第章 顏色的度量體系

第6章顏色的度量體系

1/16/202316.1顏色科學簡史

牛頓色圓(Newtoncolorcircle)每一種顏色和它相鄰顏色之間的關系，把紅色和紫色首尾相接就形成了一個圓，這個圓稱為色圓(colorcircle)或者稱為色輪(colorwheel)，如圖6-01所示:牛頓色圓為揭示紅(red,R)、綠(green,G)和藍(blue,B)相加混色奠定了基礎1/16/20232Young-Helmholtz理論認為人的眼睛有三種不同類型的顏色感知接收器，大體上相當于紅、綠和藍三種基色的接收器，使用三種基色相加可產生范圍很寬的顏色。1/16/202336.2描述顏色的幾個術語6.2.1什么是顏色顏色是人的視覺系統(tǒng)對可見光的感知結果，感知到的顏色由光波的頻率決定。光波是一種具有一定頻率范圍的電磁輻射，其波長覆蓋的范圍很廣。光譜色(spectralcolors)：用波長定義的純顏色眼睛感知到的顏色和波長之間的對應關系如圖6－02所示。1/16/20234圖6-02光譜色1/16/202356.2.2色調色調(hue)又稱為色相，指顏色的外觀，用于區(qū)別顏色的名稱或顏色的種類。視覺系統(tǒng)對一個區(qū)域呈現(xiàn)的顏色的感覺。取決于可見光譜中的光波的頻率。1/16/20236色調的自然次序：紅、橙、黃、綠、青、藍、靛、紫(red，orange,yellow，green，cyan，blue，indigo，violet，ROYGBIV)。如圖6-03所示。

1/16/202376.2.3飽和度飽和度(saturation)是相對于明度的一個區(qū)域的色彩，是指顏色的純潔性，它可用來區(qū)別顏色明暗的程度。完全飽和的顏色是指沒有滲入白光所呈現(xiàn)的顏色。飽和度在顏色圓上用半徑表示 沿徑向方向上的不同顏色具有相同的色調和明度，但它們的飽和度不同，如下圖所示。飽和度小飽和度大1/16/202386.2.4亮度用“明度”表示brightness，用“亮度”表示luminance，用“光亮度”表示lightness1.明度明度(brightness)是視覺系統(tǒng)對可見物體輻射或者發(fā)光多少的感知屬性；明度常用垂直軸表示，如圖6-05(a)所示(a)垂直軸表示法(b)示例圖6-05(b)所示的七種顏色,它們具有相同的色調和飽和度，但它們的明度不同，底部的明度最小，頂部的明度最大。1/16/202392.亮度(luminance)概念：根據(jù)國際照明委員會的定義,亮度是用反映視覺特性的光譜敏感函數(shù)加權之后得到的輻射功率(radiantpower)，并在555nm處達到了峰值，它的幅度與物理功率成正比。亮度的值是可度量的，它用單位面積上反射或者發(fā)射的光的強度表示。在CIEXYZ系統(tǒng)中，亮度用Y表示。明度和亮度的關系不是線性關系。3.光亮度光亮度是人的視覺系統(tǒng)對亮度(luminance)的感知響應值，并用L*表示。光亮度用作顏色空間的一個維，而明度(brightness)則僅限用于發(fā)光體,該術語用來描述反射表面或者透射表面。對計算機顯示器顯示的顏色，除使用明度(brightness)之外，也可使用光亮度(lightness)這個術語來描述，因為雖然監(jiān)視器是發(fā)射光的物體，但顯示的顏色是相對于監(jiān)視器的白光而言的。1/16/2023106.2.5顏色空間是表示顏色的一種數(shù)學方法，人們用它來指定和產生顏色，使顏色形象化。對于人來說，可以通過色調、飽和度和明度來定義顏色；對于顯示設備來說，人們使用紅、綠和藍磷光體的發(fā)光量來描述顏色；對于打印或者印刷設備來說，人們使用青色、品紅色、黃色和黑色的反射和吸收來產生指定的顏色。1/16/202311圖6-06色調-飽和度-明度顏色空間HSB(hue,saturationandbrightness)顏色空間：色調用角度來標定，通常紅色標為0°,青色標為180°；在徑向方向上飽和度的深淺用離開中心線的距離表示；明度用垂直軸表示。1/16/202312設備相關和設備無關設備相關的顏色空間是指顏色空間指定生成的顏色與生成顏色的設備有關。例如，RGB顏色空間。設備無關的顏色空間是指顏色空間指定生成的顏色與生成顏色的設備無關。例如，CIEL*a*b*顏色空間。1/16/2023136.3顏色的度量體系顏色度量體系(colorsystem)：也叫做顏色制或者叫做顏色體制，實際上就是人們組織和表示顏色的方法。兩種主要組織和表示顏色的方法：顏色模型(colormodel)：是用簡單方法描述所有顏色的一套規(guī)則和定義。如：RGB,HSB,CMY,CIEXYZ,CIELAB，CMYK和顏色的光譜描述方法等。編目系統(tǒng)(catalogingsystem)：是給每一種顏色分配一個唯一的名稱或者一個號碼。如，Munsell顏色系統(tǒng)(Munsellcolorsystem)，Pantone顏色匹配系統(tǒng)(PantoneMatchingSystem，PMS)等1/16/202314圖6-07顏色的度量方法1/16/2023156.4Munsell顏色系統(tǒng)Munsell顏色系統(tǒng)是精確指定顏色和顯示各種顏色之間關系的一種方法。每種顏色都有色調(hue)、明度值(value)和色度(chroma)這三種屬性。Munsell對這三種屬性建立了一個與視覺感知特性相一致的數(shù)值范圍。Munsell顏色簿(MunsellBookofColor)顯示了在這些數(shù)值范圍內的一套色塊，每個色塊用數(shù)值表示。在合適的照明和觀看條件下，任何表面的顏色都可以同這套色塊進行比較，從而確定它是屬于什么顏色。1/16/202316(a)色調

色調被分成紅(R)、黃(Y)、綠(G)、藍(B)、紫(P)，這五種色叫做主色調(principalhues)，如圖6-08(a)所示。 在主色調之間插入紅－黃、黃－綠、綠－藍、藍－紫，紫－紅5種色調，連同5個主色調共10個色調，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。

1/16/202317使用色調、飽和度和和明度表示顏色的三種屬性,如圖6-08(b)所示。

度量顏色明暗的明度值(value)從白到黑被分成11個等級， 度量顏色的飽和度或者叫純度的色度(Chroma)被分成15等級。

Munsell制中的顏色用三個符號表示，寫成HVC(Hue，Value，Chroma)。

(b)顏色屬性1/16/2023186.5Ostwald顏色系統(tǒng)Ostwald制是根據(jù)對顏色起決定作用的波長、純度和亮度來映射色調、飽和度和明度的值。stwald假設色調有8種主色調組成，分別是黃色(yellow)，橙色(orange)，紅色(red)，紫色(purple)，藍色(blue)，青綠色(turquoise)，海綠色(seagreen)和葉綠色(leafgreen)，每一種再細分成3種，共24種，安排在如圖6-09所示的色圓上。(a)色調1/16/202319Ostwald顏色空間中的點用C(fullcolor)，W(white)和B(black)來分別表示全色、白色和黑色，表示它們在一個圓上所占的百分比。例如，某一點的數(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%。(b)盤色度計1/16/2023206.6CIE顏色系統(tǒng)6.6.1顏色科學史上的兩次重要會議6.6.2CIE1931RGBRGB顏色匹配函數(shù)(colormatchingfunctions)

橫坐標表示光譜波長，縱坐標表示用以匹配光譜各色所需要的和三基色刺激值。 紅、綠和藍三種單色光的波長分別定義為700nm(R)、546.1nm(G)和435.8nm(B)1/16/202321用紅、綠和藍三基色光匹配成白光時，所需要的紅、綠和藍基色光的光通量之比為1∶4.5907∶0.0601。為便于計算，根據(jù)這個比例規(guī)定了三基色光的單位,分別用,和表示：1個紅基色光單位=1光瓦。1個綠基色光單位=4.5907光瓦。1個藍基色光單位=0.0601光瓦。

其中，1光瓦=680流明(lm)。標準白光Ew可以用每個基色單位為1的物理三基色配出：式中，表示白光的顏色，“＝”表示“匹配”的意思，即與看到的顏色相同，“＋”表示混合的意思。根據(jù)三基色原理，任意一種顏色可以用下式匹配：式中的系數(shù)分別為紅、綠和藍三基色的比例系數(shù)，也就是三種單位基色光的光通量的倍數(shù)。1/16/202322因為三基色的總光通量必須與被表示的顏色相等，因此之和必等于1,即1/16/2023236.6.3CIE1931XYZCIEXYZ系統(tǒng)是國際照明委員會定義的一種顏色空間。它的坐標有時也叫做CIE刺激值(tristimulusvalues)，表示三種基色的量(用百分比表示)，它們是想象的相加基色X，Y和Z。而是設備無關的顏色系統(tǒng)，是根據(jù)視覺特性和使用顏色匹配實驗結果定義的顏色系統(tǒng)。該顏色系統(tǒng)規(guī)定，X，Y和Z基色都是用正數(shù)去匹配所有的顏色，并且用Y值表示人眼對亮度(luminance)的響應。

1/16/202324CIE選擇的X，Y和Z基色具有如下性質：所有的X，Y和Z值都是正的，匹配光譜顏色時不需要一種負值的基色。用Y值表示人眼對亮度(luminance)的響應。如同RGB模型，X，Y和Z是相加基色。因此，每一種顏色都可以表示成X，Y和Z的混合。1/16/202325圖6-11CIE1931標準顏色匹配函數(shù) 圖中的橫坐標表示可見光譜的波長，縱坐標表示和基色的相對值。圖中的和是顏色匹配系數(shù)，三條曲線表示和三基色刺激值如何組合以產生可見光譜中的所有顏色。1/16/202326圖6-12CIE1931XYZ顏色空間從圖6-12中可看到：所有的坐標軸都不在這個實心錐體內。相應于沒有光照的黑色位于坐標的原點。曲線的邊界代表純光譜色的三基色刺激值，這個邊界叫做光譜軌跡(spectrallocus)。光譜軌跡上的波長是單一的，因此其數(shù)值表示可能達到的最大飽和度。所有的可見光都在錐體上。1/16/202327如同RGB模型，在XYZ中任何一種顏色都可用三種基色單位表示，其配色方程就變成：式中，C表示顏色，X,Y和Z為三個基色單位；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X=Y=Z時，合成白光Ew，總的輻射能量＝X+Y+Z。1/16/2023286.6.4CIE1931xyY1.從XYZ到xyYCIExyY顏色空間的根據(jù):對于一種給定的顏色，如果增加它的明度，每一種基色的光通量也要按比例增加，這樣才能匹配這種顏色。因此，當顏色點離開原點(X=0，Y=0,Z=0)時，X:Y:Z的比值保持不變。在計算顏色的色度時，把和值相對于總的輻射能量＝(S+Y+Z)進行規(guī)格化，并只需考慮它們的相對比例，因此， 稱為三基色相對系數(shù)，于是配色方程可規(guī)格化為1/16/202329圖6-131931CIE顏色空間上的X+Y+Z=1平面平面

由于 三個相對系數(shù)之和恒為1，這就相當于把XYZ顏色錐體投影到的平面上，如圖6-13所示。1/16/2023302.CIE1931色度圖1)xyY色度圖從XYZ直接導出的一個顏色空間，它使用亮度Y參數(shù)和顏色坐標來刻畫顏色。xyY中的Y值與XYZ中的Y刺激值一致，表示顏色的亮度或者光亮度，顏色坐標x，y用來在二維圖上指定顏色，這種色度圖叫做CIE1931色度圖(CIE1931ChromaticityDiagram)，如圖6-14(a)所示，圖(b)是它的輪廓圖。

圖(a)中的A點在色度圖上的坐標是x＝0.4832，y＝0.3045，它的顏色與紅蘋果的顏色相匹配。圖6-14(b)中的E點代表白光，它的坐標為(0.33，0.33)；1/16/202331

(a)色度圖(b)輪廓圖圖6-14CIE1931色度圖1/16/2023322)色度圖上看色調利用CIExyY色度圖可直觀地表示出彩色的色調和飽和度，如圖6-15所示。等色調波長線:標準白光E的坐標點W與譜色軌跡上波長為λ的某點M作一連線，等能白光和M點處的單色光相混合得到的所有彩色都落在WM線上，WM線上各點的彩色均有與M點相同的色調，只是滲入白光的程度不同。等色調波長線:由W點與譜色軌跡上任一點相連的直線都是，或稱為主色調波長線，直線上任何一點的波長均與譜色軌跡上那點的單色波長相同。

1/16/202333圖6-15CIE1931色度圖中的等色調波長線和等飽和度線1/16/2023343)色度圖上看色域色域(gamut)在色度圖中，閉合曲線所包圍的區(qū)域;色域應該是指由三維的顏色空間所包圍的一個區(qū)域，但在CIE1931色度圖上用兩維空間表示，如圖6-16所示。1/16/202335圖6-16XYZ系統(tǒng)色域圖1/16/2023363.彩色電視的色度范圍彩色顯像管利用混色法重現(xiàn)顏色。用紅、綠、藍三種熒光粉所發(fā)出的非譜色光作為顯像三基色光。選擇顯像三基色時要求：(1)在混合時應獲得盡可能多的彩色，使顯示的圖像色調豐富、色彩鮮艷。反映在色度圖中就是由三基色構成的三角形面積盡可能大；(2)基色的亮度應足夠亮，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。1/16/202337制式NTSC制PAL制基色與光源RNGNBNCERPGPBPD65色坐標0.670.210.140.3100.640.290.150.3130.330.710.080.3160.330.600.060.329表6-1顯像三基色的色度坐標 采用不同彩色電視制式的國家，所選用的顯像三基色熒光粉、標準白光以及它們在色度圖上的坐標并不相同。1/16/202338

圖6-17NTSC和PAL電視重現(xiàn)的顏色范圍***圖6-18幾種設備重現(xiàn)的顏色范圍1/16/2023396.6.5CIE1960YUV和CIEYU'V'CIE1960YUV色度圖中：代表兩種顏色的兩個點之間的色差與對顏色感知的差別是均勻的。其中的Y與XYZ或者xyY中的Y相同。和坐標定義如下，CIEYU‘V’顏色空間：1/16/2023406.6.6CIE1976LUVCIE1931xyY二維色度圖有兩個比較明顯的缺點：⑴明度沒有反映在色度圖中。⑵在顏色空間中兩種顏色之間的距離與這對兩種顏色感知的色差有差異。圖6-19CIE1931xyY色度圖的感知均勻性圖中的每一條線段表示一對顏色；可以看到，在不同區(qū)域中的線段長度是不相等的，而且差別也比較大，說明對顏色的感知是不均勻的。比較短的線段表示對顏色的變化更敏感，線段長度的差別表示色度圖中各部分之間的畸變量。1/16/202341圖6-20CIE1960Luv色度圖1/16/202342圖6-21CIE1976Lu’v’色度圖1/16/2023431/16/202344CIELUV顏色空間：或簡稱為Luv顏色空間，也稱CIE1976L*u*v*顏色空間。這個顏色空間定義的三個量如下：1/16/202345其中， 是CIE標準光源的坐標，是三刺激值。1/16/2023466.6.7CIE1976LABCIE1976LAB顏色空間和CIE1931XYZ顏色空間的比較：相同之處是：都使用相同的基本原理，即顏色是光、物體和觀察者組合的結果，三種基色值是用CIE定義的光、物體和觀察者的數(shù)據(jù)進行計算得到的。不同之處是：CIE1976LAB顏色空間是建筑在對色視覺理論(opponentcolortheoryofvision)之上的顏色空間。CIE1976LAB顏色空間對顏色的描述與視覺感知更加符合。CIE1976LAB顏色空間光亮度、色調和飽和度都能夠獨立調整，因此，在不改變整個圖像或者亮度的情況下，可以改變整個圖像的顏色。CIE1976LAB顏色空間與監(jiān)視器、打印機、計算機或者掃描儀等設備無關，因此可以生成一致的顏色，創(chuàng)作和輸出一致的彩色圖像。1/16/202347對色視覺理論也稱Ewald

Hering理論,認為基本色調的數(shù)目紅、黃、綠和藍四種基色，它們組成紅－綠和黃－藍兩對對立色調(opponenthue)，黑-白是另外一對。紅和黃通常