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1、多媒体技术基础第3版第5章颜色的度量体系 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第5章 颜色的度量体系 2/66第5章颜色的度量体系目录 5.1 颜色科学简史颜色科学简史5.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语5.2.1什么是颜色5.2.2色调5.2.3饱和度5.2.4亮度5.2.5颜色空间5.3 颜色的度量体系概要颜色的度量体系概要5.4 Munsell颜色系统颜色系统5.5 Ostwald颜色系统颜色系统5.6 CIE颜色系统颜色系统5.6.1颜色
2、科学史上的两次重要会议5.6.2CIE1931RGB5.6.3CIE1931XYZ5.6.4CIE1931xyY5.6.5CIE1960YUV和CIEYUV5.6.6CIE1976LUV5.6.7CIE1976LAB5.6.8CIELUVLCh和CIELABLCh第5章 颜色的度量体系 3/665.1 颜色科学简史颜色科学简史nIsaac Newton(1642-1727)的色园的色园1666年开始研究颜色，把红色和紫色首尾相接形成色圆/色轮(colorcircle/wheel)。也称牛顿色圆(Newtoncolorcircle)，见图5-1度量颜色的一种方法，圆周表示色调，圆的半径表示饱和度
3、为揭示红(R)、绿(G)和蓝(B)相加混色奠定了基础，其互补色是C，M，Y牛顿还揭示了一个重要的事实：白光包含所有可见光谱的波长，并用棱镜演示了这个事实图5-1 牛顿色圆 第5章 颜色的度量体系 4/665.1 颜色科学简史颜色科学简史(续续1)nThomas Young(17731829)的假的假设在1802年，认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收器nMaxwell、James Clerk(18311879)的色度学的色度学19世纪60年代，探索了三种基色的关系n认为三种基色相加产生的色调不能覆盖整个感知色调的色域，而使用相减混色产生的色调却可以n
4、认为彩色表面的色调和饱和度对眼睛的敏感度比明度低Maxwell的工作被认为是现代色度学的基础nHermann von Helmholtz(1821-1894)的理的理论认为Young的看法非常重要，使用三种基色相加可产生范围很宽的颜色把这个想法用于定量研究，因此有时把他们的想法称为Young-Helmholtz理论。第5章 颜色的度量体系 5/665.1 颜色科学简史颜色科学简史(续续2)n物理科学物理科学实验20世纪20年代对科学家们提出的理论进行了实验，表明n红、绿和蓝相加混色的确能产生某个色域里的所有可见颜色，但不能产生所有的光谱色(单一波长的颜色)，尤其是在绿色范围里n如果加入一定量的
5、红光，所有颜色都可呈现，并用三色激励值(tristimulusvalues)表示R，G，B基色，但必须允许红色激励值为负值(即用补色)n国国际照明委照明委员会会(CIE)的的贡献献1931年定义了标准颜色体系，规定所有的激励值应该为正值，并用x和y两个坐标表示所有可见的颜色绘制的CIE色度图(CIEchromaticitydiagram)是用xy平面表示的马蹄形曲线，为大多数定量的颜色度量方法奠定了基础n生理学生理学实验眼睛的不同锥体对颜色吸收性能的猜想直到1965年前后才做详细的生理学实验进行验证，结果表明，在眼睛中的确存在三种不同类型的锥体，ThomasYoung的假设是正确的第5章 颜色
6、的度量体系 6/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语n颜色是什么色是什么颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的波长决定n视觉系统能感觉的波长范围为380780nm，感知到的颜色和波长之间的对应关系如图5-2所示n纯颜色通常用光的波长定义，称为光谱色(spectralcolors)n用不同波用不同波长的光的光进行组合时可产生相同的颜色感觉n很难同时看见所有的波长(纯白光)，也难看见单一波长。我们的颜色世界比这要复杂得多第5章 颜色的度量体系 7/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续1)图5-2 光谱色 5.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语
7、(续续2)n光的反射、透射和光的反射、透射和发射是射是讲物体的物体的颜色色时用的用的专业术语。不同的物体表面呈现出不同的颜色n对不同的光波的反射和透射率不同。n离开物体后波长的表现形式是物体的光谱数据，通常我们称之为颜色的“指纹”。第5章 颜色的度量体系 8/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续3)n光光谱数据数据 光谱数据可以绘制成光谱曲线，从而提供可见的颜色指纹。第5章 颜色的度量体系 9/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续4)n人的人的视觉是眼睛是眼睛对光的光的传感器网感器网络。这些传感器对不同的波长的响应信号传给大脑，在大脑中，这些信号被加工成可感
8、知的颜色。我们的记忆系统能识别不同的颜色，然后把它们与某一名称的颜色相联系。n我我们的大的大脑也能也能测量不同的量不同的颜色并将我色并将我们看到的每个看到的每个颜色色绘成曲成曲线吗？人的视觉系统使用非常有效的方法“大量处理”波长，将可见光谱分成最主要的红、绿、蓝成分，然后以它们来计算颜色信息。n区分区分颜色的三个特性色的三个特性色调(hue)饱和度(saturation)明度(brightness)第5章 颜色的度量体系 10/66第5章 颜色的度量体系 11/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续5)n色色调(hue)视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，即对可见物体辐射或发射
9、的光波波长的感觉n色调是最容易把颜色区分开的属性n色调用红(red)、橙(orange)、黄(yellow)、绿(green)、青(cyan)、蓝(blue)、靛(indigo)、紫(violet)等术语来刻画n用于描述感知色调的术语是色彩(colorfulness)，如浅蓝或深蓝的感觉。黑、灰、白为无色彩色调在颜色圆上用圆周表示n圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度，但它们的色调不同，见图5-3色调数目多于1000万种n普通人可区分200种、50种饱和度和500级灰度n颜色专业人士可辨认的色调数大约300400种第5章 颜色的度量体系 12/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续
10、续6)图5-3 色调表示法 第5章 颜色的度量体系 13/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续7)n饱和度饱和度(saturation)颜色的纯洁性n可用来区别颜色明暗的程度n当一种颜色掺入其他光成分越多时，就说该颜色越不饱和n完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色n单一波长的光谱色是完全饱和的颜色半径表示法n见图5-4(a)，沿径向方向上的颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同n图5-4(b)所示的七种颜色具有相同的色调和明度，但具有不同的饱和度，左边的饱和度最浅，右边的饱和度最深(a)半径表示法(b)示例图5-4 饱和度表示法 第5章 颜色的度量体系 14/66
11、5.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续8)n5.2.4 明度、亮度和光亮度明度、亮度和光亮度中英文术语的差别n在许多中文书籍和英汉词典工具书中ubrightness亮度ulightness亮度uluminance亮度n在本教材中，ubrightness明度uluminance亮度ulightness光亮度第5章 颜色的度量体系 15/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续9)n明度明度(brightness)视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性n例如。一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比在白炽光下亮n有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率u感知的明度与反射率不
12、成正比，认为是一种对数关系n明度的主观感觉值目前无法用物理设备测量u可用亮度(luminance)即辐射的能量来度量u用一个数值范围表示，例如，010第5章 颜色的度量体系 16/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续10)u一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色明度常用垂直轴表示，见图5-5(a)在图5-5(b)中，七种颜色具有n相同色调和饱和度n不同的明度n底部的明度最小n顶部的明度最大(a)垂直轴表示法 (b)示例图5-5明度表示法第5章 颜色的度量体系 17/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续11)n亮度亮度(lumina
13、nce)国际照明委员会定义的物理量辐射功率n用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率(radiantpower)，并在555nm处达到了峰值，它的幅度与物理功率成正比可认为“亮度就像光的强度(intensity)”n在CIEXYZ系统中，亮度用Y表示，其含义是单位面积上反射或发射的光的强度明度和亮度的关系不是线性关系，也不是同义词n严格地说，亮度应该使用像烛光/平方米(cd/m2)这样的单位来度量，但实际上是用指定的亮度即白光作参考，并把它标称化为1或者100个单位。例如，监视器用亮度为80cd/m2的白光作参考，并指定Y=1。第5章 颜色的度量体系 18/665.2 描述颜色的几个
14、术语描述颜色的几个术语(续续12)n光亮度光亮度(lightness)根据国际照明委员会的定义，光亮度是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，并用L*表示为其中，Y是CIEXYZ系统中定义的辐射亮度，Yn是参考白色光的辐射亮度光亮度也常作为颜色空间的一个维第5章 颜色的度量体系 19/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续13)n颜色空色空间表示颜色的一种数学方法n对人，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色n对显示设备，用红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜色n对打印或印刷设备，使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色通常用三维模型表示n常用代表三个
15、参数的三维坐标来指定，这些参数描述颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉人们是什么颜色，其颜色要取决于使用的坐标第5章 颜色的度量体系 20/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续14)例：图5-6表示用色调、饱和度和明度构造的HSB(hue,saturation，andbrightness)颜色空间n色调用角度标定，红色标为0,青色标为180n饱和度的深浅用半径大小表示n明度用垂直轴表示图5-6 色调-饱和度-明度颜色空间 第5章 颜色的度量体系 21/665.2 描述颜色的几个术语描述颜色的几个术语(续续15)n颜色空色空间有有设备相关和相关和设备无关之分无关之分设备相关：指
16、定生成的颜色与生成颜色的设备有关n例如，RGB颜色空间是与显示系统相关的颜色空间，计算机显示器使用RGB来显示颜色，用像素值(例如，R250,G123,B23)生成的颜色将随显示器的亮度和对比度的改变而改变设备无关：指定生成的颜色与生成颜色的设备无关n例如，CIEL*a*b*颜色空间是设备无关的颜色空间，它建筑在HSV(hue,saturationandvalue)颜色空间的基础上，用该空间指定的颜色无论在什么设备上生成的颜色都相同。n“颜色空色空间”与与“颜色模型色模型”“颜色空间(colorspace)”和“颜色模型(colormodel)”互为同义词第5章 颜色的度量体系 22/665.
17、3 颜色的度量体系概要颜色的度量体系概要n颜色系色系统(color system)定义：组织和表示颜色的方法，也称颜色度量体系、颜色制或颜色体制方法：组织和表示颜色的主要方法n颜色模型(colormodel)：用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义u例子：RGB,HSB,CMY,CIEXYZ,CIELAB，CMYK和颜色的光谱描述方法n编目系统(catalogingsystem)：给每一种颜色分配一个唯一的名称或一个号码u例1，Munsell颜色系统(MunsellColorSystem)第5章 颜色的度量体系 23/665.3 颜色的度量体系概要颜色的度量体系概要(续续1)u例2，Panto
18、ne颜色系统也称Pantone颜色匹配系统(PantoneMatchingSystem，PMS)，在图形艺术和印刷技术中使用的一种颜色匹配系统，包含有500多种印墨颜色，每种颜色都指定了一个号码准确性n人们对物体产生某种光的感觉，一方面取决于电磁辐射对眼睛的物理刺激，另一方面取决于眼睛的视觉特性n对颜色的标定最终要符合人眼的视觉特性，因此，计算颜色的一些基本数据都是来自许多观察者的颜色视觉实验结果概要见图5-7第5章 颜色的度量体系 24/665.3 颜色的度量体系概要颜色的度量体系概要(续续2)图图5-7 颜色的度量方法颜色的度量方法1第5章 颜色的度量体系 25/665.4 Munsell
19、颜色系统颜色系统nAlbert H.Munsell1858-1919，美国杰出的艺术家和教授发表的著名论文n1905年：Color Notation(颜色表示法)n1915年：Atlas of the Munsell Color System(Munsell颜色制图谱)开发了第一个广泛被接受的颜色次序制(colorordersystem)，称为Munsellcolor-ordersystem或Munsellcolorsystem2，对颜色作了精确的描述并用在他的教学中Munsell颜色次序制是其他颜色系统的基础nMunsell颜色系色系统精确指定颜色和显示各种颜色之间关系的一种方法n每种颜色都
20、有色调(hue)、明度值(value)和色度(chroma)三种属性n建立了这三种属性与视觉感知特性相一致的数值范围，用Munsell颜色簿(MunsellBookofColor)显示在这些数值范围内的一套色块，每个色块用数值表示n可用这套色块确定任何表面的颜色属于什么色第5章 颜色的度量体系 26/665.4 Munsell颜色系统颜色系统(续续1)1905年提出并在1943年修改的Munsell颜色系统使用色调、明度和饱和度表示颜色的三种属性,见图5-8(a)n色调被分成红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)，这五种色叫做主色调(principalhues)，如图5-8(b)所示
21、u在主色调之间插入红黄、黄绿、绿蓝、蓝紫，紫红5种色调，连同5个主色调共10个色调，分别用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，并且把它们放在等间隔的扇区上n度量颜色明暗的明度值(value)从白到黑被分成11个等级n度量颜色的饱和度或纯度的色度(Chroma)被分成15等级Munsell制中的颜色用三个符号表示，写成HVC(Hue，Value，Chroma)。例如，明亮的红色应该是5R
22、4/14，其中5R是色调，4是明度值，而14是色度第5章 颜色的度量体系 27/665.4 Munsell颜色系统颜色系统(续续2)图5-8Munsell颜色系统(b)色调(a)颜色属性第5章 颜色的度量体系 28/665.4 Munsell颜色系统颜色系统(续续3)nMunsell系系统引起普遍重引起普遍重视的原因主要是：的原因主要是：更清楚地把明度(指Munsellvalue)从色调和饱和度(指Munsellchroma)中区分开来。这样就可用二维空间表示颜色，如色圆统一了对颜色的认识，使颜色样本之间的距离与感知的颜色差异相一致为颜色交流语言提供了一个清晰而不含糊的表示法。在Munsell
23、颜色系统中，每一种颜色都有一个指定的位置这个系统仍被广泛使用第5章 颜色的度量体系 29/665.5 Ostwald颜色系统颜色系统nWilhelm Ostwald1853-1932，德国化学家发表的著名论文n在1916年出版了The Colour Primer(颜色入门)n1918年出版了The Harmony of Colours(颜色的融合)nOstwald颜色系色系统根据对颜色起决定作用的波长、纯度和亮度来映射色调、饱和度和明度的值假设色调由8种主色调组成n黄色(yellow)，橙色(orange)，红色(red)，紫色(purple)，蓝色(blue)，青绿色(turquoise)，
24、海绿色(seagreen)和叶绿色(leafgreen)n每一种再细分成3种，共24种，安排在图5-9所示的色圆上使用垂直轴表示亮度，从黑色、灰色到白色第5章 颜色的度量体系 30/665.5 Ostwald颜色系统颜色系统(续续1)(a)色调 (b)盘色度计图5-9 Ostwald色圆和颜色表示法第5章 颜色的度量体系 31/665.5 Ostwald颜色系统颜色系统(续续2)使用盘色度计(disccolorimeter)产生颜色，见图5-9(b)nOstwald颜色空间中的点用C(fullcolor)，W(white)和B(black)分别表示全色、白色和黑色，表示它们在一个圆上所占的百分
25、比。例如，某一点的数值是30,25,45，它所表示的含义是全色占30%、白色占25%和黑色占45%。Ostwald制保留了几十年，后被AmericanMunsell和SwedishNaturalColour制淘汰n原因:Ostwald制选择的颜色在排列上不能满足饱和度比较高的染料市场的需要。第5章 颜色的度量体系 32/665.6 CIE颜色系统颜色系统n物理三基色模型物理三基色模型RGB模型采用物理三基色，其物理意义很清楚，但它是一种设备相关的颜色模型。每一种设备(包括人眼和现在使用的扫描仪、监视器和打印机等)使用RGB模型时都有不太相同的定义，尽管各自都工作得很圆满，而且很直观，但不能通用
26、n理理论三基色模型三基色模型为了解决这个问题，国际照明委员会的颜色科学家们企图在RGB模型基础上，用数学的方法从真实的基色推导出理论的三基色，创建一个新的颜色系统，使颜料、染料和印刷等工业能够明确指定产品的颜色第5章 颜色的度量体系 33/665.6.1 颜色科学史上的两次重要会议颜色科学史上的两次重要会议n1931年国年国际照明委照明委员会召开的会会召开的会议，定，定义了了标准观察者(StandardObserver)标准：普通人眼对颜色的响应。该标准采用想象的X,Y和Z三种基色，用颜色匹配函数(color-matchingfunction)表示。颜色匹配实验使用2的视野(fieldofvi
27、ew)。标准光源(standardIlluminants)：用于比较颜色的光源规范。CIEXYZ基色系统：与RGB相关的想象的基色系统，但更适用于颜色的计算。CIExyY颜色空间：一个由XYZ导出的颜色空间，它把与颜色属性相关的x和y从与明度属性相关的亮度Y中分离开。CIE色度图(CIEchromaticitydiagram)：容易看到颜色之间关系的一种图第5章 颜色的度量体系 34/665.6.1 颜色科学史上的两次重要会议颜色科学史上的两次重要会议(续续)n1976年国年国际照明委照明委员会召开的会会召开的会议明确了1931的CIE系统规范存在的两个问题：n用明度和色度不容易解释物理刺激和
28、颜色感知之间的关系n色度图上表示的两种颜色之间的距离与颜色观察者感知的变化不一致，称为感知均匀性(perceptualuniformity)问题，即颜色之间在数字上的差别与视觉感知不一致解决颜色空间的感知一致性问题n专家们对CIE1931XYZ系统进行了非线性变换，定义了两种颜色空间u用于自照明的颜色空间，称为CIELUVu用于非自照明的颜色空间，称为CIE1976L*a*b*或CIELABn这两种颜色空间与颜色的感知比较均匀，并给了人们评估两种颜色近似程度的一种方法，允许使用数字量E表示两种颜色之差第5章 颜色的度量体系 35/665.6.2 CIE 1931 RGBnRGB颜色匹配函数色匹
29、配函数匹配每种光波波长所需要的三种相加基色的相对量n该术语通常是指标准观察者的颜色匹配函数颜色是物理量，对物理量可进行计算和度量n产生用红、绿和蓝单光谱基色匹配所有可见颜色的想法，并做了许多实验1931年国际照明委员会综合了不同实验者的实验结果，得到了RGB颜色匹配函数(colormatchingfunctions)，如图5-10所示n图上的横坐标表示光谱波长，纵坐标表示用以匹配光谱各色所需要的和，这些值是以等能量白光为标准的系数，是观察者实验结果的平均值第5章 颜色的度量体系 36/665.6.2 CIE 1931 RGB(续续1)为匹配在438.1nm和546.1nm之间的光谱色，出现负值
30、，表示需要使用补色国际照明委员会把三种单色光的波长分别定为n红光(R)：700nmn绿光(G)：546.1nmn蓝光(B)：435.8nm图5-10 1931 CIE RGB颜色匹配曲线(RGB Color Matching Curves)第5章 颜色的度量体系 37/665.6.2 CIE 1931 RGB(续续2)n标准白光标准白光Ew的匹配的匹配通过颜色匹配实验，用红、绿和蓝三基色光匹配成白光时，所需红、绿和蓝基色光的光通量之比为14.59070.0601为便于计算，按比例规定了三基色光的单位,分别用R、G和B表示为R=1个红基色光单位=1光瓦G=1个绿基色光单位=4.5907光瓦B=1
31、个蓝基色光单位=0.0601光瓦其中，1光瓦=680流明(lm)标准白光Ew的颜色可用每个基色单位为1的物理三基色配出第5章 颜色的度量体系 38/665.6.2 CIE 1931 RGB(续续3)n其他其他颜色的匹配色的匹配根据三基色原理，任意一种颜色C可用下式匹配r、g和b分别为红、绿和蓝三基色的比例系数，即三种单位基色光的光通量的倍数nr、g和b的大小决定颜色光的光通量nr、g和b之间的比例决定生成的颜色。因为三基色的总光通量必须与被表示的颜色相等，因此r、g和b之和必等于1,即 例：该式表示的颜色为偏绿色第5章 颜色的度量体系 39/665.6.3 CIE 1931 XYZ nCIE
32、XYZ系系统1931年国际照明委员会定义的颜色空间n根据颜色科学家贾德(Judd)的建议n坐标称为CIE刺激值(tristimulusvalues)n用百分比表示X、Y和Z三种想象的相加基色的量设备无关的颜色系统n根据视觉特性和用颜色匹配实验结果定义的n规定X、Y和Z基色都用正数去匹配所有的颜色，并用Y值表示人眼对亮度(luminance)的响应n每种颜色都可表示成想象的基色X、Y和Z的混合n与可见的颜色不对应第5章 颜色的度量体系 40/665.6.3 CIE 1931 XYZ(续续1)nCIE 1931标准准颜色匹配函数色匹配函数（CIE1931StandardColorMatchingF
33、unctions）见图5-11n横坐标表示可见光谱的波长，纵坐标表示X、Y和Z基色的相对值n和是颜色匹配系数n三条曲线表示X、Y和Z三基色刺激值如何组合以产生可见光谱中的所有颜色n例，匹配波长为450nm的颜色(蓝/紫)需要u0.33单位的X基色u0.04单位的Y基色u1.77单位的Z基色用标准观察者(StandardObserver)的实验数据n为表示普通人眼的颜色响应而采用的观察者标准,其视野角或称视场角(viewingangle)为2第5章 颜色的度量体系 41/665.6.3 CIE 1931 XYZ(续续2)图5-11 CIE 1931标准颜色匹配函数第5章 颜色的度量体系 42/6
34、65.6.3 CIE 1931 XYZ(续续3)nRGB和和XYZ之之间的的转换关系关系和1931CIEX、Y和Z基色和1931CIER、G和B基色转换关系为 第5章 颜色的度量体系 43/665.6.3 CIE 1931 XYZ(续续4)nCIE 1931 XYZ颜色空间颜色空间X，Y和Z三基色刺激值概念的理论基础n人的眼睛有红、绿和蓝三种感受器n所有颜色都被认为由三种基色混合而成从图5-12中可看到：n坐标轴不在实心锥体内，黑色位于坐标原点n曲线边界称为光谱轨迹(spectrallocus)n光谱轨迹上的波长是单一的，其数值表示可能达到的最大饱和度n所有可见光都在锥体上图5-12 CIE
35、1931 XYZ颜色空间第5章 颜色的度量体系 44/665.6.3 CIE 1931 XYZ(续续5)n配色方程配色方程XYZ中任何一种颜色都可用三种基色单位表示,其中，C表示颜色，X，Y和Z为三个基色单位；X，Y和Z 均为正的基色系数；合成的颜色光的色度由X，Y和Z的比值确定当X=Y=Z时，合成白光Ew，总的辐射能量测量光源的光谱和获得X,Y和Z三种基色值的过程是用分光辐射度计(spectroradiometer)自动完成的 第5章 颜色的度量体系 45/665.6.4 CIE 1931 xyY n从从XYZ到到xyY颜色空色空间 CIEXYZ的特点n三基色刺激值X、Y和Z对定义颜色很有用
36、n使用比较复杂，且不直观1931年CIE定义CIExyY颜色空间n对给定颜色，若增加其明度，则每种基色的光通量要按比例增加才能匹配该颜色，说明当颜色点离开原点(0，0，0)时，X:Y:Z的比值保持不变n色度值仅与波长(色调)和纯度有关，与总辐射能量无关，因此在计算颜色的色度时，把X、Y和Z值相对于总辐射能量=(X+Y+Z)规格化，并只需考虑它们的相对比例称为三基色相对系数第5章 颜色的度量体系 46/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续1)n配色方程可规格化为x+y+z=1n由于三个相对系数之和恒为1，这就相当于把XYZ颜色锥体投影到X+Y+Z=1的平面。见图5-13n由于z可从x+
37、y+z=1导出，因此不考虑z，而用两个系数x和y表示颜色，并绘制以x和y为坐标的二维图形。n这就相当于把X+Y+Z=1平面投射到XY平面，即Z=0的平面，这就是CIExyY色度图图5-13 1931 CIE颜色空间上X+Y+Z=1的平面第5章 颜色的度量体系 47/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续2)nCIE 1931 xyY色度色度图从XYZ直接导出的xyY颜色空间，颜色用亮度Y参数和颜色坐标x与y表示见图5-14n用标称值表示。Y值与XYZ中的Y刺激值一致，用于表示颜色的亮度或光亮度；x表示红色分量，y表示绿色分量，用于在二维图上指定颜色n在图(a)中，A点在色度图上的坐标是
38、x0.4832，y0.3045，它的颜色与红苹果的颜色相匹配n在图(b)中，E点代表白光，它的坐标为(0.33，0.33)n在边界上的颜色是光谱色，边界代表光谱色的最大饱和度，边界上的数字表示光谱色的波长n舌形曲线包含所有的感知色调,自然界中各种实际颜色都位于这条闭合曲线内nRGB系统选用的物理三基色在色度图的舌形曲线上第5章 颜色的度量体系 48/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续3)(a)色度图(b)轮廓图图5-14 CIE 1931色度图第5章 颜色的度量体系 49/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续4)nCIE xyY色度色度图上看色上看色调和和饱和度和度直观表
39、示颜色的色调和饱和度，如图5-15所示nE代表等能白光，饱和度为0；舌形上谱色光的饱和度为100%等色调波长线n标准白光E的坐标点W与谱色轨迹上波长为的某点M的连线n连线WM线上各点的彩色均有与M点相同的色调，只是渗入白光的程度不同；或者说，直线上任何一点的波长均与谱色轨迹上那点的单色波长相同。如M点的波长为540nm，WM线上各彩色点的波长均为540nm。n由W点与谱色轨迹上任一点相连的直线都是等色调波长线等饱和度线n饱和度相同的各点的连线n在等色调波长线WM上，彩色光越靠近W点，表示白光成分越多，饱和度越低，到W点则成为白光；相反，彩色光越靠近谱色轨迹，则表示白光成分越少，饱和度越高，即颜
40、色越纯利用CIExyY色度图上的等色调线和等饱和度线，可从色度图上直观地看出一种彩色的色调和饱和度第5章 颜色的度量体系 50/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续5)图5-15 CIE 1931色度图中的等色调波长线和等饱和度线第5章 颜色的度量体系 51/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续6)n色度色度图上看色域上看色域闭合曲线所包围的区域称为色域(gamut)，见图5-16在显示设备中，色域是指显示设备所能显示的所有颜色的集合n有一些颜色是不能由显示设备发出的红、绿和蓝三种荧光混合而成的，因此就不能显示这些颜色。色域的划分n在色度图上，白光区域以外的部分代表不同的颜
41、色n一种区分颜色的方法是把色度图上的所有颜色分成23个区域，在每个区域中，颜色差别不大。利用它可以大致判断某种颜色在色度图上的坐标范围n图5-16表示了印刷、绘画等所用颜料可重现的彩色范围第5章 颜色的度量体系 52/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续7)(a)英文名称(b)中文名称图5-16 XYZ系统色域图 第5章 颜色的度量体系 53/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续8)n彩色彩色电视的色度范的色度范围彩色显像管利用混色法重现颜色n因目前的技术还不能直接采用CIE规定的标准光谱三基色：700nm(R)、546.1nm(G)和435.8nm(B)，因此用红、绿、蓝
42、三种荧光粉发出的非谱色光作为显像三基色光选择显像三基色要求：n在混合时应获得尽可能多的彩色，使显示的图像色调丰富，在色度图中就是由三基色构成的三角形面积尽可能大n基色的亮度应足够亮，这就要求荧光粉的发光效率要高，以获得必要的图像亮度第5章 颜色的度量体系 54/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续9)彩色电视制式不同，三基色荧光粉不同n三基色荧光粉的标准白光以及在色度图上的坐标见表5-1n根据表5-1所列显像三基色的色度坐标，可确定它们在色度图中的位置n把NTSC制或PAL制所选用的三基色R，G和B三点连起来构成一个三角形，其中的任何一种颜色都可以用R,G和B匹配，三角形面积反映显像
43、管能重现的彩色的最大范围n图5-17表示NTSC和PAL颜色电视重现颜色的范围n图5-18表示打印设备、电视和电影等设备重现颜色的范围制式NTSC制PAL制基色与光源RNGNBNCERPGPBPD65色坐标x0.670.210.140.3100.640.290.150.313y0.330.710.080.3160.330.600.060.329表5-1 显像三基色的色度坐标第5章 颜色的度量体系 55/665.6.4 CIE 1931 xyY(续续10)图5-17 NTSC和PAL电视重现的颜色范围 图5-18 几种设备重现的颜色范围第5章 颜色的度量体系 56/665.6.5 CIE 196
44、0 YUV和和CIE YUVnCIE 1960 YUV由CIE1931xyY经过线性变换之后得到的颜色空间在色度图中，代表两种颜色的两个点之间的色差与对颜色感知的差别是均匀的。其中的Y与XYZ或xyY中的Y相同坐标定义如下nCIE 1960 YUV为了进一步减少色差与感知的非线性，CIE开发了CIEYUV颜色空间。其中的Y没有改变，u和v坐标定义如下第5章 颜色的度量体系 57/665.6.6 CIE 1976 LUV nCIE 1931 xyY色度图的色度图的缺点：缺点：明度没有反映感知非均匀n两种颜色之间的距离与这对两种颜色感知的色差有差异n见图5-19，在不同区域中的线段长度不相等u表示
45、对颜色的感知不均匀。较短的线段表示对颜色的变化较敏感u长度差别表示色度图中各部分之间的畸变量图5-19 CIE 1931 xyY色度图的感知均匀性第5章 颜色的度量体系 58/665.6.6 CIE 1976 LUV(续续1)n CIE 1960 Luv色度色度图均匀色度换算(uniformchromaticityscale，UCS)方案n借用Munsell的思想，首先把亮度和颜色完全分开，然后使用数学公式把CIE1931XYZ中的x，y坐标变换到一个名为u,v的新坐标系，得到比较精确的色度图，见图5-20n与图5-19所示的1931CIE色度图相比，蓝色-红色部分伸长了，白光光源移动了，绿色
46、部分减少了nCIE 1976 Luv色度色度图 1976年对CIE1960Luv作了进一步改进n把u,v重新命名为u,v，经过数学变换得到更加均匀的色度图，见图5-21，称为CIE1976Luv色度图，也称CIE1976UCS色度图第5章 颜色的度量体系 59/665.6.6 CIE 1976 LUV(续续2)图5-20 CIE 1960 Luv色度图图5-21 CIE 1976 Luv色度图第5章 颜色的度量体系 60/665.6.6 CIE 1976 LUV(续续3)nCIE 1976 LUV/CIE 1976 L*u*v*/CIELUV为解决刺激值Y(亮度)的非线性问题，CIE定义了一个
47、均匀的光亮度比例(uniformlightnessscale)，L*，其值从0(黑色)100(白色)。CIE使用L*，u,v定义了L*u*v*颜色空间，称为CIELUV或Luv颜色空间，也称CIE1976L*u*v*颜色空间颜色空间定义的三个分量如下第5章 颜色的度量体系 61/665.6.6 CIE 1976 LUV(续续4)其中是CIE标准光源的坐标，是三刺激值 CIELUV颜色空间比CIE xyY感觉更均匀，在有源产品(如电视机、显示器和受控光源等)中得到广泛应用第5章 颜色的度量体系 62/665.6.7 CIE 1976 LABnCIE 1976 LAB是什么是什么CIE1931XY
48、Z颜色空间的一种数学变换使用最广泛的物体颜色度量方法，并作为度量颜色的国际标准可简写为CIELAB，也称CIE1976L*a*b*(简写为CIEL*a*b*)颜色空间，或称为CIELAB/CIEL*A*B*色差制(CIELABcolordifferencemetric)n CIE 1976 L*a*b*和和CIE 1931 XYZ颜色空色空间相同之处n使用相同的基本原理，即颜色是光、物体和观察者组合的结果n三种基色值是用CIE定义的光、物体和观察者的数据进行计算得到的第5章 颜色的度量体系 63/665.6.7 CIE 1976 LAB(续续1)不同之处nCIE1976L*a*b*是建筑在对色
49、视觉理论(opponentcolortheoryofvision)之上的颜色空间，CIE1931XYZ是建筑在三基色理论之上的颜色空间注：对色视觉理论EwaldHering理论nEwaldHering(1834-1918)是德国籍奥地利的生理和心理学家n与Helmholtz的三色理论相反的成对出现的四色理论u19世纪70年代，他认为基本色调的数目不是红、绿和蓝三种，而是红、黄、绿和蓝四种基色，红绿和黄蓝构成两对对立色调(opponenthue)，黑-白是另外一对u红和黄认为是“暖色(warmcolor)”，而绿和蓝是冷色(coolcolor)与长期被人们接受的三基色刺激理论不兼容n通过对眼睛中
50、的颜色感受器的研究，以及对感受器在视网膜上相互连接的复杂性的研究，现代的颜色视觉观点已经开始接受这种理论第5章 颜色的度量体系 64/665.6.7 CIE 1976 LAB(续续2)nCIE 1976 L*a*b*颜色空色空间的特点的特点光亮度、色调和饱和度都能够独立调整，因此，在不改变整幅图像或者亮度的情况下，可改变整个图像的颜色与设备无关，可生成颜色一致的颜色使用对色坐标(opponentcolorcoordinate)，见图5-22n理由：颜色不能同时为红和绿或同时为黄和蓝，但可被认为是红和黄、红和蓝、绿和黄以及绿和蓝的组合n使用L*,a*,b*坐标轴定义颜色空间uL*值代表光亮度，其