下载文档原格式
现代色度学-第一章光与彩色视觉绪论 Introduction色度学[基本色度学-basic colorimetry] 色度学是研究人类颜色视觉规律、颜色测量的理论和技术的科学。
从十九世纪30年代到80年代结束，色度学建立了光源、颜色测量及条件、标准观察者及察条件、色空间、色差、色貌属性等一整套理论，并得到国际组织广泛采用。
基本色度学这套理论只能描述简单环境下刺激，与色度学最终解决复杂环境下颜色度量问题还有很长的距离。
人眼对颜色感知不仅与视觉细胞接受到颜色本身的刺激有关，而且与周围的颜色、照度、背景等环境有关，不同媒体上的颜色，由于周围环境不同，相同的刺激，人眼的颜色感觉不同。
[先进色度学-advanced colorimetry] 进入90年代，出现了解释各种色貌现象(color appearance phenomena：Simultaneous Contrast, Crispening and Spreading(扩增现象), Bezold-Brucke Hue Shift, Abney Effect, Hunt Effect, Helmholtz-Kohlrausch Effect, Stevens Effect, Helson-Judd Effect, Bartleson-Breneman Equations, Discounting-the-Illuminant)、不同媒体间颜色传递和数字视频、其他工业应用的需求等（Vienna Experts Symposium (1996)、Industrial Demand Uniformity of Practice (like CIELAB) ），对基本色度学提出了扩展要求。
这些现象表明，视场(the visual field)的各个方面对刺激色貌的影响。
色貌模型(color appearance models: CAM)就是要解决特定的照明、背景和观察环境等参数下的CIE色度参数(如三刺激值)进行色貌属性参数(如明度、彩度、色相) 计算或预测的一组数学表达式或数学模型，与基本色度学对应即advanced colorimetry[1]。
绪论Introductionz zz[先进色度学-advanced colorimetry]进入90年代，出现了解释各种色貌现象(color appearance phenomena：Simultaneous Contrast, Crispening and Spreading(扩增现象), Bezold-Brucke Hue Shift, Abney Effect, Hunt Effect, Helmholtz-Kohlrausch Effect, Stevens Effect, Helson-Judd Effect, Bartleson-Breneman Equations, Discounting-the-Illuminant)、不同媒体间颜色传递和数字视频、其他工业应用的需求等（Vienna Experts Symposium (1996)、Industrial Demand Uniformity of Practice (like CIELAB) ），对基本色度学提出了扩展要求。
这些现象表明，视场(the visual field)的各个方面对刺激色貌的影响。
色貌模型(color appearance models: CAM)就是要解决特定的照明、背景和观察环境等参数下的CIE色度参数(如三刺激值)进行色貌属性参数(如明度、彩度、色相) 计算或预测的一组数学表达式或数学模型，与基本色度学对应即advanced colorimetry[1]。
z色度学研究的具体内容z色度学是研究颜色度量和评价方法的一门学科，是颜色科学领域里的一个重要部分。
z色度学的最终目标是要解决在复杂环境中物体颜色外貌的度量问题。
目前距离此目标还很遥远；近十年“色貌模型”研究就是要解决这个问题)。
z所以，颜色测量问题(包括仪器)、颜色参数(即色空间或色度坐标，包括物理参数和心理参数)、物理参数与心理参数之间的关系及其转换(即色貌模型)、色差等是色度学的具体内容。
其它如光源、彩色设备以及其他颜色应用等都与色度学有直接关系。
z测量光谱z测量仪器。
测量“光谱分布”叫分光光度计；直z特点色度学是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。
也是一门以实验为基础的实验性科学。
也是一门描述性科学，人眼是最终的归宿。
z应用色度学也是一门应用领域非常广泛的科学。
光源研制、印刷、染织、电影、电视、化工、灯光信号、照明、伪装等都需要对颜色进行测量和控制。
随着数字技术、数字设备、信息技术的发展，颜色以及色度学已在信息科学中占有重要的地位。
第一章光与色视觉Light& Human Color Vision人眼所见的色彩，其理论基础最早是由Newton 于1671 年利用三棱镜自然光通过后分离出不同的色彩表现，称之为光谱(Spectrum)。
当人类将色光经由Newton 的实验分离后，便开始着手研究色彩究竟是如何产生的？1802 年，Thomas Young 重新定义色彩三原色说，其假设自然界所见的所有色彩均可由三原色组合而成。
另一方面，亦假定人眼內有三种视觉接收细胞，每一种细胞负责单一色彩的感应、接收。
大约50 年后(由于某些部份未详细记载)，Helmholtz再加以详细补充及改进原有的学说，成就现今Young-Helmholtz理论。
直到1861 年，Maxwell 研究色彩並实验而制作出第一张彩色影像，因此也证实了三原色说的理论基础[Malacara, 2002]。
1.1 牛顿颜色理论z波长380~780nm之间电磁波，引起人眼颜色感觉不同，简称可见光。
紫、蓝(430~470 nm)、青、绿(500~530 nm)、绿、黄、橙、红(620~700 nm)Electromagnetic Radiation光谱强度分布：Spectral Power DistributionThe Spectral Power Distribution (SPD) of a light is a function P(λ) which defines the power in the light at each wavelength. （如图是相对光谱强度分布）Relative Power10.50400500600700Wavelength (λ)人眼感觉光强的范围(动态范围)很宽COMPUTATIONAL MODELS OF HVS HIGH DYNAMIC RANGE VIDEO COMPRESSION_2006-153页.pdf1.2 颜色视觉理论(人眼颜色感觉的机理)（1） 三色学说：the trichromatic theory of colour vision基于红、绿、蓝三原色可以混合出不同颜色的现象，19世 纪扬—赫姆霍尔兹(Young 1802-Helmholtz 1886)提出，人眼 视网膜上有三种含有不同视色素类型的神经纤维，光作用于 纤维上能同时引起三种纤维的兴奋，波长不同，引起三种纤 维兴奋不同，产生不同的颜色感知。
后来生理学证实了三种锥细胞的存在，并且测的的三种不 同光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰分别约在 440~450nm；530~540nm；560~570nm。
三色说理论三色说理论是19世纪扬—赫姆霍尔兹(Young 1802Helmholtz 1859)提出的。
基于红、绿、蓝三原色可以混合出不同 颜色的现象，扬(Thomas Young, 1773–1829)在1801年提出了三 色说理论。
认为人眼不可能有每一种波长的接收器(receptors)， 视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起一种原色 的感觉，提出颜色可以用三种基色合成(primaries)的概念。
扬在 1802年重新定义色彩三原色说，其假设自然界所见的所有色彩均 可由三原色组合而成。
另一方面，也假定人眼内有三种视觉接收 细胞，每一种细胞负责单一色彩的感应和接收[3-荆其诚1979]。
1859年，赫姆霍尔兹(Hermann von Helmholtz, 1821-1894) 补充杨的学说，认为视网膜上有三种神经纤维，光谱的不同部分 引起三种纤维不同比例的兴奋。
赫姆霍尔兹对这个学说作了一个 图解，图中给出三种神经纤维的兴奋曲线，对光谱的每一波长， 三种纤维都有其特有的兴奋水平，三种纤维不同程度的同时活动 就产生相应的色觉。
这个学说现在通常称为杨—赫姆霍尔兹学 说，也叫做三色学说。
三色学说最大优越性是能充分说明各种颜 色的混合现象。
赫姆霍尔兹用简明的三种神经纤维的假设，使颜色实践 中颜色混合这一核心问题得到满意的解释，他提出的三种神经 纤维的兴奋曲线预示了色度学中光谱三刺激值的思想，是色度 学建立的根源。
有多种支持三色理论的证据。
首先是生理学证实了三种锥 细胞的存在，并且测出三种不同光谱敏感性的视色素的光谱吸 收峰分别在564–580 nm , 534–545 nm和420–440 nm范围 [Wyszecki 1982]，分别对长波、中波、短波的光敏感。
所 以，分别称感红(L)、感绿(M)、感蓝(S)三种锥细胞，它们的 吸收光谱如图1-11所示。
后来进一步发现了三种视色素编码蛋 白的遗传差异。
其次，下章将要介绍的传统色度学，就是建立 在三基色波长的光与各种单色光的颜色匹配实验基础上，是三 色学说的实验证据。
颜色匹配实验说明，不同的物理光谱成 分，可以产生视觉上完全相同的颜色，即所谓的同色异谱现象 是三色理论能够解释视觉系统的一个最重要的感知特性。
同色 异谱的存在使颜色复制成为可能，阴极射线管(CRT)采用三种 荧光粉实现了在较宽范围内产生与许多物体相配的颜色。
The Physiology of Human Vision:人眼生理学The Human EyeThe Human Retinarods conesbipolar ganglionhorizontal amacrine光的入射方向？lightRetinal Photoreceptors输出层输入层1．Photoreceptors：光子接收器；2．Horizontal cell：水平细胞 3．Bipolar cell： 5．Ganglion cell: 双极细胞； 4．Amacrine cell： 神经节细胞 无长突细胞视网膜包含五层细胞，第一层包含有两种类型光接收器： 锥体细胞和杆体细胞(根据其形状命名)。
大约1亿杆细胞，700 万个锥细胞。
它们在视网膜上的分布是不均匀的。
位于视网膜 中央部位，有一个呈黄色的锥体细胞密集区，直径约2~3mm，称 为黄斑。
黄斑中央有一个凹窝，称为中央凹，是视觉最敏感的 地方，锥细胞密度最大。
在中央黄斑和中央凹大约3°视角范围 内主要是锥体细胞。
由里向外锥体细胞急剧减少，而杆体细胞 逐渐增多。
在在离中央凹20°的地方，杆体细胞数量最大。
杆体细胞 能探测到非常微弱的光(大约10-3cd/m2)，如星光(大约10-5∼10-1cd/m2)，负责夜晚和低亮度视觉。
一 个光子能产生一个信号，由于只有一种类型的杆细胞，因 此我们只能有单色(灰)知觉。
随着光量的增加，杆细胞不 感光，结果停止将信号发射到大脑。
随着光量的增加，锥体细胞 开始发射神经信号，灰色的世界变得五彩斑斓。
我们对颜色的感知就是因为我们有三类锥体细胞对不同波 长的光产生感应的结果。
三种类型的锥细胞分别对长、中 和短波长的光敏感，这三种锥细胞分别用 L、M、S 表 示。
ConesHigh illumination levels (Photopic vision) Less sensitive than rods. 5 million cones in each eye. Density decreases with distance from fovea.3 Types of ConesL-cones, most sensitive to red light (610 nm) M-cones, most sensitive to green light (560 nm) S-cones, most sensitive to blue light (430 nm)Cones Spectral Sensitivity( L, M , S )⇐ L = ∫ P(λ )L(λ )dλλ光谱响应(或敏感)曲线 相对光谱响应(或敏感)曲线 spectral response curve： S—type cones: short wavelength,with peak sensitivity at 440 nm M—type cones: medium wavelength,with peak sensitivity at 550 nm L—type cones: long wavelength,with peak sensitivity at 570 nm R— rods:每一种有不同的光谱响应。
