多媒体技术基础(第3版) 第5章 颜色的度量体系

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1 多媒体技术基础(第3版) 第5章 颜色的度量体系
张奇 复旦大学 计算机科学技术学院 2010年4月

2 第5章 颜色的度量体系目录 5.1 颜色科学简史 5.2 描述颜色的几个术语 5.3 颜色的度量体系概要 5.4 Munsell颜色系统
5.2.1 什么是颜色 5.2.2 色调 5.2.3 饱和度 5.2.4 亮度 5.2.5 颜色空间 5.3 颜色的度量体系概要 5.4 Munsell颜色系统 5.5 Ostwald颜色系统 5.6 CIE颜色系统 5.6.1 颜色科学史上的两次重要会议 5.6.2 CIE 1931 RGB 5.6.3 CIE 1931 XYZ 5.6.4 CIE 1931 xyY 5.6.5 CIE 1960 YUV和CIE YU'V' 5.6.6 CIE 1976 LUV 5.6.7 CIE 1976 LAB 5.6.8 CIELUV LCh和CIELAB LCh 第5章 颜色的度量体系

3 5.1 颜色科学简史 Isaac Newton(1642-1727)的色园 图5-1 牛顿色圆
1666年开始研究颜色，把红色和紫色首尾相接形成色圆/色轮(color circle /wheel)。也称牛顿色圆(Newton color circle)，见图5-1 度量颜色的一种方法，圆周表示色调，圆的半径表示饱和度 为揭示红(R)、绿(G)和蓝(B)相加混色奠定了基础，其互补色是C，M，Y 牛顿还揭示了一个重要的事实：白光包含所有可见光谱的波长，并用棱镜演示了这个事实 图5-1 牛顿色圆 第5章 颜色的度量体系

4 5.1 颜色科学简史(续1) Thomas Young (1773–1829)的假设
在1802年，认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收器 Maxwell、James Clerk (1831–1879) 的色度学 19世纪60年代，探索了三种基色的关系 认为三种基色相加产生的色调不能覆盖整个感知色调的色域，而使用相减混色产生的色调却可以 认为彩色表面的色调和饱和度对眼睛的敏感度比明度低 Maxwell的工作被认为是现代色度学的基础 Hermann von Helmholtz ( )的理论 认为Young的看法非常重要，使用三种基色相加可产生范围很宽的颜色 把这个想法用于定量研究，因此有时把他们的想法称为Young-Helmholtz理论。 第5章 颜色的度量体系

5 5.1 颜色科学简史(续2) 物理科学实验 国际照明委员会(CIE)的贡献 生理学实验 20世纪20年代对科学家们提出的理论进行了实验，表明
红、绿和蓝相加混色的确能产生某个色域里的所有可见颜色，但不能产生所有的光谱色(单一波长的颜色)，尤其是在绿色范围里 如果加入一定量的红光，所有颜色都可呈现，并用三色激励值(tristimulus values)表示R，G，B基色，但必须允许红色激励值为负值(即用补色) 国际照明委员会(CIE)的贡献 1931年定义了标准颜色体系，规定所有的激励值应该为正值，并用x和y两个坐标表示所有可见的颜色 绘制的CIE色度图(CIE chromaticity diagram) 是用xy平面表示的马蹄形曲线，为大多数定量的颜色度量方法奠定了基础 生理学实验 眼睛的不同锥体对颜色吸收性能的猜想直到1965年前后才做详细的生理学实验进行验证，结果表明，在眼睛中的确存在三种不同类型的锥体， Thomas Young的假设是正确的 第5章 颜色的度量体系

6 5.2 描述颜色的几个术语 颜色是什么 颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的波长决定
视觉系统能感觉的波长范围为380～780 nm，感知到的颜色和波长之间的对应关系如图5-2所示 纯颜色通常用光的波长定义，称为光谱色(spectral colors) 用不同波长的光进行组合时可产生相同的颜色感觉 很难同时看见所有的波长(纯白光)，也难看见单一波长。我们的颜色世界比这要复杂得 多 第5章 颜色的度量体系

7 5.2 描述颜色的几个术语(续1) 图5-2 光谱色 第5章 颜色的度量体系

8 5.2 描述颜色的几个术语(续2) 光的反射、透射和发射是讲物体的颜色时用的专业术语。 不同的物体表面呈现出不同的颜色
对不同的光波的反射和透射率不同。 离开物体后波长的表现形式是物体的 光谱数据，通常 我们称之为颜色的“指纹”。 第5章 颜色的度量体系

9 5.2 描述颜色的几个术语(续3) 光谱数据 光谱数据可以绘制成光谱曲线，从而提供可见的颜色指纹。 第5章 颜色的度量体系

10 5.2 描述颜色的几个术语(续4) 人的视觉是眼睛对光的传感器网络。 我们的大脑也能测量不同的颜色并将我们看到的每个颜色绘成曲线吗？
这些传感器对不同的波长的响应信号传给大脑，在大脑中，这 些信号被加工成可感知的颜色。我们的记忆系统能识别不同的颜色，然后把它们与某一名称的 颜色相联系。 我们的大脑也能测量不同的颜色并将我们看到的每个颜色绘成曲线吗？ 人的视觉系统使用非常有效的 方法“大量处理”波长，将可见光谱分成最主要的红、绿、蓝 成分，然后以它们来计算颜色信息。 区分颜色的三个特性 色调(hue) 饱和度(saturation) 明度(brightness) 第5章 颜色的度量体系

11 5.2 描述颜色的几个术语(续5) 色调(hue) 视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，即对可见物体辐射或发射的光波波长的感觉
色调是最容易把颜色区分开的属性 色调用红(red )、橙(orange)、黄(yellow)、绿(green)、青(cyan)、蓝(blue)、靛(indigo)、紫(violet) 等术语来刻画 用于描述感知色调的术语是色彩(colorfulness)，如浅蓝或深蓝的感觉。黑、灰、白为无色彩 色调在颜色圆上用圆周表示 圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度，但它们的色调不同，见图5-3 色调数目多于1000万种 普通人可区分200种、50种饱和度和500级灰度 颜色专业人士可辨认的色调数大约300～400种 第5章 颜色的度量体系

12 5.2 描述颜色的几个术语(续6) 图5-3 色调表示法 第5章 颜色的度量体系

13 5.2 描述颜色的几个术语(续7) 饱和度(saturation) 颜色的纯洁性 半径表示法 可用来区别颜色明暗的程度
当一种颜色掺入其他光成分越多时，就说该颜色越不饱和 完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色 单一波长的光谱色是完全饱和的颜色 半径表示法 见图5-4(a)，沿径向方向上的颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同 图5-4(b)所示的七种颜色具有相同的色调和明度，但具有不同的饱和度，左边的饱和度最浅，右边的饱和度最深 (a) 半径表示法 (b) 示例 图5-4 饱和度表示法 第5章 颜色的度量体系

14 5.2 描述颜色的几个术语(续8) 5.2.4 明度、亮度和光亮度 中英文术语的差别 在许多中文书籍和英汉词典工具书中 在本教材中，
brightness ——亮度 lightness ——亮度 luminance ——亮度 在本教材中， brightness——明度 luminance——亮度 lightness——光亮度 第5章 颜色的度量体系

15 5.2 描述颜色的几个术语(续9) 明度(brightness) 视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性
例如。一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比在白炽光下亮 有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率 感知的明度与反射率不成正比，认为是一种对数关系 明度的主观感觉值目前无法用物理设备测量 可用亮度(luminance)即辐射的能量来度量 用一个数值范围表示，例如，0～10 第5章 颜色的度量体系

16 5.2 描述颜色的几个术语(续10) 明度常用垂直轴表示，见图5-5(a) 在图5-5(b)中，七种颜色具有 相同色调和饱和度 不同的明度
一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色 明度常用垂直轴表示，见图5-5(a) 在图5-5(b)中，七种颜色具有 相同色调和饱和度 不同的明度 底部的明度最小 顶部的明度最大 (a) 垂直轴表示法 (b) 示例 图5-5 明度表示法 第5章 颜色的度量体系

17 5.2 描述颜色的几个术语(续11) 亮度(luminance) 国际照明委员会定义的物理量 辐射功率
用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率(radiant power)，并在555 nm处达到了峰值，它的幅度与物理功率成正比 可认为“亮度就像光的强度(intensity) ” 在CIE XYZ系统中，亮度用Y表示，其含义是单位面积上反射或发射的光的强度 明度和亮度的关系不是线性关系，也不是同义词 严格地说，亮度应该使用像烛光/平方米(cd/m2)这样的单位来度量，但实际上是用指定的亮度即白光作参考，并把它标称化为1或者100个单位。例如，监视器用亮度为80 cd/m2的白光作参考，并指定Y=1。 第5章 颜色的度量体系

18 5.2 描述颜色的几个术语(续12) 光亮度(lightness)
根据国际照明委员会的定义，光亮度是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，并用L*表示为 其中， Y是CIE XYZ系统中定义的辐射亮度，Yn是参考白色光的辐射亮度 光亮度也常作为颜色空间的一个维 第5章 颜色的度量体系

19 5.2 描述颜色的几个术语(续13) 颜色空间 表示颜色的一种数学方法 通常用三维模型表示 对人，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色
对显示设备，用红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜色 对打印或印刷设备，使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色 通常用三维模型表示 常用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描述颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉人们是什么颜色，其颜色要取决于使用的坐标 第5章 颜色的度量体系

20 5.2 描述颜色的几个术语(续14) 例：图5-6表示用色调、饱和度和明度构造的HSB(hue, saturation，and brightness)颜色空间 色调用角度标定，红色标为0°,青色标为180° 饱和度的深浅用半径大小表示 明度用垂直轴表示 图5-6 色调-饱和度-明度颜色空间 第5章 颜色的度量体系

21 5.2 描述颜色的几个术语(续15) 颜色空间有设备相关和设备无关之分 “颜色空间”与“颜色模型”
设备相关：指定生成的颜色与生成颜色的设备有关 例如，RGB颜色空间是与显示系统相关的颜色空间，计算机显示器使用RGB来显示颜色，用像素值(例如，R＝250,G＝123,B＝23)生成的颜色将随显示器的亮度和对比度的改变而改变 设备无关：指定生成的颜色与生成颜色的设备无关 例如，CIE L*a*b*颜色空间是设备无关的颜色空间，它建筑在HSV(hue, saturation and value)颜色空间的基础上，用该空间指定的颜色无论在什么设备上生成的颜色都相同。 “颜色空间”与“颜色模型” “颜色空间(color space)”和“颜色模型(color model)”互为同义词 第5章 颜色的度量体系

22 5.3 颜色的度量体系概要 颜色系统(color system) 定义：组织和表示颜色的方法，也称颜色度量体系、颜色制或颜色体制
方法：组织和表示颜色的主要方法 颜色模型(color model)：用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义 例子：RGB, HSB, CMY, CIE XYZ, CIELAB，CMYK和颜色的光谱描述方法 编目系统(cataloging system)：给每一种颜色分配一个唯一的名称或一个号码 例1，Munsell颜色系统(Munsell Color System) 第5章 颜色的度量体系

23 5.3 颜色的度量体系概要(续1) 准确性 概要见图5-7
例2，Pantone颜色系统也称Pantone颜色匹配系统(Pantone Matching System ，PMS) ，在图形艺术和印刷技术中使用的一种颜色匹配系统，包含有500多种印墨颜色，每种颜色都指定了一个号码 准确性 人们对物体产生某种光的感觉，一方面取决于电磁辐射对眼睛的物理刺激，另一方面取决于眼睛的视觉特性 对颜色的标定最终要符合人眼的视觉特性，因此，计算颜色的一些基本数据都是来自许多观察者的颜色视觉实验结果 概要见图5-7 第5章 颜色的度量体系

24 5.3 颜色的度量体系概要(续2) 图5-7 颜色的度量方法[1] 第5章 颜色的度量体系

25 5.4 Munsell颜色系统 Albert H. Munsell Munsell颜色系统 1858-1919，美国杰出的艺术家和教授
发表的著名论文 1905年：Color Notation (颜色表示法) 1915年：Atlas of the Munsell Color System (Munsell颜色制图谱) 开发了第一个广泛被接受的颜色次序制(color order system)，称为Munsell color-order system或Munsell color system[2]，对颜色作了精确的描述并用在他的教学中 Munsell颜色次序制是其他颜色系统的基础 Munsell颜色系统 精确指定颜色和显示各种颜色之间关系的一种方法 每种颜色都有色调(hue)、明度值(value)和色度(chroma)三种属性 建立了这三种属性与视觉感知特性相一致的数值范围，用Munsell颜色簿(Munsell Book of Color)显示在这些数值范围内的一套色块，每个色块用数值表示 可用这套色块确定任何表面的颜色属于什么色 第5章 颜色的度量体系

26 5.4 Munsell颜色系统(续1) 1905年提出并在1943年修改的Munsell颜色系统使用色调、明度和饱和度表示颜色的三种属性,见图5-8(a) 色调被分成红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)，这五种色叫做主色调(principal hues)，如图5-8(b)所示 在主色调之间插入红－黄、黄－绿、绿－蓝、蓝－紫，紫－红5种色调，连同5个主色调共10个色调，分别用R(Red)，YR(Yellow-Red)，Y(Yellow)，GY(Green-Yellow)，G(Green)，BG(Blue-Green)，B(Blue)，PB(Purple-Blue)，P(Purple)和RP(Red-Purple)表示，并且把它们放在等间隔的扇区上 度量颜色明暗的明度值(value)从白到黑被分成11个等级 度量颜色的饱和度或纯度的色度(Chroma)被分成15等级 Munsell制中的颜色用三个符号表示，写成HVC(Hue，Value，Chroma)。例如，明亮的红色应该是5R 4/14，其中5R是色调，4是明度值，而14是色度 第5章 颜色的度量体系

27 5.4 Munsell颜色系统(续2) (b) 色调 (a) 颜色属性 图5-8 Munsell颜色系统 第5章 颜色的度量体系

28 5.4 Munsell颜色系统(续3) Munsell系统引起普遍重视的原因主要是：
更清楚地把明度(指Munsell value)从色调和饱和度(指Munsell chroma)中区分开来。这样就可用二维空间表示颜色，如色圆 统一了对颜色的认识，使颜色样本之间的距离与感知的颜色差异相一致 为颜色交流语言提供了一个清晰而不含糊的表示法。在Munsell颜色系统中，每一种颜色都有一个指定的位置 这个系统仍被广泛使用 第5章 颜色的度量体系

29 5.5 Ostwald颜色系统 Wilhelm Ostwald Ostwald颜色系统 1853-1932，德国化学家 发表的著名论文
在1916年出版了The Colour Primer(颜色入门) 1918年出版了The Harmony of Colours(颜色的融合) Ostwald颜色系统 根据对颜色起决定作用的波长、纯度和亮度来映射色调、饱和度和明度的值 假设色调由8种主色调组成 黄色(yellow)，橙色(orange)，红色(red)，紫色(purple)，蓝色(blue)，青绿色(turquoise)，海绿色(seagreen)和叶绿色(leafgreen) 每一种再细分成3种，共24种，安排在图5-9所示的色圆上 使用垂直轴表示亮度，从黑色、灰色到白色 第5章 颜色的度量体系

30 5.5 Ostwald颜色系统(续1) (a) 色调 (b) 盘色度计 图5-9 Ostwald色圆和颜色表示法 第5章 颜色的度量体系

31 5.5 Ostwald颜色系统(续2) 使用盘色度计(disc colorimeter)产生颜色，见图5-9(b)
Ostwald颜色空间中的点用C(full color)，W(white)和B(black)分别表示全色、白色和黑色，表示它们在一个圆上所占的百分比。例如，某一点的数值是30, 25, 45，它所表示的含义是全色占30%、白色占25%和黑色占45%。 Ostwald制保留了几十年，后被American Munsell和Swedish Natural Colour 制淘汰 原因: Ostwald制选择的颜色在排列上不能满足饱和度比较高的染料市场的需要。 第5章 颜色的度量体系

32 5.6 CIE颜色系统 物理三基色模型 理论三基色模型
RGB模型采用物理三基色，其物理意义很清楚，但它是一种设备相关的颜色模型。每一种设备(包括人眼和现在使用的扫描仪、监视器和打印机等)使用RGB模型时都有不太相同的定义，尽管各自都工作得很圆满，而且很直观，但不能通用 理论三基色模型 为了解决这个问题，国际照明委员会的颜色科学家们企图在RGB模型基础上，用数学的方法从真实的基色推导出理论的三基色，创建一个新的颜色系统，使颜料、染料和印刷等工业能够明确指定产品的颜色 第5章 颜色的度量体系

33 5.6.1 颜色科学史上的两次重要会议 1931年国际照明委员会召开的会议，定义了
标准观察者(Standard Observer)标准：普通人眼对颜色的响应。该标准采用想象的X, Y和Z三种基色，用颜色匹配函数(color-matching function)表示。颜色匹配实验使用2°的视野(field of view)。 标准光源(standard Illuminants)：用于比较颜色的光源规范。 CIE XYZ基色系统：与RGB相关的想象的基色系统，但更适用于颜色的计算。 CIE xyY颜色空间：一个由XYZ导出的颜色空间，它把与颜色属性相关的x和y从与明度属性相关的亮度Y中分离开。 CIE色度图(CIE chromaticity diagram)：容易看到颜色之间关系的一种图 第5章 颜色的度量体系

34 5.6.1 颜色科学史上的两次重要会议(续) 1976年国际照明委员会召开的会议 明确了1931的CIE系统规范存在的两个问题：
用明度和色度不容易解释物理刺激和颜色感知之间的关系 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，称为感知均匀性(perceptual uniformity)问题，即颜色之间在数字上的差别与视觉感知不一致 解决颜色空间的感知一致性问题 专家们对CIE 1931 XYZ系统进行了非线性变换，定义了两种颜色空间 用于自照明的颜色空间，称为CIELUV 用于非自照明的颜色空间，称为CIE 1976 L*a*b*或CIELAB 这两种颜色空间与颜色的感知比较均匀，并给了人们评估两种颜色近似程度的一种方法，允许使用数字量ΔE表示两种颜色之差 第5章 颜色的度量体系

35 5.6.2 CIE 1931 RGB RGB颜色匹配函数 匹配每种光波波长所需要的三种相加基色的相对量
该术语通常是指标准观察者的颜色匹配函数 颜色是物理量，对物理量可进行计算和度量 产生用红、绿和蓝单光谱基色匹配所有可见颜色的想法，并做了许多实验 1931年国际照明委员会综合了不同实验者的实验结果，得到了RGB颜色匹配函数(color matching functions)，如图5-10所示 图上的横坐标表示光谱波长，纵坐标表示用以匹配光谱各色所需要的 和 ，这些值是以等能量白光为标准的系数，是观察者实验结果的平均值 第5章 颜色的度量体系

36 (RGB Color Matching Curves)
5.6.2 CIE 1931 RGB(续1) 为匹配在438.1 nm和546.1 nm之间的光谱色， 出现负值，表示需要使用补色 国际照明委员会把三种单色光的波长分别定为 红光(R)：700 nm 绿光(G)：546.1 nm 蓝光(B)：435.8 nm 图 CIE RGB颜色匹配曲线 (RGB Color Matching Curves) 第5章 颜色的度量体系

37 5.6.2 CIE 1931 RGB(续2) 标准白光Ew的匹配 通过颜色匹配实验，用红、绿和蓝三基色光匹配成白光时，所需红、绿和蓝基色光的光通量之比为1∶4.5907∶0.0601 为便于计算，按比例规定了三基色光的单位,分别用R、G和B表示为 R=1个红基色光单位=1光瓦 G=1个绿基色光单位=4.5907光瓦 B=1个蓝基色光单位=0.0601光瓦 其中，1光瓦=680流明(lm) 标准白光Ew的颜色可用每个基色单位为1的物理三基色配出 第5章 颜色的度量体系

38 5.6.2 CIE 1931 RGB(续3) 其他颜色的匹配 根据三基色原理，任意一种颜色C可用下式匹配
例： 该式表示的颜色为偏绿色 第5章 颜色的度量体系

39 5.6.3 CIE 1931 XYZ CIE XYZ系统 1931年国际照明委员会定义的颜色空间 设备无关的颜色系统
根据颜色科学家贾德(Judd)的建议 坐标称为CIE刺激值(tristimulus values) 用百分比表示X、Y和Z三种想象的相加基色的量 设备无关的颜色系统 根据视觉特性和用颜色匹配实验结果定义的 规定X、Y和Z基色都用正数去匹配所有的颜色，并用Y值表示人眼对亮度(luminance)的响应 每种颜色都可表示成想象的基色X、Y和Z的混合 与可见的颜色不对应 第5章 颜色的度量体系

40 5.6.3 CIE 1931 XYZ(续1) CIE 1931标准颜色匹配函数 见图5-11
（CIE 1931 Standard Color Matching Functions） 见图5-11 横坐标表示可见光谱的波长，纵坐标表示X、Y和Z基色的相对值 和 是颜色匹配系数 三条曲线表示X、Y和Z三基色刺激值如何组合以产生可见光谱中的所有颜色 例，匹配波长为450 nm的颜色(蓝/紫)需要 0.33单位的X基色 0.04单位的Y基色 1.77单位的Z基色 用标准观察者(Standard Observer)的实验数据 为表示普通人眼的颜色响应而采用的观察者标准,其视野角或称视场角(viewing angle)为2° 第5章 颜色的度量体系

41 5.6.3 CIE 1931 XYZ(续2) 图5-11 CIE 1931标准颜色匹配函数 第5章 颜色的度量体系

42 5.6.3 CIE 1931 XYZ(续3) RGB和XYZ之间的转换关系 和 ——1931 CIE X、Y和Z基色
和 ——1931 CIE R、G和B基色 转换关系为 第5章 颜色的度量体系

43 5.6.3 CIE 1931 XYZ (续4) CIE 1931 XYZ颜色空间 X，Y和Z三基色刺激值概念的理论基础
人的眼睛有红、绿和蓝三种感受器 所有颜色都被认为由三种基色混合而成 从图5-12中可看到： 坐标轴不在实心锥体内，黑色位于坐标原点 曲线边界称为光谱轨迹(spectral locus) 光谱轨迹上的波长是单一的，其数值表示可能达到的最大饱和度 所有可见光都在锥体上 图5-12 CIE 1931 XYZ颜色空间 第5章 颜色的度量体系

44 5.6.3 CIE 1931 XYZ (续5) 配色方程 XYZ中任何一种颜色都可用三种基色单位表示,
其中，C 表示颜色，X，Y和Z为三个基色单位； X，Y和Z 均为正的基色系数；合成的颜色光的色度由X，Y和Z的比值确定 当X=Y=Z时，合成白光Ew， 总的辐射能量＝ 测量光源的光谱和获得X, Y和Z三种基色值的过程是用分光辐射度计(spectroradiometer)自动完成的 第5章 颜色的度量体系

45 5.6.4 CIE 1931 xyY 从XYZ到xyY颜色空间 CIE XYZ的特点 1931年CIE定义CIE xyY颜色空间
使用比较复杂，且不直观 1931年CIE定义CIE xyY颜色空间 对给定颜色，若增加其明度，则每种基色的光通量要按比例增加才能匹配该颜色，说明当颜色点离开原点(0，0，0 )时，X:Y:Z的比值保持不变 色度值仅与波长(色调)和纯度有关，与总辐射能量无关，因此在计算颜色的色度时，把X、Y和Z值相对于总辐射能量=(X+Y+Z)规格化，并只需考虑它们的相对比例 称为三基色相对系数 第5章 颜色的度量体系

46 5.6.4 CIE 1931 xyY(续1) 配色方程可规格化为 x+y+z=1
由于三个相对系数之和恒为1，这就相当于把XYZ颜色锥体投影到 X+Y+Z=1的平面。见图5-13 由于z可从x+y+z=1导出，因此不考虑z ，而用两个系数x和y表示颜色，并绘制以x和y为坐标的二维图形。 这就相当于把X+Y+Z=1平面投射到XY平面，即Z=0的平面，这就是CIE xyY色度图 图 CIE颜色空间上 X+Y+Z=1的平面 第5章 颜色的度量体系

47 5.6.4 CIE 1931 xyY(续2) CIE 1931 xyY色度图 从XYZ直接导出的xyY颜色空间，颜色用亮度Y参数和颜色坐标x与y表示 见图5-14 用标称值表示。 Y值与XYZ中的Y刺激值一致，用于表示颜色的亮度或光亮度； x表示红色分量，y表示绿色分量 ，用于在二维图上指定颜色 在图(a)中，A点在色度图上的坐标是x＝0.4832，y＝0.3045，它的颜色与红苹果的颜色相匹配 在图(b)中，E点代表白光，它的坐标为(0.33，0.33) 在边界上的颜色是光谱色，边界代表光谱色的最大饱和度，边界上的数字表示光谱色的波长 舌形曲线包含所有的感知色调, 自然界中各种实际颜色都位于这条闭合曲线内 RGB系统选用的物理三基色在色度图的舌形曲线上 第5章 颜色的度量体系

48 5.6.4 CIE 1931 xyY(续3) (b) 轮廓图 (a) 色度图 图5-14 CIE 1931色度图 第5章 颜色的度量体系

49 5.6.4 CIE 1931 xyY(续4) CIE xyY色度图上看色调和饱和度 直观表示颜色的色调和饱和度，如图5-15所示
等色调波长线 标准白光E的坐标点W与谱色轨迹上波长为λ的某点M的连线 连线WM线上各点的彩色均有与M点相同的色调，只是渗入白光的程度不同；或者说，直线上任何一点的波长均与谱色轨迹上那点的单色波长相同。如M点的波长为540 nm，WM线上各彩色点的波长均为540 nm。 由W点与谱色轨迹上任一点相连的直线都是等色调波长线 等饱和度线 饱和度相同的各点的连线 在等色调波长线WM上，彩色光越靠近W点，表示白光成分越多，饱和度越低，到W点则成为白光；相反，彩色光越靠近谱色轨迹，则表示白光成分越少，饱和度越高，即颜色越纯 利用CIE xyY色度图上的等色调线和等饱和度线，可从色度图上直观地看出一种彩色的色调和饱和度 第5章 颜色的度量体系

50 5.6.4 CIE 1931 xyY(续5) 图5-15 CIE 1931色度图中的等色调波长线和等饱和度线 第5章 颜色的度量体系

51 5.6.4 CIE 1931 xyY(续6) 色度图上看色域 闭合曲线所包围的区域称为色域(gamut)，见图5-16
在显示设备中，色域是指显示设备所能显示的所有颜色的集合 有一些颜色是不能由显示设备发出的红、绿和蓝三种荧光混合而成的，因此就不能显示这些颜色。 色域的划分 在色度图上，白光区域以外的部分代表不同的颜色 一种区分颜色的方法是把色度图上的所有颜色分成23个区域，在每个区域中，颜色差别不大。利用它可以大致判断某种颜色在色度图上的坐标范围 图5-16表示了印刷、绘画等所用颜料可重现的彩色范围 第5章 颜色的度量体系

52 5.6.4 CIE 1931 xyY(续7) (a) 英文名称 (b) 中文名称 图5-16 XYZ系统色域图 第5章 颜色的度量体系

53 5.6.4 CIE 1931 xyY(续8) 彩色电视的色度范围 彩色显像管利用混色法重现颜色 选择显像三基色要求：
因目前的技术还不能直接采用CIE规定的标准光谱三基色：700 nm(R)、546.1 nm(G)和435.8 nm(B)，因此用红、绿、蓝三种荧光粉发出的非谱色光作为显像三基色光 选择显像三基色要求： 在混合时应获得尽可能多的彩色，使显示的图像色调丰富，在色度图中就是由三基色构成的三角形面积尽可能大 基色的亮度应足够亮，这就要求荧光粉的发光效率要高，以获得必要的图像亮度 第5章 颜色的度量体系

54 5.6.4 CIE 1931 xyY(续9) 彩色电视制式不同，三基色荧光粉不同 三基色荧光粉的标准白光以及在色度图上的坐标见表5-1
根据表5-1所列显像三基色的色度坐标，可确定它们在色度图中的位置 把NTSC制或PAL制所选用的三基色R，G和B三点连起来构成一个三角形，其中的任何一种颜色都可以用R, G和B匹配，三角形面积反映显像管能重现的彩色的最大范围 图5-17表示NTSC和PAL颜色电视重现颜色的范围 图5-18表示打印设备、电视和电影等设备重现颜色的范围 表5-1 显像三基色的色度坐标 制式 NTSC制 PAL制 基色与光源 RN GN BN CE RP GP BP D65 色坐标 x 0.67 0.21 0.14 0.310 0.64 0.29 0.15 0.313 y 0.33 0.71 0.08 0.316 0.60 0.06 0.329 第5章 颜色的度量体系

55 5.6.4 CIE 1931 xyY(续10) 图5-17 NTSC和PAL电视重现的颜色范围 图5-18 几种设备重现的颜色范围
第5章 颜色的度量体系

56 5.6.5 CIE 1960 YUV和CIE YU'V' CIE 1960 YUV CIE 1960 YU'V'
由CIE 1931 xyY经过线性变换之后得到的颜色空间 在色度图中，代表两种颜色的两个点之间的色差与对颜色感知的差别是均匀的。其中的Y与XYZ或xyY中的Y相同 坐标定义如下 CIE 1960 YU'V' 为了进一步减少色差与感知的非线性，CIE开发了CIE YU‘V’颜色空间。其中的Y没有改变， u‘和v'坐标定义如下 第5章 颜色的度量体系

57 5.6.6 CIE 1976 LUV CIE 1931 xyY色度图的缺点： 明度没有反映 感知非均匀
两种颜色之间的距离与这对两种颜色感知的色差有差异 见图5-19，在不同区域中的线段长度不相等 表示对颜色的感知不均匀。较短的线段表示对颜色的变化较敏感 长度差别表示色度图中各部分之间的畸变量 图5-19 CIE 1931 xyY色度图的 感知均匀性 第5章 颜色的度量体系

58 5.6.6 CIE 1976 LUV(续1) CIE 1960 Luv色度图 CIE 1976 Lu'v'色度图
均匀色度换算(uniform chromaticity scale，UCS)方案 借用Munsell的思想，首先把亮度和颜色完全分开，然后使用数学公式把CIE 1931 XYZ中的x，y坐标变换到一个名为u, v的新坐标系，得到比较精确的色度图，见图5-20 与图5-19所示的1931 CIE色度图相比，蓝色-红色部分伸长了，白光光源移动了，绿色部分减少了 CIE 1976 Lu'v'色度图 1976年对CIE 1960 Luv作了进一步改进 把u, v重新命名为u‘, v’ ，经过数学变换得到更加均匀的色度图，见图5-21，称为CIE 1976 Lu'v'色度图，也称CIE 1976 UCS色度图 第5章 颜色的度量体系

59 5.6.6 CIE 1976 LUV(续2) 图5-20 CIE 1960 Luv色度图 图5-21 CIE 1976 Lu'v'色度图
第5章 颜色的度量体系

60 5.6.6 CIE 1976 LUV(续3) CIE 1976 LUV/ CIE 1976 L*u*v*/CIELUV
为解决刺激值Y(亮度)的非线性问题，CIE定义了一个均匀的光亮度比例(uniform lightness scale)，L*，其值从0(黑色)～100(白色)。 CIE使用L*，u‘, v’定义了L*u*v*颜色空间，称为CIELUV或Luv颜色空间，也称CIE 1976 L*u*v*颜色空间 颜色空间定义的三个分量如下 第5章 颜色的度量体系

61 5.6.6 CIE 1976 LUV(续4) 其中 是CIE标准光源的坐标，是三刺激值
CIELUV颜色空间比CIE xyY感觉更均匀，在有源产品(如电视机、显示器和受控光源等)中得到广泛应用 第5章 颜色的度量体系

62 5.6.7 CIE 1976 LAB CIE 1976 LAB是什么 CIE 1976 L*a*b*和CIE 1931 XYZ颜色空间
使用最广泛的物体颜色度量方法，并作为度量颜色的国际标准 可简写为CIELAB，也称CIE 1976 L*a*b* (简写为CIE L*a*b*)颜色空间，或称为CIELAB/CIEL*A*B*色差制(CIELAB color difference metric) CIE 1976 L*a*b*和CIE 1931 XYZ颜色空间 相同之处 使用相同的基本原理，即颜色是光、物体和观察者组合的结果 三种基色值是用CIE定义的光、物体和观察者的数据进行计算得到的 第5章 颜色的度量体系

63 5.6.7 CIE 1976 LAB(续1) 不同之处 注：对色视觉理论——Ewald Hering理论
CIE 1976 L*a*b*是建筑在对色视觉理论(opponent color theory of vision)之上的颜色空间，CIE 1931 XYZ是建筑在三基色理论之上的颜色空间 注：对色视觉理论——Ewald Hering理论 Ewald Hering( )是德国籍奥地利的生理和心理学家 与Helmholtz的三色理论相反的成对出现的四色理论 19世纪70年代，他认为基本色调的数目不是红、绿和蓝三种，而是红、黄、绿和蓝四种基色，红－绿和黄－蓝构成两对对立色调(opponent hue)，黑-白是另外一对 红和黄认为是“暖色(warm color)”，而绿和蓝是冷色(cool color) 与长期被人们接受的三基色刺激理论不兼容 通过对眼睛中的颜色感受器的研究，以及对感受器在视网膜上相互连接的复杂性的研究，现代的颜色视觉观点已经开始接受这种理论 第5章 颜色的度量体系

64 5.6.7 CIE 1976 LAB(续2) CIE 1976 L*a*b*颜色空间的特点
光亮度、色调和饱和度都能够独立调整，因此，在不改变整幅图像或者亮度的情况下，可改变整个图像的颜色 与设备无关，可生成颜色一致的颜色 使用对色坐标(opponent color coordinate)，见图5-22 理由：颜色不能同时为红和绿或同时为黄和蓝，但可被认为是红和黄、红和蓝、绿和黄以及绿和蓝的组合 使用L*, a*, b*坐标轴定义颜色空间 L*值代表光亮度，其值为0(黑色)～100(白色) （代表从黑到白的比例系数) a*代表红-绿，其值为0~10 b*代表黄-蓝，其值为0~10 (a*= b*=0 表示无色) 第5章 颜色的度量体系

65 5.6.7 CIE 1976 LAB(续3) 图5-22 CIELAB颜色空间 第5章 颜色的度量体系

66 5.6.7 CIE 1976 LAB(续4) 颜色位置 使用CIE a*b*颜色空间，颜色可用a*和b*坐标定位，光亮度坐标L*用数字单独表示 图5-23表示在相同光亮度值下的所有颜色 若知道L*, a*, b*坐标值，可描述颜色和确定其在空间中的位置 图5-23 CIELAB空间 给定光亮度下的所有颜色 第5章 颜色的度量体系

67 5.6.8 CIELUV LCh和CIELAB LCh CIELUV LCh和CIELAB LCh
许多CIE用户喜欢用L*C*h*颜色空间指定颜色，认为光亮度、色调和色度的概念更符合颜色的视觉感知 CIELUV L*C*h*是从CIE 1976 L*u*v*的值导出的颜色空间 CIELAB L*C*h*是从CIE L*a*b*的值导出的颜色空间 它们都用L*, C*和h*组成的极坐标表示 L*：光亮度坐标，与CIE LUV和CIE LAB中的L*相同 C* ：色度，与光亮度轴的垂直距离 h* ：用度表示的色调角 第5章 颜色的度量体系

68 第5章 颜色的度量体系 参考文献和站点 颜色科学发展历史, Munsell颜色科学实验室, 颜色科学，  Color and Color Management Technical Guides, Charles Poynton，Frequently Asked Questions about Color，1997， Alex Byrne and David Hilbert，A Glossary of Color Science, Dr. Hagit Hel-Or , Color Vision， 林仲贤，孙秀如. 视觉及测色应用. 北京：科学出版社，1987 古大治，傅师申，杨仁鸣.色彩与图形视觉原理. 北京：科学出版社，2000 第5章 颜色的度量体系

69 END 第5章 颜色的度量体系