色彩课程设计.docx

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色彩课程设计

《颜色测量与计算》课程设计

一、利用工具软件EXCEL对颜色测量数据进行计算、分析和比较

1.实验目的

（1）学会使用工具软件进行颜色的测量、计算、分析和比较测量结果；

（2）会使用办公软件绘制光谱反射率曲线并了解不同的颜色感觉与光谱反射率的对应关系

（3）会用办公软件绘制色品图，并根据不同颜色在色品图中的位置分析颜色特征，了解显示器上不同饱和度的单色色块在色品图上的分布规律。

2.实验仪器

X-RiteSwatchbook分光光度计、X-RiteMonitorOptimizer色度计、CRT显示器，Colorshop软件、不同颜色的样张

3.实验内容

（1）用仪器测量反射物体的光谱反射率

（2）绘制所测样品光谱反射率曲线

（3）绘制反射物体与标准光源S（λ）作用以后的反射光光谱曲线、再与标准观察者函数作用以后的光谱曲线

（4）计算D65照明体下样品的三刺激值X,Y,Z和色品坐标x,y，比较不同计算方法

（5）绘制CIE-xy色品图，并将所测样品的色品坐标显示在xy色品图中

（6）将计算结果与直接测量结果进行比较，进行分析

（7）测量显示器最饱和的红、绿、蓝及其不同饱和度梯尺XYZ三刺激值，计算其色品坐标xy和L*a*b*；并标在xy和a*b*图中，查看规律

（8）测量显示器上红、绿、蓝分别为（255,255,0）、（0,255,255）、（255,0,255）的颜色，并标在xy和a*b*图中

（9）用测量的皮肤色光谱数据进行颜色测量，比较不同部位的皮肤色差别

4.实验结果与分析

（4）不同颜色的光谱反射率

1不同色调颜色的光谱反射率

对于非发光物体来说，其色调取决于照明光源的光谱组成和物体自身反射（透射）特性，即由它所形成的光刺激中的光谱分布所决定。

所以，由物体的光谱反射率曲线的形状可以大致判断它的色调。

由图1-1.1可以看出，实地C的光谱反射峰值在400—550区间，实地M的光谱反射峰值在580—700区间和400—500区间，实地Y的光谱反射峰值在600—700区间。

由此可以得出：

反射物体吸收红光，反射绿光和蓝光，得到青色颜色感觉；反射物体吸收绿光，反射红光和蓝光，得到品红色颜色感觉；反射物体吸收蓝光，反射红光和绿光，得到黄色颜色感觉。

2不同明度颜色的光谱反射率

一般来说，彩色物体表面光反射率越高，所形成的光刺激中能量也越高，对其明度的感觉也就越高。

由于光谱分布代表的是辐射能量随波长变化的关系，因此曲线下包围的面积就是该刺激的辐射能量总和，面积越大，辐射能量也越大，在相同的波段内产生的明度感觉也越强。

由图1-1.2可看出，三种黄色的明度大小关系为：

Y30>Y50>Y80。

由于三者的网点面积率大小关系为：

Y80>Y50>Y30，网点面积率越大，吸收的光越多，反射的光就越少，明度会越低，因此会出现之前所述的明度大小关系。

3不同彩度颜色的光谱反射率

从光谱分布的角度来看，颜色彩度取决于物体的光谱反射（透射）特性，即取决于颜色刺激的波长范围。

从图1-1.3可以看出，实地M和M20的的主要波长都分布在600—700区间，而实地M的光谱带较窄，因此纯度就较高，彩度感觉就较高。

而M20的光谱带较宽，可以认为是在单色光中加入了一定量的白光，混合光的色调仍然保持与单色光相同，但其彩度会降低。

（5）反射物体与标准光源S（λ）作用以后的反射光光谱曲线（颜色刺激函数）、与标准观察者函数作用以后的光谱曲线（锥体细胞颜色响应）

4不同颜色的颜色刺激函数

图1-2.1为D65光源的光谱功率分布曲线，表现了光源的颜色特性。

图1-2.2是反射物体与标准光源S（λ）作用以后的反射光光谱曲线（颜色刺激函数），其表示的是物体形成的颜色刺激，是物体对光进行选择性吸收和反射后进入人眼的光的组成成分。

由图1-2.2可以看出，在相同光源下，不同颜色的物体具有不同的反射光光谱曲线，将此图与图1-1.1、图1-1.2、图1-1.3相比较，发现与后三者有所区别，说明物体的颜色感觉会随照明光源的不同而变化。

本图中使用的标准光源为D65光源，若光源发生改变，则图形随之改变。

5锥体细胞对不同颜色的响应

根据三色学说，人眼视网膜上含有三种不同类型的锥体细胞，这三种细胞含有三种不同的视色素，分别对可见光的短波、中波和长波敏感，分别称为亲蓝、亲绿、亲红色素。

相同的光进入人眼，不同锥体细胞的响应也会不同，从图1-2.3至图1-2.9中也可以得到验证。

图1-2.3至图1-2.9为椎体细胞对不同颜色的响应曲线，这是由物体、D65光源、标准色度观察者三者共同作用的结果，也就是说，S（λ）和ρ（λ）作用后形成颜色刺激，然后进入人眼与x（λ）、y（λ）和z（λ）分别作用后形成最终颜色感觉。

（6）计算D65照明体下样品的三刺激值X、Y、Z和色品坐标x、y

计算公式：

三刺激值计算公式：

色品坐标计算公式：

x=X/（X+Y+Z）y=Y/（X+Y+Z）

表1-3.1D65照明体下样品色的三刺激值

样品色

三刺激值

计算值

测量值

实地C

X

14.15

14.14

Y

18.79

18.78

Z

60.96

60.87

实地M

X

30.00

30.06

Y

15.79

15.81

Z

20.31

20.30

实地Y

X

61.03

61.10

Y

69.95

69.96

Z

8.68

8.67

Y80

X

73.10

73.18

Y

84.02

84.02

Z

14.98

14.98

Y50

X

78.15

78.22

Y

88.10

88.10

Z

38.65

38.63

Y30

X

83.88

83.95

Y

92.56

92.57

Z

60.62

60.59

M20

X

78.88

78.89

Y

77.14

77.13

Z

87.90

87.88

表1-3.2D65照明体下样品色的色品坐标

样品色

色品坐标

计算值

测量值

实地C

x

0.1507

0.1507

y

0.2001

0.2002

实地M

x

0.4538

0.4543

y

0.2389

0.2390

实地Y

x

0.4370

0.4373

y

0.5009

0.5007

Y80

x

0.4248

0.4250

y

0.4882

0.4880

Y50

x

0.3814

0.3816

y

0.4300

0.4299

Y30

x

0.3538

0.3541

y

0.3905

0.3904

M20

x

0.3234

0.3236

y

0.3162

0.3162

由表1-3.1和表1-3.2可以看出，D65照明体下样品色的三刺激值和色品坐标的计算值与测量值相差很小。

（7）绘制CIE-xy色品图，并将所测样品的色品坐标标在xy色品图中

不同的样品色位于CIE-xy色品图的不同位置，实地C饱和度较大，因此其靠近光谱轨迹。

实地Y、Y80、Y50和Y30皆为黄色，随着网点面积率减小，饱和度降低，因此三点在色品图上的位置依次由光谱轨迹向中心白点靠近。

实地M和M20为品色，位于由白点与光谱轨迹的两个端点构成的三角形区域内，没有主波长，将其与白点的连线反向延长交光谱轨迹于一点，此点光谱色的波长为M样品的补色波长。

实地M比M20更靠近光谱轨迹，说明其饱和度更高。

（8）测量显示器的最饱和的红、绿、蓝及其不同饱和度的原色梯尺XYZ三刺激值，计算其色品坐标xy和

，标在xy和

图中

计算公式：

L*a*b*计算公式：

色品坐标计算公式：

x=X/X+Y+Zy=Y/X+Y+Z

D65光源：

Xn=95.04Yn=100.00Zn=108.88

表1-5.1显示色的三刺激值、色品坐标和L*a*b*值

显示色

三刺激值XYZ

色品坐标xy

L*a*b*

X

Y

Z

x

y

L*

a*

b*

r0

0.64

0.62

0.74

0.3200

0.3100

5.31

2.56

-1.14

r45

0.62

0.57

0.64

0.3388

0.3115

4.72

4.11

-0.37

r90

2.04

1.33

0.80

0.4892

0.3189

11.48

20.49

8.50

r135

6.31

3.39

0.81

0.6004

0.3225

21.54

40.64

25.69

r180

12.56

6.94

1.86

0.5880

0.3249

31.67

49.21

30.68

r225

24.97

13.17

2.21

0.6188

0.3264

43.02

65.85

47.20

r255

33.84

18.21

3.48

0.6094

0.3279

49.75

70.98

49.89

g0

0.72

0.64

0.82

0.3303

0.2936

5.54

5.37

-2.07

g45

1.01

1.05

1.14

0.3156

0.3281

9.40

0.44

0.04

g90

2.49

3.99

1.55

0.3101

0.4969

23.64

-22.35

19.87

g135

6.99

12.32

3.53

0.3060

0.5394

41.72

-39.31

35.74

g180

14.72

26.43

7.20

0.3044

0.5466

58.44

-52.36

47.47

g225

28.60

50.61

13.90

0.3072

0.5436

76.44

-63.40

58.68

g255

36.62

65.15

19.07

0.3030

0.5391

84.56

-69.62

61.48

b0

0.71

0.66

0.78

0.3302

0.3070

5.76

3.95

-1.04

b45

0.42

0.38

0.54

0.3134

0.2836

2.10

4.03

-2.90

b90

0.77

0.56

2.68

0.1920

0.1397

4.60

11.63

-22.66

b135

2.17

1.29

11.38

0.1462

0.0869

11.21

24.58

-47.30

b180

4.56

2.31

27.40

0.1331

0.0674

17.04

39.29

-69.31

b225

8.76

4.42

54.21

0.1300

0.0656

25.01

49.07

-87.80

b255

12.70

6.57

78.77

0.1295

0.0670

30.81

53.87

-98.84

从图1-5.1可以看出，不同颜色梯尺分布在CIE-xy色品图的不同位置，不同饱和度的同种颜色在CIE-xy色品图中基本可以连成一条直线，随着饱和度的升高，色品坐标逐渐由中心白点向光谱轨迹接近；随着饱和度降低，色品坐标逐渐由光谱轨迹向中心白点接近。

从图1-5.2可以看出，不同颜色梯尺分布在CIEL*a*b*色品坐标的不同位置，不同饱和度的同种颜色在CIEL*a*b*色品坐标中基本可以连成一条直线，且不同饱和度的同种颜色的色调角基本相同。

随着饱和度的升高，a*、b*值越来越大，色品坐标逐渐远离中心点；随着饱和度的降低，a*、b*值越来越小，色品坐标逐渐靠近中心点。

将图1-5.2与表1-5.1相对照可以看出，不同颜色梯尺的明度随其饱和度的增加而变大，即L*值变大。

（9）在显示器上测量RGB为（255,255,0）（0,255,255）（255,0,255）的颜色，标在xy和a*b*图上

表1-6.1显示色CMYRGB的三刺激值、色品坐标和L*a*b*值

显示色

三刺激值XYZ

色品坐标xy

L*a*b*

X

Y

Z

x

y

L*

a*

b*

r255

33.84

18.21

3.48

0.6094

0.3279

49.75

70.98

49.89

g255

36.62

65.15

19.07

0.3030

0.5391

84.56

-69.62

61.48

b255

12.70

6.57

78.77

0.1295

0.0670

30.81

53.87

-98.84

r255g0b255

43.88

23.66

77.81

0.3019

0.1628

55.75

77.20

-55.11

r255g255b0

76.31

89.95

25.01

0.3990

0.4703

95.98

-17.93

70.58

r0g255b255

52.23

75.63

103.97

0.2253

0.3262

89.69

-46.00

-14.73

从图1-6.1可以看出，最饱和的R、G、B所连接而成的三角形构成了显示器的色域，黄色点的位置位于绿色和红色两点的连线上，青色点的位置位于绿色和蓝色两点的连线上，品红色点的位置位于红色和蓝色两点的连线上，说明在色品图上颜色的相加符合线性规律，即在色品图上两种颜色相加产生的混合颜色坐标总是位于连接两种颜色坐标点的直线上。

从图1-6.2可以看出，不同颜色位于色品坐标的不同位置，说明其色调各不相同。

最饱和的C、M、Y、R、G、B的饱和度大小是不一样的，R、G、B、C的坐标距离远点较远，饱和度较高，而M和Y的坐标距离远点较近，饱和度略低。

（10）皮肤测量数据处理

从图1-7.1可以看出，比较身体不同部位皮肤的光谱反射率数据，其各曲线的线型大体一致，只存在细微差别。

从图1-7.2可以看出，身体不同部位皮肤的颜色刺激函数曲线线型大体一致，说明身体各部位的肤色大体相同，但由于身体各部位受光照等外界条件影响不同，肤色仍有差别。

比如手心和手背的光谱数据差别就较大，可能是由于光照时间不同所致。

表1-7.1身体不同部位皮肤的三刺激值

身体部位

三刺激值

计算值

测量值

额头

X

22.77

22.78

Y

21.95

21.95

Z

16.08

16.05

脸颊

X

25.73

25.74

Y

24.92

24.91

Z

19.83

19.79

下巴

X

24.48

24.50

Y

23.35

23.35

Z

18.44

18.41

手心

X

30.86

30.88

Y

31.13

31.12

Z

25.82

25.77

手背

X

24.19

24.20

Y

23.48

23.47

Z

16.60

16.57

手臂内侧

X

24.42

24.44

Y

23.98

23.98

Z

13.14

17.26

手臂外侧

X

20.70

20.71

Y

19.95

19.95

Z

13.14

13.11

表1-7.2身体不同部位皮肤的色品坐标

身体部位

色品坐标

计算值

测量值

额头

x

0.3745

0.3748

y

0.3611

0.3611

脸颊

x

0.3651

0.3654

y

0.3536

0.3536

下巴

x

0.3694

0.3698

y

0.3524

0.3524

手心

x

0.3515

0.3518

y

0.3545

0.3546

手背

x

0.3763

0.3767

y

0.3653

0.3653

手臂内侧

x

0.3968

0.3721

y

0.3897

0.3651

手臂外侧

x

0.3848

0.3852

y

0.3709

0.3709

从表1-7.1和表1-7.2中可以看出，身体不同部位皮肤的三刺激值的测量值与计算值相差很小，身体不同部位皮肤的色品坐标的测量值与计算值也相差很小。

从图1-7.3可以看出，身体各部位皮肤的色品坐标几乎汇于一点，说明身体各部位肤色的差别很小。

二、测一品牌油墨的颜色特性

5.实验目的

（11）通过测量数据定量说明印刷颜色的规律，油墨的颜色特性。

掌握用仪器测量油墨及印刷品的密度值和网点面积率的方法，学会计算印刷品的网点面积率。

（12）理解绝对密度和相对密度的概念，学会区分二者并在试验中正确使用。

学会测量并计算印刷品的色偏、色差、色灰、色效率及色纯度的方法。

（13）对比计算值与测量值，分析实验误差，更加准确的掌握试验方法，使实验更加准确。

6.试验仪器

计算机、Colorshop测量软件、X-RiteSwatchbook分光光度计、测试样张

7.实验内容

（14）测出油墨的青、品红、黄、红、绿、蓝、叠印黑实地色块及纸张的光谱反射率，用工具软件绘制光谱反射率曲线，说明各原色吸收和反射的光谱范围，分析各原色与叠印色光谱曲线的关系和规律。

计算各色的XYZ和色品坐标xy，在xy色品图上绘制此种品牌油墨的色域；

（15）选择一网点面积率的青、品红、黄各一色块，测量密度值，利用公式求其网点面积率，说明测量和计算的方法并与仪器直接测量的网点面积率进行比较分析；

（16）根据测量的单色梯尺各色块在D65照明体下的XYZ值，计算色品坐标xy和L*a*b*值并标在xy和a*b*图中

（17）测量原色实地色块的密度并计算油墨的色纯度、色偏、色会、色效率。

（18）选择两个颜色相近的色块，测量其在D65照明体下的XYZ三刺激值，利用色差公式计算两者的ΔL*、Δa*、Δb*、ΔC*、Δh*及色彩ΔE*ab，并分析明度、彩度差异及偏色情况和实际色差感觉。

8.实验结果与分析

（19）测出油墨的青、品红、黄、红、绿、蓝、叠印黑实地色块及纸张的光谱反射率

由图2-1.1可以看出，青主要吸收570—700nm的红光，反射400—570nm的蓝光和绿光；品红主要吸收500—600nm的绿光，反射600—700nm的红光和400—500nm的蓝光；黄主要吸收400—500nm的蓝光，反射500—700nm的绿光和红光；蓝主要吸收500—700nm的绿光和红光，反射400—500nm的蓝光；绿主要吸收400—490nm的蓝光和550—700的红光，反射490—550nm的绿光；红主要吸收400—590nm的蓝光和绿光，反射590—700nm的红光；黑几乎吸收所有波长的光，反射的光很少；白几乎不吸收光，反射所有波长的光。

由色料减色混色原理可知，减色混色对照明光的吸收增加，混合后结果变暗，由于红、绿、蓝为叠印色，故其光谱反射率会低于青、品、黄。

油墨的色域是一个六边形，六边形的六个顶点分别由青、品、黄、红、绿、蓝确定，非彩色点在白点处。

彩色印刷的呈色过程分为颜色分解和颜色合成两个过程，根据网点呈色原理，三原色油墨以网点形式印刷在承印物上可以叠印产生8种纽介堡基色，其中6种颜色为彩色，两种为非彩色，所以油墨的色域是由6个彩色的纽介堡基色决定的，分别是一次色C、M、Y和二次色R、G、B。

油墨形成的色域范围如图2-1.2所示，这种油墨所能再现的颜色都在其色域范围内，处于色域范围外的颜色该品牌油墨不能复制再现。

（20）选择一网点面积率的青、品红、黄各一色块，测量密度值，利用公式求其网点面积率

表2-2.1不同色块的网点面积率

不同色块

C

M

Y

K

网点面积率计算值

网点面积率测量值

C100

1.55

0.46

0.18

0.8

100.0%

100.0%

C60

0.61

0.24

0.09

0.4

77.6%

77.3%

M100

0.2

1.22

0.67

0.6

100.0%

100.0%

M60

0.12

0.48

0.32

0.3

71.2%

70.9%

Y100

0.03

0.08

0.92

0.1

100.0%

100.0%

Y60

0.03

0.06

0.52

0

79.3%

79.2%

测量方法：

将分光光度计测试小孔对准标准白板进行校正，然后校正样张中的实地，规定其网点面积率为100%，再对同色调但不同网点面积率的各种样品及纸张空白部分进行测试

计算公式：

其中

为相对阶调密度，

是实地相对密度

绝对密度值是样品相对于理想白的密度，而相对密度是相对于白纸的密度，计算网点面积率时使用相对密度值与实际情况更为相近，因此在此处计算过程中应该使用相对密度进行计算。

测量的色块在印刷过程中会有网点面积扩大的现象，从表2-2.1中也可以看出，网点面积率的计算值与测量值均大于色块理论上的网点面积率，但计算值与测量值相差很小。

（21）根据测量的单色梯尺各色块在D65照明体下的XYZ值，计算色品坐标xy和L*a*b*值

表2-3.1不同颜色梯尺色品坐标和L*a*b*值

不同颜色梯尺

色品坐标

L*a*b*值

x

y

L*

a*

b*

C100

0.1502

0.2004

51.12

-22.00

-50.74

C90

0.1649

0.2158

54.73

-21.40

-46.51

C80

0.1848

0.2343

59.31

-19.56

-40.98

C70

0.2016

0.2495

63.93

-18.14

-36.41

C60

0.2200

0.2634

68.34

-15.34

-31.51

C50

0.2363

0.2762

72.23

-13.11

-26.57

C40

0.2504

0.2860

75.88

-10.67

-22.49

C30

0.2636

0.2952

79.23

-8.46

-18.27

C25

0.2729

0.3013

82.21

-6.74

-15.39

C20

0.2779

0.3046

83.37

-5.82

-13.66

C15

0.2850

0.3091

85.40

-4.40

-11.27

C10

0.2915

0.3134

87.63

-3.22

-8.95

C7

0.2947

0.3150

88.65

-2.40

-7.94

C