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穿透、吸收和反射。
如果我们把物体对光的反射和吸收功能结合起来研究,我们就会明白颜色是如何产生的。
我们知道,所有的物体对光有一定的吸收和反射的功能。
物体由于本身的物理或化学的特性,物体将会吸收某些波长的光而同时反射其他波长的光,其本身所显示出来的颜色决定于吸收了哪些波长的光和反射哪些波长的光。
如:
当物体把波长在630-760nm的大多数光反射出来,那么物体就显示出红色;
对于白色,由于所有波长的光都被反射出来,没有哪种波长的光占主导地位,所以看不到任何的颜色,物体显示为白色;
对于黑色,由于物体吸收了大多数的光,所以显示为黑色。
1976年国际照明委员会(CommissionInernation-aled’Edairage简称CIE)确定L*a*b*颜色空间,称之为CIELAB系统,所有的颜色可用L*、a*、b*三个轴的坐标来定义。
L*为垂直轴,代表明度,其值从底部0(黑)到顶部100(白)。
a*代表红绿轴上颜色的饱和度,其中,-a*(绿),+a*(红)。
b*代表蓝黄轴上颜色的饱和度,其中-b*(蓝),+b*(黄)。
a*、b*都是水平轴。
两个颜色之间的总色差ΔE=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2。
测色仪主要分为两类:
分光测色仪和色度计。
分光测色仪是通过测量物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比,再选用CIE推荐的标准照明体和标准观察者,经积分计算求得颜色的三刺激值。
色度计是通过直接测得与颜色的三刺激值成出例的仪器响应数值,直接换算出颜色的三刺激值。
测色仪器又分为接触式和非接触式,接触式测色仪对环境条件没有限制。
孟塞尔体系(MunsellAM)是另一种表色体系,它是以标号的形式表述颜色。
按照孟塞尔明度(Value,V)、色调(Hue,H)和彩色(Chroma,C)三方面顺序组成一个编号,记录形式为Hv/c。
作为颜色三要素之一的光源,由于日常生活中存在许多种的光源,如日光、月光、白炽光等,每种光都有唯一的分光谱的能量分布图,光的分光谱的能量分布图定义了由光源中各种波长光发射的能量相对大小。
有些光源发出的光中占有大量的蓝色光,有些光源发出的光中占有大量的黄色光,而日光中含有大量波长400-500nm的高能量光。
不同的光源含有不同颜色光的量不同,因此,在不同的光源下,物体显示出的色调(颜色)不同。
为了较为准确和规范地描述色调,CIE(国际照明委员会)制定了4种标准光源,以统一色调值。
这4种标准光源的名称见下表,在这4种标准光源中,常用的C光源和D65光源,我国以D65为标准光源。
标准光源名称
定义
A
白炽光
B
正午的阳光
C
阴天的日光
D65
平均的白天日光
最广泛的运用于测量物体色调的方式是CIE1976L*、a*、b*颜色空间(即CIELAB色度空间)。
CIELAB色颜色空间,把色调的颜色空间转化为立体的数学模型。
如下图:
L*—明度指数,表示三维坐标物体的明度坐标,L为0时表示物体为对光完全吸收的黑体;
L为100时表示物体对光完全反射的纯白物体。
a*—为红绿色度指数坐标,+a时表示红的程度,-a时表示绿的程度。
b*—为黄蓝色度指数坐标,+b时表示黄的程度,-b时表示蓝的程度。
参考文献:
[苏朝锐.颜色的机理和新闻纸色调.造纸科学与技术,2002,21(4):
]
[赵成文,林世海,施元春.颜色反射比测量的探讨.照明,1999,20(3):
21-24]
基本色度学(引用)
基本色度学
节选自《光电图象处理》竺子民著
色度学是—门研究彩色计量的科学,其任务在于研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用。
彩色视觉是人眼的—种明视觉。
彩色光的基本参数有:
明亮度、色调和饱和度。
明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。
一般来说,彩色光能量大则显得亮,反之则暗。
色调反映颜色的类别,如红色、绿色、蓝色等。
彩色物体的色调决定于在光照明下所反射光的光谱成分。
例如,某物体在日光下呈现绿色是因为它反射的光中绿色成分占有优势,而其它成分被吸收掉了。
对于透射光,其色调则由透射光的波长分布或光谱所决定。
饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。
对于同一色调的彩色光,其饱和度越高,颜色就越深,或越纯;
而饱和度越小,颜色就越浅,或纯度越低。
高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅,变成低饱和度的色光。
因而饱和度是色光纯度的反映。
100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光阴纯色光。
色调与饱和度又合称为色度,它即说明彩色光的颜色类别,又说明颜色的深浅程度。
应强调指出,虽然不同波长的色光会引起不同的彩色感觉,但相同的彩色感觉却可来自不同的光谱成分组合。
例如,适当比例的红光和绿光混合后,可产生与单色黄光相同的彩色视觉效果。
事实上,自然界中所有彩色都可以由三种基本彩色混合而成,这就是三基色原理。
基于以上事实,有人提出了一种假设,认为视网膜上的视锥细胞有三种类型,即红视谁细胞、绿视锥细胞和蓝视锥细胞。
黄光既能激励红视锥细胞,又能激励绿视锥细胞。
由此可推论,当红光和绿光同时到达视网膜时,这两种视锥细胞同时受到激励,所造成的视觉效果与单色黄光没有区别。
三基色是这样的三种颜色,它们相互独立,其中任一色均不能由其它二色混合产生。
它们又是完备的,即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。
有两种基色系统,一种是加色系统,其基色是红、绿、蓝;
另一种是减色系统,其三基色是黄、青、紫(或品红)。
不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色,其规律为:
红+绿=黄 红+蓝=紫 蓝+绿=青 红+蓝+绿=白
彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出,这就是相减混色。
因为颜料能吸收入射光光谱中的某些成分,未吸收的部分被反射,从而形成了该颜料特有的彩色。
当不同比例的颜料混合在一起的时候,它们吸收光谱的成分也随之改变,从而得到不同的彩色。
其规律为:
黄=白-蓝 紫=白-绿 青=白-红 黄+紫=白-蓝-绿=红 黄+青=白-蓝-红=绿 紫+青=白-绿-红=蓝 黄+紫+青=白-蓝-绿-红=黑相减混色主要用于美术、印刷、纺织等,我们讨论的图象系统用的是相加混色,注意个要将二者混淆。
根据人眼上述的彩色视觉特征,就可以选择三种基色,将它们按不同的比例组合而引起各种不同的彩色视觉。
这就是三基色原理的主要内容。
原则上可采用各种不同的三色组,为标准化起见,国际照明委员会(CIE)作了统一规定。
选水银光谱中波长为546.1纳米的绿光为绿基色光;
波长为435.8纳米的蓝光为蓝基色光。
实验发现,人眼的视觉响应应取决于红、绿、蓝三分量的代数和,即它们的比例决定了彩色视觉,而其亮度在数量上等于三基色的总和。
这个规律称为Grassman定律。
由于人眼的这一特性,就有可能在色度学中应用代数法则。
白光(W)可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色相加而得,它们的光通量比例为
ΦR:
ΦG:
ΦB=1:
4.5907:
0.0601通常,取光通量为1光瓦的红基色光为基准,于是要配出白光,就需要4.5907光瓦的绿光和0.0601光瓦的蓝光,而白光的光通量则为
Φw=1+4.5907+0.0601=5.6508光瓦为简化计算,使用了三基色单位制,记作[R]、[G]、[B],它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成,即
MW=1[R]+1[G]+1[b]符号M的含义是“可由…混合配出”。
由此可知, =
∙1个单位[R]=1光瓦(红基色光)
∙1个单位[G]=4.5907光瓦(绿基色光)
∙1个单位[B]=O.0601光瓦(蓝基色光)
选定上述单位以后,对于任意给出的彩色光C,其配色方程可写成
C=r1[R]+g1[G]+b1[B]该色的光通量为
Φc=(r1+4.5907g1+0.0601b1)光瓦=680(r1+4.5907g1+0.0601b1)流明其中,r1、g1、b1为三个色系数。
在只考虑色光色度时,起决定作用的是r1、g1、b1的相对比例,而不是其数值大小,于是可进一步规格化。
令
m=r1+g1+b1r=r1/mg=g1/mb=b1/m显然,r+g+b=1
式中,m称为色模,它代表某彩色光所含三基色单位的总量。
r、g、b称为RGB制的色度座标或相对色系数,它们分别表示:
当规定所用三基色单位总量为1时,为配出某种给定色度的色光所需的[R]、[G]、[B]数值。
这样,C=m{r[R]+g[G]+b[B]}。
除了数学表达式以外,描述色彩的还有色度图,色度图能把选定的三基色与它们混合后得到的各种彩色之间的关系简单而方便地描述出来。
图1表示一个以三基色顶点的等边三角形。
三角形内任意一点P到三边的距离分别为r、g、b。
若规定顶点到对应边的垂线长度为1,则不难证明关系r+g+b=1成立,因此r、g、b就是这一色三角形的色度座标。
显然,白色色度对应于色三角形的重心,记为W,因为该点r=1/3,g=1/3,b=1/3沿RG边表示由红色和绿色合成的彩色,此边的正中点为黄色,其色度座标为r=1/2,g=1/2,b=0.橙色在黄色与红色之间(r=3/4,g=1/4,b=O)。
同样,品红色(也称紫色,但与谱色紫不一样)在RB边的中点(r=1/2,g=0,b=1/2),青色在BG边的中点(r=0,g=1/2,b=1/2)。
穿过W点的任一条直线连接三角形上的两点,该两点所代表的颜色相加均得到白色。
通常把相加后形成白色的两种颜色称为互补色。
例如图中的红与青、绿与品红、蓝与黄皆为互补色。
从三角形边线上任一点(如R点)沿着此点与W的连线(如RW)移向W点,则其颜色(如100%饱和度的纯红色)逐渐变淡,到达W点后颜色就完全消失。
上述色三角形称为Maxwell色三角形,使用起来有所不便。
如果我们用类似直角三角形的形式直接标度,就方便多了。
基于r+g+b=l,故在直角三角形中只需标出r和g的单位,由b=1-r-g即可知道b。
如色度Q,位于座标r=0.5,g=0.2处,说明色度Q包含0.5单位[R]、0.2单位[G]和0.3单位[B]。
虽然RGB色度图的物理概念清晰,但还有不足之处。
譬如在色度图上不能表示亮度,且相对色系数出现负值等。
下面介绍一种确定彩色的标准坐标系统,称为CIE色度图。
CIE是法文CommissionInternationaldel'
Eclairage(国际照明委员会)的缩写词。
CIE色度图所用的三基色单位为[X]、[Y]、[Z],而任何一种彩色均可由此三基色单位来表示,即
C=x1[X]+y1[Y]+z1[Z]式中,x1、y1、z1为三个色系数。
在选择三基色单位[X]、[Y]、[Z]时,必须满足下列三个条件以克服RGB色度图的弊病。
∙
(1)当它们配出实际色彩时,三个色系数均应为正值;
∙
(2)为方便计算,使合成彩色光的亮度仅由y1[Y]一项确定,并且规定1[Y]光通量为1光瓦。
换句话说,另外两个基色光不构成混合色光的亮度,但合成光的色度仍然由[X]、[Y]、[Z]的比值确定;
∙(3)x1[X]=y1[Y]=z1[Z]时,混合得到是白光。
根据上述三个条件求得XYZ色度图中的三基色为任意色彩C在XYZ空间中可以表示为
|[X]||[R]||[Y]|=A|[G]||[Z]||[B]|其中|0.4185-0.09120.0009|A=|-0.15870.2524-0.025||-0.08280.01570.1786|任意色彩C在XYZ空间中可以表示为 C=m’{x[X]+y[Y]+z[Z]}
其中m’=x1+y1+z1,x=x1/m’,y=y1/m’,z=z1/m’显然,x+y+z=1
我们称x、y、z为XYZ制的色度座标或相对色系数。
上式说明,三个色度座标中有一个是不独立的,因而可以用x,y直角座标系来表示各种色度,这样的平面图形就是CIE色度图,如图2所示。
由图可见,所有的色谱(可见光谱中包含的一系列单色)都位于马蹄形曲线上,曲线上加注了毫微米标记,以便能根据它们的波长而辨别其单色。
在马蹄形内部包含了用物理方法能实现的所有彩色。
马蹄形的底部没有给予标记,因为那里是非谱色(各种紫红色,这些彩色不能作为单色出现在光谱上),对于这些非谱色,波长当然是没有意义的。
最后着重指出,[X]、[Y]、[Z]只是计算量,是一种假想的三基色,不能用物理方法直接得到。
三色理论的基本要点是,任意彩色可由适当比例的三种基本彩色匹配出来。
在加性系统,如彩色电视中,三基色是红、绿和蓝,把适当比例的三基色投射到同一区域,则该区域会产生一个混合彩色。
而匹配这个混合色的三基色并不是唯一的。
CIE为适应不同的需要,建立了一系列标准基色参考系。
例如谱色基色系中,三基色是三个谱色,其波长分别为:
红=700纳米,绿=546.1纳米,蓝=435.8纳米。
匹配一个混合色的三刺激值的各个份额叫三刺激值,它们的单位是这样确定的:
匹配一个可见光谱中的等能白色时,三刺激值恰好相等。
匹配同一个混合色,采用不同的参考系得到的三刺激值就不同。
于是就存在一个不同三刺激值之间的转换问题。
这里我们简单地给出几种常见的变换关系:
均匀色度空间坐标系------------------4x6yu=--------------,v=---------------2x+12y+3-2x+12y+3 *S-θ-W坐标系-----------------_________________________ /*2*2*/22S=√(U)+(V)=13W√(u-u0)+(V-V0)*-1V-1v-v0θ=tan----=tan------*u-u0UL-a-b坐标系-----------------1/3L=25(100*Y/Y0)-161/31/3a=500[(X/X0)-(Y/Y0)]1/31/3b=200[(Y/Y0)-(Z/Z0)]
第一节色度学基础
色度学与人类工程学
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。
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。
色度学既然是建立在人眼的反应基础上,对于别的动物就不适用了。
好在人类的不同人种之间对光的感受没有太大的区别,因此色度学是和人种无关的。
绝对亮度(Lv)的定义是:
(坎德拉/平米)
其中θ是发光表面法线与给定方向夹角的余弦。
由于多数情况下是垂直于发光表面观察的,所以亮度可理解为单位面积的发光强度(di为微发光强度,ds为微发光面元)。
1坎德拉的发光强度是频率为540×
1012赫兹的光源在每球面度中强度为1/683瓦的光辐射。
由此可见,亮度与电磁波的辐射强度这个物理量成正比。
又由于人眼的感色性的关系,又与光的波长密切相关。
由于人眼在不同的亮度环境下会自动调节瞳孔的大小,使进入眼睛的光强总在一个亮度范围之内。
因此除了在超出人眼调节范围之外的极暗或极亮的环境之外,使用相对亮度来表述图像或图片更为方便。
例如,尽管电视屏幕的白场、灯光下的白纸和阳光下的白纸的亮度很不一样,但都将其定义为100%的相对亮度。
考虑到在电子出版领域的应用,后面使用亮度这个术语时,都是表示相对亮度。
亮度和明度
物体的亮度在计算机内都要以整数的方式表示,例如最亮的为100,最暗的就是0,中间还有许多过渡亮度。
为了计算方便,计算机内通常都以2的多少次方来表示一个亮度范围。
例如0~31、0~63、0~127、0~255。
现在最常用的是0~255,即256级亮度,但其他几种方式也常使用;
例如有许多彩色显示卡的32K色显示方式,它的亮度等级就是0~31,共32级。
由于亮度成了不连续的过渡,就很有可能使人查觉出亮度的跳跃。
32级亮度就很容易查觉出跳跃,256级亮度则很难查觉出跳跃。
如果将32级亮度的灰色块连续显示在屏幕上,会发现较暗的部分跳跃比较厉害,较亮的部分则显得连续得多。
这个现象很早就被人们发现了。
测试人员用一组深浅不同的灰卡,让被测试者选一张介于最深和最浅之间的灰卡,结果大多数人选出的灰卡亮度只有18%!
继续这种测试,在黑色和中间灰之中、中间灰和白色之中……,直到人们无法区分两种灰卡的深浅为止。
将选出的灰卡按由深到浅的顺序排好,再实测它们的亮度,发现它的编号(L)与亮度(Y)的关系为:
L=116(
Y
)1/3-16
100
其中L=0~100,Y=0~100。
此近似关系经CIE(国际照明工程师协会)组织规范化为以上的明度公式。
明度是一种心理亮度的度量单位,同样一幅照片,如果用32级等差明度来表示质量要比32级等差亮度好得多。
要达到同等表现质量,用亮度表示要比用明度多用150%以上的数据量,即255级亮度约只相当于100级的明度,在实际使用中,如果用明度来表示,则128级明度就有很高的质量了。
如果要求在发光体上小视野情况下也看不出任何亮度差,可以用256级明度来表示。
32级亮度
32级明度
图8.1在黑白方式下的亮度和明度
当你看到图8.1的两种色块序列时,你可能会对CIE的明度序列表示怀疑。
明度序列的连续性似乎并不比亮度序列的更好。
根据我们的研究结果表明,这个怀疑是对的。
较好的序列应是介于这两者之间的一个序列。
特别是在彩色空间中。
回基础理论
第三章光度学和色度学简介
§
1光度学基本概念
一、辐射通量
设光源表面S(图3-1)向所有方向辐射出各种波长的光。
此光源表面一个面积元dS的辐射情况,可以用单位时间内该面积元dS辐射出来的所有波长的光能量(也就是通过该面积的辐射功率)来表示,这就是面积元dS的辐射通量。
可用ε来表示,单位为瓦特。
于光源上任一面积元的辐射通量,不同波长的光在其中所占的相对数值是不同的。
为了表示光源面积元所辐射的不同波长的光的相对辐射通量,我们引入分布函数e(λ)的概念。
它就是在单位时间内通过光源面λ积的某一波长附近的单位波长间隔内的光能量。
是波长`λ的函数,它又称谱辐射通量密度。
从光源面积元dS辐射出来的波长在λ到λ+d间的光辐射通量为
于是,从面积元dS发出的各种波长的光的总辐射通量为
二、视见函数
辐射通量ε代表的是光源面积元在单位时间内辐射的总能量的多少,而我们感兴趣的只是其中能够引起视觉的部分,相等的辐射通量,由于波长不同,人眼的感觉也不相同。
为了研究客观的辐射通量与它们在人眼所引起的主观感觉强度之间的关系,首先必须了解眼睛对各种不同波长的视觉灵敏度。
人眼对黄绿色光最灵敏;
对红色和紫色光较差;
而对红外光和紫外光,则无视觉反应。
在引起强度相等的视觉情况下,若所需的某一单色光的辐射通量愈小,则说明人眼对该单色光的视觉灵敏度愈高。
设任一波长为λ的光和波长为5550的光,产生相同亮暗视觉所需的辐射通量分别为Δελ和Δε5550,则比值
称为视见函数。
图3-2是明视觉和暗视觉的相对视见函数实验图线,其纵坐标为视见函数。
明视觉以v(λ)表示,暗视觉以v′(λ)表示。
暗视见函数曲线的峰值向短波移动约500
,当不同的单色光辐射通量能够产生相等强度的视觉时,v(λ)与这些单色光的辐射通量成反比。
根据多次对正常眼的测量,当波长为5550时,曲线具有最
0302,+90mm。
85mm,BP图3-2大值。
通常取这最大值作为单位1。
例如对于6000的波长来说,视见函数的相对值是0631,为了使它引起和5550相等强度的视觉,所需的辐射通量是5550的1/0631倍,即16倍左右。
也就是说,为产生同等强度的视觉,视见函数v(λ)与所需的辐射通量dελ成反比。
三、光通量
引入视见函数v(λ)后,就可以研究光通量,它表示光源表面的客观辐射通量对人眼引起的视觉强度,以Φ表示,它等于辐射
通量与视见函数的乘积。
在某一波长λ附近对于波长间隔为dλ的单色光来讲,其光通量为
(3-1)
式中
(3-2)
k(λ)称为光谱光视效能,km为最大光视效能,简称最大光效率。
光通量和辐射通量具有相同的量纲,但在国际单位制中,辐射通量的单位为瓦,而光通量的单位为流明(lumen),单位代号:
流(lm)。
由(3-1)式可知k(λ)=dΦλ/dελ,光谱光效能k(λ)其实是波长为λ的辐射的功光当量。
换言之波长为λ的1W辐射通量,
相当于k(λ)(lm)的光通量。
而最大光谱光视效能km是指波长为5550辐射的功光当量,即km为最大功光当量。
国际单位制中
单色光光通量的表
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