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色度学基础知识

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色度学基础知识

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色度学基础知识

一、 概述

色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量的理论与技术的科学，

是以物理光学、

视觉生理、视觉心理、心理物理等学科领域为基础的综合性科学。

在现代工业和科学技术发展中， 存在着大量有关色度学的问题，

颜色与人民生活

的衣食住行密切相关。颜色的测量和控制在一些工农业生产中极为重要， 在许多部门颜

色是评定产品质量的重要指标， 如染料、涂料、纺织印染、 塑料建材、医学试剂、食品

饮料、灯光信号、造纸印刷、电影电视、军事伪装等等， 这一切都是由于颜色科学的建

立， 才使色度工作者能以统一的标准， 对颜色作定量的描述和控制。

在纺织印染、染料和涂料等行业天天与颜色打交道， 过去全凭目测评定， 评定结

果无法记述， 储存。 并受观察者的身体状况、情绪、年龄等影响很大。 随着电子技术

和计算机技术的迅速发展， 测色仪器的测色准确性、重演性和自动化程度大大提高。现

在又有在线检测对提高产品质量， 减少不合格品率更为有用。 为此测色技术在各行各业

日益得到广泛应用。

色彩的感觉是一个错综复杂的过程，

单从物理观点来考虑， 色彩的产生有三个 主要因素： 光源，被照射的物体和观察者。

二.、 光和颜色

1、 光源

光由光源体发出， 太阳光是我们最主要的光源。光辐射是一种电磁辐射波， 包括

无线电波、紫外光、红外光、可见光、X 射线和γ射线等。

我们人类所能见到的光只是电磁波中极小的一部分，其波长范围是380--700nm （纳

米）称为可见光谱。

在可见光谱范围内， 不同波长的辐射引起人的不同颜色感觉：

700nm 为红色，

580nm 为黄色， 510nm 为绿色， 470nm 为蓝色。单一波长的光表现为一种颜色， 称为

单色光。

物体在不同光源照射下会呈现不同的颜色， 为此国际照明委员会（CIE ）规定了如

下

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 的标准照明体， 为实现标准照明体的实物就是标准光源。其规定以各个照明体在各波长

的能量分布的数据和曲线来表示。我国的国家标准GB 也等同采用这些标准。

A 光源是色温为2856?K

的钨灯。

C 光源是相关色温为

6770?K ，类似薄云天空的白光。

通过钨灯经液体滤光器实现。

D65、D50、D60和D75

照明体分别是相关色温

6500?K ， 5000?K 、6000?K 和

7500?K 的平均自然白光。其光

源都是各厂家用各种手段模拟的， CIE 还未推荐人工的D 标准光源。

冷白荧光灯（CWF ）： 色温为4200?K 。

TL84：为三磷荧光灯。

2、物体

物体的颜色， 除自发光的物体的颜色称为光源色外， 其它非自发光的物体的颜

色称为表面色， 它必须靠光源照明后才能显现出来，如果没有照明光，也就没有颜色感

觉。当光照射到物体上后，一部分光被物体表面反射（或透射），一部分光进入物体被吸

收（或散射）。被物体表面反射（或透射）的这部分光的特性，决定了我们看到的物体的

颜色。

（1）光的反射

当光照射在有光泽物体平滑表面上时，如镜子或金属表面，入射光绝大部分被反

射，反射光和透射光在一个平面上，而且反射角等于入射角，这种反射叫做镜面反射。当

光照射在不透明又不平滑物体表面上时，光就按不同方向反射，叫做漫反射。在很多物

体 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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上这两种反射同时存在。若物体漫反射时，各反射方向亮度相等的点能连成一个正圆，这

种物体称为完全漫反射体。理想的完全漫反射体是不存在的。

国际照明委员会规定采用4种方法作为测定反射率的条件。

0o / 45o 、45o / 0o 、0o / d 、d / 0o 这四种就是仪器的照明受光几何条件。并且规定了不论何种场合，都取试样的反

射光和在相同条件下全扩散反射面的反射光之比作为反射率，为此测色仪器都要用标准白

板进行校正。对白标准国际和国标都有规定。

不同波长下的反射率即为反射率曲线。如果各个波长的光照射物体，几乎全部反射， 我们看到的物体即为白色，若几乎全部被吸收，则我们看到的物体是黑色，若各个波长相

同的吸收，根据吸收的大小为一系列的灰色，若在各个波长吸收不一，即有选择性的吸收，

我们就看到物体不同的颜色。

（2）光的透射和吸收

当光照射在透明物体上时，光经过这一物体时一部分透射，一部分被吸收。

如入射光强度为 I 1，透射光强度为 I 2，透射率 T = I 2 / I 1。

吸光度也称作吸收率 D

D = —

log T

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-

D =A sBC

A s 为一常数，对特定物质和特定波长是一定的。

D 与介质的浓度C 成正比（当液槽厚度B 一定时）比耳定律。

D 与液槽厚度B 成正比（当浓度C 一定时）朗伯定律。

同样，因为物体的选择性吸收，我们也可看到物体不同的透射色。

3、观察者

观察者即为人的眼睛或检测器。 对于人检知颜色的问题属于颜色视觉生理和颜色视觉心理范畴。经长期的实验研究

现代颜色理论的两大类，“三色学说”和“对立颜色学说”被“颜色视觉的阶段学说”统

一在一起。现代神经生理学发现，在视网膜中确实存在三种不同的颜色感受器，感红、感

绿、感蓝的锥体细胞。第一阶段视网膜中三种独立的锥体感色物质，有选择地吸收光谱不

同波长的辐射，同时每一物质又可单独产生白和黑的反应。第二阶段在神经兴奋由锥体感

受器向神经中枢的传导过程中，这三种反应又重新组合，最后形成三对对立性的神经反应，

即红或绿、黄或蓝、白或黑反应。

人眼对不同波长的可见光的感受性是不同的，经

过大量实验，CIE 规定了CIE 明视觉和暗视觉标准光

谱光效率。

4、颜色的分类和特性

颜色可分为无彩色和彩色两大类。无彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色。

它们只有明度上的差异，对光谱各波长的反射没有选择性。

彩色是指黑白系列以外的各种颜色。彩色有三个特性：明度、色调、彩度（饱和度）。

用一个三维空间的纺锤形立体可以表示颜色的三种基本特性。垂直轴表示白黑系列明度的

变化。在圆周上的变化代表色调的变化。颜色立体的中心是中灰色，从中心向圆周过渡表

示彩度（饱和度）的增加。离中心越远彩度越高。

5、颜色混合 颜色混合可以是颜色光的混合，也可以是染料的混合。两种混合方法所得的结果是不同的。色光混合称为加法混合，而染料混合称为减法混合。

把两个颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫做颜色匹配，通过大量的颜色匹配实验发现用三种颜色可以匹配出各种各样颜色，但它们之中的任何一个不能由另外二种颜色混合而成。我们称这三种颜色为三原色。

实验证明用红、绿、蓝三种色光匹配其它颜色光最方便。人们确认红、绿、蓝为加法混合的三原色，它们的加和为白色。而黄、品红、青为减法混合的三原色，它们的加和为黑色。

（C）≡R（r）+ G（g）+B（b）为颜色方程

C代表被匹配的颜色，“≡”代表匹配，即视觉上相等，（r）、（g）、（b）分别代表红、绿、蓝三原色。把为了匹配某一特定颜色所需的三原色数量叫做三刺激值，为匹配相等能量（简称等能）光谱色的三原色数量叫做光谱三刺激值。

三、CIE标准色度学系统

物体的颜色既取决于外界物理刺激，又取决于人眼的视觉特性，颜色的测量和标定应符合人眼的观察结果。目前国际上各个领域广泛应用的，是以两组基本视觉实验数据为基础建立的一套颜色的表示、测量和计算方法。即CIE标准色度学系统。

1、标准色度观察者

Wright (1928~1929年),Guild（1931年）各自选择三原色，由不同观察者在2°视场观察条件下，用三原色匹配等能光谱的各种颜色，得到两组实验结果。CIE1931年将三原色转换成700nm（r）、546.1nm（g）和435.8nm（b）三原色，采取平均结果，定出匹配等能光谱色的r,g,b光谱三刺激值，但在这系统中有时r,g,b会出现负值，计算不方便又不易理解，因此1931年CIE讨论推荐CIE-XYZ系统。用数学方法推导，以假想的三原色X、Y、Z来表示。称为“CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值”，也叫CIE1931标准色度观察者颜色匹配函数，简称CIE1931标准观察者或2 °观察者。

为了适合10 °大视场的色度测量，CIE在1964年又另规定一组“CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值”简称CIE1964标准观察者或10°观察者。

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2、三刺激值的计算

700

400

= k S R x X λλλλ?∑

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色度学知识大全

色度学知识大全

颜色

苹果是红的，柠檬是黄的，天是蓝的，这就是我们大家以日常用语对颜色的判断。 我们用色调这一术语在色彩世界里把颜色区分为红、黄、蓝等类别。还有，虽然黄和红是两种截然不同的色调，但是把黄和红混合在一起就产生了橙色（有时称之为黄-红）：混合黄和绿产生黄-绿；混合蓝和绿则产生蓝-绿，等等。 把这些色调衔接排列，就形成如图1所示的色环。

当比较各种颜色的亮度（颜色的明亮程度如何）时，颜色就有明亮和深暗之分。 例如，将柠檬的黄色和葡萄柚的黄色来说， 毫无疑问，柠檬的黄色就比较明亮。 把柠檬的黄色和欧洲甜樱桃的红色相比， 显然，也是柠檬黄比较明亮。 可见，颜色亮度的测量与色

调无关。 现在，让我们来看一看图2。图2是图1沿A（绿）B（紫红）直线切开的剖面图。 可以看出，亮度沿垂直方向变化，越往上去，色彩越明亮，越往下去，则越深暗。

再来说说黄色。柠檬的黄色和梨的黄色相比较又如何？ 你可能会说柠檬的黄色更明亮一些，但除此以外还有一个大的差别就是柠檬的黄色显得鲜艳， 而梨的颜色则显得阴晦。 这种差别称之为色饱和度或鲜艳度。 从图2可以看出，紫红和绿两色的饱和度分别由中心向两侧随水平距离的增加而变化。 离中心越近，色彩越阴晦；离中心越远，则越鲜艳。 图3标出了一些常用的描述色彩亮度和色饱和度的形容词。 至于这些形容词表达了什么，请再看一下图2。

色调、亮度、和色饱和度 为颜色的三个属性。将此三属性放在一起，可以组成一个三维立体，如图4。色调形成该立体的外缘，亮度作为中央主轴，而色饱和度作为水平横辐。 世界上一切的颜色均分布于如图4所示的主体周围，于是形成了如图5所示的色立体， 由于色饱和度各梯级的大小对每一种颜色色调和亮度来说都是不等的，因此色立体的形状为复杂，但却能把色调、亮度、色饱和度的关系以直观的方式来表达得清清楚楚。 色彩和光的知识 测量仪器

色度学基础知识介绍

色度学基础知识介绍

1Introduction to Color Engineering

2/80Reference

󰂄Color Science, G. Wyszechkiand W.S. Stiles, John Wiley

& Sons, 1982.

󰂄Color Engineering, SID, 2002

󰂉Edited by Phil Green and Lindsay MacDonald

󰂄基礎色彩再現工程, 陳鴻興/陳君彥譯, 大田登著, 全華

科技,2003.

󰂄Course notes of SIGGRAPH ’02 and 04

󰂉A Field Guide to Digital Color, course 21, 2002.

󰂉Color in Information Display Principles, Perception, and Models,

course 20, 2004.

󰂄色彩科學與工程技術研討會講義(工研院光電所主辨)

23/80Achieve device independent colour

4/80Outline

󰂄Color Vision

󰂉How we see color

󰂄Colorimetry

󰂉How to measure color

󰂄Color Reproduction

󰂉Display picture match original scene

35/80Color Vision

󰂄Light emitted from a light source

󰂄Light reflected from or transmitted through the

object

󰂄Light enters the eye

󰂉Absorbed by cones

󰂉Transmitted to brain

󰂉Interpreted to perceive color

6/80光線分解的起源

色度学的基本知识

色度学的基本知识

色度学的基本知识

色度学是研究人的颜色视觉规律，颜色测量理论与技术的科学，是物理光学，视觉生理，视觉心理等科学为基础的综合性科学。彩色电视技术中的色度学是研究自然界景物的颜色，如何在彩色电视系统中分解，传输，并在彩色电视机屏幕上正确的复显出来。

名词解释：

同色异谱：也就是说一定的光谱分布表现为一定的颜色，但同一种颜色可以有不同的光谱分布合成。彩色电视机的颜色复显技术正是利用同色异谱概念，在颜色复显过程中，不是重复原来景物的光谱分布，而是利用几种规格化的光源进行配制。以求在色感上得到等效效果。如在彩电的复显中用的是R，G，B三基色光谱（因为R，G，B三基色可以混合出自然界中绝大多数颜色）的合成来复显原来景物的颜色。

绝对黑体：是指在辐射作用下既不反射也不透射，而能把落在它上面的辐射全部吸收的物体。当绝对黑体被加热时，就会发射一定的光谱，这些光谱表现为特定的颜色。

色温：当绝对黑体发射出与某一光源相同特性的光时，绝对黑体所必须保持的温度，便叫某光源的“色温”。

1931CIE-XYZ计色系统

现代色度学采用CIE（国际照明委员会）所规定的一套色测量原理，数据和计算方法，称为CIE标准色度学系统。

白色可分为好多种，有偏红的白色（暖白色），偏蓝的白色（冷白色）等。在彩色电视系统中，为了分解，重现彩色图象，通常也要选择一种白色作为分解，重现颜色的基准白。为了清楚的描述不同的白色，通常把1931CIE-XYZ图中把白色用色度坐标（x，y）来表示，也可以用相关色温和最小分辨的颜色差来表示。图中斜竖线称为布朗克轨迹等色温线，与其垂直的斜线称为最小可分辨的颜色差（Minimum Perceptible Colour

Difference，简称MPCD），MPCD为零的斜竖线称为黑体（Black body）轨迹，又称布朗克轨迹。布朗克轨迹上各点呈现的白色代表了绝对黑体在不同绝对温度下呈现的白色（从6000—20000K），竖斜线与布朗克轨迹相交的各点，均称为相应竖斜线上的点所表征的白色的相关色温点，与布朗克轨迹相交的斜线称为等相关色温线。

色度学基础

色度学基础

第一节 色度学基础

色度学与人类工程学

色度学与物理光学等学科的基础不同, 物理光学可以认为是客观的科学, 是与人类无关的。而色度学却是一种主观的科学, 它以人类的平均感觉为基础, 因此它属于人类工程学范畴, 以对光强的度量来说, 物理光学以光的辐射能量这个客观单位来度量, 而色度学却以色光对人眼的刺激强度来度量。辐射能量很大的波长很长的红光对人来说却没有辐射能量很小的黄光亮, 人们就认为黄光的强度比红光大。色度学既然是建立在人眼的反应基础上, 对于别的动物就不适用了。好在人类的不同人种之间对光的感受没有太大的区别, 因此色度学是和人种无关的。

绝对亮度( Lv) 的定义是: ( 坎德拉 / 平米)

其中 θ 是发光表面法线与给定方向夹角的余弦。由于多数情况下是垂直于发光表面观察的, 所以亮度可理解为单位面积的发光强度( di 为微发光强度, ds 为微发光面元) 。

1 坎德拉的发光强度是频率为 540×1012 赫兹的光源在每球面度中强度为 1/683 瓦的光辐射。由此可见, 亮度与电磁波的辐射强度这个物理量成正比。又由于人眼的感色性的关系, 又与光的波长密切相关。

由于人眼在不同的亮度环境下会自动调节瞳孔的大小, 使进入眼睛的光强总在一个亮度范围之内。因此除了在超出人眼调节范围之外的极暗或极亮的环境之外, 使用相对亮度来表述图像或图片更为方便。例如, 尽管电视屏幕的白场、灯光下的白纸和阳光下的白纸的亮度很不一样, 但都将其定义为 100% 的相对亮度。考虑到在电子出版领域的应用, 后面使用亮度这个术语时, 都是表示相对亮度。

亮度和明度

物体的亮度在计算机内都要以整数的方式表示, 例如最亮的为 100, 最暗的就是 0, 中间还有许多过渡亮度。为了计算方便, 计算机内通常都以 2 的多少次方来表示一个亮度范围。例如 0～31、0～63、0～127、0～255。现在最常用的是 0～255, 即 256 级亮度, 但其他几种方式也常使用; 例如有许多彩色显示卡的 32K 色显示方式, 它的亮度等级就是 0～31, 共 32 级。