色度学

  • 色度与辐射的关系

  了解了光度学和辐射度学,我们来看看色度学。


  色度学是光度学研究中的一个部分,是研究人对颜色的感知规律、颜色测量技术的科学。


  人眼能看到颜色,是因为可见光进入了人眼,引起的视觉生理和心理的感受。所以,人眼看到颜色的基础是有光;这个光可以是物体自己发出的光,比如太阳的光、灯发出的光、显示屏发出的光;这光也可以是物体反射的光,比如苹果的红色、蓝色的衣服,这些物体自己不发光,但会反射光。前者自发光物体的颜色只和自己辐射的光谱有关,而后者不发光物体的颜色则不仅与自己的表面反射率有关,还与照明的光源有关。比如,白色的衣服在红光下,看上去也是红色的。


  无论是自发光物体还是不发光物体,人眼看到的颜色都与其辐射或反射光谱有关。人眼能看到的光谱仅限于380-780nm,叫做可见光谱。可见光谱是辐射光谱中的一小段,如下图所示。光度学研究的就是可见光波段。

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  我们来看看常见的照明光源的光谱。下图中可以看到白炽灯光谱在黄色红色部分的能量明显比蓝色和绿色强,所以显出偏黄的感觉;LED冷白光谱由于蓝色成分多,显出偏蓝的颜色,所以后来出现了把红色部分增强的暖白的LED光源。


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  我们日常看到的颜色光都是各种可见光波长下的单色光的混合。


  • CIE标准色度系统和颜色匹配实验

  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,它是一门上个世纪发展起来的,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。

  在综合了一些颜色科学家的研究和实验基础上,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。

      CIE标准色度学系统是以颜色匹配实验为基础建立起来的,是一种混色系统,用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色,不是用颜色的三个色貌特征明度、色调、饱和度(彩度)的大小为度量来表示颜色。


  以下就是CIE1931年颜色匹配实验的示意图,先给出任意一个待匹配的颜色,通过人眼的观察,来找出红、绿、蓝三原色的光的比例,从而计算出该颜色的三原色数量。

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      CIE在1931年建立的CIE1931-XYZ系统成为了沿用至今的一套应用最广泛的色度空间。如下图,在这套色度系统理论中,任何一种颜色都可以用XYZ三刺激值表示,XYZ可以转化为Yxy坐标系,其中,Y既是亮度,又是人眼对绿色的敏感度匹配,x和y代表X和Y分别在(X+Y+Z)中的比例,这样色度就可以通过xy这样一个二维空间来表征了。色度图中心点(0.3333,0.3333)为白色,周围是彩色,越往边缘,色彩饱和度约高;边缘的点代表了不同波长的光谱色。

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      CIE在1931年的实验是基于2°视场角的,但人眼其实对于不同的面积的颜色的感知是存在差异的,所以在1964年又进行了补充实验,以匹配大于10°视场角的情况。如下图。

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  人们发现,1931-XYZ系统中存在两个问题:

1、该规范使用明度和色度不容易解释物理刺激和颜色感知响应之间的关系;

2、 XYZ系统和在它的色度图上表示的两种颜色之间的距离与颜色观察者感知的变化不一致,这个问题叫做感知均匀性(perceptual uniformity)问题,也就是颜色之间数字上的差别与视觉感知不一致。


  为了解决颜色空间的感知一致性问题,CIE专家们在1976年对CIE 1931 XYZ系统进行了非线性变换,制定了CIE 1976 LUV色空间,如下图所示,我们能明显看到蓝色部分被扩展,而绿色被压缩;CIE1931XYZ和CIE1976LUV色空间一般适用于自发光的颜色测量,比如显示屏、光源照明等,使用的是2°视场角;

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      CIE在同一年规定了CIE 1976 L*a*b*颜色空间,适用于不发光的物体颜色,需要外部照明反射显示颜色,比如涂料、塑料等的颜色,该色空间使用10°视场角。


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