色度学(全面)

色度学基础引言EUP（2005/32/EC）筐架指令之实施措施244/2009/EC、245/2009/EC描述了关于灯具的生态设计要求，其中涉及到色度学的概念，主要是对灯具颜色品质的描述。本文件根据CIE15：2004“TECHNICALREPORTCOLORIMETRY”编写，以及参考了可公开获取资料。由jeewah整理.第Ⅰ篇导读CIE1931-RGB、CIE1931-XYZ、CIE1964-、匹配函数、三刺激值、色品坐标10X10Y10ZA-概念A-1-光与色光的物理性质由它的波长和能量来决定。波长决定了光的颜色，能量决定了光的强度。光映射到我们的眼睛时，波长不同决定了光的色相不同。波长相同能量不同，则决定了色彩明暗的不同。在电磁波辐射范围内，只有波长380nm到780nm的辐射能引起人们的视感觉，这段光波叫做可见光。图A-1光谱示意图A-2-等能光谱若以e表示光的辐射能，表示光谱色的波长，则定义：在以波长为中心的微小波长范围内的辐射能与该波长的宽度之比称为光谱密度。写成数学形式：e（）=de/d（w/nm）光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小。通常光源中不同波长色光的辐射能是随波长的变化而变化的，因此，光谱密度是波长的函数。光谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布。在实用上更多的是以光谱密度的相对值与波长之间的函数关系来描述光谱分布，称为相对光谱能量（功率）分布，记为)(S。相对光谱能量分布可用任意值来表示，但通常是取波长=555nm处的辐射能量为100，作为参考点，与之进行比较而得出的。若以光谱波长为横坐标，相对光谱能量分布)(S为纵坐标，就可以绘制出光源相对光谱能量分布曲线。图A-2相对光谱能量分布知道了光源的相对光谱能量分布，就知道了光源的颜色特性。反过来说，光源的颜色特性，取决于在发出的光线中，不同波长上的相对能量比例，而与光谱密度的绝对值无关。绝对值的大小只反映光的强弱，不会引起光源颜色的变化。但是在色彩的定量研究中，1931年CIE建议，以等能量光谱作为白光的定义，等能白光的意义是：以辐射能作纵坐标，光谱波长为横坐标，则它的光谱能量分布曲线是一条平行横轴的直线。即：)(S=C（常数）。等能白光分解后得到的光谱称为等能光谱，每一波长为的等能光谱色色光的能量均相等。A-3-颜色的表观特征颜色有三种表观特征，即明度、色调和饱和度。明度：标示颜色明亮的程度。对于光源色，明度值与发光体的光亮度有关；对于物体色，此值和物体的透射率或反射率有关。色调：是区分不同彩色的特征。可见光谱范围内，不同波长辐射，在视觉上呈现不同色调，如红、黄、绿、兰、紫等等。光源色的色调取决于辐射的光谱组成；而物体色则既与照明光的光谱组成有关，还同物体对光的选择吸收特性有关。饱和度：表示颜色接近光谱色的程度。一种颜色，可以看成是某种光谱色与白色混合的结果。其中光谱色所占的比例愈大，颜色接近光谱色的程度就愈高，颜色的饱和度也就愈高。饱和度高，颜色深而艳。光谱色的白光成份为0，饱和度达到昀高。彩色必须具备上述三个特征，特征参数的不同，标示着颜色间的差别。非彩色只有明度值的差别，没有色调区分，饱和度等于0。A-4-色光混合是不同颜色光的直接混合。混合色光为参加混合各色光之和，故又称之为加混色。格拉斯曼(H·Grassman)于1853年总结出色光混合的基本规律，即格拉斯曼颜色混合定律：A-4-1-人的视觉只能分辨颜色的三种变化，它们是明度、色调和饱和度。A-4-2-两种颜色混合，如果一种颜色成份连续变化，混合色的外貌也连续地变化。补色律：两种颜色以一定的比例相混合产生白色或灰色，则此两颜色为互补色。互补色以一定的比例混合，产生白色或灰色；以其它比例混合，则产生接近占有比例大颜色的非饱和色。中间色律：两种非互补颜色混合，将产生两颜色的中间色，其色调决定于两颜色的比例。A-4-3-颜色外貌（明度值、色调、饱和度）相同的光，在颜色混合中是等效的。由此可以推论得到代替律：相似色混合，混合色仍相似。代替律可用公式表示如下：颜色A=颜色B、颜色C=颜色D、颜色A+C=颜色B+D，代替律表明，在混色中，某种颜色用外貌相同的另外颜色代替，昀后效果不变。A-4-4-混合色的亮度等于各色光亮度之和亮度相加定律：假定参加混色各色光亮度分别为L1、L2…Ln,,则混合色光的光亮度L为L=L1+L2+…+LnA-5-颜色匹配通过改变参加混色各颜色的量，使混合色与指定颜色达到视觉上相同的过程，称做颜色匹配。A-6-颜色刺激能够引起颜色知觉的可见辐射通量称做颜色刺激。颜色刺激按波长的分布，称做颜色刺激函数。颜色刺激是纯物理量。A-7-三刺激值在颜色匹配中，以一定数量的三原色完成某种颜色的匹配。匹配某种颜色所需的三原色的量称做该颜色的三刺激值。对于既定的三原色，每种颜色的三刺激值是唯一的，因而，可以用三刺激值来表示颜色。A-8-光视效能、光谱光视效率函数（视见函数）人眼能比较光谱波长及能量大小。但各种波长的光引起人眼感觉、灵敏度不同。光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量，用)(K表示。设单色光谱在波长为的辐射能量分布为)(S，人眼能感觉到的光通量为)(，则光视效能)(K=)(/)(S这里)(K表示：对单位波长（1nm)内具有)(S瓦的辐射能量，能感受到)(流明的光通量。实验表明，当=555nm黄光时，)(K具有昀大值==683mK)555(KWlm/光谱光视效率（视见函数）是指在明视觉条件下，用等能光谱照射时，亮度随波长变化的相对关系，反映了人眼对光的亮度感觉，用V()示。曲线图见图4。表图A-3视见函数曲线对于任一波长，V()(KmK/)=V()称为光谱光视效率函数，也称为视见函数，即光谱灵敏度。当=555nm时，V()=1。V()无量纲，与)(K存在一个系数==683关系。mK)555(KWlm/在可见光范围内，)(=780380)(K)(Sd=mK780380)(SV()dB-CIE1931standardobserver(CIE1931标准观察者)也称为CIE1931RGB真实三原色表色系统（CIERGBtrichromaticsystem），色度的学基础。B-1-颜色匹配实验CIE选择317位正常视觉者进行颜色匹配实验，使用2°视场。色光混合颜色匹配实验装置如下图4所示。红（R）、绿（G）、蓝（B）三种平行色光照射在黑档屏的一边，并且映在白屏幕上的光斑重合在一起。被匹配色光（C）照在黑档屏的另一边。人眼通过黑屏上的小孔可同时看到黑档屏的两边。实验时，调节红、绿、兰色光的亮度，直到黑档屏两边的视场呈现相同颜色，就完成了颜色匹配。颜色匹配可以用颜色方程表示：C≡R（R）+（G）+GB（B）------（1）≡表示匹配，表示待配光谱色。方程表示R量的红颜色（R）、G量的绿颜色（G）和B量的兰颜色（B）混合，正好与颜色C相匹配。C图4色光混合颜色匹配实验装置示意图CIE选择选择波长分别为700nm、546.1nm、435.8nm的红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色的单色辐射作为参考色刺激进行匹配，所采用的比值为1.0000：4.5907：0.0601，该比值为具有单位参量的相对亮度，CIE选择这一比例作为参考色刺激（referencestimuli）用（R）、（G）、（B）表示，即（R）：（）：（GB）=1.0000：4.5907：0.0601；参考色刺激作为匹配等能光谱色的基准。以此为基准，三原色等比例混合时，就能匹配出等能白光（E光源，色温5500K）。实验时，用CIE规定的红、绿、蓝三原色光，对等能光谱色从380nm到780nm进行专门性颜色混合匹配实验。匹配光谱每一波长为的等能光谱色所对应的红、绿、蓝三原色数量，称为颜色匹配函数（colour-matchingfunctions），记为)(r、)(g、)(b，是具有相等辐射功率的单色光的三刺激值，它是CIE在对等能光谱色进行匹配时用来表示红、绿、蓝三原色的专用符号。实验得出的颜色匹配函数)(r,)(g,)(b，数据见表1。因此，匹配波长为的等能光谱色)(L的颜色方程为)(L=)(r（R）+)(g（G）+)(b（B）--------（2）式中)(L在数值上表示相对亮度（﹡备注），（R）、（G）、（B）为参考色刺激，为具有单位参量的相对亮度，颜色匹配函数)(r、)(g、)(b表示匹配成等能光谱色)(L时所需要的三原色数量。将表1中的)(r,)(g,)(b实验数据代入方程2，可以描述)(L的相对亮度曲线，与图3的视见函数曲线完全吻合，且当=555nm时)555(L=)555(r*1.0000+)555(g*4.5907+)555(b*0.0601=1.0000方程2的意义为，匹配函数)(r,)(g,)(b分别乘以参考色刺激得到的匹配光谱色的相对亮度与人眼的明视觉光谱光视效率函数V()相同，因此,CIE规定：V()=)(LV()=)(r（R）+)(g（G）+)(b（B）------(3)即:V()=1.0000)(r+4.5907)(g+0.0601)(b------(4)备注﹡：设等能光谱色匹配实验中,三原色的实际亮度为0r()、0g()、0b()，则有：0L()=0r()+0g()+0b()0L（555）=0r(555)+0g(555)+0b(555)m=（555）表示等能光谱色实际昀大亮度，则有，(0L0L)/m表示相对亮度，因此：0L()/m=)(L=)(r（R）+)(g（G）+)(b，即（0r()+0g()+0b()）/m=)(r（R）+)(g（G）+)(b（B）归一化处理后，得)(r=0r()/m*（R）、)(g=0g()/m*（G）、)(b=0b()/m*（B）所以，)(r,)(g,)(b是匹配等能光谱时的三原色实际数量经数学处理后的相对数量。在=555nm时，等能光谱色亮度具有昀大值，说明其中绿色亮度较高；匹配白光时，需要大量绿光，亮度比为1.0000：4.5907：0.0601，说明等能光谱中绿光波段上亮度总和较大，绿光在等能光谱中具有很强代表性。（备注完）B-2-颜色匹配函数（colour-matchingfunctions）实验得出的颜色匹配函数，称为CIE1931标准观察者（CIE1931standardobserver）。匹配等能光谱色时，颜色匹配函数就是具有相同辐射功率的单色光的三刺激值。根据表1中的数据绘制曲线图5。图5CIE-RGB光谱三刺激值注意图5中，=435.8nm时,)(r=0,)(g=0；=546.1nm时，)(r=0,)(b=0；=700nm时，)(g=0，)(b=0。在=435.8nm-546.1nm间，可以发现)(r为负值。三刺激值，指与待配色相匹配所要求的三种参考色刺激的总量，即颜色方程1中的R、G、B，图5中)(r,)(g,)(b的闭合曲线围成的范围为)(r,)(g,)(b的各自总量，)(r、)(g、)(b。匹配等能光谱时，则：R=)(r、G=)(g、B=)(b下表1列举了颜色匹配函数的实验数据。取可见光谱范围380nm-780nm，间隔5nm进行描述。表1：CIE1931标准观察者颜色匹配函数色品坐标入（nm）)(r)(g)(br()g()b()3800.00003-0.000010.001170.0272-0.01150.98433850.00005-0.000020.001890.0268-0.01140.98463900.00010-0.000040.003590.0263-0.01140.98513950.00017-0.000070.006470.0256-0.01130.98574000.00030-0.000140.012