色度学的基本知识.docx

1、色度学的基本知识色度学的基本知识色度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。色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。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。在人们眼中所反映出的颜色，不单取

2、决于物体本身的特性，而且还与照明光源的光谱成分有着直接的关系。所以说在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果。我们用色度学来评价的结论就是这种综合效果。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，它是一门本世纪发展起来的，以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。每个人的视觉并不是完全一样的。在正常视觉的群体中间，也有一定的差别。目前在色度学上为国际所引用的数据，是由在许多正常视党人群中观测得来的数据而得出的平均结果。就技术应用理论上来说，已具备足够的代表性和可靠的准确性。国际照明委员会(CIE)国际照明委员会(Commission I

3、nternationale ed IEclairage-CIE)主要研究照明的专业术语、光度学和色度学的国际学术研究机构。设在巴黎。早在1924年前就已从事标准色度学系统的研究，1931年根据莱特(W.D.Wright)在1928-1929年和吉尔德(J. Guild)在1931年研究三原色的角度观察效果，加以平均，规定了CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值，并据以绘制出偏马蹄形曲线的*色度图，称为“1931 CEL-RGB系统色度图”，后经修改被推荐为1931 CIE-XYZ系统，为国际通用色度学系统，称为“CIE标准色度学系统”，所作的图则称“CIE 1931色度图”。1964年又综

4、合斯泰尔斯(W.S. Stiles)和伯奇(J.M.Bruch)以及斯伯林斯卡娅(N.I.Speranskaya)1959年发表的研究结果，制定了CIE1964补充色度学系统以及相应的色度图，为世界各国广泛采用，据以进行色度计算和色差计算。1964年又提出了“均匀颜色空间”的三维空间概念，1976年加以修订，并正式被采用。CIE为此还提出了确定的参照光源，称“CIE标准光源”。眼睛的剖视结构虹膜(Iris):位于形成眼压的房水(Aqueous Humor)后面(水晶体前面)决定眼睛的颜色白种人儿童虹膜色素少，为蓝色，年老色素增多成棕黑色）其肌键可控制瞳孔（Pupil)大小(约为2 - 8mm之

5、变化)使得影像随外界明暗变化成像于视网膜上。角膜(Cornea):眼球壁的正前方，1mm厚，为一弹性的透明组织占眼球壁面积1/6，光线经角膜曲光折射进入眼内。 水晶体(Lens)：虹膜后透明双凸透镜，两曲面之曲率不同，厚4mm，9mm直径曲光率靠睫状肌(Ciliary Body)收缩而改变。视觉原理人眼基本上可以看成是一个包含在巩膜内的不透光暗室。它具有一个由角膜前房水水晶体和玻璃体组成的折射光学系统它们将入射光线聚焦在眼球后面的视网膜上形成一个倒像。 虹膜上的小孔叫瞳孔瞳孔的大小可以改变以便调节进入眼睛的光通量。在低亮度它完全打开时直径可达8mm左右而在高亮度环境中其直径为1.5mm左右其有

6、效孔径(光圈)从f/11到f/2焦距约为16mm。视网膜由一个感光细胞薄层组成上面的细胞分为两种类型一种是锥形的一种是杆形的它们大约有一亿二千五百万个不均匀地分布在视网膜上。这两类细胞的作用不同杆形细胞作用相当于高灵敏度粗颗粒的黑白底片它在很暗的光照下还能起作用但不能区别颜色的到的像轮廓不够清晰锥形细胞作用相当于灵敏度比较差颗粒细的彩色底片它在较强的光照下才能起作用能区别颜色得到的像的细节较清晰。进入眼睛的光线通过瞳孔后到达水晶体凸透镜在周围睫状肌的作用下透镜可以适当地调节它的形状使一定远近范围内(约从无穷远到15cm)的物体都能分别成像于视网膜上两种感光细胞把像的讯号经过视神经信道传送到大脑

7、。水晶体是折射率不均匀的物体其外层折射率为1.38内层折射率接近1.41水晶体的焦距可以靠其表面曲率的变化来改变。随着物体离眼睛距离的不同水晶体焦距作相应的变化因而在视网膜上可以得到物体清晰的像这个过程称为调焦。正常的眼睛处于没有调节的自然放松状态时无穷远物体正好成像在视网膜上即眼睛的像放焦点正好与视网膜重合所以眼睛观察远处物体不容易疲劳故目视仪器的调节应使像成于无限远处。观察近距物体时水晶体周围的睫状肌向内收缩使水晶体曲率半径变小这时眼睛的焦距缩短像方焦点由网膜上向前移动使有限距离处的物体成像在视网膜上。视神经放大图片进入眼睛的光线被视网膜（Retina)上的杆状（Rod）和锥状( Cone

8、)细胞（见右图）所接受，并产生电子讯号刺激后方的神经细胞层在精于大脑整合产生视觉影像。 杆状（Rod）细胞主司明暗的判别，平均约有1亿两千万个细胞，可接受400600nm波长的光线，不具色彩判别力。锥状( Cone)细胞，则集中在视网膜中央的部分，可接受400700nm波长的光线，具辨别色彩的能力，但数量只有6百万个。这也说明了为什么人的眼睛对明暗对比的判定，要比色彩的变化来的敏感的原因。视觉暂留现象人眼之所以能够看清一个物体，乃是由于该物体在光的照射下，物体所反射或透射的光进入人眼，刺激了视神经，引起了视觉反应。当这个物体从眼前移开，对人眼的刺激作用消失时，该物体的形状和颜色不会随着物体移开

9、而立即消失，它在人眼还可以作一个短暂停留，时间大约为1/10秒。物体形状及颜色在人眼中这个短暂时间的停留，就称为视觉暂留现象。正因为有了这种视觉暂留现象，人们才能欣赏到电影、电视的连续画面。视觉暂留现象是视错觉的一种表现。 眼睛的分辨能力眼睛分辨物体细节的能力与视网膜的结构(主要是其上面的感光单元的分布)有关不同部分亦很大的差别。在网膜中央靠近光轴的一个很小的区域(称为黄斑直径约为1.5mm)里分辨能力最高。能分辨的最近两点对眼睛的张角称为最小分辨角。在白昼的照明条件下黄斑内的最小分辨角接近1趋向网膜边缘分辨能力急剧下降。所以人的眼睛视场虽然很大水平方向视场角约为160度垂直方向约为130度但

10、其中只有中央视角67度的一个小范围内才能较清楚地看到物体的细节。另外眼睛的分辨能力与照明环境有很大的关系在夜间照明条件比较差的时候眼睛的分辨能力大大下降最小分辨角可达1度以上。人们大约可分辨出一百多种颜色。这种单波长的色光非常鲜艳, 人们称为纯色。实际看到的色光大多数是由许多种波长的光组成的。例如太阳光就是从红光到蓝光的连续光谱组成的。颜色的视觉 (视网膜的颜色区)对颜色的感觉是光的辐射能对视网膜上锥体细胞作用的结果由于锥体细胞的分布不同因而不同区域对颜色的感受能力也不同。视网膜中央能分辨各种颜色由中央向外围部分过渡对颜色的分辨能力逐渐减弱直到对颜色的感觉消失。观察小视场和大视场的颜色会有不同

11、结果。眼感受到颜色不只决定于客观的刺激还取决于用眼的什么位置接受这个刺激。(例当比较两种颜色时视场的角值不应超过1.5度)颜色的视觉 (颜色辨认)颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。因而物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统有关系。一般来说可见光谱上的各种颜色随光强度的增加而有所变化(向红色或蓝色变化)。这种颜色随光强度而变化的现象叫做贝楚德-朴尔克效应。但在光谱上黄(527nm)绿(503nm)蓝(478nm)三点基本上不随光强而变。人眼对波长变化引起的颜色变化的辨认能力(颜色辨认的灵敏阈)在光谱中的不同位置是不同的。人眼刚能辨认的颜色

12、变化就称为颜色辨认的灵敏阈。最灵敏处为480nm(青)及600nm(橙黄)附近最不灵敏处为540nm(绿)及光谱两端。灵敏处只要波长改变1nm人眼就能感受到颜色的变化而多数要改变12nm才行。颜色的视觉 (颜色的分类)颜色可分为彩色和非彩色。非彩色指白色黑色和各种不同深浅的灰色。彩色就是指黑白系列以外的各种颜色。对于理想的完全反射的物体其反射率为100%称它为纯白而对于理想的完全吸收的物体其反射率为零称它为纯黑。白色黑色和灰色物体对光谱各波段的反射和吸收是没有选择性的称它们为中性色。对光来说非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化即当白光的亮度非常高时人眼就感觉到是白色的当光的亮度很低时就感觉到发

13、暗或发灰无光时是黑色的。颜色的视觉 (非彩色的特性)1)非彩色的特性可用明度表示明度是指人眼对物体的明亮感觉。影响的因素：辐射的强度大小(亮度的大小)一般亮度越大我们感觉物体越明亮但当亮度变化很小人眼不能分辨明度的变化可以说明度没变但不能说亮度没变。因为亮度是有标准的物理单位而明度是人眼的感觉。人的经验在同样的亮度情况下我们可能认为暗环境高反射率(例如在较暗环境中的白色书页)明度比亮环境较低反射率(例如在光亮环境中的黑墨)的物体明度高。彩色的三个特性 (明度)彩色有三种特性明度色调和饱和度。色调和饱和度又总称为色品(色度)。明度是指色彩的明暗程度。每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差

14、别，我们知道，物体的各种颜色，必须在光线的照射下，才能显示出来。这是因为物体所呈现的颜色，取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能。前面提到的红布之所以呈现红色，是由于它只反射红光，吸收了红光之外的其余色光。白色的纸之所以呈现白光，是由于它将照射在它表面上的光的全部成分完全反射出来。如果物体表面将光线中各色光等量的吸收或全部吸收，物体的表现将呈现出灰色或黑色。同一物体由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别 。白颜料属于高反射率物质，无什么颜色掺入白颜料，可以提高自身的明度。黑颜料属于反射率极低的物质，因此在各

15、种颜色的同一颜色中（黑除外）掺黑越多明度越低。 在摄影中，正确处理色彩的明度很重要，如果只有色别而没有明度的变化，就没有纵深感和节奏感，也就是我们常说的没层次。 彩色的三个特性 (色调)色调就是指不同颜色之间质的差别，它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志。色彩所具有的最显着特征就是色调，也称色相。它是指各种颜色之间的差别。从表面现象来讲，例如一束平行的白光透过一个三棱镜时，这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带，形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，就是不同的色调。从物理光学的角度上来讲，各种色调是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的，色调即色相的形成取决于该光谱成分的波

16、长。物体的色调由照射光源的光谱和物体本身反射特性或者透射特性决定。例如蓝布在日光照射下，只反射蓝光而吸收其它成分。如果分别在红光，黄光或绿光的照射下，它会呈现黑色。红玻璃在日光照射下，只透射红光，所以是红色。光源的色调取决于辐射的光谱组成和光谱能量分布及人眼所产生的感觉。彩色的三个特性 (饱和度)饱和度是指构成颜色的纯度也就是彩色的纯洁性色调深浅的程度。它表示颜色中所含彩色成分的比例。彩色比例越大，该色彩的饱和度越高，反之则饱和度越低。从实质上讲，饱和度的程度就是颜色与相同明度有消色的相差程度，所包含消色成分越多，颜色越不饱和。色彩饱和度与被摄物体的表面结构和光线照射情况有着直接的关系。同一颜

17、色的物体，表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大；强光下比阴暗的光线下饱和度高。 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色(即单色光)掺入白光成份时其彩色变浅或者说饱和度下降。当掺入的白光成份多到一定限度时在眼睛看来它就不再是一种彩色光而成为白光了或者说饱和度接近于零，白光的饱和度等于零。物体彩色的饱和度决定于其反射率(或透过率)对谱线的选择性选择性越高其饱和度就越高。也就是说物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度，物体对光谱某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或不反射，表明它有很高的光谱选择性，物体这一颜色的饱和度就高。不同的色别在视觉上也有不同的饱和度，

18、红色的饱和度最高，绿色的饱和度最低，其余的颜色饱和度适中。在照片中，高饱和度的色彩能使人产生强烈、艳丽亲切的感觉；饱和度低的色彩则易使人感到淡雅中包含着丰富。颜色的视觉 (颜色的特性)亮度或明度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，是指色彩明暗深浅的程度，也可称为色阶。亮度有两种特性：同一物体因受光不同会产生明度上的变化；强度相同的不同色光，亮度感不同。饱和度指色彩纯粹的程度。淡色的饱和度比浓色要低一些；饱和度还和亮度有关，同一色调越亮或越暗越不纯。色光的基色或原色为红（R）、绿（G）、蓝（B）三色, 也称为光的三基色。三原色以不同的比例相混合，可成为各种色光，但原色却不能由其它色光混合而成

19、。色光的混合是光量的增加，所以三原色相混合而成白光，而两种色光相混合而成白光，这两种色光互为补色。光的物理性质由它的波长和能量来决定。波长决定了光的颜色，能量决定了光的强度。光映射到我们的眼睛时，波长不同决定了光的色相不同。波长相同能量不同，则决定了色彩明暗的不同。色调与饱和度合称为色度（Chromaticity），它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。色度再加上亮度，就能对颜色作完整的说明。格拉斯曼颜色混合定律1)人的视觉只能分辨颜色的三种变化明度色调和饱和度2)在由两个成份组成的混色中如果一个成份连续变化混合色的外貌也连续变化。由此可导出补色律如果两种彩色以适当的比率混合后可以产

20、生白色或灰色称该两种彩色互为补色。如果两者按其它比例混合则产生近似于比重较大的彩色成份的非饱和色。每一种彩色都有一种相应的补色。中间色律任何两种非补色相混和便产生中间色其色调决定于两彩色在色调顺序上的远近。3)外貌相同的光不管它们的光谱组成是否一样( 在视觉效果上相同的光可以是由不同光谱组成的这就是所谓的同色异谱现象 )在颜色混合中具有相同的效果。也就是说凡是视觉上相同的颜色在颜色混合中都是等效的。由此又可导出颜色代替律 如果颜色A=颜色B颜色C=颜色D(式中的“=”表示视觉上的相同)那么就有颜色A+颜色C颜色B=颜色B +颜色D。(式中的“+”表示相加混合) 例如如果 C=A+B 且 B=X

21、+Y 那么就有 C=A+(X+Y) .4)亮度相加律 混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色的亮度的总和。上述的颜色混合定律不适合用于染料或涂料的混合。颜色匹配把两种颜色调节到视觉上相同或相等的方法称为颜色的匹配。通过颜色相加的混合方法改变颜色的明度色调和饱和度三特性。其中两个相互匹配的颜色，尽管处在不同条件下，两个颜色仍始终保持匹配，即不管颜色周围环境的变化，或者人眼已经对其它颜色光适应后再来观察，视场中两种颜色始终保持匹配。称为颜色匹配恒常律。在一个给定的光源条件下，一对具有不同光波的物体可以产生相同的颜色，这一现象叫做条件配色，这一对物体称为条件配色对.颜色的混合颜色的相互混合称为混色。

22、混色分加法混色和减法混色。将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官,便产生不同于原来颜色的新的颜色感觉,这就是颜色相加混合的方法,称为加法混色。格拉斯曼定律认为，在由两个成分组成的混和色中，如果一个成分连续地变化，混和色的外貌也连续变化。根据颜色的代替律可知，只要在感觉上颜色是相同的，便可以相互代替，所得的视觉效果是相同的，因而可以利用颜色混合的方法来产生或代替所需要的颜色。染料的混合称为减色混合。红、绿、蓝三种颜色染料等量混合之后的颜色为黑色。Kubelka-Munk的色料混合理论认为：当几种色料混合时，总的吸收与散射为各色料的吸收与散射之和。如果各色料之间不起化学作用，则混合物的吸收系数

23、和散射系数为各色料的吸收系数和散射系数之和。因颜料的吸收作用使光能下降，所以透明颜料的混合遵循减色混合原理。混色规律不同颜色混合在一起，能产生新的颜色，这种方法称为混色法。混色分为相加混色和相减混色。相加混色是各分色的光谱成分相加，彩色电视就是利用红、绿、蓝三基色相加产生各种不同的彩色。相减混色中存在光谱成分的相减，在彩色印刷、绘画和电影中就是利用相减混色。它们采用了颜色料，白光照射在颜色料上后，光谱的某些部分使被吸收，而其它部分被反向或透射，从而表现出某种颜色。混合颜料时，每增加一种颜料，都要从白光中减去更多的光谱成分，因此，颜料混合过程称为相减混色。相加混色的实现方法为了实现相加混色，除了

24、将三种不同的基色，同时投射到某一全反射面产生相加混色外，还可以利用人眼的某些视觉特性实现相加混色。1. 时间混色法：将三种不同的基色以足够快的速度轮流投射到某一平面，因为人眼的视觉惰性，分辨不出三种基色，而只能看到它们的混合色。时间混色法是顺序制彩色电视的基础。2.空间混色法：将三种基色分别投射到同一表面上相邻的三点，只要这些点足够的近，由于人眼分辨力的有限性，不能分辨出这三种基色，而只能感觉到它们的混合色。空间事法是同时制彩色电视的基础。3.生理混色法：当两只眼睛同时分别观看不同的颜色，也会产生混色效应。例如，两只眼睛分别戴上红、绿滤波眼镜，当两眼分别单独观看时，只能看到红光或绿光；当两眼同

25、时观看时，正好是黄色，这就是生理混色法。颜色匹配 (转盘匹配)利用转盘进行颜色混合实现颜色匹配。如右图(a)所示假定所选定的三原色为红(R)绿(G)蓝(B),它们各自的量以扇形面积表示被匹配的颜色(C)放在转盘的中心当转盘转动时RGB先后刺激人眼产生混合色的效果。改变RGB的比例直到与C匹配为止。黑色扇形(图中加阴影部分)的加入是用以调节混合色的明度使其与C的明度一致。以便获得匹配的最好效果。当C很饱和时用图(a)的办法有可能不能实现匹配此时可将三原色之一(例如B)加在被匹配的颜色C上如图(b)所示。(a)图可以看做是相加混色法中的时间混色法利用人眼的视觉暂留现象在足够快的旋转中使人眼分辨不出

26、三种基色，而只能看到它们的混合色。遥为匹配某一特定颜色所需三原色的数量称为三刺激值。颜色匹配 (白色屏幕匹配)用三原色光照明白色屏幕的同一位置光线经过屏幕的反射而达到混合。改变三色光的比例即可实现匹配。如右图所示被匹配的颜色C加在屏幕的另一侧。匹配后视场中S及F两部分的视觉外貌相同。颜色匹配 (视觉邻近匹配)颜色匹配 (视觉邻近匹配)不同的颜色刺激同时作用到视网膜非常邻近的部位也可产生颜色混合现象。这就要求三色光在物面上要靠的足够近。彩色显象管就是基于此原理而实现颜色混合的。在上述的三种颜色匹配方法中第二种白色屏幕匹配的颜色混合是在外界发生的而其它两种颜色的混合是通过视觉器官实现的。总结前面提

27、到的颜色匹配的方法 1)颜色的混合是在外界发生的。2)颜色的混合是通过视觉器官实现的。色对比和色适应在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响叫做色对比。它包括有明度对比、色调对比、彩度对比。一般的颜色对比是这三种对比的综合结果。对比的结果是增强了相邻颜色间的差异。人眼对某一色光适应后，观察另一物体的颜色时，不能立即获得客观的颜色印象，而带有原适应色光的补色成份，需经过一段时间适应后才获得客观的颜色感觉，这个过程称作色适应的过程，这种现象称作色适应。黑体任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关

28、，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。通常的光源如太阳,日光灯,白炽灯等发出的光统称为白光.但由于发光物质不一样,光谱成份相差也很大.如何区别各种光源因光谱成份不同而出现的差别呢?为此物理学中用一个称为黑体的辐射源作为标准,这个黑体是一种理想的热辐射体,它的辐射程度只与它的温度有关.所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。显然自然界不存在真正的黑体，但许多地物是较好的黑体近似( 在某些波段上)。基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff)，

29、在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大的物体，可叫作完全辐射体。色温当用其它光源和黑体辐射作比较时,察看它的辐射与黑体何种温度时的辐射特性相当(即它们的光谱成份相同),就以黑体此时的温度(绝对温度)称为某光源的色温.在实际使用中,这常是用光源中的蓝色光谱成份和红色光谱成份的比例来区别,光源色温的高低一般是蓝色成份高时色温较高;红色成份高时色温较低.色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。相关色温：当光源的光谱只能与黑体某一温度下的光谱相近似，而不

30、能精确等效时，则称这一温度为光源的相关色温。 由于黑体这个温度与颜色有关，故名色温注意，光源的色温与光源本身的温度是两回事，通常两者是不相同的。例如白炽灯光源本身温度为2800K，但其色温是2845K。维恩（Wien）位移定律指出：当绝对黑体的温度增高时，最大的发射本领向短波方向移动（见图2.1-1）,所以色温较高的光源，其发出的辐射能较多地分布在波长较短的绿光和蓝光之中；而色温较低的光源，其辐射能较多地分布在波长较长的红光中。因此，在标准白光中，色温较低者，偏红；色温较高时，偏蓝。电磁波谱在电磁波辐射范围内，只有波长380nm到780nm（1nm=10*-6mm）的辐射能引起人们的视感觉，这段光波叫做可见光。 颜色的波谱光色 波长（nm) 代表波长红（Red） 780630 700橙（Orange） 630600