色度学基本知识
4.11_色度学基础
色度学基础色度学是对颜色刺激进行测量、计算和评价的学科§颜色的分类和特性一颜色及其分类颜色：不同波长可见光辐射作用于人的视觉器官后所产生的心里感受颜色和波长的关系并不是完全固定的光谱上除572nm（黄）、503nm(绿)和478nm(蓝)是不变的颜色外，其它颜色在光强增加时都略向红色或蓝色变化“贝楚德－朴尔克效应”色度学则是将主观的颜色感受和客观的物理刺激联系起来的科学二颜色的表观特征•明度：表示颜色明亮的程度对于光源色，明度值与发光体的光亮度有关物体色，和物体的透射比或反射比有关•色调：区分不同彩色的特征•饱和度：颜色接近光谱色的程度，彩色的纯洁性§颜色混合•颜色混合Ø色光混合：加混Ø色料混合：减混色•格拉斯曼颜色混合定律Ø人的视觉只能分辨颜色的三种变化Ø两种颜色混合，如果一种颜色成分连续变化，混合色的外貌也连续变化补色律：每一种颜色都有相应补色中间色律•混合色的总亮度等于组成混合色的各颜色光亮度的总和Ø亮度相加定律•颜色外貌相同，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合种等效Ø凡是视觉上相同的颜色是等效的Ø代替律§颜色匹配一颜色匹配实验•把两个颜色调节到视觉上相同的方法叫颜色匹配颜色转盘法色光混合匹配实验利用颜色光相加实现CIE标准色度系统•物体颜色是光刺激人的视觉器官产生的反应，要将观察者的颜色感觉数字化，国际照明委员会(CIE)规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统，这一系统是近代色度学的基本组成部分，是色度计算的基础，也是彩色复制的理论基础之一。
•CIE标准色度学系统是一种混色系统，是以颜色匹配实验为出发点建立起来的。
用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色。
三刺激值和色度图•在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意颜色的三种颜色叫做三原色。
通常加色混色中使用红、绿、蓝三种颜色光为三原色是为了得到最多的混合色。
色度学基础知识
思考与练习
1.彩色的三要素是什么？它们各由什么决定？ 亮度、色调和色饱和度称为彩色三要素。 亮度取决于光线的强弱。另外，亮度与波长的长短 有关，强度相同但波长不同的光给人眼的亮度感觉也 不同。色调取决于彩色的光谱成分，不同波长的光具 有不同的色调。色饱和度与彩色中所掺入的白光比例 有关，掺入的白光越多，色光越浅，色饱和度越低。
在电视技术中，以红（R）、绿（G）、蓝 (B) 为三 基色，红光的波长取700nm，绿光的波长取546.1nm， 蓝光的波长取435.8nm。
1.2 三基色原理和混色法
三基色原理的主要内容有：
1) 自然界的所有彩色几乎都可用三种基色按一定的 比例混合而成；反之，任何彩色也可分解为比例不同的 三种基色； 2) 三种基色必须是相互独立的，即任一基色不能由 另外两种基色混合而成； 3) 用三基色混合成的彩色，其色调和色饱和度皆由 三基色的比例决定； 4) 混合色的亮度等于参与混色的基色的亮度的总和。
4.人的视觉特性有哪些？彩色图像大面积着色的依据是什么？
人的视觉特性：
人眼在明亮的环境下，不但可以看清物体的形状，而且还能辨别物 体的颜色。在昏暗的环境下却只能分辨物体的形状、轮廓而不能分辨物 体的颜色。 由于人眼锥状细胞比杆状细胞少得多，因此人眼的辨色能力相对来 说是比较差的，人眼对彩色图像细节分辨能力比对黑白图像细节分辨能 力低。 人眼观看某一个光点或某一幅图像时，当这个光点或图像消失后， 人眼的感觉并不会立即消失，而是会保留一段时间，然后才逐渐消失。 这种现象称作视觉暂留特性，又称作视觉惰性。
由于人眼的辨色能力差，因此，相对亮度信号 来说，传送彩色信号时，对清晰度要求较低。当传 送的彩色信号频率较高(大于1.5MHz)，彩色电视 接收机荧光屏上重现的色点直径很小时，人眼已不 能分辨其是否有彩色。
色度学基础知识
色度学基础知识---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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。
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
11. 白光与其他颜色光的混合 主波长和补色主波长 白光与其他颜色光的混合—主波长和补色主波长 将白光和一种适当的光谱色混合,可配得所需要的任何颜色光. 若所选择的白光是E点等能白光.选择任意一点C,连接CE并延 长,交于单色轨迹线上的,则C'单色光的波长,称为C点光的主波 长.主波长λ代表线上各点光谱色的主色调. 若选择FEN三角形内的A点,连接EA,但不能向A的方向延长,而应 将线向左上方延长,交于单色轨迹线上的A'点,则A'点的波长, 称为A点的补色主波长.补色主波长,也是表示AA'线上各点颜色 的主色调.
8. 20个特定颜色区 个特定颜色区 在舌形曲线所包围的区域内,被分成20个颜色区域.在每个区域 内,被认为颜色基本相同,每个颜色区都是一个平均主波长,或 者补色主波长,而且还有相应的英文名称.它们的英文—中文名, 对照如下: 1. Red—红色 2. Pink—粉红色 3. Reddis Orange—橙红色 4. Yellishpink—粉黄色 5. Orange—橙色 6. Orange-Yellow—橙黄色 7. Yellow—黄色 8. reenish Yellow—黄绿色
色 度 图 的 颜 色 区 域 对 应 的 主 波 长
颜色名称 红 橙红 橙 黄橙 黄 绿黄 黄绿 草绿 绿 青绿 绿 绿 颜色代号 R rO O yO Y gy YG yG G bG BG gB B PB bP P Yp Rp pR 平 均 主 波 长 ( nm) 493(补) 606 592 583 578 573 565 545 508 495 490 485 476 454 566(补) 560(补) 545(补) 506(补) 496(补)
红 红 红
颜色三角形
色度学基本信息
一、颜色刺激能够引起颜色知觉的可见辐射的辐通量称做颜色刺激。
颜色刺激按波长的分布，称做颜色刺激函数，一般用(λ)表示。
颜色刺激是纯物理量。
二、三原色能够匹配所有颜色的三种颜色，称做三原色。
匹配实验表明，能够匹配所有颜色的三种颜色不是唯一的。
人们通常选用红（R）、绿（G）、兰（B）做为三原色，其原因可能是：用不同量的红、绿、兰三种颜色直接混合，几乎可得到经常使用的所有颜色; 红、绿、兰三种颜色恰与人的视网膜上红视锥、绿视锥和兰视锥细胞所敏感的颜色相一致。
三、三刺激值在颜色匹配中，以一定数量的三原色完成某种颜色的匹配。
匹配某种颜色所需的三原色的量称做该颜色的三刺激值。
颜色方程中的R、G、B 就是三刺激值。
三刺激值不是用物理单位，而是用色度学单位来度量。
过去人们在不同的场合对三刺激值的单位有过不同的规定。
例如，规定匹配某种指定的标准白光（W）的三刺激值相等，且均为1单位。
在标准色度学系统中，三刺激值有统一的定标方法，下节中将具体加以介绍。
对于既定的三原色，每种颜色的三刺激值是唯一的，因而，可以用三刺激值来表示颜色。
四、光谱三刺激值或颜色匹配函数用红、绿、兰三种颜色可以匹配所有颜色，对于各种波长的光谱色也不例外。
匹配等能光谱色所需的三原色的量称做光谱三刺激值。
对于不同波长的光谱色，其三刺激值显然为波长λ的函数，故也称之为颜色匹配函数，一般用、和表示。
光谱色的颜色方程为(5-47)光谱色是很饱和的颜色，光谱三刺激值、和中有可能为负值。
等能光谱是指各波长辐射能量相等，只有在此条件下，所得到的光谱色三刺激值才是可比较和有意义的。
颜色匹配函数是重要的色度量，它是在颜色现像研究中把物理刺激与生理响应结合起来的纽带。
五、色品坐标及色品图在颜色研究和量度中，有时不是用三原色的数量、即三刺激值R、G、B来表示颜色，而是用三刺激值各自在三刺激值总量R+G+B中所占的比例来表示颜色。
三刺激值各自在三刺激值总量中所占的比例，叫做颜色的色品。
色度学基础
• 例如，某个混色后的色效果，可以表示成下式。 • F=3.6（R）+4.8（G）+0.8（B） • 这个表达式的意义是： • 红色分量是3.6个红单基色量 R=3.6 • 绿色分量是4.8个绿单基色量 G=4..8 • 蓝色分量是0.8个蓝单基色量 B=0.8 • 可见（2.3）式中的R、G、B在实际应用中是一些具体 的数字量。这三个值称为“三刺激值”。这三个值决 定了混色光的结果颜色性能，还决定了混色光的光通 量。
色度学
• 色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技 术的学科。颜色感觉与听觉、嗅觉、味觉等一样都是
外界刺激使人的感觉器官产生的感觉。
• 色度学是研究颜色度量和评价方法的学科，是宜光学、
视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合
性科学。
基本物理量
1、色品坐标 色品坐标（x，y）和色品坐标（u，v）来自色度学，这个坐标 是人为构建的一个颜色坐标体系，最初来源于颜色匹配实验，构 建出 R G B 坐标系，后来发现这个坐标系不便于计算，又利用数 学方法转换成没有负值的xy坐标系，这个时候 里面对应的坐标值 就是你说的色品坐标（x，y），在这个坐标之后人们发现x,y坐标 和人眼对颜色的感知上来说并不是均匀的，为了改变色度坐标图 中颜色宽容量不等的缺陷，国际照明委员会于1960年，建立了U-V 色度坐标图，也称均匀色度坐标图。两者在数学的关系是：
基本物理量
基本物理量
8、色偏差 是指电脑计算的配方与目标标准的相差，以单一照明光源下计算，
数值愈小，准确度则愈高。但是要注意，它只代表某一光源下的
颜色比较，未能检测于不同光源下的偏差。
归一化光谱功率分布函数S(λ)
• 归一化光谱功率分布：辐射功率与波长的函数关系。
色度学基础
4、色调、明度 、色调、 与饱和度之间的 关系
三、颜色混合和颜色混合定律
• 各种颜色可以通过两种或几种颜色混合得 颜色混合有2种方式，色光和色料混合。 到。颜色混合有2种方式，色光和色料混合。
色光三原色： 色光三原色：红、绿、蓝。
色料三原色：品红、 色料三原色：品红、黄、青。
1、 色光混合 、
（二）色觉的形成
• 人辨别颜色的能力是指视网膜对 不同波长 光的感受特性。 • 视锥细胞对红、绿、蓝吸收率最高，红、 绿、蓝三种光混合比例不同，就可形成不 同的颜色，从而产生各种 色觉
• 人眼对任一色彩的视觉反应取决于红、绿、 蓝三色输入量的代数和--格拉斯曼定律
二、颜色的分类及其属性
• 1、非彩色和彩色
• 再如你在电灯前闭眼三分钟，突然睁开注视电灯 两三秒钟，然后再闭上眼睛，那么在暗的背景上 将出现电灯光的影像。以上现象叫正后像。电视 机、日光灯的灯光实际上都是闪动的，因为它闪 动的频率很高，大约100次／秒上，由于正后像 100 作用，我们的眼睛并没有观察到。
• 电影技术也是利用这个原理发明的，在电 影胶卷上，当一连串个别动作以16图形／ 秒以上的速度移动的时候，人们在银幕上 感觉到的是连续的动作。现代动画片制作 根据以上原理，把动作分解绘制成个别动 作，再把个别动作续起来放映，即复原成 连续的动作。
间色：两种原色混合得到的颜色，例如... 复色：两种或者两种以上间色组成的颜色，例如 白色。 补色：混合得到白色或灰色的两种色，称为补色 • 如绿色与紫色互补，蓝色与黄色,红色与青色互补
关于视觉后像
• 当外界物体的视觉刺激作用停止以后，在 眼睛视网膜上的影像感觉并不会立刻消失， 这种视觉现象叫做视觉后像。视觉后像的 发生，是由于神经兴奋所留下的痕迹作用， 也称为视觉残像。如果眼睛连续视觉两个 景物，即先看一个后再看另一个时，视觉 产生相继对比，因此又称为连续对比。
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色度学基本知识
图1―23 太阳光的棱镜分解
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2. 物体的颜色
物体的颜色有两种来色度源学基本：知识 一是：发光物体所呈现的颜色， 另一种是物体反射或透视的彩色光，物体所
呈现的颜色与照射它的光源有关。 不能从看到的颜色来判断光谱的分布，因为
一定的光谱表现为一定的颜色，但同一种 颜色可以由不同的光谱分布而获得。
(2)在不同的环境亮度下,同样的亮度,给 人的主观亮度感觉却完全不同。
(3)当人眼适应于不同的平均亮度电视重现景象的亮度无需
等于实际景象的亮度，人眼不能觉察出
的亮度差别，在重现景物时可不予精确
复制，只保持重现图像的对比度，就会
有十分逼真的感觉。
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3. 人的彩色感觉
当绝对黑体在某一特定的温度下，所辐 射的光谱与某光源的光谱具有相同特性 时，则绝对黑体的这一特定温度就定义 为该光源的色温，以K表示。
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(1)色温的概念 色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。
各标准白光源的特点如下:
A光源:相当于2800K钨丝灯所发的光。是一种能实现的
基准光源
色度学基本知识
E白是等能白光源，即当可见光谱范围内所有波长的光 具有相等辐射功率时形成的一种白光，在自然界中不
存在，是用于彩色电视计算的一种假想光源，简化色
度学中的计算。
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色度学基本知识
图1―24 标准白光源的光谱
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1.3.2 视觉特性 色度学基本知识
1. 相对视敏曲线 在可见光范围内，
1. 同一波长的光，强度不同，人眼的亮度感觉不 同，
1.3 彩色的基本概念
彩色电视是根据色度学人基本知眼识 的视觉生理特性， 利用电信号的方式，来实现彩色景象的 分解、变换、传送和再现的过程。
彩色电视的基本理论是建立在色度学与 视觉生理学基础上的。
1
1.3 彩色的基本概念
1.3.1 彩色和光色密度学基不本知识可分 1.可见光的特性 光学理论告诉我们,光是一种以电磁波
％，纯净白光或不同亮度的灰色、黑色
等（无彩色）饱和度为0％
当人眼对彼此间隔色度很学基本近知识 的不同色光的小单元 组，在适当距离外观看时，不能区分出各个 光点的彩色，感觉到的是它们的混合色。彩 色显像管的荧光屏即是基于人眼的空间混色 特性而制成的。
人眼彩色感觉具有时间混色特性，是指 当在同一个位置轮流投射两种或两种以上的 彩色光，其轮换速度足够高，人眼感觉到的 是它们混合后的彩色感觉 。
随着波长由长到短,呈现的颜色依次为:红、 橙、黄、绿、青、蓝、紫,见图。 (3)只含有单一波长的光称为单色光;包含 有两种或两种以上波长的光称为复合光, 复合光作用于人眼,呈现混合色。
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色度学基本知识
(4)太阳发出的白光中包含了所有的可见 光,若把太阳辐射的一束光投射到棱镜上, 太阳光会经过棱镜分解成一组按红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的连续光 谱。
形式存在的物质,人眼可以看见的光叫可 见光,它是波长范围为380nm到780nm之 间的电磁波,
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色度学基本知识
图1―22 电磁波波谱及可见光光谱
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从电视角度看,可见光有如下特性: (1)可见光的波长范围有限,它只占整个电
磁波波谱中极小的色度一学基本部知识 分。 (2)不同波长的光呈现出的颜色各不相同,
色三要素。
亮度：表征彩色光对人眼刺激程度的强弱，
单位是nit。它与色光的能量及波长的长短
有
关
。
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彩色三要素
色调：表征彩色之间 色度学基本知识 色相的差异，如通
常所指的红色、绿色、橘红色等表述。
不同波长感觉出不同色调，故色调用波
长
表
示
。
色饱和度：表征彩色的浓淡或深浅程度，
用百分数表示。纯谱色光的饱和度为100
B光源:相当于中午直射的太阳光，色温4800K。
C光源:相当于白天的自然光，色温6800K。
D光源:相当于白天平均照明光，色温6500K，用它作为 照明，被照物体所呈现的颜色更接近于日光下的真实
颜色，它可以由彩色显像管的三种荧光粉发出的光适
当混配而成。是PAL制的标准白光源
E光源:是一种理想的等能量的白光源，色温5500K 。
2. 相同强度，不同波长的光，人眼的亮度感觉不 同
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色度学基本知识
图1―25 相对视敏曲线
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2. 人眼的亮度感觉 色度学基本知识 亮度感觉,即包括人眼所能感觉到的
最大亮度与最小亮度的差别及在不 同环境亮度下对同一亮度所产生的 主观亮度感觉。
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结论:
(1)人眼可以感觉到的亮度范围虽然相当 宽,但当眼睛适应于某一平均亮度后,能分 辨的亮度范围就比以主观感觉“亮”与 “暗”为界的范围色度缩学基本小知识 了。
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3. 色温和标准光源 色度学基本知识 (1)色温的概念 色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。
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绝对黑体：既不色反度学基射本知识也不透射完全吸收 入射光的物体，但是当它加温时，将以 电磁波的方式向外辐射能量，其辐射波 谱仅由温度决定。随着温度增加，辐射 能量将增大，其功率谱向短波方向移动，
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根据人眼的彩色色视度学基觉本知识特性，在彩色复现 过程中，并不要求恢复原来景物辐射 （反射或透射）光的光谱成份，重要的 是获得与景物相同的彩色感觉。
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1.3.3 彩色三要素和三基色原理
1.彩色三要素
色度学基本知识
对于彩色光通常可由亮度、色调和色饱和
度三个物理量来描述,这三个量常被称为彩
色度学基本知识
的分辨力低的多。统计结果表明，人眼的彩 色分辨角比黑白分辨角大3～5倍。因此，在 彩色电视系统传输彩色电视信号时，须用较 宽的信号带宽（0～6）MHz传送亮度信息， 而可用窄带宽（0～1.3）MHz或（0～1.5） MHz传送色度信息 。
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5人眼对彩色感觉具有空间和时间混色特性 人眼彩色感觉具有空间混色特性，是指
锥状细胞又分为三类,分别称为红敏、绿 敏和蓝敏。如果某束光 色度学基本知识 线只能引起某一 种光敏细胞兴奋,而另外两种光敏细胞仅 受到很微弱刺激,我们感觉到的便是某一 种色光。
总体上，人眼大体能分辨出200多种不同 的色调。通过实验，统计上人眼一般能 分辨出15～20级的饱和度变化
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4人眼彩色细节的分辨力 人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节