2013 光度学与色度学 5-6 5-7 5-8

CIE 1976 L*u*v*和L*a*b*均匀颜色空间及色差 公式
同谱异色现象及评价

光度学与色度学基础
第六节 颜色色差与均匀色度空间
颜色的数量表示方法：

色品坐标表示； 主波长和色纯度表示；
色差：某颜色的三刺激值X、Y、Z，说明了此种颜色的外貌与用X份 的(X)原色，Y份的(Y)原色，Z份的(Z)原色相加混合后得到的混合色 的外貌相同，颜色的三刺激值不同则颜色的外貌不同。但三刺激值差 X，Y，Z相同的两种颜色，随这两种颜色的不同引起人的色知觉 差异是不同的，对某两种颜色会感到有很大的差异，但同样的三刺激 值差对另外两种颜色可能会感到色知觉差异很小 。工业生产中常需 要去鉴别样品颜色的差别，在数字图像传输，数字图像处理等领域， 要进行图像的复制或重建，需要用数量来描述颜色的差别--色差。

1、均匀颜色空间：为了克服CIE色度图上的不均匀性，解决色差测定问 题必须将人眼辨色的能力与色度学计算结果一致起来，选择理想的颜色 空间，使此空间中任意两颜色量的空间差距代表人眼的颜色知觉差异， 此空间称为均匀颜色空间。由均匀明度标尺和均匀色品标尺组成。
2、均匀明度标尺：从黑到白的明 度标尺均匀等距地分成许多等级，
图5-18
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三、均匀色度标尺--CIE 1960 UCS均匀色品图

CIE于1960年根据麦克亚当的实验，制定了CIE1960均匀色度标尺图， 简称为CIE 1960 UCS均匀色品图。 如图5-20所示。
图5-20 CIE 1960 UCS图
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在图上，每一颜色的宽容度都近似于圆形，而且大小一致。横坐标为 u，纵坐标为v，它与CIE1931色度图中的x，y坐标之间及三刺激值间 的关系是：
1、颜色的宽容度：每一种颜色虽然在色度图上只占一个点的位置， 但是对于视觉来说，它实际是一个范围，当颜色点在这个范围内变 化时，视觉上对这一范围内各颜色的感受是等效的。我们把色度图 上这个人眼感觉不出颜色变化的范围叫做颜色的宽容度(恰可察觉 差)。 宽容量大小反映出人眼的色品分辨力。
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图 5-6-5
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以4号测试点为例，其长轴位于色度图的 y轴方向，短轴位于x轴方向，这表明当 此颜色向各个方向变化时，y轴与时x轴 相比，y轴坐标值变化较多时，视觉才能 感觉到颜色的变化，而x轴坐标值变化较 小时就能觉察到颜色的差别。
在图上还可以看出，在色品图上的不同 位置上，颜色的宽容度是不一样的，如 蓝色部分宽容度最小，绿色部分的宽容 度则最大。这说明在色品图上同样的空 间内，人眼能分辨出较多数量的各种蓝 色，而在绿色部分只能分辨出较少数量 的各种绿色。 按视觉恰可分辨的颜色数量计算，色品 图光谱轨迹蓝色端的颜色密度大于轨迹 顶部绿色的密度约300-400倍。
图5-6-4（a）
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但是有一点需要注意，色品图上光谱轨迹的波长不是等距的，所以各 个线段的长度是相对的，不能代表波长范围绝对值的大小。
图5-6-4 (b)
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麦克亚当（MacAdam）在CIE色 度图上的不同位置选择25个颜色 点，确定它们颜色恰可辨别时的 波长差异。 在实验时，他是以试验点为中心， 测定5到9个方向上的颜色匹配范 围，并用各方向上颜色匹配的标 准偏差定出颜色的宽容量，宽容 量在不同方向上大小不一致，连 成一个近似椭圆，代表了此颜色 的宽容度，其大小表示了色品的 分辨力。如图5-6-5所示，色度图 中25个测试点的椭圆的范围及形 状都有不尽相同。

2)、孟塞尔明度值函数：(V为孟塞尔明度值)
(5-38)
Y=1.2219V-0.23111V2+0.23951V3-0.021009V4+0.0008404V5
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3)、CIE明度指数函数：W* = 25 Y1/3 –17 (W*为 CIE 1964色差公式中的明度值)
(1 Y 100)
5-20 CIE 1960 UCS色度光谱轨迹图
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图 麦克亚当的颜色椭圆形宽容度范围
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最完备的颜色分辨力应包括色品分辨力和光亮度分辨力两部分，即 对颜色三属性变化的综合分辨能力。有学者作出了类似色品分辨力椭 圆的颜色综合分辨力椭球，其范围代表人眼颜色分辨力的宽容量。宽 容量除对不同明度、不同色品的颜色不相同外，还受外界因素的影响， 极其复杂。

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三、 CIE 1960 UCS 均匀颜色空间
《光度学与色度学基础》讲义
－－光信息科学与技术专业
指导教师：高俊玲
光度学与色度学基础
光度学与色度学基础
第五章 CIE标准色度系统
第六节 均匀颜色空间与色差公式
光度学与色度学基础
主要内容

色差及颜色的辨别力； CIE XYZ色度空间的不均匀性及颜色宽容度 CIE 1960 UCS 均匀颜色空间 CIE 1964 W*U*V*均匀颜色空间及色差公式


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莱特线和麦克亚当圆说明图上相等的空间在视觉效果上不是等差的， 表明了CIE 193 XYZ色度图的不均匀性，这会对彩色复制等工作带来 难度。如在色品图上，人的视觉辨别颜色不敏感的区域，原来颜色坐 标点与复制的颜色坐标点之间虽然有较大的距离，复制的效果仍可能 是较好的。相反，在颜色敏感的区域，虽然两色度点的距离较近，但 是复制的质量也有可能是很差的。

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为了将人眼的辨色能力直观地 表示出来，在CIE色度图上用 不同长度的线段表示人的视觉 对不同波长的颜色辨别的宽容 度。在每一线段内波长虽然有 变化，但是人眼却辨别不出颜 色的差别，只有当波长的变化 超过线段的范围时，才能感受 到颜色的差异。利用相应的数 据做出长度不同的线段，发现 在光谱的红端和蓝端的线段很 短，而绿色部分却很长，如图 5-6-4。

称为明度值V，数值为0-10共十一
个等级，0为理想黑色， 10为理想白色。
均匀明度标尺
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明度值V与样品的亮度因数Y不是线性关系，其关系有多种不同的 表示方式，(不同的研究者给出的V与Y间的函数关系不同)。 1)、平方根公式： LH=10Y1/2

(5-37)
( LH为亨特色差公式中的明度。)


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图5-6-1 L/L的数值与L值的关系曲线

L/L的数值与L值的关系曲线(如图5-6-1)： 人眼在一般光亮度情况下，保持 L/L为常数，它的光亮度分 辨力差阈L，随着亮度L的不同而不同。
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2、波长的分辨力：用专门装置进行测量，实验表明光谱两端的波 长分辨力最差，特别在红端680nm以上，几乎不能分辨出差别，光 谱中部的分辨力较高，在蓝绿色490nm和黄色590nm左右，分辨力 最强，590nm附近约为1nm，如图5-6-2，



莱特和彼特选取了波长不同的颜色，对人眼对不同波长的辨别能 力进行了研究。 通过大量的实验，他们发现人的视觉对光谱不同波长的颜色差别 的感受性是不相同的，在波长为490nm和600nm附近，视觉的辨别 能力最高，波长有1nm的差别便能感受到，而在430nm和650nm附 近的辨色能力则很低，波长的差别有时在达到5nm~6nm才能感觉 出颜色的差别。

人眼的波长分辨力随着光亮度变化有所改变，光亮度提高时， 分辨力相应提高，但光亮度超过某值后，波长分辨力下降。 如果色纯度降低，波长分辨力一般随之降低，但蓝紫端随纯度 变化与其他部分有些不同。 波长分辨力随视场的增大而升高，10视场的波长分辨力比2 视场高三倍。


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图 5-6-2
图 5-6-3
图5-6-3为低色纯度时的色纯度分辨力 随波长变化的情形。
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近单色光(高色纯度)时(Pc=1)的色纯度分辨力有规则 ，几乎 所有单色光中只需加2%左右的白光后，人眼就能分辨出颜 色变化交，即冲淡单色光时的Pc约为 0.02，人眼色纯度分 辨力最差是570nm黄绿色，最佳的是在光谱两端，尤其是紫 蓝端。
以上三式适用于大小视场的标准色度观察者，只需代入相应 的实验数据。
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图5-19 CIE 1960 UCS 图标准色度观察者（2°）光谱三刺激值曲线图
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CIE1960 UCS均匀色品图光谱轨迹色品坐标u(λ )，v(λ )，w(λ )：
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经过由CIE1931 x-y色度图向1960 UCS图的坐标转换，图5-23绘出了 麦克亚当的25个椭圆。这25个椭圆虽然不是等大的图形，但已是在一 个平面上能做到的最均匀的转换。在人的视觉差别相等的不同颜色， 在均匀色度标尺图上也是大致等距的，因而从图上两个颜色点的相对 距离可以直观地看出两者颜色的差异情况，并便于与另两个颜色点的 距离作比较。

4、色品分辨力：颜色差异是颜色三属性变化的综合结果，研究 色差必须研究人眼对颜色三属性的综合分辨力，尤其是颜色的 色品(色调和饱和度) 分辨力。
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二、 CIE XYZ色度空间的不均匀性及颜色宽容度
在CIEXYZ的色品图上，每一个点都代表某一个确定的颜色，对应 着一定的色品。而该点的位置是由一定数量的红、绿、蓝三原色相 加混合来确定的。每一个颜色在色度图中都是用一个点来表示，但 是对于人眼来说，当这种颜色的坐标位置发生微小的变化时，虽然 颜色发生了变化，但由于变化较小，所以人的视觉仍认为它是原来 的颜色，不能感觉到它的变化。
（5-42）
或
（5-43）
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CIE1960 UCS均匀色度系统标准色度观察者光谱三刺激值 与1931 XYZ系统光谱三刺激值间的关系式：