第八章 均匀颜色空间及应用

主要内容 颜色空间的均匀性 均匀颜色空间 CIE 1976 L*a*b*均匀颜色空间 CIE 1976 L*u*v*均匀颜色空间 色差及色差公式 光源的色温 光源的显色性

8.1 颜色空间的均匀性 人眼对光谱颜色的差别感受性

人眼对颜色的恰可分辨范围

麦克亚当椭圆

8.2 均匀颜色空间 CIE 1960 UCS CIE 1964 UVW CIE1976L*a*b* CIE1976L*u*v*

CIE 1960 UCS 1960年，CIE根据麦克亚当的工作制定了CIE 1960均匀色度标尺图（CIE 1960 Uniform Chromaticity-Scale Diagram）简称CIE 1960 UCS图。 该颜色空间和CIE 1931 XYZ系统相比据有较好的均匀性，能够正确地反映颜色的视觉效果，便于调整和预测人眼看到的颜色的变化； 该系统对色彩的判别是以色度学颜色匹配理论为基础，与颜色出现在什么介质无关，因而具有等效性； 在由X、Y、Z向CIE 1960 UCS系统转换时保持了原来的亮度因数Y不变，使得颜色的亮度信号与色度信号分开调节，互不影响； 转换方法简单、方便。

CIE 1960 UCS

CIE 1964UVW

8.4 CIE1976L*u*v*均匀颜色空间 (1) 空间模型 CIELAB 空间由CIEXYZ系统通过数学方法转换得到：

式中： X Y Z为颜色样品的三刺激值 X0 Y0 Z0为CIE标准照明体的三刺激值 L*称为心理计量明度 锥体细胞的黑－白反映 a* 心理计量色度 锥体细胞的红－绿反映 b* 心理计量色度 锥体细胞的黄－蓝反映

实际计算时

由X、Y、Z变换为Ｌ*、a*、b*时包含有立方根的函数变换，经过这种非线形变换后，原来的马蹄形光谱轨迹不复保持。转换后的空间用笛卡儿直角坐标体系来表示，形成了对立色坐标表述的心理颜色空间，如图所示。在这一坐标系统中，+a 表示红色，-a 表示绿色，+b 表示黄色，-b 表示蓝色，颜色的明度由L 的百分数来表示。

优点 优点：当颜色的色差大于视觉的识别阈限（恰可观察）而又小于孟塞尔系统相邻两级的色差时，能较好地反映物体色的心理感受!

红 绿 黄 蓝 黄绿 橙 紫 蓝绿 黑 白 +a* -a* -b* +b* L*=100 L*=0 灰

心理明度 心理彩度 心理色相角

(2) 色差 色差是指用数值的方法表示两种颜色给人色彩感觉上的差别。若两个色样样品都按L*、a*、b* 标定颜色，则两者之间的总色差△E*ab以及各项单项色差可用下列公式计算：

明度差： 色度差： 总色差：

彩度差： 色相角差： 色相差：

计算举例 在2°标准观察者和C光源的照明条件下，测得用黄色油墨印制的三个样品的色度坐标为： No1： Y1=71.79， x1=0.4210， y1=0.4788 No2： Y2=70.67， x2=0.4321， y2=0.4889 C光源：Y0=100， x0=0.3101， y0=0.3162 求两个颜色之间的色差

首先求各样品色的三刺激值 由此得到： 　　No1: Y1=71.79, X1=63.13, Z1=15.02 　　No2: Y2=70.60, X2=62.46, Z2=11.43 　　 C光源：Y0=100, X0=98.07, Z0=118.22

把这些数值代入式

求得：

假定以样品色No. 1为标准，则可计算出它们的色差值为： △L. △a. △b. △E. ab No. 2-No. 1 -0. 6638 1 `

(3) 色差单位的提出和意义 1939年，美国国家标准局采纳了贾德等的建议而推行Y1/2、a、b色差计算公式，并按此公式计算颜色差别的大小，以绝对值1作为一个单位，称为“NBS色差单位”。一个NBS单位大约相当于视觉色差识别阈值的5倍。如果与孟塞尔系统中相邻两级的色差值比较，则1NBS单位约等于0.1孟塞尔明度值，0.15孟塞尔彩度值，2.5 孟塞尔色相值（彩度为1）；孟塞尔系统相邻两个色彩的差别约为10NBS单位。NBS的色差单位与人的色彩感觉差别用下表来描述，说明NBS单位在工业应用上是有价值的。

NBS单位与颜色差别感觉程度 NBS单位色差值 感 觉 色 差 程 度 0.0～0.50 （微小色差）感觉极微（trave） 0.5～1.51 （小色差）感觉轻微（slight） 1.5～3 （较小色差）感觉明显 （noticeable） 3～6 （较大色差）感觉很明显（appreciable） 6以上 （大色差）感觉强烈（much）

8.4 CIE1976L*u*v*均匀颜色空间 CIE 1976 L*u*v* 均匀颜色空间实际上是由CIE 1931和CIE 1964均匀颜色空间发展而来的。主要是用数学方法对Y值作非线性转换，使其与代表视觉等间距的孟塞尔系统靠拢。

（1） 1964 均匀颜色空间 式中： u、v－－颜色样品的色度坐标； u0、v0－－颜色样品的色度坐标；

（2） CIELUV色空间 明度指数 色度指数

样品色度坐标 光源色度坐标

色度图

色差 明度差： 色度差： 总色差：

彩度差： 色相角差： 色相差：

（3） CIE LAB 和CIE LUV的比较 两者都是在视觉上近似均匀的颜色空间 两者在的视觉上的均匀程度基本相同 莫莱用555对颜色求各个颜色空间的色差值与目测结果的关系， L*a*b*为0.72， L*u*v*为0.71； 用孟塞尔卡中恒定色相轨迹和恒定彩度轨迹在a*b*图和u*v*图的改善程度也很接近，只是 a*b*图略优于u*v*图。 根据工业部门的习惯选择应用的颜色空间 CIE 1976 L*a*b*多用于表面色工业，如印刷、纺织等 CIE 1976 L*u*v*多用于光源色、彩色电视机等工业部门

8.5 色差及色差公式 1976年以前 1976至2001间 2001年以后 基于麦克亚当椭圆的，如ANLAB、CIELAB 适合孟塞尔数据的，无 从CIE色度学系统线性转化过来的，CIELUV 1976至2001间 CMC CIE94 CIEDE2000 2001年以后

趋势1 几乎所有的努力都用在对CIELAB的改进上，成立了CIE TC1-55在颜色视觉理论基础上来推荐一个新的均匀颜色空间。在色貌模型（比如CIECAM02）基础上的均匀颜色空间也许是个比较理想的解决方法。

趋势2 所有的色差公式都只能在CIE规定的参考观察条件下使用，收集一些新的数据来研究观察参数的变化（比如照明、彩色背景、媒介、物理尺寸、色差大小、分离、织物、照度水平）带来的视觉效果是非常有价值的。随后，能够考虑到不同观察条件的色差公式就会被研究出来。

趋势3 几乎所有的色差公式都是被研究仅仅用来预测一对大的单色物体或色块的色差。越来越多的应用要求要预测一对图像间的色差。当前的色差公式不能够评价图像空间的变化。这要开发一个色差公式来满足从要求。

表1 色差公式发展历程表

表1 色差公式发展历程表

CIELAB的不足之处 ＝ L=90 L=27 a=4 a=67 b=1 b=-107 L=92 L=29 a=6 a=69 b=-109

ab平面中的麦克亚当椭圆

CIELAB的宽容量椭圆

8.5.1 CMC(l:c)色差公式 1984年英国染色家协会（SDC）的颜色测量委员会（CMC ） 推荐使用； 1988年被采纳为英国国家标准（BS6823）； 在1989年被美国染色化学家协会(AATCC)采用形成AATCC试验方法173～1989年,1992年又进行了修订； 1995年成为国际标准(ISO 105 J03 “Calculation of small color difference”)； GB/T 8424.3-2001, 纺织品色牢度试验 色差计算 GB/T 3810.16-2006, 陶瓷砖实验方法 第十六部分：小色差的测定

SL 式中： SL=0.040975L*/(1+0.01765×L*) 当L*<16时，SL =0.511

SC SC =0.0638C*/（1+0.0131×C*）+0.638 c=1:100; sc=0.0638.*c./(1+0.0131.*c)+0.638; plot(c,sc); xlabel('C*'); ylabel('SC');

SH 当

C*=50时，SH和h的关系 SH h

克服JPC79在深色及中性色范围计算结果与目测结果偏差较大的现象。并进一步引入了调整参数l和c,以适应不同目的需求。 在纺织中，l通常设为2，就是CMC(2:1)公式。印刷行业有人推荐1.4:1。

CMC宽容量椭圆

在纺织中，l通常设为2，就是CMC(2:1)公式。印刷行业有人推荐1.4:1。

计算程序 CMC色差公式的Matlab计算程序详见： http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b892b790100093l.html

＝ > 3.56 L=90 a=4 b=1 L=92 a=6 b=3 L=27 a=67 b=-107 L=29 a=69 2.79

8.5.2 CIE94色差公式 1989年，CIE TC1-29（工业色差评估），主要任务是考察目前在工业中使用的在日光照明下进行物体色色差评价的标准。 1995年CIE技术报告。

CIE94公式引入一个新的项（⊿V），即色差的视觉量化值: KE并不是作为商业色差测量来用，而是一个总的视觉因数（视觉灵敏度系数），在工业评定的条件下，设为1个单位，即⊿V＝⊿E*94。

适合于工业色差的评价的参考条件： ①同类样本； ②样本间的色差⊿E*ab<5； ③样本并列放置； ④颜色的评价人员的视觉正常，样本形成的视场大于4°； ⑤照度为1000 lx，背景为L*=50的灰，照明光源采用D65。

当一对颜色中的标准色和样本色明显不同时，则C*ab,X = C*ab,S

在逻辑上如果没有样本作为标准色时，C*ab,X可以用两个颜色的CIELAB的彩度的几何平均值表示: C*ab,X ＝（C*ab,A ×C*ab,B）1/2

优点：探讨了色差距离的均匀性和参量对知觉色差的影响，应用加权函数校正CIE LAB空间的均匀性，与此同时定义一组基本条件，在基本条件下应用时无需对参量效应校正。

计算程序 CIE94色差公式的Matlab计算程序详见： http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b892b790100093n.html

＝ > 3.07 L=90 a=4 b=1 L=92 a=6 b=3 L=27 a=67 b=-107 L=29 a=69 2.05

8.5.3 CIEDE2000色差公式 CIEDE2000色差公式的完整表述形式

明度、彩度、色调

明度、彩度、色调差 明度差： 彩度差： 色调差： 色相角差：

权重函数SL、SC、SH

旋转函数RT

计算色差的标准观测条件(kL=kC=kH=1) 照明光源 模拟CIE标准照明体D65相对光谱功率分布的光源 照度 1000 lx 观察者 正常色觉观察者 背景 具有中等明度(L=50)的均匀灰色 样品模式 物体色 色样大小 >4°视场 色样间隔 两个样品边缘直接接触，间距尽量小 色差幅度 0～5个CIELAB色差单位 色样表面结构 颜色均匀，无可见花纹或不均匀性

计算程序 CIEDE2000色差公式的Matlab计算程序详见： http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b892b790100093o.html

＝ > > > L=90 a=4 b=1 L=92 a=6 b=3 L=27 a=67 b=-107 L=29 a=69

8.6 光源的色温 8.6.1 黑体 绝对黑体：如果一个物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射，那么这个物体称为绝对黑体。天然的、理想的绝对黑体是不存在的。

黑体 黑体辐射的发射本领只与温度有关。严格地说，一个黑体若被加热，其表面按单位面积辐射光谱能量的大小及其分布完全决定于它的温度。因此我们把任一光源发出的光的颜色与黑体加热到一定温度下发出的光的颜色相比较，来描述光源的光色。

黑体 当黑体连续加热，温度不断升高时，其相对光谱能量分布的峰值部位将向短波方向变化，所发的光带有一定的颜色，其变化顺序是红-黄-白-蓝。

黑体在不同温度下可见光谱范围的相对功率分布曲线

黑体不同温度的色度轨迹

8.6.2 光源的色温 (1) 定义 色温：当某一种光源的色度与某一温度下的绝对黑体的色度相同时绝对黑体的温度。 相关色温（correlated color temperature ）：当某一光源的色度与某一温度下的完全辐射体（黑体）的色度最接近，或在均匀色度图上的色差距离最小时的完全辐射体（黑体）的温度。 色温用绝对温度“K”表示（ T(K)=t(oC)+273 ）

色温是光源的重要指标，一定的色光具有一定的相对能量分布

常见光源色温 常见光源色温 光源 色温（K） 晴天室外光 13000 全阴天室外光 6500 白天直射日光 5550 45°斜射日光 4800 昼光色、荧光灯 氙灯 5600 炭精灯 5500～6500

(2) 色温的应用 根据光色的舒适感选择色温 根据人的生理和心理需求合理运用色温 根据不同的被照场所使用色温 印刷行业对光源色温的要求

根据光色的舒适感选择色温 很低的照度下采用接近火焰的低色温的光源；在中等照度下采用色温接近黎明和黄昏的色温略高的光色较适宜; 而在高的照度下则是采用接近中午阳光或偏蓝的去消天空光色较舒适 照度水平与色光舒适感的程度

人们对自然光的适应不仅是色温感觉问题, 并且在光谱的分布上也要求人工光与自然光接近或基本相同, 其光谱分布只有一峰值较好, 若是两个峰值且不连续则易引起人们的视觉疲劳。光谱成分单一的光源, 光色质量较差，照明效果不好。 同一类光源光谱能量分布较宽的光源照明质量相对分布较窄的效果要好, 舒适度高。

根据人的生理和心理需求合理运用色温 红色使人兴奋, 蓝色使人沉静；波长较长的红黄光使人有近感, 波长较短的蓝青光使人有远感；重量大小相同的物体深暗色看起来重而小, 明亮色看起来轻而大。在心理方面红系统光可以增加食欲, 蓝系统光则会使食欲减退。彩色度高的比彩色度低的光更能使人产生激情。低色温光给人以温暖的感觉(称暖色光), 高色温光给人以冷的感觉(称冷色光),所以当需要一种热烈激昂的气氛时可用低色温的暖色光源, 当需要冷静沉稳的气氛时可用高色温的冷色光源。在温度较高的热带地区, 宜用高色温光源增加凉爽的舒适感, 在寒冷地区宜使用低色温光源, 给人以温暖祥和的感觉。

根据不同的被照场所使用色温 在餐厅选用以红黄为主的光色, 可以给人一种灯火辉煌的感觉,使人兴奋食欲增强. 而在紧张繁忙的车间则较适宜采用高色温的冷色光源, 可缓解人们的紧张情绪. 在医院病人的情绪多是焦虑不安, 选用色温高的冷色光源可减轻这种感觉, 多些平静感. 在卧室或宾馆客房采用茶色或橙色光源, 会使人具有休闲、安逸和温馨的感觉. 在商店为了吸引顾客要设法使商品突出,通常的做法是使商品和衬托背景具有强烈的对比效应, 达到醒目的效果再加上适当的彩色投光装饰, 效果会更佳.

印刷行业对光源色温的要求 彩色胶片分日光型片和灯光型片 原稿的拍摄： 日光型片－－室外日光下拍摄，要求色温5400～5600K，如果色温低或在室内拍摄，会使照片偏黄。 灯光型片－－室内拍摄，要求色温2800～3200K，如果色温高或在室内拍摄，会使照片偏蓝。

制版光源对色温的要求 色温在5500K～6500K的光源的光谱能量分布符合制版分色的要求。色温过高或过低都会影响制版的质量。

8.7 光源的显色性

例如，在日光下观察一副画，然后拿到高压汞灯下观察，就会发现，某些颜色已变了色。如粉色变成了紫色，蓝色变成了蓝紫色。因此，在高压汞灯下，物体失去了"真实"颜色，如果在黄色光的低压钠灯底下来观察，则蓝色会变成黑色，颜色失真更厉害，显色指数更低。光源的显色性是由光源的光谱能量分布决定的。日光、白炽灯具有连续光谱，连续光谱的光源均有较好的显色性。

定义 光源的显色性：以日光作标准, 将白炽灯等人工光源与其比较, 显示同色差异的能力。 定量评价指标：一般显色性指数≤100 ，显色性指数的高低，就表示物体在待测光源下"变色"和"失真"的程度。 我国国家标准"光源显色性评价方法GB/T 5702-2003"中规定用普朗克辐射体（色温低于5000K）和组合日光（色温高于5000K）做参照光源。

一般显色性指数 光源的显色性以一般显色性指数Ra值区分： Ra值为100～75 显色优良 　 　 75～50 显色一般 　 　 50以下 显色性差

光源的一般显色指数 光源名称 相关色温(K) 一般显色指数 白炽灯(500瓦) 2900 95~100 碘钨灯(500瓦) 2700 溴钨灯(500瓦) 3400 荧光灯(日光色40瓦) 6600 70~80 外镇高压汞灯(400瓦) 5500 30~40 内镇高压汞灯(450瓦) 4400 镝灯(1000瓦) 4300 85~95 高压钠灯(400瓦) 1900 20~25

假若光源色处于人们所习惯的色温范围内，则显色性应是光源质量的更为重要的指标。这是因为显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。 色温是衡量光源本身光色的指标， 显色性是衡量光源视觉质量的指标。 假若光源色处于人们所习惯的色温范围内，则显色性应是光源质量的更为重要的指标。这是因为显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。 显色性高                   显色性低

光源显色性的应用 根据不同的装饰效果运用显色特性 在实际的夜景装饰、电影、电视、布景及室内装饰等工程中, 可以根据不同的装饰要求选用不同光源例如: 荧光高压汞灯表面看上去它发出的光亮而白, 说明其色表好, 但它照在人的脸上却发青很难看, 说明它显色性差。 因为它的光谱成分中青绿具多, 所以若将其用于草坪装饰, 会使草坪看上去更加郁郁葱葱, 生机昂然, 具有甚佳的效果. 根据被照场所对显色指标要求运用显色特性

根据不同的装饰效果运用显色特性 再如低压钠灯表面光色为橙黄色, 但由于它的光谱成分中是单色黄, 所以照在人和物体上都会变色, 很难看说明其显色性差, 但若将这种显色特性用于特殊的灯光制景, 会达到满意的效果. 根据被照场所对显色指标要求运用显色特性

根据不同的装饰效果运用显色特性 根据被照场所对显色指标要求运用显色特性 显色指数Ra 如前所述指光源照在物体上显色是否接近自然光的一相对指数。在一些被照场所如印刷、摄影、印染、展厅等场所要求将物体的颜色真实地显现出来。所以选显色系数较高的光源, 可将物体的原色真实的反应出来, 以达到良好的照明效果。

作业 教材P130：1～8