符合人眼視覺特性及顏色亮度模型(光學(xué)學(xué)報).doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除符合人眼視覺特性的顏色亮度模型*劉偉奇馮睿周豐昆摘要從色度學(xué)基本理論出發(fā), 對顏色變量Y進行了深入分析, 提出了由孟塞爾(Munsell)顏色體系進行顏色視亮度主觀匹配的新方法。 實驗和理論分析指出孟塞爾色立體的等明度面并非在視覺上是等明度的， 建立了人眼主觀亮度與孟塞爾明度值V之間滿足線性關(guān)系的顏色亮度模型。關(guān)鍵詞顏色視亮度,異色視亮度匹配,同色異譜。A Color Brightness Model Fitting Characteristics of the Human VisionLiu WeiqiFeng RuiZhou Fengkun(Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022)(Received 7 April 1998; revised 6 July 1998)AbstractBased on colorimetric theory, the present study has made a thorough analysis of color variable Y and presented a new method of subjective matching of heterochromatic brightness using Munsell color system. It was pointed out that the Munsell equality V section does not comform the characteristics of human vision, and the linear relation between Munsell V and subjective brightness was established through experimental and theoretical analysis.Key wordscolor brightness,heterochromatic brightness match,metamerism.1引言顏色亮度相加律失效, 直接反映了人眼對顏色亮度的感受與色度學(xué)中現(xiàn)有的顏色亮度定義相矛盾1。 具體表現(xiàn)為： 按顏色亮度相加律所得到的有著相等亮度Y的不同顏色, 人眼在觀測時會感到這些顏色的亮度并不相等, 有的亮, 有的暗。 如何解決這一矛盾是近幾十年來國際顏色科學(xué)界一直努力研究的課題。 本文在重新認識色度學(xué)變量Y的物理含義的基礎(chǔ)上, 結(jié)合同色異譜理論及人眼對顏色的感知只與顏色的外貌有關(guān)的特點, 提出了以色度點為變量, 建立一個適合人眼視覺特性的顏色亮度模型。2亮度Y值物理意義分析目前廣泛采用的對顏色描述的變量是1931 CIE-XYZ系統(tǒng)的三刺激值(X, Y, Z), 及相應(yīng)的色度坐標(x, y)。 然而, 由于顏色亮度相加的失效, 則三刺激值變量中代表亮度線性相加的物理量Y的含義及公式是否依然成立, 與之相應(yīng)的同色異譜公式能否繼續(xù)使用, 是首先要解決的問題。 1931CIE-XYZ系統(tǒng)是由CIE-RGB系統(tǒng)經(jīng)數(shù)學(xué)變換得到的。 首先, 在RGB系統(tǒng)中, fR、 fG、 fB被定義為3個原色R、 G、 B的刺激值, 它們代表著R、 G、 B的數(shù)量。 按格拉斯曼的顏色混合定律, 任何一個顏色都可以用fR、 fG、 fB三個變量表示。 但由于R、 G、 B三個原色所構(gòu)成的顏色三角形在光譜軌跡范圍內(nèi), 描述光譜色時, 原色出現(xiàn)負值, 不易理解, 加之使用不便, 國際照明委員會(Commission Internationale de lEclairage, 縮寫為CIE)又推出了1931 CIE-XYZ系統(tǒng)。 通過數(shù)學(xué)變換而得到的XYZ系統(tǒng)中, fX、 fY、 fZ仍然具有刺激值的含義, 即X、 Y、 Z分別代表三個原色X、 Y、 Z的數(shù)量。 另外, 由于虛構(gòu)的三個原色X、 Y、 Z選取巧妙, 使原色X、 Z落在無亮度線上, 并由此得到的刺激值fX、 fZ只代表色度, 不代表亮度。 而刺激量fY不僅代表色度2, 而且是構(gòu)成顏色亮度的唯一參量, 但它并不等于符合人眼視覺特性的顏色亮度。 fY的計算公式為(1)其中()=V()。 積分結(jié)果有兩個含義： 1) fY表示組成顏色的所有單色光中包含原色Y的總量, 即所說的Y刺激值。 2) 它表示構(gòu)成顏色的所有單色光的亮度總和。 這一點正是色度學(xué)對顏色亮度的定義。 大量實驗已證明, 一個顏色的主觀亮度并不等于構(gòu)成該顏色所有單色光亮度的線性相加, fY作為顏色亮度, 只有在單色光的情況下才成立。 因此說, fY只能代表顏色的刺激值, 而不能代表包括復(fù)色光在內(nèi)的顏色的主觀亮度。 既然fY仍然是顏色的刺激值, 那么fY的計算公式(1)不會因亮度不滿足線性相加而失效。 這樣同色異譜公式也不會因亮度的非線性關(guān)系而不再成立。 人眼在觀察顏色時, 只能感知顏色的外貌(色貌), 而該色是由哪些光譜成分組成的, 視覺系統(tǒng)無法感知。 這也正如同色異譜理論所描述的那樣： 只要兩個顏色光在色貌上相同, 不論其光譜成分如何, 它們給人眼的感覺是一樣的, 并具有相同三刺激值fX, fY, fZ。 按照人眼的這種視覺特性, 可以通過同色異譜關(guān)系, 不必追究一個顏色是由哪些波長組成的以及這些波長間的相加規(guī)律, 而是從色貌即色度點(x,y)的角度去研究。3實驗按照上面分析, 只需在色空間內(nèi)選擇有限個色度點即可匹配出符合人眼視覺特性亮度分布關(guān)系。 在各種顏色空間中, 孟塞爾顏色空間是從心理學(xué)的角度, 根據(jù)顏色的視知覺特點, 通過主觀匹配實驗得到的顏色分類和標定系統(tǒng), 它的顏色變量的變化在視知覺上是等間隔的。 為此選用孟塞爾顏色系統(tǒng)作為本文的實驗系統(tǒng)。 實驗中用的是全套美國孟塞爾色卡及圖冊。 其色卡是有光澤的, 因此觀測方向選擇看不到鏡反射光的方向, 如圖1所示。 三個標準觀察者均是經(jīng)過顏色視覺測試正常, 并且具有視覺心理物理實驗?zāi)芰Αig.1 Munsell equality V section首先, 選擇彩度C最多的明度值為5的等明度面,按不同色調(diào)。 不同彩度鋪展在以黑灰色為背景的實驗臺面上。用窗口自然光照明。通過主觀亮度觀察,明顯感覺到隨彩度圈的向外擴展,主觀亮度也明顯增強, 對不同的色調(diào), 其規(guī)律是一致的。 為了定量研究, 用不同明度的中性灰白色卡與不同彩度、 不同色調(diào)的待測色樣進行主觀異色視亮度匹配, 如圖2所示。 從圖2可看到,對同一明度V=5、同一色調(diào)H=5R、不同彩度C按每2個彩度等級將孟塞爾色卡排好。Fig.2 Heterochromatic brightness matching用中性灰卡分別與不同彩度級次的色樣進行主觀異色視亮度匹配。 圖2是色調(diào)為5R, 明度為5, 彩度為2、4、6、8、10、12、14的孟塞爾色卡與中性灰卡的匹配結(jié)果。 對其它明度、色調(diào)的色樣匹配按孟塞爾色卡所能給出的最大彩度進行匹配。 一共對明度值為2、4、5、7, 色調(diào)為5R、5YR、5Y、5GY、5G、5BG、5B、5PB、5P、5PR等184個異色樣品進行了主觀異色視亮度匹配實驗。 三人的實驗結(jié)果略有差異, 經(jīng)過統(tǒng)計處理后的平均值如表1所示。 其中C為孟塞爾彩度值， N為中性色灰度值， 其等級差為0.25。Table 1. Testing resultsV=25R5YR5Y5GY5G5BG5B5PB5P5RPCN2CN2CN2CN2CN2CN2CN2CN2CN2CN222.2522.2512.012.022.2522.2522.2522.2522.2522.2542.542.522.2522.2542.542.542.542.542.542.562.7562.7562.7562.7562.7562.7562.7583.083.083.083.0V=45R5YR5Y5GY5G5BG5B5PB5P5RPCN4CN4CN4CN4CN4CN4CN4CN4CN4CN424.2524.2524.2524.2524.2524.2524.2524.2524.2524.2544.4544.4544.4544.4544.4544.4544.4544.4544.4544.4564.7564.7564.7564.7564.7564.7564.7564.7564.7564.7585.085.085.085.085.085.085.085.085.0105.25105.25105.25105.25105.25105.25125.5125.5125.5125.5125.5145.75V=55R5YR5Y5GY5G5BG5B5PB5P5RPCN5CN5CN5CN5CN5CN5CN5CN5CN5CN525.2525.2525.2525.2525.2525.2525.2525.2525.2525.2545.545.545.545.545.545.545.545.545.545.565.7565.7565.7565.7565.7565.7565.7565.7565.7565.7586.086.086.086.086.086.086.086.086.086.0106.25106.25106.25106.25106.25106.25106.25106.25106.25126.5126.5126.5126.5146.75V=75R5YR5Y5GY5G5BG5B5PB5P5RPCN7CN7CN7CN7CN7CN7CN7CN7CN7CN727.2527.2527.2527.2527.2527.2527.2527.2527.2527.2547.547.547.547.547.547.547.547.547.547.567.7567.7567.7567.7567.7567.7567.7567.7567.7567.7588.088.088.088.088.088.088.088.088.088.0108.25108.25108.25108.25108.25108.25128.5128.5128.5148.754分析與結(jié)論從實驗結(jié)果可以看出， 顏色的主觀亮度隨彩度的增加而增加， 且滿足線性關(guān)系， 與色調(diào)和明度變化無關(guān)。 按上述實驗結(jié)果可得出明度修正公式和亮度修正公式。 明度修正公式為 Vs=V+(V/C)C(2)其中Vs為修正后的主觀明度, V, C分別為孟塞爾系統(tǒng)的明度值和彩度值, V和C分別為孟塞爾顏色體系中明度間隔和彩度間隔。 在實驗中V=0.25, C=2, 所以(2)式可以寫成Vs=V+0.125C(3)在孟塞爾系統(tǒng)中, 明度V與亮度因數(shù)fY滿足公式V=116(fY/fY0)1/3-16,或fY=(V+16)/1163fY0(4)其中fY0為白物體色刺激亮度因數(shù), 白物體色刺激通常以完全漫反射體為代表, 其fY0=100。 將(3)式代入(4)式可得主觀亮度修正公式:fYS=(V+0.125C+16)/1163100(5)孟塞爾顏色系統(tǒng)的最大特點是顏色空間變量的變化是線性的, 符合人眼視覺特性。 從實驗結(jié)果來看, 每一級彩度的變化引起視覺亮度的變化也是線性的, 之所以能得到如此簡單的公式正是基于孟塞爾顏色體系的結(jié)果。 然而該公式中明度變量V和彩度變量C與客觀色度參量(x, y, fY)卻不能用簡單的數(shù)學(xué)表達式來描述。 若將(5)式的變量V和C換成(x, y)則公式將非常復(fù)雜。 另外, 孟塞爾顏色系統(tǒng)中彩度的確定是通過表面色樣由觀察者主觀評價逐一確定的, 而對于那些色飽和度極高的光譜色, 無法作出相應(yīng)的表面色。 因此也就給不出高飽和度色樣的彩度值。 因此上面的公式適用于飽和度不是極高的表面色。在研究中發(fā)現(xiàn), 孟塞爾系統(tǒng)的等明度面在視覺主觀評價時并非是主觀等明度的。 因為它的等明度實質(zhì)是等亮度因數(shù), 而亮度因數(shù)是測量亮度相對參考白板的測量亮度的歸一值, 它是一個與人眼視亮度不完全相符合的物理量。 因此通過對孟塞爾等明度面亮度主觀匹配, 得到符合人眼視覺特性主觀等明度面。 這將是對孟塞爾顏色體系更加完善的補充。*國家自然科學(xué)基金