CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng).docx

CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)國(guó)際照明委員會(huì) (CIE) 規(guī)定的顏色測(cè)量原理、基本數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，稱做CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)。CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)的核心內(nèi)容是用三刺激值及其派生參數(shù)來表示顏色。任何一種顏色都可以用三原色的量，即三刺激值來表示。選用不同的三原色，對(duì)同一顏色將有不同的三刺激值。為了統(tǒng)一顏色表示方法，CIE對(duì)三原色做了規(guī)定。光譜三刺激值或顏色匹配函數(shù)是用三刺激值表示顏色的極為重要的數(shù)據(jù)。對(duì)于同一組三原色，正常顏色視覺不同入測(cè)得的光譜三刺激值數(shù)據(jù)很接近，但不完全相同。為了統(tǒng)一顏色表示方法，CIE取多人測(cè)得的光譜三刺激值的平均數(shù)據(jù)做為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并稱之為標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者。CIE對(duì)三刺激值和色品坐標(biāo)的計(jì)算方法作了規(guī)定。對(duì)于物體色，光源、照明和觀察條件對(duì)顏色有一定影響。為了統(tǒng)一測(cè)量條件，CIE對(duì)光源、照明條件和觀察條件也做了規(guī)定。一、CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)，是1931年在CIE第八次會(huì)議上提出和推薦的。它包括1931CIE-RGB和1931 CIE-XYZ兩個(gè)系統(tǒng)，分別介紹如下：（一）1931CIE-RGB 系統(tǒng)該系統(tǒng)用波長(zhǎng)分別為710-7米（紅）、5.46110-7米（綠）和4.35810-7米（蘭）的光譜色為三原色，并且分別用（R）、（G）、（B）表示。系統(tǒng)規(guī)定，用上述三原色匹配等能白光（E光源）三刺激值相等。R、G、B的單位三刺激值的光亮度比為1.000: 4.5907:0.0601；輻亮度比為72.0962:1.3791:1.000。系統(tǒng)的光譜三刺激值，由萊特實(shí)驗(yàn)和吉爾德（JGuild）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算為既定三原色系統(tǒng)數(shù)據(jù)后的平均值來確定詳見參考文獻(xiàn)，并定名為“1931 CIERGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”。簡(jiǎn)稱“1931 CIERGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)觀察者”。光譜三刺激值分別用、和表示（二）1931 CIEXYZ系統(tǒng)1931 CIERGB 系統(tǒng)可以用來標(biāo)定顏色和進(jìn)行色度計(jì)算。但是該系統(tǒng)的光譜三刺激值存在負(fù)值，這既不便于計(jì)算，也難以理解。因此CIE同時(shí)推薦了另一色度學(xué)系統(tǒng)，即1931 CIEXYZ系統(tǒng)。1931 CIEXYZ系統(tǒng)選用(X)、(Y)、(Z)、為三原色。用此三原色匹配等能光譜色，三刺激值均為正值。該系統(tǒng)的 光譜三刺激值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并定名為“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”，簡(jiǎn)稱“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者”。1931 CIEXYZ系統(tǒng)，是在1931 CIERGB系統(tǒng)基礎(chǔ)上，經(jīng)重新選定三原色和數(shù)據(jù)變換而確定的。1、三原色的確定確定1931 CIEXYZ 系統(tǒng)的三原色 (X)、(Y)、(Z)，遵循以下原則：（1）用此三原色匹配等能光譜色，三刺激值不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)值；（2）實(shí)際不存在的顏色在色品圖上所占的面積應(yīng)盡量??；（3）用Y刺激值表示顏色的亮度，同時(shí)亦表示色度；而X和Z刺激值只表示色度，不代表亮度。這種規(guī)定給顏色標(biāo)定帶來了很大的方便。為了實(shí)現(xiàn)（1）和（2）兩項(xiàng)要求，（X）、（Y）、（Z）三原色在1931CIERGB色品圖上色品點(diǎn)所形成的顏色三角形，應(yīng)包住全部光譜色色品軌跡，且使三角形內(nèi)在光譜色色品軌跡外部分占有最小的比例。為了達(dá)到這一目的選取色品圖上光譜色色品軌跡波長(zhǎng)710-75.410-7米段向兩端延伸的直線作為新三原色色品點(diǎn)形成顏色三角形的(X) (Y) 邊。此線的色品坐標(biāo)方程式為 選取靠近光譜色色品軌跡上波長(zhǎng)為5.0310-7米點(diǎn)的一條直線作為 (X) (Y) (Z) 三角形的 (Y) (Z)邊，其色品坐標(biāo)方程式為1.45r+0.55g+1=0為了滿足條件，取色品圖上的無亮度線作為 (X) (Y) (Z) 三角形的(X) (Z)邊。前邊講過，在1931CIERGB系統(tǒng)中，三刺激值相等時(shí)三原色的光亮度比為L(zhǎng)(R):L(G):L(B) =1.000:4.5907:0.0601如果顏色C的色品坐標(biāo)分別為r、g和b，其相對(duì)亮度L(c) 可表示為L(zhǎng) (C ) =r+4.5907g+0.0601b若此點(diǎn)恰好在無亮度線上，即L(c) =0 ，則有r+4.5907g+0.0601b=0把b=1-r-g代入上式，得0.9399r+4.5306g+0.0601=0就是1931CIERGB色品圖上的無亮度線方程，也就是(X) (Y) (Z)三角形(X) (Z) 邊的方程。式（558）、（559）和（560）三個(gè)方程所代表的三條直線構(gòu)成的三角形的頂點(diǎn)便是選定三原色(X)、(Y)、(Z)的色品點(diǎn)。通過解聯(lián)立方程求得的（X）、（Y）、（Z）三原色在1931CIERGB系統(tǒng)的色品坐標(biāo)如下表所示。rgb(X)1.2750-0.27780.0028(Y)-1.73922.7671-0.0279(Z)-0.74310.14091.60222、CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者在1931CIERGB 系統(tǒng)色品圖上，新三原色(X)、(Y)和(Z)的色品點(diǎn)在偏馬蹄形光譜色色品軌跡之外，只有這樣才能保證光譜三刺激值不出現(xiàn)負(fù)值。但是在光譜色色品軌跡外的顏色，實(shí)際是不存在的。所以(X)、(Y)、(Z)三原色能夠用來表示顏色，卻不能用來進(jìn)行實(shí)際的混合匹配。因而1931 CIEXYZ系統(tǒng)的光譜三刺激值不能通過直接匹配實(shí)驗(yàn)來獲得，該系統(tǒng)的光譜三刺激值，是由1931 CIERGB系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和定標(biāo)而確定的。1931 CIEXYZ系統(tǒng)的光譜三刺激值，定名為“CIE 1931 標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”。簡(jiǎn)稱“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者”。圖517給出了CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線。3、CIE 1931色品圖根據(jù)定義，1931 CIEXYZ系統(tǒng)的色品坐標(biāo)為1931CIE-XYZ 系統(tǒng)的色品圖稱做CIE 1931色品圖，波長(zhǎng)為710-77.710-7米的光譜色，色品點(diǎn)重合在一起，表明它們有相同的色品坐標(biāo)，在亮度相同時(shí)，表觀顏色相同；波長(zhǎng)為5.410-7710-7米光譜色色品軌跡部分為一段直線，這一段上代表的任何光譜色,均可用波長(zhǎng)為5.410-7和710-7米兩種光譜色以一定的比例混合產(chǎn)生出來；光譜色色品軌跡波長(zhǎng)3.810-75.410-7米對(duì)應(yīng)的是一段曲線。光譜色的飽和度最高，白光的飽和度最低。在色品圖上，色品點(diǎn)靠近光譜色色品軌跡的顏色，飽和度高，愈靠近白光色品點(diǎn)，顏色的飽和度愈低。色品圖能表示顏色混合。顏色(M)和(N)的混合色的色品點(diǎn)，應(yīng)在顏色(M)和(N)色品點(diǎn)連線上，具體位置決定于兩種顏色的比例。兩種顏色(P)和(Q)以一定比例混合生成參考白色，例如白光(E)，則兩顏色為互補(bǔ)色。在色品圖上，互為補(bǔ)色的兩顏色色品點(diǎn)連線，一定通過參考白光的色品點(diǎn)，例如色品點(diǎn)(E) 。光譜色色品軌跡開口端7.710-7米（紅）和3.810-7米（紫）色品點(diǎn)連線上各色品點(diǎn)代表的顏色，不是光譜色，而是波長(zhǎng)為7.710-7米和3.810-7米的紅和紫兩種光譜色的混合色。4、光源色和物體色的三刺激值在本章第八節(jié)所介紹的顏色三刺激值計(jì)算方法在本系統(tǒng)中完全適用，但應(yīng)把公式中的基本參量改為本系統(tǒng)的參量。由此得到本系統(tǒng)的顏色三刺激值的表達(dá)式式中，、和為CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值。由于、或、和等參數(shù)均是以一定波長(zhǎng)間隔的離散值形式給出的，所以在實(shí)際計(jì)算時(shí)，是用求和式代替積分式對(duì)于光源色，有對(duì)于透射物體色，有對(duì)于反射物體色，有或者上述各式中的k為調(diào)節(jié)系數(shù)，改變k值，三刺激值也隨之改變，對(duì)三刺激值的數(shù)值有調(diào)節(jié)作用。為了使三刺激值有統(tǒng)一的尺度，CIE規(guī)定光源的Y 刺激值為100。把光源色的Y刺激值定為100后，得到這樣確定系數(shù)k后，物體色的Y 刺激值為式中，V() 為光譜光效率函數(shù)（或視見函數(shù)），CIE規(guī)定。物體色的Y刺激值實(shí)際上是反射（或透射）光通量相對(duì)于入射光通量的百分比，故Y也稱為亮度因數(shù)。5、表示顏色特征的兩個(gè)量主波長(zhǎng)和顏色純度（1）主波長(zhǎng)和補(bǔ)色波長(zhǎng)顏色的主波長(zhǎng)是以一定比例與參考白光相混合匹配出該顏色的光譜色的波長(zhǎng)，常以表示之。顏色的主波長(zhǎng)與色調(diào)大致相對(duì)應(yīng)，在不同明度下色調(diào)相同的顏色有稍有不同的主波長(zhǎng)。顏色的主波長(zhǎng)可從色品圖上求得。在色品圖上找到所考慮顏色的色品點(diǎn)(M)和參考白光，例如E光源的色品點(diǎn)(E)。連接(E)和(M)，并延長(zhǎng)與光譜色色品軌跡相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為顏色(M)的主波長(zhǎng)。由圖可知顏色(M)的主波長(zhǎng)。并不是所有顏色都有主波長(zhǎng)，光譜色色品軌跡的開口兩端點(diǎn)和參考白光色品點(diǎn)(E)所構(gòu)成的三角形內(nèi)各點(diǎn)所表示的顏色都沒有主波長(zhǎng)，因?yàn)閰⒖及坠馍伏c(diǎn)(E)和其中任何一點(diǎn)的連線延長(zhǎng)均不能和光譜色色品軌跡相交，例如圖中的任意點(diǎn)（N）。但是把向反方向延長(zhǎng)，則可和光譜色色品軌跡相交于(P)點(diǎn)。點(diǎn)(P)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)不是顏色(N)的主波長(zhǎng)，而是顏色(N)補(bǔ)色的主波長(zhǎng)，稱之為顏色(N)的補(bǔ)色波長(zhǎng)。為了和主波長(zhǎng)相區(qū)別，補(bǔ)色波長(zhǎng)前加“一”號(hào)，或在波長(zhǎng)后加“C”表示。例如顏色(N)的補(bǔ)色波長(zhǎng)表示為米，或者米C。有主波長(zhǎng)的顏色也可以有補(bǔ)色波長(zhǎng)（2）顏色純度顏色純度表示顏色接近主波長(zhǎng)光譜色的程度。顏色純度有兩種表示方法：刺激純度一種顏色可以被看成是一種光譜色與參考白光以一定比例的混合色，其中光譜色的三刺激值總和與混合色三刺激值總和的比值Pe就能表示顏色接近光譜色的程度，定義Pe為顏色的刺激純度式中，、和為顏色(M) 所包含的主波長(zhǎng)光譜色的三刺激值；X、 Y 和Z為顏色(M) 的三刺激值。假定顏色中所包含的參考白光的三刺激值為X0、Y0、Z0，根據(jù)顏色相加原理，有式中，為顏色(M)所包含的主波長(zhǎng)光譜色三刺激值的總和；為參考白光三刺激值的總和。經(jīng)比例變換，有或者這就是根據(jù)顏色、主波長(zhǎng)光譜色和參考白光色品坐標(biāo)求刺激純度的計(jì)算公式。亮度純度顏色的純度也可用該顏色所包含的光譜色的光亮度與該顏色的總光亮度比值來表示，稱做亮度純度，以表示之。由前面的討論知，顏色的Y 刺激值與顏色的亮度成正比，故有式中，為顏色中光譜色的亮度因數(shù)；Y為該顏色的亮度因數(shù)。前已定義顏色的刺激純度為而, , 故有即則表示了刺激純度pe和亮度純度pc之間的關(guān)系。顏色純度和顏色飽和度大致對(duì)應(yīng)。說大致對(duì)應(yīng)是因?yàn)樵谏穲D不同部位上顏色純度相同時(shí)飽和度可能稍有差異。二、CIE1964補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)前述的1931CIE-RGB標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)和1931CIE-XYZ標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)都是從萊特和吉爾德2視場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算求得的，因此它們只適用小視場(chǎng)（w4）情況下的顏色標(biāo)定。為了適應(yīng)大視場(chǎng)情況下顏色的測(cè)量和標(biāo)定，CIE在1964年公布了CIE 1964補(bǔ)充色度學(xué) 均勻顏色空間及色差公式上一節(jié)的討論表明，需用三個(gè)參數(shù)來表示顏色。表示顏色的三個(gè)參數(shù)構(gòu)成三維空間，稱之為顏色空間。在顏色空間中的任何一點(diǎn)，在通過該點(diǎn)的任一方向上相同的距離表示顏色感覺變化相同，這樣的顏色空間稱之為均勻顏色空間。人們希望有這樣的均勻顏色空間，以便從三個(gè)參數(shù)的變化上直觀地了解到顏色的變化。一、(x, y, Y) 顏色空間是非均勻顏色空間首先, Y 刺激值不是視覺均勻的。明度值V 是通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的視覺均勻亮度標(biāo)度，研究工作表明Y 刺激值和明度值V 是非線性關(guān)系，可見， Y 刺激值不是視覺均勻的。其次，CIE1931色品圖也不是均勻的顏色平面。實(shí)驗(yàn)證明在色品圖上的不同部位，顏色感覺開始變化時(shí)的色品坐標(biāo)變化是不相同的。顏色開始變化時(shí)色品圖上對(duì)應(yīng)的距離變化量稱之為顏色寬容量。結(jié)果表明，在色品圖不同部位的顏色寬容量不同；即使在同一色品點(diǎn)，不同方向上的顏色寬容量也不相同，圖上的小橢圓表明了這一點(diǎn)。上述情況表明，(x, y, Y) 顏色空間不是均勻顏色空間，不能用空間中的相等距離表示相同的顏色感覺變化。二、均勻顏色空間及相應(yīng)的色差公式西爾伯斯坦(LSilberstein)證明, 均勻顏色空間不是歐幾里德空間，均勻色品圖不是平面。但是近似均勻顏色空間是可能建立的，現(xiàn)將其簡(jiǎn)單介紹如下：1、CIE 1964均勻顏色空間用明度指數(shù)W*、色度指數(shù)U*和V* 三個(gè)參數(shù)表示顏色。明度指數(shù)W* 定義為色度指數(shù)U* 和V*分別定義為式中，其中，X、Y、Z和X0、Y0、Z0分別為顏色和所用標(biāo)準(zhǔn)照明體的三刺激值。均勻顏色空間中兩顏色點(diǎn)之間的距離代表兩顏色的色差。顏色1和2在均勻顏色空間的坐標(biāo)分別為W*1、U*1、V*1和W*2、U*2、V*2，兩顏色坐標(biāo)差為，則色差定義為上述各式適用于視場(chǎng)角小于4的情況。對(duì)于10大視場(chǎng)，應(yīng)當(dāng)用替代X、Y、Z來進(jìn)行計(jì)算，式中其它量也應(yīng)加下標(biāo)“10”，以示區(qū)別。此說明也適合下面將要講到的各公式。色差的單位為NBS（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的英文縮寫）。1NBS相當(dāng)于在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下人眼恰可分辨的顏色差的五倍，色差為0.2NBS時(shí)，人眼就能覺察出顏色的不同。2、CIE1976 (L* u* v*) 均勻顏色空間該均勻顏色空間表示顏色的三個(gè)參數(shù)為米制明度L*和米制色度u*和v*。各參數(shù)的定義式為式中其中， X、Y、Z 為所考慮顏色的三刺激值；X0、Y0、Z0是完全漫反射體的三刺激值，并規(guī)定Y0=100。在該系統(tǒng)中，兩種顏色的色差按下式計(jì)算 式中，3、CIE1976(L* a* b*)均勻顏色空間該系統(tǒng)表示顏色的三個(gè)參數(shù)為米制明度L* 和另一種米制色度a*和b*。三個(gè)參數(shù)的定義式如下式中, X、Y、Z和X0、Y0、Z0的意義相同。該系統(tǒng)的色差計(jì)算按下式進(jìn)行式中，在本系統(tǒng)中，米制明度L*表示顏色明亮的程度;a* 表示紅色在顏色中占有的成分，-a*表示紅色的補(bǔ)色在顏色中占有的成分；b*代表顏色中黃色的成分，-b* 表示顏色中黃色的補(bǔ)色所占有的成分。圖525表示了CIE1976 (L* a* b*) 均勻顏色空間。C*=(a*)2+(b*)21/2 稱作顏色的彩度，它可表示顏色的飽和度；H=arc tg(b*/a*) 稱作顏色的色調(diào)角，其值與顏色的色調(diào)有關(guān)光線的光路計(jì)算及像差理論在幾何光學(xué)中，我們知道一個(gè)物