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多媒體技術(shù)基礎(chǔ)(第3版) 第5章 顏色的度量體系,林福宗 清華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 2008年9月,2/66,第5章 顏色的度量體系目錄,5.1 顏色科學(xué)簡(jiǎn)史 5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ) 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 5.4 Munsell顏色系統(tǒng),5.5 Ostwald顏色系統(tǒng) 5.6 CIE顏色系統(tǒng) 5.6.1 顏色科學(xué)史上的兩次重要會(huì)議 5.6.2 CIE 1931 RGB 5.6.3 CIE 1931 XYZ 5.6.4 CIE 1931 xyY 5.6.5 CIE 1960 YUV和CIE YUV 5.6.6 CIE 1976 LUV 5.6.7 CIE 1976 LAB 5.6.8 CIELUV LCh和CIELAB LCh,第5章 顏色的度量體系,3/66,5.1 顏色科學(xué)簡(jiǎn)史,Isaac Newton(1642-1727)的色園 1666年開(kāi)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(jiàn)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 牛頓還揭示了一個(gè)重要的事實(shí)：白光包含所有可見(jiàn)光譜的波長(zhǎng)，并用棱鏡演示了這個(gè)事實(shí),圖5-1 牛頓色圓,第5章 顏色的度量體系,4/66,5.1 顏色科學(xué)簡(jiǎn)史(續(xù)1),Thomas Young(17731829)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 James Clerk Maxwell(18311879) 的色度學(xué) 19世紀(jì)60年代，探索了三種基色的關(guān)系 認(rèn)為三種基色相加產(chǎn)生的色調(diào)不能覆蓋整個(gè)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 認(rèn)為彩色表面的色調(diào)和飽和度對(duì)眼睛的敏感度比明度低 Maxwell的工作被認(rèn)為是現(xiàn)代色度學(xué)的基礎(chǔ) Hermann von Helmholtz(1821-1894)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(gè)想法用于定量研究，因此有時(shí)把他們的想法稱為Young-Helmholtz理論。,第5章 顏色的度量體系,5/66,5.1 顏色科學(xué)簡(jiǎn)史(續(xù)2),物理科學(xué)實(shí)驗(yàn) 20世紀(jì)20年代對(duì)科學(xué)家們提出的理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表明 紅、綠和藍(lán)相加混色的確能產(chǎn)生某個(gè)色域里的所有可見(jiàn)顏色，但不能產(chǎn)生所有的光譜色(單一波長(zhǎng)的顏色)，尤其是在綠色范圍里 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(lì)值(tristimulus values)表示R，G，B基色，但必須允許紅色激勵(lì)值為負(fù)值(即用補(bǔ)色) 國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)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(lì)值應(yīng)該為正值，并用x和y兩個(gè)坐標(biāo)表示所有可見(jiàn)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) 生理學(xué)實(shí)驗(yàn) 眼睛的不同錐體對(duì)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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,6/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ),顏色是什么 顏色是人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)可見(jiàn)光的感知結(jié)果，感知到的顏色由光波的波長(zhǎng)決定 視覺(jué)系統(tǒng)能感覺(jué)的波長(zhǎng)范圍為380780 nm，感知到的顏色和波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5-2所示 純顏色用光的波長(zhǎng)定義，稱為光譜色(spectral colors) 用不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行組合時(shí)可產(chǎn)生相同的顏色感覺(jué) 區(qū)分顏色的三個(gè)特性 色調(diào)(hue) 飽和度(saturation) 明度(brightness),第5章 顏色的度量體系,7/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)1),圖5-2 光譜色,第5章 顏色的度量體系,8/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)2),色調(diào)(hue) 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)一個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)的顏色的感覺(jué)，即對(duì)可見(jiàn)物體輻射或發(fā)射的光波波長(zhǎng)的感覺(jué) 色調(diào)是最容易把顏色區(qū)分開(kāi)的屬性 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(yǔ)來(lái)刻畫 用于描述感知色調(diào)的術(shù)語(yǔ)是色彩(colorfulness)，如淺藍(lán)或深藍(lán)的感覺(jué)。黑、灰、白為無(wú)色彩 色調(diào)在顏色圓上用圓周表示 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(jiàn)圖5-3 色調(diào)數(shù)目多于1000萬(wàn)種 普通人可區(qū)分200種、50種飽和度和500級(jí)灰度 顏色專業(yè)人士可辨認(rèn)的色調(diào)數(shù)大約300400種,第5章 顏色的度量體系,9/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)3),圖5-3 色調(diào)表示法,第5章 顏色的度量體系,10/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)4),飽和度(saturation) 顏色的純潔性 可用來(lái)區(qū)別顏色明暗的程度 當(dāng)一種顏色摻入其他光成分越多時(shí)，就說(shuō)該顏色越不飽和 完全飽和的顏色是指沒(méi)有滲入白光所呈現(xiàn)的顏色 單一波長(zhǎng)的光譜色是完全飽和的顏色 半徑表示法 見(jiàn)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 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,11/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)5),5.2.4 明度、亮度和光亮度 中英文術(shù)語(yǔ)的差別 在許多中文書籍和英漢詞典工具書中 brightness 亮度 lightness 亮度 luminance 亮度 在本教材中， brightness明度 luminance亮度 lightness光亮度,第5章 顏色的度量體系,12/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)6),明度(brightness) 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)可見(jiàn)物體輻射光或發(fā)射光多少的感知屬性 例如。一根點(diǎn)燃的蠟燭在黑暗中看起來(lái)要比在白熾光下亮 有色表面的明度取決于亮度和表面的反射率 感知的明度與反射率不成正比，認(rèn)為是一種對(duì)數(shù)關(guān)系 明度的主觀感覺(jué)值目前無(wú)法用物理設(shè)備測(cè)量 可用亮度(luminance)即輻射的能量來(lái)度量 用一個(gè)數(shù)值范圍表示，例如，010,第5章 顏色的度量體系,13/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)7),一個(gè)極端是黑色(沒(méi)有光)，另一個(gè)極端是白色，在這兩個(gè)極端之間是灰色 明度常用垂直軸表示，見(jiàn)圖5-5(a) 在圖5-5(b)中，七種顏色具有 相同色調(diào)和飽和度 不同的明度 底部的明度最小 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章 顏色的度量體系,14/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)8),亮度(luminance) 國(guó)際照明委員會(huì)定義的物理量 輻射功率 用反映視覺(jué)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) ” 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 嚴(yán)格地說(shuō)，亮度應(yīng)該使用像燭光/平方米(cd/m2)這樣的單位來(lái)度量，但實(shí)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(gè)單位。例如，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,15/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)9),光亮度(lightness) 根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)的定義，光亮度是人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)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(gè)維,第5章 顏色的度量體系,16/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)10),顏色空間 表示顏色的一種數(shù)學(xué)方法 對(duì)人，可以通過(guò)色調(diào)、飽和度和明度來(lái)定義顏色 對(duì)顯示設(shè)備，用紅、綠和藍(lán)磷光體的發(fā)光量來(lái)描述顏色 對(duì)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(lái)產(chǎn)生指定的顏色 通常用三維模型表示 常用代表三個(gè)參數(shù)的三維坐標(biāo)來(lái)指定，這些參數(shù)描述顏色在顏色空間中的位置，但并沒(méi)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,17/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(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 色調(diào)用角度標(biāo)定，紅色標(biāo)為0,青色標(biāo)為180 飽和度的深淺用半徑大小表示 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,18/66,5.2 描述顏色的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)(續(xù)12),顏色空間有設(shè)備相關(guān)和設(shè)備無(wú)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) 例如，RGB顏色空間是與顯示系統(tǒng)相關(guān)的顏色空間，計(jì)算機(jī)顯示器使用RGB來(lái)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(duì)比度的改變而改變 設(shè)備無(wú)關(guān)：指定生成的顏色與生成顏色的設(shè)備無(wú)關(guān) 例如，CIE L*a*b*顏色空間是設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間，它建筑在HSV(hue, saturation and value)顏色空間的基礎(chǔ)上，用該空間指定的顏色無(wú)論在什么設(shè)備上生成的顏色都相同。 “顏色空間”與“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,19/66,5.3 顏色的度量體系概要,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 顏色模型(color model)：用簡(jiǎn)單方法描述所有顏色的一套規(guī)則和定義 例子：RGB, HSB, CMY, CIE XYZ, CIELAB，CMYK和顏色的光譜描述方法 編目系統(tǒng)(cataloging system)：給每一種顏色分配一個(gè)唯一的名稱或一個(gè)號(hào)碼 例1，Munsell顏色系統(tǒng)(Munsell Color System),第5章 顏色的度量體系,20/66,5.3 顏色的度量體系概要(續(xù)1),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(gè)號(hào)碼 準(zhǔn)確性 人們對(duì)物體產(chǎn)生某種光的感覺(jué)，一方面取決于電磁輻射對(duì)眼睛的物理刺激，另一方面取決于眼睛的視覺(jué)特性 對(duì)顏色的標(biāo)定最終要符合人眼的視覺(jué)特性，因此，計(jì)算顏色的一些基本數(shù)據(jù)都是來(lái)自許多觀察者的顏色視覺(jué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 概要見(jiàn)圖5-7,第5章 顏色的度量體系,21/66,5.3 顏色的度量體系概要(續(xù)2),圖5-7 顏色的度量方法1,第5章 顏色的度量體系,22/66,5.4 Munsell顏色系統(tǒng),Albert H. Munsell 1858-1919，美國(guó)杰出的藝術(shù)家和教授 發(fā)表的著名論文 1905年：Color Notation (顏色表示法) 1915年：Atlas of the Munsell Color System (Munsell顏色制圖譜) 開(kāi)發(fā)了第一個(gè)廣泛被接受的顏色次序制(color order system)，稱為Munsell color-order system或Munsell color system2，對(duì)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) Munsell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 每種顏色都有色調(diào)(hue)、明度值(value)和色度(chroma)三種屬性 建立了這三種屬性與視覺(jué)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(gè)色塊用數(shù)值表示 可用這套色塊確定任何表面的顏色屬于什么色,第5章 顏色的度量體系,23/66,5.4 Munsell顏色系統(tǒng)(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(jiàn)圖5-8(a) 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 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(gè)主色調(diào)共10個(gè)色調(diào)，分別用R(Red)，YR(Yellow-Red)，Y(Yellow)，GY(Green-Yellow)，G(Green)，BG(Blue-Green)，B(Blue)，PB(Purple-Blue)，P(Purple)和RP(Red-Purple)表示，并且把它們放在等間隔的扇區(qū)上 度量顏色明暗的明度值(value)從白到黑被分成11個(gè)等級(jí) 度量顏色的飽和度或純度的色度(Chroma)被分成15等級(jí) Munsell制中的顏色用三個(gè)符號(hào)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,24/66,5.4 Munsell顏色系統(tǒng)(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,25/66,5.4 Munsell顏色系統(tǒng)(續(xù)3),Munsell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(kāi)來(lái)。這樣就可用二維空間表示顏色，如色圓 統(tǒng)一了對(duì)顏色的認(rèn)識(shí)，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(yǔ)言提供了一個(gè)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(gè)指定的位置 這個(gè)系統(tǒng)仍被廣泛使用,第5章 顏色的度量體系,26/66,5.5 Ostwald顏色系統(tǒng),Wilhelm Ostwald 1853-1932，德國(guó)化學(xué)家 發(fā)表的著名論文 在1916年出版了The Colour Primer(顏色入門) 1918年出版了The Harmony of Colours(顏色的融合) Ostwald顏色系統(tǒng) 根據(jù)對(duì)顏色起決定作用的波長(zhǎng)、純度和亮度來(lái)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 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) 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,27/66,5.5 Ostwald顏色系統(tǒng)(續(xù)1),(a) 色調(diào) (b) 盤色度計(jì),圖5-9 Ostwald色圓和顏色表示法,第5章 顏色的度量體系,28/66,5.5 Ostwald顏色系統(tǒng)(續(xù)2),使用盤色度計(jì)(disc colorimeter)產(chǎn)生顏色，見(jiàn)圖5-9(b) Ostwald顏色空間中的點(diǎn)用C(full color)，W(white)和B(black)分別表示全色、白色和黑色，表示它們?cè)谝粋€(gè)圓上所占的百分比。例如，某一點(diǎn)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 原因: Ostwald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(chǎng)的需要。,第5章 顏色的度量體系,29/66,5.6 CIE顏色系統(tǒng),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(shí)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 理論三基色模型 為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)際照明委員會(huì)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(shí)的基色推導(dǎo)出理論的三基色，創(chuàng)建一個(gè)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 顏色的度量體系,30/66,5.6.1 顏色科學(xué)史上的兩次重要會(huì)議,1976年國(guó)際照明委員會(huì)召開(kāi)的會(huì)議，定義了 標(biāo)準(zhǔn)觀察者(Standard Observer)標(biāo)準(zhǔn)：普通人眼對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jì)算。 CIE xyY顏色空間：一個(gè)由XYZ導(dǎo)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(kāi)。 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,31/66,5.6.1 顏色科學(xué)史上的兩次重要會(huì)議(續(xù)),1976年國(guó)際照明委員會(huì)召開(kāi)的會(huì)議 明確了1931的CIE系統(tǒng)規(guī)范存在的兩個(gè)問(wèn)題： 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 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(wèn)題，即顏色之間在數(shù)字上的差別與視覺(jué)感知不一致 解決顏色空間的感知一致性問(wèn)題 專家們對(duì)CIE 1931 XYZ系統(tǒng)進(jìn)行了非線性變換，定義了兩種顏色空間 用于自照明的顏色空間，稱為CIELUV 用于非自照明的顏色空間，稱為CIE 1976 L*a*b*或CIELAB 這兩種顏色空間與顏色的感知比較均勻，并給了人們?cè)u(píng)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,32/66,5.6.2 CIE 1931 RGB,RGB顏色匹配函數(shù) 匹配每種光波波長(zhǎng)所需要的三種相加基色的相對(duì)量 該術(shù)語(yǔ)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(duì)物理量可進(jìn)行計(jì)算和度量 產(chǎn)生用紅、綠和藍(lán)單光譜基色匹配所有可見(jiàn)顏色的想法，并做了許多實(shí)驗(yàn) 1931年國(guó)際照明委員會(huì)綜合了不同實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了RGB顏色匹配函數(shù)(color matching functions)，如圖5-10所示 圖上的橫坐標(biāo)表示光譜波長(zhǎng)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值,第5章 顏色的度量體系,33/66,5.6.2 CIE 1931 RGB(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(guó)際照明委員會(huì)把三種單色光的波長(zhǎng)分別定為 紅光(R)：700 nm 綠光(G)：546.1 nm 藍(lán)光(B)：435.8 nm,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,34/66,5.6.2 CIE 1931 RGB(續(xù)2),標(biāo)準(zhǔn)白光Ew的匹配 通過(guò)顏色匹配實(shí)驗(yàn)，用紅、綠和藍(lán)三基色光匹配成白光時(shí)，所需紅、綠和藍(lán)基色光的光通量之比為14.59070.0601 為便于計(jì)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(gè)紅基色光單位=1光瓦 G=1個(gè)綠基色光單位=4.5907光瓦 B=1個(gè)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(gè)基色單位為1的物理三基色配出,第5章 顏色的度量體系,35/66,5.6.2 CIE 1931 RGB(續(xù)3),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,r、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) r、g和b的大小決定顏色光的光通量 r、g和b之間的比例決定生成的顏色。 因?yàn)槿目偣馔勘仨毰c被表示的顏色相等，因此r、g和b之和必等于1,即,例：,該式表示的顏色為偏綠色,第5章 顏色的度量體系,36/66,5.6.3 CIE 1931 XYZ,CIE XYZ系統(tǒng) 1931年國(guó)際照明委員會(huì)定義的顏色空間 根據(jù)顏色科學(xué)家賈德(Judd)的建議 坐標(biāo)稱為CIE刺激值(tristimulus values) 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(wú)關(guān)的顏色系統(tǒng) 根據(jù)視覺(jué)特性和用顏色匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果定義的 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(duì)亮度(luminance)的響應(yīng) 每種顏色都可表示成想象的基色X、Y和Z的混合 與可見(jiàn)的顏色不對(duì)應(yīng),第5章 顏色的度量體系,37/66,5.6.3 CIE 1931 XYZ(續(xù)1),CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)顏色匹配函數(shù) （CIE 1931 Standard Color Matching Functions） 見(jiàn)圖5-11 橫坐標(biāo)表示可見(jiàn)光譜的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示X、Y和Z基色的相對(duì)值 和 是顏色匹配系數(shù) 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(jiàn)光譜中的所有顏色 例，匹配波長(zhǎng)為450 nm的顏色(藍(lán)/紫)需要 0.33單位的X基色 0.04單位的Y基色 1.77單位的Z基色 用標(biāo)準(zhǔn)觀察者(Standard Observer)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 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(chǎng)角(viewing angle)為2,第5章 顏色的度量體系,38/66,5.6.3 CIE 1931 XYZ(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,39/66,5.6.3 CIE 1931 XYZ(續(xù)3),RGB和XYZ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,第5章 顏色的度量體系,40/66,5.6.3 CIE 1931 XYZ (續(xù)4),CIE 1931 XYZ顏色空間 X，Y和Z三基色刺激值概念的理論基礎(chǔ) 人的眼睛有紅、綠和藍(lán)三種感受器 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： 坐標(biāo)軸在實(shí)心錐體內(nèi)，黑色位于坐標(biāo)原點(diǎn) 曲線邊界稱為光譜軌跡(spectral locus) 光譜軌跡上的波長(zhǎng)是單一的，其數(shù)值表示可能達(dá)到的最大飽和度 所有可見(jiàn)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,41/66,5.6.3 CIE 1931 XYZ (續(xù)5),配色方程 XYZ中任何一種顏色都可用三種基色單位表示,其中，C 表示顏色，X，Y和Z為三個(gè)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(shí)，合成白光Ew， 總的輻射能量 測(cè)量光源的光譜和獲得X, Y和Z三種基色值的過(guò)程是用分光輻射度計(jì)(spectroradiometer)自動(dòng)完成的,第5章 顏色的度量體系,42/66,5.6.4 CIE 1931 xyY,從XYZ到xyY顏色空間 CIE XYZ的特點(diǎn) 三基色刺激值X、Y和Z對(duì)定義顏色很有用 使用比較復(fù)雜，且不直觀 1931年CIE定義CIE xyY顏色空間 對(duì)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(shuō)明當(dāng)顏色點(diǎn)離開(kāi)原點(diǎn)(0，0，0 )時(shí)，X:Y:Z的比值保持不變 色度值僅與波長(zhǎng)(色調(diào))和純度有關(guān)，與總輻射能量無(wú)關(guān)，因此在計(jì)算顏色的色度時(shí)，把X、Y和Z值相對(duì)于總輻射能量=(X+Y+Z)規(guī)格化，并只需考慮它們的相對(duì)比例,稱為三基色相對(duì)系數(shù),第5章 顏色的度量體系,43/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)1),配色方程可規(guī)格化為 x+y+z=1 由于三個(gè)相對(duì)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(jiàn)圖5-13 由于z可從x+y+z=1導(dǎo)出，因此不考慮z ，而用兩個(gè)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。 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,44/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)2),CIE 1931 xyY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(jiàn)圖5-14 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 在圖(a)中，A點(diǎn)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 在圖(b)中，E點(diǎn)代表白光，它的坐標(biāo)為(0.33，0.33) 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(zhǎng) 舌形曲線包含所有的感知色調(diào), 自然界中各種實(shí)際顏色都位于這條閉合曲線內(nèi) RGB系統(tǒng)選用的物理三基色在色度圖的舌形曲線上,第5章 顏色的度量體系,45/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(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,46/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)4),CIE xyY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 E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(zhǎng)線 標(biāo)準(zhǔn)白光E的坐標(biāo)點(diǎn)W與譜色軌跡上波長(zhǎng)為的某點(diǎn)M的連線 連線WM線上各點(diǎn)的彩色均有與M點(diǎn)相同的色調(diào)，只是滲入白光的程度不同；或者說(shuō)，直線上任何一點(diǎn)的波長(zhǎng)均與譜色軌跡上那點(diǎn)的單色波長(zhǎng)相同。如M點(diǎn)的波長(zhǎng)為540 nm，WM線上各彩色點(diǎn)的波長(zhǎng)均為540 nm。 由W點(diǎn)與譜色軌跡上任一點(diǎn)相連的直線都是等色調(diào)波長(zhǎng)線 等飽和度線 飽和度相同的各點(diǎn)的連線 在等色調(diào)波長(zhǎng)線WM上，彩色光越靠近W點(diǎn)，表示白光成分越多，飽和度越低，到W點(diǎn)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,47/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)5),圖5-15 CIE 1931色度圖中的等色調(diào)波長(zhǎng)線和等飽和度線,第5章 顏色的度量體系,48/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)6),色度圖上看色域 閉合曲線所包圍的區(qū)域稱為色域(gamut)，見(jiàn)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 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 在色度圖上，白光區(qū)域以外的部分代表不同的顏色 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(gè)區(qū)域，在每個(gè)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 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,49/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)7),(a) 英文名稱,(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,50/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)8),彩色電視的色度范圍 彩色顯像管利用混色法重現(xiàn)顏色 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： 在混合時(shí)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 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,51/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(續(xù)9),彩色電視制式不同，三基色熒光粉不同 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(jiàn)表5-1 根據(jù)表5-1所列顯像三基色的色度坐標(biāo)，可確定它們?cè)谏葓D中的位置 把NTSC制或PAL制所選用的三基色R，G和B三點(diǎn)連起來(lái)構(gòu)成一個(gè)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 圖5-17表示NTSC和PAL顏色電視重現(xiàn)顏色的范圍 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,表5-1 顯像三基色的色度坐標(biāo),第5章 顏色的度量體系,52/66,5.6.4 CIE 1931 xyY(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,53/66,5.6.5 CIE 1960 YUV和CIE YUV,CIE 1960 YUV 由CIE 1931 xyY經(jīng)過(guò)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(gè)點(diǎn)之間的色差與對(duì)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,CIE 1960 YUV 為了進(jìn)一步減少色差與感知的非線性，CIE開(kāi)發(fā)了CIE YUV顏色空間。其中的Y沒(méi)有改變， u和v坐標(biāo)定義如下,第5章 顏色的度量體系,54/66,5.6.6 CIE 1976 LUV,CIE 1931 xyY色度圖的缺點(diǎn)： 明度沒(méi)有反映 感知非均勻 兩種顏色之間的距離與這對(duì)兩種顏色感知的色差有差異 見(jiàn)圖5-19，在不同區(qū)域中的線段長(zhǎng)度不相等 表示對(duì)顏色的感知不均勻。較短的線段表示對(duì)顏色的變化較敏感 長(zhǎng)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 顏色的度量體系,55/66,5.6.6 CIE 1976 LUV(續(xù)1),CIE 1960 Luv色度圖 均勻色度換算(uniform chromaticity scale，UCS)方案 借用Munsell的思想，首先把亮度和顏色完全分開(kāi)，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(gè)名為u, v的新坐標(biāo)系，得到比較精確的色度圖，見(jiàn)圖5-20 與圖5-19所示的1931 CIE色度圖相比，藍(lán)色-紅色部分伸長(zhǎng)了，白光光源移動(dòng)了，綠色部分減少了 CIE 1976 Luv色度圖 1976年對(duì)CIE 1960 Luv作了進(jìn)一步改進(jìn) 把u, v重新命名為u, v ，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換得到更加均勻的色度圖，見(jiàn)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,56/66,5.6.6 CIE 1976 LUV(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,57/66,5.6.6 CIE 1976 LUV(續(xù)3),CIE 1976 LUV/ CIE 1976 L*u*v*/CIELUV 為解決刺激值Y(亮度)的非線性問(wèn)題，CIE定義了一個(gè)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, 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(gè)分量如下,第5章 顏色的度量體系,58/66,5.6.6 CIE 1976 LUV(續(xù)4),其中,是CIE標(biāo)準(zhǔn)光源的坐標(biāo)，是三刺激值,CIELUV顏色空間比CIE xyY感覺(jué)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,59/66,5.6.7 CIE 1976 LAB,CIE 1976 LAB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(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 可簡(jiǎn)寫為CIELAB，也稱CIE 1976 L*a*b* (簡(jiǎn)寫為CIE L*a*b*)顏色空間，或稱為CIELAB/CIEL*A*B*色差制(CIELAB color difference metric) CIE 1976 L*a*b*和CIE 1931 XYZ顏色空間 相同之處 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 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(jì)算得到的,第5章 顏色的度量體系,60/66,5.6.7 CIE 1976 LAB(續(xù)1),不同之處 CIE 1976 L*a*b*是建筑在對(duì)色視覺(jué)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(duì)色視覺(jué)理論Ewald Hering理論 Ewald Hering(1834-1918)是德國(guó)籍奧地利的生理和心理學(xué)家 與Helmholtz的三色理論相反的成對(duì)出現(xiàn)的四色理論 19世紀(jì)70年代，他認(rèn)為基本色調(diào)的數(shù)目不是紅、綠和藍(lán)三種，而是紅、黃、綠和藍(lán)四種基色，紅綠和黃藍(lán)構(gòu)成兩對(duì)對(duì)立色調(diào)(opponent hue)，黑-白是另外一對(duì) 紅和黃認(rèn)為是“暖色(warm color)”，而綠和藍(lán)是冷色(cool color) 與長(zhǎng)期被人們接受的三基色刺激理論不兼容 通過(guò)對(duì)眼睛