现代色度学-第二章CIE标准色度系统part1

第二章CIE标准色度系统(CIEcalorimetricsystem)ThreePartiesinColorimetry物体（Objects）–观察模式（Viewinggeometries）观察者（Observers）–标准观察者（Standardobservers）照明（Illuminants）–光源（Lightsources）黑体辐射（Black-bodyradiators）CIE照明（CIEilluminants）图1-9.人眼知觉颜色三要素：光源、物体、人眼(及大脑)图1-10.视觉知觉颜色过程∫=λλλdELL)()(∫=λλλdEMM)()(∫=λλλdESS)()(（1-1）人眼三种类型的锥细胞，每一种锥细胞吸收光后，将入射到它上面的所有波长的光谱融合编码成三种信号L、M、S，分别对应每个锥细胞吸收光的数量。这一过程也成为所有颜色测量及辐射探测器的设计原理。其中E(λ)是入射光谱，L(λ)、M(λ)、S(λ)分别是L、M、S锥细胞光谱响应。ColorStandard„当我们使用颜色时，需要一个标准如，采用红/绿/蓝(RGB)的彩色显现管：(1)RGBcannotrepresentallcolors；(2)RGBdifferfromonedevicetoanother目录（6课时）2.1前言2.2颜色匹配实验（CIEColorMatchingExperiment）2.3CIE1931-RGB2.4CIE1931-XYZ（2°视场XYZ）2.5CIE1964补充标准色度系统（10°视场X10Y10Z10）2.6CIE标准照明体和标准光源2.7均匀色空间(uniformcolorspace)2.7.1亮度与明度2.7.2颜色分辨力2.7.3CIE1960UCS均匀色空间2.7.4CIE1964W*U*V*均匀色空间及色差公式2.7.5CIE1976L*u*v*均匀色空间及色差公式2.7.6CIE1976L*a*b*均匀色空间及色差公式2.7.7其它色差公式(Colourdifferenceformula)ƒ研究题目2.1前言„物体颜色的定量度量(Measuringcolour)是很复杂，它涉及观察者的视觉生理、视觉心理以及照明条件、观察条件等因素。„格拉斯曼颜色混合定律。9人的视觉只能分辨颜色的三种变化，即明度、色调和饱和度。9视觉实验：任何颜色都可以用三个单色光(线性无关)的合成。9格拉斯曼第一混色定律(1854年):C=Rc(R)+Gc(G)+Bc(B)第二混色定律:C3=C1+C2=(R1+R2)(R)+(G1+G2)(G)+(B1+B2)(B)图2-1射入人眼光的光谱强度分布决定了发光体或反射和透射物体的颜色。λE„物体颜色是人眼视觉系统对射入的光谱分布的感知结果。人眼感觉颜色是三维的，不能感觉出光谱分布。ƒ按照混色原理，选择三个单色光后，对所有的颜色(即不同的光谱)都进行混色实验，就可以得出任何颜色光的混合比例，也就是说，用这三个比例系数可以描述颜色了。9选择三种红、绿、蓝单色光（R）、（G）、（B），称三原色光；9视觉匹配(称为颜色匹配实验)有限个整数波长的光，原理如下:ƒ解决方案及原理ƒ问题是，实验混合出所有可能的色光是无法实现的。[]λ∆⋅++=)()()('''BBGGRCCCR)B(B)G(G)R(RCCC++={[][]}10)()()((......)()()((700700700400400400⋅++++++=BbGgRrBbGgRrλE……第二混色定律第一混色定律[]λ∆⋅+⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅+=))(())(())((700400700400700400BbbGggRrr......101041040010700400700400+⋅+⋅=⎯⎯⎯→⎯∆⋅=⋅==∆==∑∫CCCdCCλλλλλλλ如取任何复色光结果：可以三原色光前面的系数RC、GC、BC描述任何(复色)光C，或者说，(复色)光的三维坐标。不同的色光，坐标不同。λE……图2-2.不同光谱强度分布9但是，不同的光谱，某一波长强度不同，匹配系数不同！如图2-2。9视觉匹配有限个整数波长的光,且每一波长具有相同能量(称等能光谱),如图2-3。∑=∆⋅⋅=700400λλλλrkRC∑=∆⋅⋅=700400λλλλbkBC∑=∆⋅⋅=700400λλλλgkGC任何色光三个坐标：{[][]}λ∆⋅++++++=)()()((......)()()((700700700700400400400400BbGgRrkBbGgRrkC任何色光其中k就是光谱强度分布！应该是相对光谱强度！λE图2-3.等能光谱{[][]}λ∆⋅++++++=)()()((......)()()((700700700400400400BbGgRrBbGgRrC等能光2.2颜色匹配实验（CIEColorMatchingExperiment）通过改变参加混合各色的量，是混合色与指定色在视觉上相一致的过程，称之为颜色匹配。(A)颜色转盘法：利用改变R、G、B三扇形面积调整色调、饱和度；改变黑色扇形面积调明度。图2-4.匹配实验-转盘法(B)色光混合匹配实验：配色时，调节R、G、B三色的光强度，直到混合色与指定色C相一致。图2-5.匹配实验-色光混合图2-6.匹配实验-色光混合2.3CIE1931RGB„CIE。为了能够得到一致的度量，国际照明委员会（InternationalCommissiononIllumination-ComissionInternationaledel’Eclairage-简称CIE）规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统(CIEcalorimetricsystem)。CIEStandard•Humanperceptionbasedstandard(1931),establishedwithcolormatchingexperiment•Standardobserver:acompositeofagroupof15to20peopleTheCIEstandardobserver9TheCIEstandardobserverresultedfromexperimentswhereobserverswereaskedtomatchmonochromaticwavelengthsoflightwithmixturesofthreeprimaries.9Thestandardobserverisinfactatableshowinghowmuchofeachprimarywouldbeused(byanaverageobserver)tomatcheachwavelengthoflight.[说明]科学研究问题都是从简单到复杂，“CIE1931色度学系统”采用标准观察者，采用固定环境尽可能消除环境影响。这种色度学系统叫“孤立色”，而考虑环境等因数叫“相关色”。给出相关色颜色参数（及色貌）的计算模型叫色貌模型（ColorAppearanceModels：CAM）。研究图象色貌是一个更复杂问题，但有非常重要的应用。匹配实验步骤：）个单位）个单位）个单位BbGgRrC1(1(1(++=λ1）选择三原色光。CIE1931色度学系统使用：2）三原色光与等能白光（也叫E光源）相匹配，确定“1个单位”的三原色在等能光谱色的数量。λE图2-7.等能光谱，1)(S=λ•(R),(G),(B)三原色单位的亮度比：1.0000：4.5907：0.0601•辐照度比(radianceratios)：72.0962：1.3791：1.0000补充：光度学辐照度(Radiosity)是指照射在样品上的光的能量，单位W/m2，例如太阳辐照度G≥700w/m2。光谱辐照度是光谱辐射计量中最基本的参数，是研究各种辐射源及光电探测器特性的重要依据。光亮度在数值上等于光源的单位面积向法线方向单位立体角发射出去的光通量。单位：cd/m2（candela/平方米）3）三刺激值(Thetristimulusvalues)：匹配所有单色光，得到每个单色光需要用三原色匹配的大小(实际只匹配等间距∆λ=5nm单色光)，这个大小就叫做这个单色光的三刺激值，也叫“光谱三刺激值”，也称“颜色匹配函数:CMF”。）（）（）（单色光BbGgRrC++=其中，(R)、(G)、(B)是匹配颜色中每个三原色“1个单位”，如560nm的三刺激值：00130.0b.......19702.0g......09096.0r−===图2-8.光谱三刺激值曲线(或颜色匹配函数))(bλ)(gλ)(rλ4)“光谱三刺激值”出现负值。颜色匹配采用右图。CIEColorStandard：RGBColorMatchingFunctions图2-9.CIERGB颜色匹配函数RGBColorMatchingFunctions5)计算任意光谱分布函数色光的三刺激值：∫∑∆≈=λλλλϕλλλϕ700400)()()()(rkdrkR∫∑∆≈=λλλλϕλλλϕ700400)()()()(gkdgkG∫∑∆≈=λλλλϕλλλϕ700400)()()()(bkdbkB其中：ϕ(λ)是色光的光谱分布函数，或颜色刺激函数；K叫归化系数，目的是为了规定三刺激值的最大值。从公式可以看出，一种颜色的三刺激值R、G、B大小可以设定，但各自在R+B+G中所占相对比例是确定的，这个比值叫色品坐标。其中：S(λ)是光源的相对光谱分布函数；ρ(λ)是反射物体光谱反射系数；τ(λ)是透射物体光谱透射系数；β(λ)是物体光谱辐亮度函数；？K叫归化系数，目的是为了规定三刺激值的最大值。6)由光源光谱分布函数和物体反射系数或透射系数计算三刺激值：)()()(λλρλϕS⋅=)()()(λλβλϕS⋅=)()()(λλτλϕS⋅=•当被测物体是自发光体时，ϕ(λ)为发光物体辐射的相对光谱分布；•被测物体是非发光体时，透明体和不透明体的颜色刺激函数分别为：∫∑λλ∆λλρλ≈λλλρλ=700400)(r)()(kSd)(r)()(kSR∫∑λλ∆λλρλ≈λλλρλ=700400)(g)()(kSd)(g)()(kSG∫∑λλ∆λλρλ≈λλλρλ=700400)(b)()(kSd)(b)()(kSB例如反射体：物体光谱辐亮度光谱辐亮度因数是在多色光照明下,来自荧光物体表面的反射和发射的辐亮度与在相同照明观测条件下非荧光参考样品的反射辐亮度之比。BGRRr++=BGRBb++=BGRGg++=7）色品坐标图2-10.CIERGB色品坐标2.4CIE1931-XYZ(2°视场XYZ)z“CIE1931-RGB系统”是从实验得出的，可以用于计算任何光谱颜色，但计算中出现负值，不容易理解，使用不便。所以，在1931年CIE推荐了一个新的国际通用的色度系统：“CIE1931-XYZ”。z采用三个假想的三原色X，Y，Z匹配等能光谱得到的三刺激值，定名为“CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE1931标准色度观察者”。这个系统叫做“CIE1931标准色度系统”，也称作“2°视场XYZ色度系统”。z“CIE1931标准色度系统”是由“CIE1931-RGB”系统推导来的。2.4.1起源XYZSpectralPowerDistribution光谱强度分布x•Nonnegativeoverthevisiblewavelengths.•The3primariesassociatedwithxyzspectralpowerdistributionareunrealizable(negativepowerinsomeofthewavelengths).•ywaschosentoequalluminanceofmonochromaticlights.2.4.2CIE1931光谱三刺激值(或颜色匹配函数)图2-11.CIE1931光谱三刺激值曲线(或颜色匹配函数))(),(),(λλλzyxWavelength(nm)Tristimulusv