搜索
第五章颜色混色系统—ＣＩＥ色度学系统自然界中对于颜色的表示有多种方法。作为颜色的表示方法，应该具有准确性和数量化，不能受到主观因素的影响，也不能因为时间和空间的变化而改变。目前世界上比较著名的描述颜色的方法有两大类：一类是显色系统表示法，一类是混色系统表示法。颜色显色系统表示法是指显色在收集各种实际色样的基础上，根据颜色的外貌，按直观的视觉感受将颜色进行有系统的、有规律的归纳和排列，并给各色样以相应的标记。目的世界上有多种显色系统，如：孟塞尔系统、奥斯瓦尔德系统、瑞典自然色系统、中国颜色体系等。这些系统都能较好地表达颜色。CIE色度学系统提供了一种较准确的颜色混色表达方法，它是根据“任何色彩都可以由色光三原色以适当比例混合匹配而得到”这一原理建立的，利用颜色三刺激值来定量地表示颜色，这一表色系统称为混色系统。利用色光三原色红、绿、蓝这三色光可混合匹配出所想要的任何色彩的颜色。在色彩学中，把三原色光对人眼的视觉刺激量称为颜色三刺激值（TristimulusValucs）。色彩给人的感觉就可以用色光的三刺激值大小来定量的表示。利用这一系统不仅能够用具体数量来表示颜色，而且还可以对颜色进行复杂的计算。第一节颜色匹配一、颜色匹配根据格拉斯曼颜色混合定律，外貌相同的颜色可以相互代替，而且可以通过匹配实验的方法来获得。将两颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫做颜色匹配。进行匹配实验，是依颜色相加混合的方法，改变一个或两个颜色的亮度、色相、饱和度，使两者达到匹配。将两颜色调节到视觉感受相同或相等的方法叫做颜色匹配。颜色匹配就是将不同的颜色以不同的比例进行混合，从而得到一种与原色样具有相同颜色效果的新颜色的过程。颜色匹配有色光的匹配和色料的匹配二种。色光的匹配是利用色光加色法的原理，色料的匹配利用色料减色法原理来实现。进行颜色匹配，是根据颜色相加混合的方法，改变一个或两个颜色的亮度、色相、饱和度与另一颜色达到视觉上相同。一、颜色匹配实验[P88]要达到颜色匹配可以通过颜色匹配实验来完成。由于原色混合后可以得到几乎所有的颜色，所以颜色匹配实验所用的混合色往往选取原色。1.利用颜色转盘进行颜色混合来实现颜色匹配是常用的方法。颜色转盘由四块不同颜色的圆盘组成，通常用Ｒ、Ｇ、Ｂ三种颜色和一块黑色。圆盘由中心至边缘剪开一直缝，以便于四块圆盘交叉叠放，成为四块扇形颜色表面。为了单独地改变红.绿和蓝色扇形面积的比例，须有一块黑色扇形面。这一黑色扇形面还可以用来调节亮度。当转盘快速旋转时，眼睛便会看到一个混合色，若将另一被匹配的颜色圆盘(c)放于转盘的中心部位，把四色扇形面放在转盘的外圈，调节三种颜色面积的比例，就实现了颜色匹配。这种方法精度不够、方法简单，适合做演示实验。2.比较精确的颜色匹配是用色光来实现的。如下图，在图的左方有一白色屏幕，中间由一黑挡板隔开。在挡板上方，是R、G、B三原色光照在屏幕的上半部，光强度可调节；下方待测色光，照在屏幕的下半部。屏幕上反射出的光通过一个小孔到达右方观察者的眼中，在小观察孔的周围还有一定范围的白色背景板。图中右上方有一光源，它投射到小孔周围的白板上形成一圈色光叫做背景，这个光源的颜色与强度也可以调节。开始实验，将黑挡板下方的光色固定，然后通过调节黑板上方三原色光的强度来达到与黑挡板下方的色光一致，当在视场上两部分颜色相同时，视场中的分界线消失，两部分合为同一视场，这说明待测色光与三原色的混合色光达到了颜色的匹配。用不同的色光照射到白色屏幕的同一位置上而达到混合，混合后的光线作用于视网膜上，产生一个新的颜色。RedGreenGreenBlueBlue测试光源白屏幕黑色挡板观察者颜色匹配中，形成背景的光源作用：1、颜色匹配不受观察者眼睛预先曝光的影响，在一种适应光照明下相互匹配的两种颜色，在另一种适应光照明下，颜色仍然匹配。2、颜色匹配也不受照明水平的影响，只要维持在通常的亮度水平上，颜色匹配总是成立。这一规律是颜色匹配的基本定律，称为颜色的匹配恒常性。在颜色的匹配实验中，由三原色形成的颜色的光谱组成与被匹配色光的光谱组成不一定是相同的，这种颜色匹配称为“同色异谱”的颜色匹配。所以，由三原色光混合得到的与匹配色相同的颜色只代表颜色的外貌，而不能保证其光谱组成都与待匹配色相同。即颜色匹配实验只是外在形式上的相同，而不是本质上的相同。二、颜色匹配方程1、颜色方程颜色转盘和颜色光的匹配可以用数学的形式来表示，以（C）代表被匹配的颜色，以（R）、（G）、（B）代表红、绿、蓝三原色，以R、G、B分别代表红、绿、蓝三原色数量(三刺激值)，可以得到如下的颜色方程。(C)≡R(R)+G(G)+B(B)式中”≡”是代表匹配的含义，即视觉上相等。颜色转盘实验中，如果被匹配的颜色(转盘中心)饱和度很大，仍用红、绿、蓝三原色可能实现不了颜色的匹配，可以将外圈的一种颜色加到中心被匹配的颜色上。而外圈上只用两种原色(加黑色)与中心的颜色进行匹配，当各种颜色的扇形面调节到适当比例时便可达到中心与外圈的颜色匹配，匹配关系可用下式表示。(C)+B(B)≡R(R)+G(G)(C)≡R(R)+G(G)-B(B)同样，在利用色光进行的颜色匹配实验中，如果待匹配的颜色是一种饱和度很高的颜色，利用红、绿、蓝三原色的混合光去进行匹配，也很难匹配出这种颜色。这时可将少量的三原色中的一种颜色加到待匹配色一侧，用剩余的两种原色去进行匹配，便可以达到匹配的目的。这种情况下的匹配方程与颜色转盘实验中的颜色方程相同。这种调整匹配方式的情况经常出现。比如可见光谱中的黄色光，用红、绿、蓝三原色就很难匹配到准确的效果，如果把少量的蓝光加到黄色光的一侧，而只用红光和绿光去混合，就能获得合适的效果。2、光谱三刺激值在颜色匹配实验中，待测色可以是可见光谱中的任何一种颜色。一种波长的单色光可以用一组三刺激值R、G、B来匹配，对不同波长的单色光就可以用一系列的颜色匹配实验，可以得到对应于各种波长的单色光的三刺激值。当匹配相等能量光谱色时，所需三原色光的数量称为光谱三刺激值。用R、G、B表示三刺激值，匹配波长λ的等量光谱色Cλ颜色方程表示为：（Cλ）=R(R)+G(G)+B(B)上式中光谱三刺激值R、G、B之一可能是负值，由此可知颜色既具有大小又具有方向性，颜色为矢量。3、颜色空间与颜色矢量[补]颜色混合定律表明：自然界中任何一种颜色均可以用红、绿、蓝三原色混合匹配产生。这在几何中能够用三个互相垂直的轴所构成的空间坐标系统来表示（如下图），这一空间称为三维颜色空间或三刺激值空间。rgbc确定三维颜色空间坐标系统的唯一条件是：三个轴过一公共点“O”，但不共面，表明它们与线性无关。从色度学的观点来看，就是该三原色是相互独立的，任何一个原色均不能由其余两个原色混合匹配产生。三个原色相互独立，任何一个原色的单位矢量其长度与三原色的单位量相对应，可采用不同的方法来确定。在上述内容中，出现了负的刺激值。负刺激值对于颜色匹配的影响很特殊。例如：色彩三刺激值R=3，G=4，B=4，匹配产生淡青色；色彩三刺激值R=-3，G=4，B=4，匹配产生饱和青色。要产生饱和青色，需要4个单位绿色和4个单位蓝色，再减去3个单位的红原色。在彩色电视、彩色照相和彩色印刷中，颜色的负数标定是不可避免的。任何在三原色系统色域内的色彩，均可用三原色正数表示，该色域就是由三原色坐标轴与单位平面相交所构成的三角形。任一颜色矢量只要它的色度点位于平面三角形内，则该颜色矢量就在该色域内。若颜色矢量落于色域外面，则在三刺激值中就有一个或两个刺激值变为负数。4、三刺激值的计算公式[补]虽然可以通过颜色匹配实验得到各种颜色的三刺激值，但在实际应用中不可能都用颜色匹配实验去得到各色的三刺激值。因此，通过计算方法得到颜色三刺激值更为实用和科学。根据格拉斯曼混合定律可知，混合色的三刺激值为各组成色的三刺激值之和。这不仅适用于二种色光，也可推广到多种色光的相加。由于任意颜色光都可以分解成单色光，因此可以将各单色光的光谱三刺激值预先测得，列成数据表格，则根据混色原理就可以计算出各种色光的三刺激值了。假如待测光的光谱分布函数为∮（λ），按波长加权光谱三刺激值，得出每一波长的三刺激值，再进行积分，就可得出待测波长的三刺激值了。R=k·∮（λ）·R（λ）·dλG=k·∮（λ）·G（λ）·dλB=k·∮（λ）·B（λ）·dλ有了这一公式，对于各色光波长的计算不仅有了计算依据，而且避免了重复实验的麻烦，为色度学计算打下基础。λλλ三、色品坐标与色品图在色度学中不是直接利用三原色数量（三刺激值）来表示颜色，而是用三原色各自在（R+G+B）总量中的比例来表示颜色。三原色各自在R+G+B总量中的相对比例叫做色品坐标。某一颜色的色品坐标可分别用r、g、b表示。r=R/R+G+B;g=G/R+G+B；b=B/R+G+B由于r+g+b=1,所以只用r和g便可以表示一个颜色。在颜色匹配实验中，常用某一特定的白光（如日光）作为标准。另外选择三种特定波长的红，绿，蓝三原色光进行混合，直到匹配出标准白光。这时虽然达到了颜色匹配，但是三原色光的亮度值不一定是正好相等的。但在实际应用中，规定每一种原色光的亮度值作为一个单位，三原色的比例定为1:1:1的等量关系。即R=G=B=1。将标准白光（W）的三刺激值代入上式，其色品坐标分别为：r=g=b=1/（1+1+1）=0.3333因此，白光颜色方程（W）=0.33(R)+0.33(G)+0.33(B)为了更加直观地表达一个颜色，可以在色品图上用色品坐标来确定某一种颜色的具体位置。麦克斯韦首先提出用一个直三角形的平面坐标图来表示颜色，所以这一色品图叫做麦克斯韦颜色三角形。三角形三个顶点分别代表三原色的单位量，即1个单位红原色，1个单位绿原色，1个单位蓝原色。色品坐标r、g分别代表R和G在R+G+B总量中的相对比例。色品图中没有色品坐标b，因为b=1-（r+g）,只须给出r和g两个坐标即可。麦克斯维颜色三角形rgW第二节色度学系统概述[P94]物体的颜色既决定于外界的物理刺激，又决定于人眼的视觉特性，但是颜色的测量和标定最终必须符合人的视觉规律。为了标定颜色，首先必须研究人眼的颜色视觉特性。然而，人眼对色彩的观察，即使是正常视觉者对同一色彩的感觉多少会有些差异，所以必须要选择那些颜色视觉正常的人进行颜色匹配实验，这些人不是一个人，往往是一批人，测得的数据才具有代表性。把这些进行颜色匹配实验的人叫做“标准色度观察者”。根据许多观察者的颜色视觉实验来确定匹配等能光谱色所须三原色数据，并将他们的数据进行平均，从而确定出一组匹配等能光谱色所需要的三原色的数据，即“标准色度观察者光谱三刺激值”。以此代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度计算，标定颜色。许多科学家为了对颜色进行合理的量化，进行了大量的实验。由于当时没有对原色进行界定，所以不同的人选用的三原色不相同。确定颜色三刺激值单位的方法也不一致，从而导致数据无法统一。1931年，CIE在美国剑桥大学开会，对实验结果进行了统一。建立了“CIE1931标准色度系统”，奠定了了现代色度学的基础。“CIE1931标准色度学系统”建立后，经多年实践证明，能较好地反映人眼1-4度视场的颜色平均特性，而对于大于4度视场的颜色测量，在某些波长则发生较大的偏差。为了适应大视场颜色测量的要求，1964年，CIE规定了一组新的色度值，叫“CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值”。第三节CIE1931RGB色度系统CIE-RGB光谱三刺激值，是CIE以317位正常视觉者，用三原色色光红、绿、蓝对等能光谱色，从380nm到780nm所进行的专门性颜色混合匹配实验得到的。实验结果得到的每一波长λ的等能光谱色，所需的红、绿、蓝三原色的数量，称为光谱三刺激值，全部光谱三刺激值又称为“标准色度观察者光谱三刺激值”。这一实验方法和实验数据是依据莱特和吉尔德两项颜色匹配实验，它是现代CIE标准色度学系统的定量基础，也是工业上颜色标定、颜色测量和计算的原始数据。RedRedGreenGreenBlueBlue被匹配光源白色屏