ch05顏色的度量體系

1、多媒體技術(shù)基礎(chǔ)多媒體技術(shù)基礎(chǔ)( (第第3 3版版) )第5章 顏色的度量體系 第5章 顏色的度量體系 2/66第5章 顏色的度量體系目錄 5.1 顏色科學(xué)簡史顏色科學(xué)簡史5.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語5.2.1 什么是顏色5.2.2 色調(diào)5.2.3 飽和度5.2.4 亮度5.2.5 顏色空間5.3 顏色的度量體系概要顏色的度量體系概要5.4 Munsell顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)5.5 Ostwald顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)5.6 CIE顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)5.6.1 顏色科學(xué)史上的兩次重要會議5.6.2 CIE 1931 RGB5.6.3 CIE 1931 XYZ5.6.4 CIE 1931 xy

2、Y5.6.5 CIE 1960 YUV和CIE YUV5.6.6 CIE 1976 LUV5.6.7 CIE 1976 LAB5.6.8 CIELUV LCh和CIELAB LCh第5章 顏色的度量體系 3/665.1 顏色科學(xué)簡史顏色科學(xué)簡史nIsaac Newton(1642-1727)的色園的色園1666年開始研究顏色，把紅色和紫色首尾相接形成色圓/色輪(color circle /wheel)。也稱牛頓色圓(Newton color circle)，見圖5-1度量顏色的一種方法，圓周表示色調(diào)，圓的半徑表示飽和度為揭示紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)相加混色奠定了基礎(chǔ)，其互補(bǔ)色是C，M，Y牛

3、頓還揭示了一個重要的事實：白光包含所有可見光譜的波長，并用棱鏡演示了這個事實 圖5-1 牛頓色圓 第5章 顏色的度量體系 4/665.1 顏色科學(xué)簡史顏色科學(xué)簡史(續(xù)續(xù)1)nThomas Young(17731829)的假設(shè)的假設(shè)在1802年，認(rèn)為人的眼睛有三種不同類型的顏色感知接收器，大體上相當(dāng)于紅、綠和藍(lán)三種基色的接收器nJames Clerk Maxwell(18311879) 的色度學(xué)的色度學(xué)19世紀(jì)60年代，探索了三種基色的關(guān)系n認(rèn)為三種基色相加產(chǎn)生的色調(diào)不能覆蓋整個感知色調(diào)的色域，而使用相減混色產(chǎn)生的色調(diào)卻可以n認(rèn)為彩色表面的色調(diào)和飽和度對眼睛的敏感度比明度低Maxwell的工作被

4、認(rèn)為是現(xiàn)代色度學(xué)的基礎(chǔ)nHermann von Helmholtz(1821-1894)的理論的理論認(rèn)為Young的看法非常重要，使用三種基色相加可產(chǎn)生范圍很寬的顏色把這個想法用于定量研究，因此有時把他們的想法稱為Young-Helmholtz理論。第5章 顏色的度量體系 5/665.1 顏色科學(xué)簡史顏色科學(xué)簡史(續(xù)續(xù)2)n物理科學(xué)實驗物理科學(xué)實驗20世紀(jì)20年代對科學(xué)家們提出的理論進(jìn)行了實驗，表明n紅、綠和藍(lán)相加混色的確能產(chǎn)生某個色域里的所有可見顏色，但不能產(chǎn)生所有的光譜色(單一波長的顏色)，尤其是在綠色范圍里n如果加入一定量的紅光，所有顏色都可呈現(xiàn)，并用三色激勵值(tristimulus

5、values)表示R，G，B基色，但必須允許紅色激勵值為負(fù)值(即用補(bǔ)色)n國際照明委員會國際照明委員會(CIE)的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)1931年定義了標(biāo)準(zhǔn)顏色體系，規(guī)定所有的激勵值應(yīng)該為正值，并用x和y兩個坐標(biāo)表示所有可見的顏色繪制的CIE色度圖(CIE chromaticity diagram) 是用xy平面表示的馬蹄形曲線，為大多數(shù)定量的顏色度量方法奠定了基礎(chǔ)n生理學(xué)實驗生理學(xué)實驗眼睛的不同錐體對顏色吸收性能的猜想直到1965年前后才做詳細(xì)的生理學(xué)實驗進(jìn)行驗證，結(jié)果表明，在眼睛中的確存在三種不同類型的錐體， Thomas Young的假設(shè)是正確的 第5章 顏色的度量體系 6/665.2 描述顏色的幾

6、個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語n顏色是什么顏色是什么顏色是人的視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果，感知到的顏色由光波的波長決定n視覺系統(tǒng)能感覺的波長范圍為380780 nm，感知到的顏色和波長之間的對應(yīng)關(guān)系如圖5-2所示n純顏色用光的波長定義，稱為光譜色(spectral colors)n用不同波長的光進(jìn)行組合時可產(chǎn)生相同的顏色感覺區(qū)分顏色的三個特性n色調(diào)(hue) n飽和度(saturation) n明度(brightness) 第5章 顏色的度量體系 7/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)1)圖5-2 光譜色 第5章 顏色的度量體系 8/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)

7、語(續(xù)續(xù)2)n色調(diào)色調(diào)(hue)視覺系統(tǒng)對一個區(qū)域呈現(xiàn)的顏色的感覺，即對可見物體輻射或發(fā)射的光波波長的感覺n色調(diào)是最容易把顏色區(qū)分開的屬性n色調(diào)用紅(red )、橙(orange)、黃(yellow)、綠(green)、青(cyan)、藍(lán)(blue)、靛(indigo)、紫(violet) 等術(shù)語來刻畫n用于描述感知色調(diào)的術(shù)語是色彩(colorfulness)，如淺藍(lán)或深藍(lán)的感覺。黑、灰、白為無色彩色調(diào)在顏色圓上用圓周表示n圓周上的顏色具有相同的飽和度和明度，但它們的色調(diào)不同，見圖5-3色調(diào)數(shù)目多于1000萬種n普通人可區(qū)分200種、50種飽和度和500級灰度n顏色專業(yè)人士可辨認(rèn)的色調(diào)數(shù)大約3

8、00400種第5章 顏色的度量體系 9/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)3)圖5-3 色調(diào)表示法 第5章 顏色的度量體系 10/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)4)n飽和度飽和度(saturation)顏色的純潔性n可用來區(qū)別顏色明暗的程度n當(dāng)一種顏色摻入其他光成分越多時，就說該顏色越不飽和n完全飽和的顏色是指沒有滲入白光所呈現(xiàn)的顏色n單一波長的光譜色是完全飽和的顏色半徑表示法n見圖5-4(a)，沿徑向方向上的顏色具有相同的色調(diào)和明度，但它們的飽和度不同n圖5-4(b)所示的七種顏色具有相同的色調(diào)和明度，但具有不同的飽和度，左邊的飽和度最淺，右邊的飽

9、和度最深 (a) 半徑表示法(b) 示例圖5-4 飽和度表示法 第5章 顏色的度量體系 11/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)5)n5.2.4 明度、亮度和光亮度明度、亮度和光亮度中英文術(shù)語的差別n在許多中文書籍和英漢詞典工具書中ubrightness 亮度ulightness 亮度uluminance 亮度n在本教材中，ubrightness明度uluminance亮度ulightness光亮度第5章 顏色的度量體系 12/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)6)n明度明度(brightness)視覺系統(tǒng)對可見物體輻射光或發(fā)射光多少的感知屬性n例如。一

10、根點燃的蠟燭在黑暗中看起來要比在白熾光下亮n有色表面的明度取決于亮度和表面的反射率u感知的明度與反射率不成正比，認(rèn)為是一種對數(shù)關(guān)系n明度的主觀感覺值目前無法用物理設(shè)備測量u可用亮度(luminance)即輻射的能量來度量u用一個數(shù)值范圍表示，例如，010第5章 顏色的度量體系 13/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)7)u一個極端是黑色(沒有光)，另一個極端是白色，在這兩個極端之間是灰色明度常用垂直軸表示，見圖5-5(a)在圖5-5(b)中，七種顏色具有n相同色調(diào)和飽和度n不同的明度n底部的明度最小n頂部的明度最大 (a) 垂直軸表示法 (b) 示例圖5-5 明度表示法第5

11、章 顏色的度量體系 14/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)8)n亮度亮度(luminance)國際照明委員會定義的物理量輻射功率n用反映視覺特性的光譜敏感函數(shù)加權(quán)之后得到的輻射功率(radiant power)，并在555 nm處達(dá)到了峰值，它的幅度與物理功率成正比可認(rèn)為“亮度就像光的強(qiáng)度(intensity) ”n在CIE XYZ系統(tǒng)中，亮度用Y表示，其含義是單位面積上反射或發(fā)射的光的強(qiáng)度明度和亮度的關(guān)系不是線性關(guān)系，也不是同義詞n嚴(yán)格地說，亮度應(yīng)該使用像燭光/平方米(cd/m2)這樣的單位來度量，但實際上是用指定的亮度即白光作參考，并把它標(biāo)稱化為1或者100個單位。例

12、如，監(jiān)視器用亮度為80 cd/m2的白光作參考，并指定Y=1。 第5章 顏色的度量體系 15/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)9)n光亮度光亮度(lightness)根據(jù)國際照明委員會的定義，光亮度是人的視覺系統(tǒng)對亮度(luminance)的感知響應(yīng)值，并用L*表示為 其中， Y是CIE XYZ系統(tǒng)中定義的輻射亮度，Yn是參考白色光的輻射亮度光亮度也常作為顏色空間的一個維 3*116/16 (/)0.008856*903.3 (/), (/)0.008856nnnLY YY YLY YY Y，第5章 顏色的度量體系 16/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(

13、續(xù)續(xù)10)n顏色空間顏色空間表示顏色的一種數(shù)學(xué)方法n對人，可以通過色調(diào)、飽和度和明度來定義顏色n對顯示設(shè)備，用紅、綠和藍(lán)磷光體的發(fā)光量來描述顏色n對打印或印刷設(shè)備，使用青色、品紅色、黃色和黑色的反射和吸收來產(chǎn)生指定的顏色通常用三維模型表示n常用代表三個參數(shù)的三維坐標(biāo)來指定，這些參數(shù)描述顏色在顏色空間中的位置，但并沒有告訴人們是什么顏色，其顏色要取決于使用的坐標(biāo) 第5章 顏色的度量體系 17/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)11)例：圖5-6表示用色調(diào)、飽和度和明度構(gòu)造的HSB(hue, saturation，and brightness)顏色空間n色調(diào)用角度標(biāo)定，紅色標(biāo)為

14、0,青色標(biāo)為180n飽和度的深淺用半徑大小表示n明度用垂直軸表示圖5-6 色調(diào)-飽和度-明度顏色空間 第5章 顏色的度量體系 18/665.2 描述顏色的幾個術(shù)語描述顏色的幾個術(shù)語(續(xù)續(xù)12)n顏色空間有設(shè)備相關(guān)和設(shè)備無關(guān)之分顏色空間有設(shè)備相關(guān)和設(shè)備無關(guān)之分設(shè)備相關(guān)：指定生成的顏色與生成顏色的設(shè)備有關(guān)n例如，RGB顏色空間是與顯示系統(tǒng)相關(guān)的顏色空間，計算機(jī)顯示器使用RGB來顯示顏色，用像素值(例如，R250,G123,B23)生成的顏色將隨顯示器的亮度和對比度的改變而改變設(shè)備無關(guān)：指定生成的顏色與生成顏色的設(shè)備無關(guān)n例如，CIE L*a*b*顏色空間是設(shè)備無關(guān)的顏色空間，它建筑在HSV(hue

15、, saturation and value)顏色空間的基礎(chǔ)上，用該空間指定的顏色無論在什么設(shè)備上生成的顏色都相同。n“顏色空間顏色空間”與與“顏色模型顏色模型”“顏色空間(color space)”和“顏色模型(color model)”互為同義詞第5章 顏色的度量體系 19/665.3 顏色的度量體系概要顏色的度量體系概要n顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)(color system)定義：組織和表示顏色的方法，也稱顏色度量體系、顏色制或顏色體制方法：組織和表示顏色的主要方法n顏色模型(color model)：用簡單方法描述所有顏色的一套規(guī)則和定義u例子：RGB, HSB, CMY, CIE XYZ, C

16、IELAB，CMYK和顏色的光譜描述方法n編目系統(tǒng)(cataloging system)：給每一種顏色分配一個唯一的名稱或一個號碼u例1，Munsell顏色系統(tǒng)(Munsell Color System)第5章 顏色的度量體系 20/665.3 顏色的度量體系概要顏色的度量體系概要(續(xù)續(xù)1)u例2，Pantone顏色系統(tǒng)也稱Pantone顏色匹配系統(tǒng)(Pantone Matching System ，PMS) ，在圖形藝術(shù)和印刷技術(shù)中使用的一種顏色匹配系統(tǒng)，包含有500多種印墨顏色，每種顏色都指定了一個號碼準(zhǔn)確性n人們對物體產(chǎn)生某種光的感覺，一方面取決于電磁輻射對眼睛的物理刺激，另一方面取決于

17、眼睛的視覺特性n對顏色的標(biāo)定最終要符合人眼的視覺特性，因此，計算顏色的一些基本數(shù)據(jù)都是來自許多觀察者的顏色視覺實驗結(jié)果 概要見圖5-7第5章 顏色的度量體系 21/665.3 顏色的度量體系概要顏色的度量體系概要(續(xù)續(xù)2)圖5-7 顏色的度量方法1第5章 顏色的度量體系 22/665.4 Munsell顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)nAlbert H. Munsell1858-1919，美國杰出的藝術(shù)家和教授發(fā)表的著名論文n1905年：Color Notation (顏色表示法)n1915年：Atlas of the Munsell Color System (Munsell顏色制圖譜)開發(fā)了第一個廣泛被接

18、受的顏色次序制(color order system)，稱為Munsell color-order system或Munsell color system2，對顏色作了精確的描述并用在他的教學(xué)中Munsell顏色次序制是其他顏色系統(tǒng)的基礎(chǔ)nMunsell顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)精確指定顏色和顯示各種顏色之間關(guān)系的一種方法n每種顏色都有色調(diào)(hue)、明度值(value)和色度(chroma)三種屬性n建立了這三種屬性與視覺感知特性相一致的數(shù)值范圍，用Munsell顏色簿(Munsell Book of Color)顯示在這些數(shù)值范圍內(nèi)的一套色塊，每個色塊用數(shù)值表示n可用這套色塊確定任何表面的顏色屬于什

19、么色第5章 顏色的度量體系 23/665.4 Munsell顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)(續(xù)續(xù)1)1905年提出并在1943年修改的Munsell顏色系統(tǒng)使用色調(diào)、明度和飽和度表示顏色的三種屬性,見圖5-8(a)n色調(diào)被分成紅(R)、黃(Y)、綠(G)、藍(lán)(B)、紫(P)，這五種色叫做主色調(diào)(principal hues)，如圖5-8(b)所示u在主色調(diào)之間插入紅黃、黃綠、綠藍(lán)、藍(lán)紫，紫紅5種色調(diào)，連同5個主色調(diào)共10個色調(diào)，分別用R(Red)，YR(Yellow-Red)，Y(Yellow)，GY(Green-Yellow)，G(Green)，BG(Blue-Green)，B(Blue)，PB(Purp

20、le-Blue)，P(Purple)和RP(Red-Purple)表示，并且把它們放在等間隔的扇區(qū)上n度量顏色明暗的明度值(value)從白到黑被分成11個等級n度量顏色的飽和度或純度的色度(Chroma)被分成15等級Munsell制中的顏色用三個符號表示，寫成HVC(Hue，Value，Chroma)。例如，明亮的紅色應(yīng)該是5R 4/14，其中5R是色調(diào)，4是明度值，而14是色度第5章 顏色的度量體系 24/665.4 Munsell顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)(續(xù)續(xù)2)圖5-8 Munsell顏色系統(tǒng)(b) 色調(diào)(a) 顏色屬性第5章 顏色的度量體系 25/665.4 Munsell顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)

21、(續(xù)續(xù)3)nMunsell系統(tǒng)引起普遍重視的原因主要是：系統(tǒng)引起普遍重視的原因主要是：更清楚地把明度(指Munsell value)從色調(diào)和飽和度(指Munsell chroma)中區(qū)分開來。這樣就可用二維空間表示顏色，如色圓統(tǒng)一了對顏色的認(rèn)識，使顏色樣本之間的距離與感知的顏色差異相一致為顏色交流語言提供了一個清晰而不含糊的表示法。在Munsell顏色系統(tǒng)中，每一種顏色都有一個指定的位置這個系統(tǒng)仍被廣泛使用第5章 顏色的度量體系 26/665.5 Ostwald顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)nWilhelm Ostwald1853-1932，德國化學(xué)家發(fā)表的著名論文n在1916年出版了The Colour

22、Primer(顏色入門)n1918年出版了The Harmony of Colours(顏色的融合)nOstwald顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)根據(jù)對顏色起決定作用的波長、純度和亮度來映射色調(diào)、飽和度和明度的值假設(shè)色調(diào)由8種主色調(diào)組成n黃色(yellow)，橙色(orange)，紅色(red)，紫色(purple)，藍(lán)色(blue)，青綠色(turquoise)，海綠色(seagreen)和葉綠色(leafgreen)n每一種再細(xì)分成3種，共24種，安排在圖5-9所示的色圓上使用垂直軸表示亮度，從黑色、灰色到白色 第5章 顏色的度量體系 27/665.5 Ostwald顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)(續(xù)續(xù)1)(a) 色

23、調(diào) (b) 盤色度計圖5-9 Ostwald色圓和顏色表示法第5章 顏色的度量體系 28/665.5 Ostwald顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)(續(xù)續(xù)2)使用盤色度計(disc colorimeter)產(chǎn)生顏色，見圖5-9(b)nOstwald顏色空間中的點用C(full color)，W(white)和B(black)分別表示全色、白色和黑色，表示它們在一個圓上所占的百分比。例如，某一點的數(shù)值是30, 25, 45，它所表示的含義是全色占30%、白色占25%和黑色占45%。Ostwald制保留了幾十年，后被American Munsell和Swedish Natural Colour 制淘汰n原因: O

24、stwald制選擇的顏色在排列上不能滿足飽和度比較高的染料市場的需要。第5章 顏色的度量體系 29/665.6 CIE顏色系統(tǒng)顏色系統(tǒng)n物理三基色模型物理三基色模型RGB模型采用物理三基色，其物理意義很清楚，但它是一種設(shè)備相關(guān)的顏色模型。每一種設(shè)備(包括人眼和現(xiàn)在使用的掃描儀、監(jiān)視器和打印機(jī)等)使用RGB模型時都有不太相同的定義，盡管各自都工作得很圓滿，而且很直觀，但不能通用n理論三基色模型理論三基色模型為了解決這個問題，國際照明委員會的顏色科學(xué)家們企圖在RGB模型基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)的方法從真實的基色推導(dǎo)出理論的三基色，創(chuàng)建一個新的顏色系統(tǒng)，使顏料、染料和印刷等工業(yè)能夠明確指定產(chǎn)品的顏色 第5章

25、顏色的度量體系 30/665.6.1 顏色科學(xué)史上的兩次重要會議顏色科學(xué)史上的兩次重要會議n1976年國際照明委員會召開的會議，定義了年國際照明委員會召開的會議，定義了標(biāo)準(zhǔn)觀察者(Standard Observer)標(biāo)準(zhǔn)：普通人眼對顏色的響應(yīng)。該標(biāo)準(zhǔn)采用想象的X, Y和Z三種基色，用顏色匹配函數(shù)(color-matching function)表示。顏色匹配實驗使用2的視野(field of view)。標(biāo)準(zhǔn)光源(standard Illuminants)：用于比較顏色的光源規(guī)范。CIE XYZ基色系統(tǒng)：與RGB相關(guān)的想象的基色系統(tǒng)，但更適用于顏色的計算。CIE xyY顏色空間：一個由XYZ導(dǎo)

26、出的顏色空間，它把與顏色屬性相關(guān)的x和y從與明度屬性相關(guān)的亮度Y中分離開。CIE色度圖(CIE chromaticity diagram)：容易看到顏色之間關(guān)系的一種圖 第5章 顏色的度量體系 31/665.6.1 顏色科學(xué)史上的兩次重要會議顏色科學(xué)史上的兩次重要會議(續(xù)續(xù))n1976年國際照明委員會召開的會議年國際照明委員會召開的會議明確了1931的CIE系統(tǒng)規(guī)范存在的兩個問題：n用明度和色度不容易解釋物理刺激和顏色感知之間的關(guān)系n色度圖上表示的兩種顏色之間的距離與顏色觀察者感知的變化不一致，稱為感知均勻性(perceptual uniformity)問題，即顏色之間在數(shù)字上的差別與視覺感知

27、不一致 解決顏色空間的感知一致性問題n專家們對CIE 1931 XYZ系統(tǒng)進(jìn)行了非線性變換，定義了兩種顏色空間u用于自照明的顏色空間，稱為CIELUVu用于非自照明的顏色空間，稱為CIE 1976 L*a*b*或CIELABn這兩種顏色空間與顏色的感知比較均勻，并給了人們評估兩種顏色近似程度的一種方法，允許使用數(shù)字量E表示兩種顏色之差第5章 顏色的度量體系 32/665.6.2 CIE 1931 RGBnRGB顏色匹配函數(shù)顏色匹配函數(shù)匹配每種光波波長所需要的三種相加基色的相對量n該術(shù)語通常是指標(biāo)準(zhǔn)觀察者的顏色匹配函數(shù)顏色是物理量，對物理量可進(jìn)行計算和度量n產(chǎn)生用紅、綠和藍(lán)單光譜基色匹配所有可見

28、顏色的想法，并做了許多實驗1931年國際照明委員會綜合了不同實驗者的實驗結(jié)果，得到了RGB顏色匹配函數(shù)(color matching functions)，如圖5-10所示n圖上的橫坐標(biāo)表示光譜波長，縱坐標(biāo)表示用以匹配光譜各色所需要的 和 ，這些值是以等能量白光為標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)，是觀察者實驗結(jié)果的平均值 gr ,b第5章 顏色的度量體系 33/665.6.2 CIE 1931 RGB(續(xù)續(xù)1)為匹配在438.1 nm和546.1 nm之間的光譜色， 出現(xiàn)負(fù)值，表示需要使用補(bǔ)色國際照明委員會把三種單色光的波長分別定為n紅光(R)：700 nmn綠光(G)：546.1 nmn藍(lán)光(B)：435.8 n

29、m r圖5-10 1931 CIE RGB顏色匹配曲線(RGB Color Matching Curves)第5章 顏色的度量體系 34/665.6.2 CIE 1931 RGB(續(xù)續(xù)2)n標(biāo)準(zhǔn)白光標(biāo)準(zhǔn)白光Ew的匹配的匹配通過顏色匹配實驗，用紅、綠和藍(lán)三基色光匹配成白光時，所需紅、綠和藍(lán)基色光的光通量之比為1 4.5907 0.0601為便于計算，按比例規(guī)定了三基色光的單位,分別用R、G和B表示為R=1個紅基色光單位=1光瓦G=1個綠基色光單位=4.5907光瓦B=1個藍(lán)基色光單位=0.0601光瓦其中，1光瓦=680流明(lm) 標(biāo)準(zhǔn)白光Ew的顏色可用每個基色單位為1的物理三基色配出BGRC

30、wE111第5章 顏色的度量體系 35/665.6.2 CIE 1931 RGB(續(xù)續(xù)3)n其他顏色的匹配其他顏色的匹配根據(jù)三基色原理，任意一種顏色C可用下式匹配bBgGrRCr、g和b分別為紅、綠和藍(lán)三基色的比例系數(shù)，即三種單位基色光的光通量的倍數(shù)nr、g和b的大小決定顏色光的光通量nr、g和b之間的比例決定生成的顏色。因為三基色的總光通量必須與被表示的顏色相等，因此r、g和b之和必等于1,即 1bgrBGRC31. 063. 006. 0例：該式表示的顏色為偏綠色第5章 顏色的度量體系 36/665.6.3 CIE 1931 XYZ nCIE XYZ系統(tǒng)系統(tǒng)1931年國際照明委員會定義的顏

31、色空間n根據(jù)顏色科學(xué)家賈德(Judd)的建議n坐標(biāo)稱為CIE刺激值(tristimulus values)n用百分比表示X、Y和Z三種想象的相加基色的量設(shè)備無關(guān)的顏色系統(tǒng)n根據(jù)視覺特性和用顏色匹配實驗結(jié)果定義的n規(guī)定X、Y和Z基色都用正數(shù)去匹配所有的顏色，并用Y值表示人眼對亮度(luminance)的響應(yīng)n每種顏色都可表示成想象的基色X、Y和Z的混合n與可見的顏色不對應(yīng)第5章 顏色的度量體系 37/665.6.3 CIE 1931 XYZ(續(xù)續(xù)1)nCIE 1931標(biāo)準(zhǔn)顏色匹配函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)顏色匹配函數(shù) （CIE 1931 Standard Color Matching Functions）見圖5-

32、11n橫坐標(biāo)表示可見光譜的波長，縱坐標(biāo)表示X、Y和Z基色的相對值n 和 是顏色匹配系數(shù) n三條曲線表示X、Y和Z三基色刺激值如何組合以產(chǎn)生可見光譜中的所有顏色 n例，匹配波長為450 nm的顏色(藍(lán)/紫)需要u0.33單位的X基色u0.04單位的Y基色u1.77單位的Z基色用標(biāo)準(zhǔn)觀察者(Standard Observer)的實驗數(shù)據(jù)n為表示普通人眼的顏色響應(yīng)而采用的觀察者標(biāo)準(zhǔn),其視野角或稱視場角(viewing angle)為2 ,xyz第5章 顏色的度量體系 38/665.6.3 CIE 1931 XYZ(續(xù)續(xù)2)圖5-11 CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)顏色匹配函數(shù)第5章 顏色的度量體系 39/66

33、5.6.3 CIE 1931 XYZ(續(xù)續(xù)3)nRGB和和XYZ之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 和 1931 CIE X、Y和Z基色 和 1931 CIE R、G和B基色 轉(zhuǎn)換關(guān)系為,xyz ,r gbBGRZYX0.99 0.010000 0.0000000.01 0.812400 0.1769620.20 0.310008 0.489989第5章 顏色的度量體系 40/665.6.3 CIE 1931 XYZ (續(xù)續(xù)4)nCIE 1931 XYZ顏色空間顏色空間X，Y和Z三基色刺激值概念的理論基礎(chǔ)n人的眼睛有紅、綠和藍(lán)三種感受器n所有顏色都被認(rèn)為由三種基色混合而成從圖5-12中可看到：n坐標(biāo)

34、軸在實心錐體內(nèi)，黑色位于坐標(biāo)原點n曲線邊界稱為光譜軌跡(spectral locus)n光譜軌跡上的波長是單一的，其數(shù)值表示可能達(dá)到的最大飽和度n 所有可見光都在錐體上 圖5-12 CIE 1931 XYZ顏色空間第5章 顏色的度量體系 41/665.6.3 CIE 1931 XYZ (續(xù)續(xù)5)n配色方程配色方程XYZ中任何一種顏色都可用三種基色單位表示, ZYXZYXC其中，C 表示顏色，X，Y和Z為三個基色單位； X，Y和Z 均為正的基色系數(shù)；合成的顏色光的色度由X，Y和Z的比值確定當(dāng)X=Y=Z=0時，合成白光Ew， 總的輻射能量測量光源的光譜和獲得X, Y和Z三種基色值的過程是用分光輻射

35、度計(spectroradiometer)自動完成的 ZYX第5章 顏色的度量體系 42/665.6.4 CIE 1931 xyY n從從XYZ到到xyY顏色空間顏色空間 CIE XYZ的特點n三基色刺激值X、Y和Z對定義顏色很有用n使用比較復(fù)雜，且不直觀1931年CIE定義CIE xyY顏色空間n對給定顏色，若增加其明度，則每種基色的光通量要按比例增加才能匹配該顏色，說明當(dāng)顏色點離開原點(0，0，0 )時，X:Y:Z的比值保持不變 n色度值僅與波長(色調(diào))和純度有關(guān)，與總輻射能量無關(guān)，因此在計算顏色的色度時，把X、Y和Z值相對于總輻射能量=(X+Y+Z)規(guī)格化，并只需考慮它們的相對比例ZYX

36、XxZYXYyZYXZzzyx,稱為三基色相對系數(shù)第5章 顏色的度量體系 43/665.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)1)n配色方程可規(guī)格化為 x+y+z=1n由于三個相對系數(shù)之和恒為1，這就相當(dāng)于把XYZ顏色錐體投影到 X+Y+Z=1的平面。見圖5-13n由于z可從x+y+z=1導(dǎo)出，因此不考慮z ，而用兩個系數(shù)x和y表示顏色，并繪制以x和y為坐標(biāo)的二維圖形。n這就相當(dāng)于把X+Y+Z=1平面投射到XY平面，即Z=0的平面，這就是CIE xyY色度圖 圖5-13 1931 CIE顏色空間上X+Y+Z=1的平面第5章 顏色的度量體系 44/665.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)2

37、)nCIE 1931 xyY色度圖色度圖從XYZ直接導(dǎo)出的xyY顏色空間，顏色用亮度Y參數(shù)和顏色坐標(biāo)x與y表示見圖5-14n用標(biāo)稱值表示。 Y值與XYZ中的Y刺激值一致，用于表示顏色的亮度或光亮度； x表示紅色分量，y表示綠色分量 ，用于在二維圖上指定顏色n在圖(a)中，A點在色度圖上的坐標(biāo)是x0.4832，y0.3045，它的顏色與紅蘋果的顏色相匹配n在圖(b)中，E點代表白光，它的坐標(biāo)為(0.33，0.33)n在邊界上的顏色是光譜色，邊界代表光譜色的最大飽和度，邊界上的數(shù)字表示光譜色的波長n舌形曲線包含所有的感知色調(diào), 自然界中各種實際顏色都位于這條閉合曲線內(nèi)nRGB系統(tǒng)選用的物理三基色在

38、色度圖的舌形曲線上第5章 顏色的度量體系 45/665.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)3)(a) 色度圖(b) 輪廓圖圖5-14 CIE 1931色度圖第5章 顏色的度量體系 46/665.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)4)nCIE xyY色度圖上看色調(diào)和飽和度色度圖上看色調(diào)和飽和度直觀表示顏色的色調(diào)和飽和度，如圖5-15所示nE代表等能白光，飽和度為0；舌形上譜色光的飽和度為100%等色調(diào)波長線n標(biāo)準(zhǔn)白光E的坐標(biāo)點W與譜色軌跡上波長為的某點M的連線n連線WM線上各點的彩色均有與M點相同的色調(diào)，只是滲入白光的程度不同；或者說，直線上任何一點的波長均與譜色軌跡上那點的單色波長相同

39、。如M點的波長為540 nm，WM線上各彩色點的波長均為540 nm。n由W點與譜色軌跡上任一點相連的直線都是等色調(diào)波長線等飽和度線n飽和度相同的各點的連線n在等色調(diào)波長線WM上，彩色光越靠近W點，表示白光成分越多，飽和度越低，到W點則成為白光；相反，彩色光越靠近譜色軌跡，則表示白光成分越少，飽和度越高，即顏色越純利用CIE xyY色度圖上的等色調(diào)線和等飽和度線，可從色度圖上直觀地看出一種彩色的色調(diào)和飽和度 第5章 顏色的度量體系 47/665.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)5)圖5-15 CIE 1931色度圖中的等色調(diào)波長線和等飽和度線第5章 顏色的度量體系 48/665.6.4

40、CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)6)n色度圖上看色域色度圖上看色域閉合曲線所包圍的區(qū)域稱為色域(gamut)，見圖5-16在顯示設(shè)備中，色域是指顯示設(shè)備所能顯示的所有顏色的集合n有一些顏色是不能由顯示設(shè)備發(fā)出的紅、綠和藍(lán)三種熒光混合而成的，因此就不能顯示這些顏色。色域的劃分n在色度圖上，白光區(qū)域以外的部分代表不同的顏色n一種區(qū)分顏色的方法是把色度圖上的所有顏色分成23個區(qū)域，在每個區(qū)域中，顏色差別不大。利用它可以大致判斷某種顏色在色度圖上的坐標(biāo)范圍n圖5-16表示了印刷、繪畫等所用顏料可重現(xiàn)的彩色范圍 第5章 顏色的度量體系 49/665.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)7)(a) 英文名

41、稱(b) 中文名稱圖5-16 XYZ系統(tǒng)色域圖 第5章 顏色的度量體系 50/665.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)8)n彩色電視的色度范圍彩色電視的色度范圍彩色顯像管利用混色法重現(xiàn)顏色n因目前的技術(shù)還不能直接采用CIE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)光譜三基色：700 nm(R)、546.1 nm(G)和435.8 nm(B)，因此用紅、綠、藍(lán)三種熒光粉發(fā)出的非譜色光作為顯像三基色光選擇顯像三基色要求：n在混合時應(yīng)獲得盡可能多的彩色，使顯示的圖像色調(diào)豐富，在色度圖中就是由三基色構(gòu)成的三角形面積盡可能大n基色的亮度應(yīng)足夠亮，這就要求熒光粉的發(fā)光效率要高，以獲得必要的圖像亮度第5章 顏色的度量體系 51/66

42、5.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)9)彩色電視制式不同，三基色熒光粉不同n三基色熒光粉的標(biāo)準(zhǔn)白光以及在色度圖上的坐標(biāo)見表5-1n根據(jù)表5-1所列顯像三基色的色度坐標(biāo)，可確定它們在色度圖中的位置n把NTSC制或PAL制所選用的三基色R，G和B三點連起來構(gòu)成一個三角形，其中的任何一種顏色都可以用R, G和B匹配，三角形面積反映顯像管能重現(xiàn)的彩色的最大范圍n圖5-17表示NTSC和PAL顏色電視重現(xiàn)顏色的范圍n圖5-18表示打印設(shè)備、電視和電影等設(shè)備重現(xiàn)顏色的范圍 制式NTSC制PAL制基色與光源RNGNBNCERPGPBPD65色坐標(biāo)x0.670.210.140.3100.640.290.

43、150.313y0.330.710.080.3160.330.600.060.329表5-1 顯像三基色的色度坐標(biāo)第5章 顏色的度量體系 52/665.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)續(xù)10)圖5-17 NTSC和PAL電視重現(xiàn)的顏色范圍 圖5-18 幾種設(shè)備重現(xiàn)的顏色范圍第5章 顏色的度量體系 53/665.6.5 CIE 1960 YUV和和CIE YUVnCIE 1960 YUV由CIE 1931 xyY經(jīng)過線性變換之后得到的顏色空間在色度圖中，代表兩種顏色的兩個點之間的色差與對顏色感知的差別是均勻的。其中的Y與XYZ或xyY中的Y相同坐標(biāo)定義如下 261.5xuyx361.5yvy

44、xnCIE 1960 YUV為了進(jìn)一步減少色差與感知的非線性，CIE開發(fā)了CIE YUV顏色空間。其中的Y沒有改變， u和v坐標(biāo)定義如下261.5xuuyx 4.51.561.5yvvyx第5章 顏色的度量體系 54/665.6.6 CIE 1976 LUV nCIE 1931 xyY色度圖色度圖的缺點：的缺點：明度沒有反映感知非均勻n兩種顏色之間的距離與這對兩種顏色感知的色差有差異n見圖5-19，在不同區(qū)域中的線段長度不相等u表示對顏色的感知不均勻。較短的線段表示對顏色的變化較敏感u長度差別表示色度圖中各部分之間的畸變量 圖5-19 CIE 1931 xyY色度圖的感知均勻性第5章 顏色的度

45、量體系 55/665.6.6 CIE 1976 LUV(續(xù)續(xù)1)n CIE 1960 Luv色度圖色度圖均勻色度換算(uniform chromaticity scale，UCS)方案n借用Munsell的思想，首先把亮度和顏色完全分開，然后使用數(shù)學(xué)公式把CIE 1931 XYZ中的x，y坐標(biāo)變換到一個名為u, v的新坐標(biāo)系，得到比較精確的色度圖，見圖5-20n與圖5-19所示的1931 CIE色度圖相比，藍(lán)色-紅色部分伸長了，白光光源移動了，綠色部分減少了nCIE 1976 Luv色度圖色度圖 1976年對CIE 1960 Luv作了進(jìn)一步改進(jìn)n把u, v重新命名為u, v ，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換得

46、到更加均勻的色度圖，見圖5-21，稱為CIE 1976 Luv色度圖，也稱CIE 1976 UCS色度圖第5章 顏色的度量體系 56/665.6.6 CIE 1976 LUV(續(xù)續(xù)2)圖5-20 CIE 1960 Luv色度圖圖5-21 CIE 1976 Luv色度圖第5章 顏色的度量體系 57/665.6.6 CIE 1976 LUV(續(xù)續(xù)3)nCIE 1976 LUV/ CIE 1976 L*u*v*/CIELUV為解決刺激值Y(亮度)的非線性問題，CIE定義了一個均勻的光亮度比例(uniform lightness scale)，L*，其值從0(黑色)100(白色)。CIE使用L*，u,

47、 v定義了L*u*v*顏色空間，稱為CIELUV或Luv顏色空間，也稱CIE 1976 L*u*v*顏色空間顏色空間定義的三個分量如下13116()16*903.3()nnnnYYYYLYYYY 0.008856 0.008856如果如果*13 *( ) *13 *( )nnuLuuvLvv，第5章 顏色的度量體系 58/665.6.6 CIE 1976 LUV(續(xù)續(xù)4)其中 nnnnnnnnnnZYXYvZYXXuyxyZYXYvyxxZYXXu31593154112293159112243154, nnnnnXY Z uv和是CIE標(biāo)準(zhǔn)光源的坐標(biāo)，是三刺激值 CIELUV顏色空間比CIE

48、xyY感覺更均勻，在有源產(chǎn)品(如電視機(jī)、顯示器和受控光源等)中得到廣泛應(yīng)用第5章 顏色的度量體系 59/665.6.7 CIE 1976 LABnCIE 1976 LAB是什么是什么CIE 1931 XYZ顏色空間的一種數(shù)學(xué)變換使用最廣泛的物體顏色度量方法，并作為度量顏色的國際標(biāo)準(zhǔn)可簡寫為CIELAB，也稱CIE 1976 L*a*b* (簡寫為CIE L*a*b*)顏色空間，或稱為CIELAB/CIEL*A*B*色差制(CIELAB color difference metric)n CIE 1976 L*a*b*和和CIE 1931 XYZ顏色空間顏色空間相同之處n使用相同的基本原理，即顏色是光、物體和觀察者組合的結(jié)果n三種基色值是用CIE定義的光、物體和觀察者的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得到的第5章 顏色的度量體系 60/665.6.7 CIE 1976 LAB(續(xù)續(xù)1)不同之處nCIE 1976 L*a*b*是建筑在對色視覺理論(opponent color theory of vision)之上的顏色空間，CIE 1931 XYZ是建筑在三基色理論之上的顏色空間注：對色視覺理論Ewald Hering理論n Ewald Hering(1834-1918)是德國籍奧地利的生理和心理學(xué)家n與Helmholtz的三色理論相反的成對出現(xiàn)的四色理論u19世紀(jì)70年代，他認(rèn)