亮度因数,CIEXYZ,系统视觉不均匀性分析麦克亚当颜色宽容量示意图:在,CIEx-y,色品图中以不同位置上椭圆的大小和方向表示颜色宽容量,（放大,10,倍）,我们把人眼感觉不到颜色差异的变化范围叫做,颜色的宽容量,。,莱特颜色宽容量示意图,放大,3,倍,该空间中的每一个点代表一种颜色,空间中的距离大小与视觉上色彩感觉,差别成正比,相同的距离代表相同的色差,。,因此，需要寻找一个,均匀颜色空间,：,寻找更加均匀的颜色空间,颜色空间的坐标是可以任意选择的。,各色空间坐标之间可以采用数学的方法进行,相互变换，而不会改变其本身的物理意义。,新的颜色空间的三个坐标一定要由原来的,X、,Y、Z,三刺激值换算得出。,1960年,CIE1960UCS,均匀色品图,CIE1964W,*,U,*,V,*,均匀色空间,1976年,CIE1976L,*,u,*,v,*,色空间,CIE1976L,*,a,*,b,*,色空间,国际印刷领域采用,CIE L,*,a,*,b,*,均匀色空间系统作为印刷色彩的颜色匹配与评价的方法。,3.5.2,早期的均匀颜色系统,3.2.3,CIE1976L,*,a,*,b,*,均匀颜色空间及,色差公式,CIE1976L,*,a,*,b,*,均匀颜色空间用,明度指数,L,*,，,色品指数,a,*,，b,*,三维坐标系统来表示：,CIEL,*,a,*,b,*,CIEXYZ,X、Y、Z,颜色样品的三刺激值；,Xn，Yn，ZnCIE,标准照明体照射到完全漫反射体表面的三刺激值。,L,*,a,*,b,*,均匀颜色空间示意图,色调角的范围在0-360，以正,a,*,轴作为0。,颜色样品的视觉属性,CIEL,*,a,*,b,*,均匀色空间色差公式,色差,E,*,ab,=1,时称为1个,NBS(,美国国家标准局的缩写)色差单位。一个,NBS,色差单位相当于,0.00150.0025,x,或,y,的色品坐标变化。,式中：假定1为样品色，2为标准色,明度差,L,*,=L,1,*,-L,2,*,正值时表示样品色比标准色浅，,负值时则表示样品色深，明度低。,色调角差,h,*,=h,1,*,-h,2,*,正值表示样品色位于标准色的,逆时针方向上,;,负值表示样品色位于标准色的,顺时针方向上。,彩度度差,C,*,=C,1,*,-C,2,*,正值表示样品色比标准色鲜艳,;,负值表示样品色不如标准色鲜艳。,NBS,单位与颜色差别感觉程度,NBS,单位色差值,感觉色差程度,0.00.5,痕迹,0.51.5,轻微,1.53,可觉察,3.06.0,可识别,6.012.0,大,12.0,以上,非常大,颜色匹配,颜色复制,例题：在,2,视场和,C,光源下，测得两个样品色度为：,样品,1,：,X1=63.12,Y1=71.79,Z1=15.02,样品,2,：,X2=62.46,Y2=70.67,Z2=11.42,C,光源,:X=98.072,，,Y=100.00,Z=118.225,。,要求计算并详细说明两个样品的色貌差异。,算得,L,*,1,=87.87,a,*,1,=-15.92,b,*,1,=78.45,h,*,1,=101.47,C,*,1,=80.05;,L,*,2,=87.32,a,*,2,=-15.10,b,*,2,=86.31,h,*,2,=99.92,C,*,2,=87.62,=8.55,表示样品,1,比,2,亮，明度高。,=1.550,且样品,1,，,2,均在黄绿象限，表示样品,1,比,2,偏一点绿，样品,2,比,1,偏一点黄。,=-7.570,表示样品,1,不如,2,鲜艳。,明度差,色调角差,饱和度差,色差,我国国家标准彩色装潢印刷品的同批同色色差为：,一般产品,E,*,ab,5.00-6.00,精细产品,E,*,ab,4.00-5.00，,同时还将这一质量标准作为国有企业晋级的一项条件。,推广,CIE L,*,a,*,b,*,均匀色空间十分必要！,各颜色视觉阶段与颜色计算,3.5.4 CIE1976L,*,u,*,v,*,均匀颜色空间,及色差公式,CIE1976L,*,u,*,v,*,均匀颜色空间用明度指数,L,*,色品指数,u,*,、v,*,三维坐标系统来表示:,CIE L,*,u,*,v,*,CIE XYZ,式中：,u,v;x,y,为颜色样品的色品坐标；,u,0,v,0,；x,0,y,0为测色时所用光源的色品坐标；,X,Y,Z,和,X,0,Y,0,Z,0,为样品与光源的三刺激值。,按,L,*,u,*,v,*,标定的两个颜色之间的,色差公式：,u-v,色品图,3.6,色差公式的发展,CIE1976 L*a*b*,和,CIE1976L*u*v*,不能适应各种不同的观察条件,与实际色差感觉的一致性还有待提高,3.6.1 CMC,（,l:c,）色差公式,、,、,公式中 ，属,CIE 1976 L*a*b*,色空间,S,L,明度差 的权重函数（见教材）,S,C,彩度差 的权重函数（见教材）,S,H,色调差 的权重函数（见教材）,l,，,c,与具体应用条件有关的参数,应该指出计算所用的l,和,c,值！,大多数的应用,c,=1,纺织行业，取,l=,2,涂料、塑料和油墨等应用，取,l=,1.4,色差记作 或 形式，例如,或,对于印刷品的色差测量 计算的结果更,接近实际的色差感觉,同色异谱是指两个颜色样品它们能够产生相同的颜色感觉，但却具有不同的光谱组成的现象。,我用三原色能复制所有颜色！,明明看好的颜色怎么变了？！,3.8,同色异谱现象和同色异谱颜色,Metameric color,Metamerism,产生同色异谱的原因,只要它们的积分值相同，即三个被积函数曲线下包围的面积同时相等时，它们的颜色感觉就相同。,两个光谱反射率不同的物体在日光下同色,满足同色异谱对是有条件的！,同色异谱颜色都是指在,特定的照明条件,下和,特定的标准色度观察者,光谱三刺激值条件下的同色。,其中某个条件发生改变就有可能破坏了同色异谱条件，原来相互匹配的颜色就有可能不再匹配。,本章小结,CIE,标准色度系统是建立在颜色匹配实验基础之上，用三原色的数量表示颜色。,CIE1931,标准色度系统的三刺激值用,X,、,Y,、,Z,表示，色品坐标为,x,，,y,，适用于,2,左右、小于,4,视场的观察条件；,CIE1964,补充标准色度系统的三刺激值用,X,10,、,Y,10,、,Z,10,表示，色品坐标为,x,10,，,y,10,，代表,10,视场的观察条件。,计算色差必须采用均匀颜色空间，如,CIELAB,CIELUV,在均匀颜色空间中，颜色样品间的色差用样品颜色坐标的空间距离来表示。,本章需掌握颜色的计算与评价方法。,