第九章颜色视觉 91颜色现象 91.1颜色的基本性质 9.1.2颜色立体 91.3颜色的交互作用和颜色恒常性 914颜色的混合 92颜色的匹配和标定 92.1颜色的匹配和颜色方程 922色度图和色度坐标 923颜色相加原理 924颜色的标定 93颜色视觉理论 93.1三色理论 932颜色对立机制理论 93.3视网膜皮层理论 94颜色信息的计算机处理 941系统颜色空间的标定 942色度信息的表示 943颜色图象分割和颜色反射模型 91颜色现象 911颜色的基本性质 颜色是外界光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。所以颜色特性既可以从客观 刺激方面来衡量,也可以从观察者的主观感觉方面来描述。描述客观刺激的概念是心理物理 学概念:描述观察者主观感觉的概念是心理学概念。确定光的心理物理量与心理量的关系是 感觉心理学硏究的重要任务。颜色视觉有三种特性,描述颜色的心理物理量是亮度、主波长 和纯度,相应的心理量是明度,色调和饱和度。 颜色分两大类:非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于这两者之间深浅不同的灰 色。它们可以排成一个系列,由白色逐渐到浅灰、中灰、深灰直到黑色。这叫白黑系列或无 色系列。白黑系列由白到黑的变化可以用一条直线代表,一端是纯白,另一端是纯黑。中间 有着各种不同等级的灰色过渡(图9.1)。所谓灰色是相对的,比周围明亮的称为浅灰,比周 围暗的称为深灰,灰色是最不饱和色之一。所谓纯白和纯黑也是相对而言的,并无绝对的标 准,白雪接近纯白,黑绒接近纯黑,由白和黑按不同比例混合可得出各种灰色。白色和各种 灰色是物体表面没有选择性的反射。白黑系列的非彩色的反射率代表物体的明度。反射率越 高时接近白色,反射率低时接近黑色。一张洁白的纸的反射率可达85%以上。用来测量颜色、 定标用的标准白板的反射率可达90%以上。一张黑纸的反射率可低至5%以下,黑色天鹅绒 的反射率甚至可低于0.05%。 178
178 第九章 颜色视觉 9.1 颜色现象 9.1.1 颜色的基本性质 9.1.2 颜色立体 9.1.3 颜色的交互作用和颜色恒常性 9.1.4 颜色的混合 9.2 颜色的匹配和标定 9.2.1 颜色的匹配和颜色方程 9.2.2 色度图和色度坐标 9.2.3 颜色相加原理 9.2.4 颜色的标定 9.3 颜色视觉理论 9.3.1 三色理论 9.3.2 颜色对立机制理论 9.3.3 视网膜皮层理论 9.4 颜色信息的计算机处理 9.4.1 系统颜色空间的标定 9.4.2 色度信息的表示 9.4.3 颜色图象分割和颜色反射模型 9.1 颜色现象 9.1.1 颜色的基本性质 颜色是外界光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。所以颜色特性既可以从客观 刺激方面来衡量，也可以从观察者的主观感觉方面来描述。描述客观刺激的概念是心理物理 学概念；描述观察者主观感觉的概念是心理学概念。确定光的心理物理量与心理量的关系是 感觉心理学研究的重要任务。颜色视觉有三种特性，描述颜色的心理物理量是亮度、主波长 和纯度，相应的心理量是明度，色调和饱和度。 颜色分两大类：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于这两者之间深浅不同的灰 色。它们可以排成一个系列，由白色逐渐到浅灰、中灰、深灰直到黑色。这叫白黑系列或无 色系列。白黑系列由白到黑的变化可以用一条直线代表，一端是纯白，另一端是纯黑。中间 有着各种不同等级的灰色过渡（图 9.1）。所谓灰色是相对的，比周围明亮的称为浅灰，比周 围暗的称为深灰，灰色是最不饱和色之一。所谓纯白和纯黑也是相对而言的，并无绝对的标 准，白雪接近纯白，黑绒接近纯黑，由白和黑按不同比例混合可得出各种灰色。白色和各种 灰色是物体表面没有选择性的反射。白黑系列的非彩色的反射率代表物体的明度。反射率越 高时接近白色，反射率低时接近黑色。一张洁白的纸的反射率可达 85%以上。用来测量颜色、 定标用的标准白板的反射率可达 90%以上。一张黑纸的反射率可低至 5%以下，黑色天鹅绒 的反射率甚至可低于 0.05%
白]丬浅灰}中灰}丬深灰}黑门 图9.1白黑系列 表示光的强度的心理物理学概念是亮度( Luminosity)。所有的光,不论是什么颜色都 可以用亮度来测量。非彩色的白黑变化相应于白光的亮度变化。当白光的亮度非常高时,人 眼就感觉到是白色的:当光的亮度很低时,就感觉到发暗或发灰:无光时是黑色的。与亮度 相应的心理学概念是明度( brightness。明度是人眼对物体的明亮感觉,受视觉感受性和过 去经验的影响。通常明度的变化相应于亮度的变化。物体表面或光源的亮度越高,人感觉到 的明度就越高。但二者的关系并不固定。若亮度的微小增加或减少达不到人眼的分辨阈限 眼睛就觉察不出明度的变化。这时亮度虽有变化而明度却不变。在暗环境中观察一张高反射 率的书页与在亮环境中观察一块低反射率的黑墨相比,虽然可能后者的亮度大于前者,但由 于观察者已经知道它们是书页和黑墨,所以书页仍感觉为白色,而黑墨仍为黑色,有较低的 明度。这是因为观察者有对书页和黑墨的记忆和经验,有周围其它物体的相对明度作参考, 以及对不同照明条件的认识影响了明度感觉。 彩色系列或有色系列是指除了白黑系列以外的各种颜色。我们通常所说的颜色即指彩 色。彩色的第一个特性是用心理物理量亮度和心理量明度来表示的。所有的光,不论是什么 颜色都可以用光的亮度来定量。与非彩色相似,彩色光的亮度越高,人眼就感觉明亮,或者 说有较高的明度。彩色物体表面的反射率越高,它的明度就越高 表示彩色的第二个特性的心理物理学概念是主波长( dominant wavelength)。与主波长 相应的心理学概念是色调(hue)。光谱是由不同波长的光组成的。用三棱镜可以把日光分解 成光谱上不同波长的光,不同波长所引起的不同感觉就是色调。例如,700纳米波长光的色 调是红色,579纳米波长光的色调是黄色,500纳米光的色调是绿色等。若将几种主波长不 同的光按适当的比例加以混合,则能产生不具有任何色调的感觉,也就是白色。事实上,只 选择两种主波长不同的光以适当的比例加以混合也能产生白色。这样的一对主波长的光叫做 互补波长。例如,600纳米的橙色和492纳米的蓝绿色是一对互补波长;5755纳米的黄色 和4745纳米的蓝色也是互补波长。一对互补波长的色调叫互补色。光源的色调决定于人眼 对辐射光的光谱组成产生的感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面反射(透射) 的各波长的比例对人眼产生的感觉。例如,在日光下,一个物体反射480-560纳米波段的辐 射,而相对吸收其它波长的辐射,那么该物体表面为绿色。 表示彩色第三个特性的心理物理学概念是颜色纯度( purity),其相应的心理学概念是饱 和度( saturation)。纯色是指没有混入白色的窄带单色光。在视觉上就是高饱和度的颜色 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色搀入白光成分越多时,就越不饱和。例如, 主波长为650纳米的光是非常纯的红光。如果把一定数量的白光加到这个红光上,混合的结 果便产生粉红色。加入的白光越多,混合后的颜色光就越不纯,看起来就越不饱和 光刺激的心理物理特性可以按亮度,主波长和纯度来确定。这些特性又分别同明度、色 调、饱和度的主观感觉相联系。颜色可分为彩色和非彩色。光刺激如果没有主波长,这个光 就是非彩色的白光,它没有纯度。然而所有视觉刺激都有亮度特性。亮度是彩色刺激和非彩 色刺激的共同特性,而主波长和纯度表示刺激是彩色的 912颜色立体 用一个三维空间纺锤体形立体可以把颜色的三种基本特性一明度、色调和饱和度全部表 示出来(图92)。在颜色立体中垂直轴代表白黑系列明度的变化。顶端是白色,中
179 白 浅灰 中灰 深灰 黑 图 9.1 白黑系列 表示光的强度的心理物理学概念是亮度（Luminosity）。所有的光，不论是什么颜色都 可以用亮度来测量。非彩色的白黑变化相应于白光的亮度变化。当白光的亮度非常高时，人 眼就感觉到是白色的；当光的亮度很低时，就感觉到发暗或发灰；无光时是黑色的。与亮度 相应的心理学概念是明度（brightness）。明度是人眼对物体的明亮感觉，受视觉感受性和过 去经验的影响。通常明度的变化相应于亮度的变化。物体表面或光源的亮度越高，人感觉到 的明度就越高。但二者的关系并不固定。若亮度的微小增加或减少达不到人眼的分辨阈限， 眼睛就觉察不出明度的变化。这时亮度虽有变化而明度却不变。在暗环境中观察一张高反射 率的书页与在亮环境中观察一块低反射率的黑墨相比，虽然可能后者的亮度大于前者，但由 于观察者已经知道它们是书页和黑墨，所以书页仍感觉为白色，而黑墨仍为黑色，有较低的 明度。这是因为观察者有对书页和黑墨的记忆和经验，有周围其它物体的相对明度作参考， 以及对不同照明条件的认识影响了明度感觉。 彩色系列或有色系列是指除了白黑系列以外的各种颜色。我们通常所说的颜色即指彩 色。彩色的第一个特性是用心理物理量亮度和心理量明度来表示的。所有的光，不论是什么 颜色都可以用光的亮度来定量。与非彩色相似，彩色光的亮度越高，人眼就感觉明亮，或者 说有较高的明度。彩色物体表面的反射率越高，它的明度就越高。 表示彩色的第二个特性的心理物理学概念是主波长（dominant wavelength）。与主波长 相应的心理学概念是色调（hue）。光谱是由不同波长的光组成的。用三棱镜可以把日光分解 成光谱上不同波长的光，不同波长所引起的不同感觉就是色调。例如，700 纳米波长光的色 调是红色，579 纳米波长光的色调是黄色，500 纳米光的色调是绿色等。若将几种主波长不 同的光按适当的比例加以混合，则能产生不具有任何色调的感觉，也就是白色。事实上，只 选择两种主波长不同的光以适当的比例加以混合也能产生白色。这样的一对主波长的光叫做 互补波长。例如，600 纳米的橙色和 492 纳米的蓝绿色是一对互补波长；575.5 纳米的黄色 和 474.5 纳米的蓝色也是互补波长。一对互补波长的色调叫互补色。光源的色调决定于人眼 对辐射光的光谱组成产生的感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面反射（透射） 的各波长的比例对人眼产生的感觉。例如，在日光下，一个物体反射 480-560 纳米波段的辐 射，而相对吸收其它波长的辐射，那么该物体表面为绿色。 表示彩色第三个特性的心理物理学概念是颜色纯度（purity），其相应的心理学概念是饱 和度（saturation）。纯色是指没有混入白色的窄带单色光。在视觉上就是高饱和度的颜色。 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色搀入白光成分越多时，就越不饱和。例如， 主波长为 650 纳米的光是非常纯的红光。如果把一定数量的白光加到这个红光上，混合的结 果便产生粉红色。加入的白光越多，混合后的颜色光就越不纯，看起来就越不饱和。 光刺激的心理物理特性可以按亮度，主波长和纯度来确定。这些特性又分别同明度、色 调、饱和度的主观感觉相联系。颜色可分为彩色和非彩色。光刺激如果没有主波长，这个光 就是非彩色的白光，它没有纯度。然而所有视觉刺激都有亮度特性。亮度是彩色刺激和非彩 色刺激的共同特性，而主波长和纯度表示刺激是彩色的。 9.1.2 颜色立体 用一个三维空间纺锤体形立体可以把颜色的三种基本特性—明度、色调和饱和度全部表 示出来（图 9.2）。在颜色立体中垂直轴代表白黑系列明度的变化。顶端是白色，中间
白 紫 饱和度红 绿黄 图9.2颜色立体 是各种灰度的过渡,底部是黑色。沿垂直轴的上下方向,越在上方明度就越大。色调由水平 的圆周表示。圆周上的各点代表光谱上各种不同的色调(红、橙、黄、绿、蓝、紫)。图形 的中心是中灰色。中灰色的明度和圆周上各种色调的明度相同。从圆周向圆心过渡表示颜色 饱和度逐渐降低。当颜色在立体的同一平面变化时只改变色调或饱和度而不改变明度。 这个颜色纺缍体只是一个理想化的示意模型。目的是使人们更容易理解颜色三特性的相 互关系。在真实的颜色关系中,饱和度最大的黄色并不在中等明度的地方,而是在靠近白色 的明度较高处:饱和度最大的蓝色则在靠近黑色的明度较低处。因此,颜色立体中部的色调 图象平面应该是倾斜的,黄色部分较高,蓝色部分较低。而且色调平面圆周上的各种饱和色 调离开垂直轴的距离也不一样,某些颜色能达到较高的饱和度,所以这个圆形平面并不是真 正的圆形。 913颜色的交互作用和颜色恒常性 我们在某一物体表面所看到的颜色不仅取决于这个表面本身产生的物理刺激,而且还取 决于同时呈现在它周围的颜色。物体本身的颜色和它周围颜色的交互作用能影响被看表面的 色调和明度。当被看的颜色向它周围颜色的对立方向转化,即向周围颜色的补色方向变化时, 叫做颜色的同时交互作用,或颜色对比。例如,在红色背景中放一小块白纸或灰纸,用眼睛 注视白纸几分钟,白纸会表现出绿色。如果背景是黄色,白纸会出现蓝色。红和绿是互补色, 黄和蓝也是互补色。 当在一个颜色(包括灰色)的周围呈现高亮度或低亮度刺激时,这个颜色就向其周围明 度的对立方向转化,这叫做明度对比。白背景上的灰方块呈浅黑色,而黑背景上的灰方块则 呈白色等。对比效应在视觉中有重要作用,明度对比更是这样。它与视觉中的颜色恒常性相 联系。一块煤在阳光下单位面积反射光比一张白纸在黑暗处时高一千倍。但我们仍然把煤看 成是黑的,而把纸看成是白的、灰的、或黑的。这是由这个物体与周围物体的相对明度关系
180 图 9.2 颜色立体 是各种灰度的过渡，底部是黑色。沿垂直轴的上下方向，越在上方明度就越大。色调由水平 的圆周表示。圆周上的各点代表光谱上各种不同的色调（红、橙、黄、绿、蓝、紫）。图形 的中心是中灰色。中灰色的明度和圆周上各种色调的明度相同。从圆周向圆心过渡表示颜色 饱和度逐渐降低。当颜色在立体的同一平面变化时只改变色调或饱和度而不改变明度。 这个颜色纺缍体只是一个理想化的示意模型。目的是使人们更容易理解颜色三特性的相 互关系。在真实的颜色关系中，饱和度最大的黄色并不在中等明度的地方，而是在靠近白色 的明度较高处；饱和度最大的蓝色则在靠近黑色的明度较低处。因此，颜色立体中部的色调 图象平面应该是倾斜的，黄色部分较高，蓝色部分较低。而且色调平面圆周上的各种饱和色 调离开垂直轴的距离也不一样，某些颜色能达到较高的饱和度，所以这个圆形平面并不是真 正的圆形。 9.1.3 颜色的交互作用和颜色恒常性 我们在某一物体表面所看到的颜色不仅取决于这个表面本身产生的物理刺激，而且还取 决于同时呈现在它周围的颜色。物体本身的颜色和它周围颜色的交互作用能影响被看表面的 色调和明度。当被看的颜色向它周围颜色的对立方向转化，即向周围颜色的补色方向变化时， 叫做颜色的同时交互作用，或颜色对比。例如，在红色背景中放一小块白纸或灰纸，用眼睛 注视白纸几分钟，白纸会表现出绿色。如果背景是黄色，白纸会出现蓝色。红和绿是互补色， 黄和蓝也是互补色。 当在一个颜色（包括灰色）的周围呈现高亮度或低亮度刺激时，这个颜色就向其周围明 度的对立方向转化，这叫做明度对比。白背景上的灰方块呈浅黑色，而黑背景上的灰方块则 呈白色等。对比效应在视觉中有重要作用，明度对比更是这样。它与视觉中的颜色恒常性相 联系。一块煤在阳光下单位面积反射光比一张白纸在黑暗处时高一千倍。但我们仍然把煤看 成是黑的，而把纸看成是白的、灰的、或黑的。这是由这个物体与周围物体的相对明度关系
决定的。白纸不管在什么样的照明条件下都是白的,而煤仍然是黑的。这就是说,尽管外界 的条件发生变化,人们仍然根据物体的固有颜色来感知它们。这是颜色恒常性的表现。在 天的过程中,我们周围物体所受的照度会有很大的变化。中午时的照度要比日出时和日落时 高几百倍。但在日常生活中,当照明条件变化时我们的视觉仍能保持对物体颜色的恒常性, 这才使我们对周围物体有正确的认识。 颜色恒常性还表现在当光源的光谱成分发生变化时被观察物体的颜色在一定程度上看 起来仍然保持不变。例如,室内不管由白炽灯的黄光或萤光灯的蓝光照明,书页纸看起来都 是白色的。但如果让被试验者通过一个圆筒,只看到被照射物体的一小块面积,同时又不让 他知道是用哪一种色光照射时,一张白纸在用红光照射时就会被看成是红色的。 个物体的明度和色调不仅取决于当前的刺激,而且也与先前刺激的后效有关。这种后 效叫相继交互作用,或相继对比效应。例如,我们看一个红色方块一段时间后再注意看一个 均匀的灰色表面,就会看到一个很快消失的绿色方块的映象,映象的颜色是诱导颜色的补色 这样产生的映象叫做负后象。对黑色和白色也是同样的情况,黑色的负后象是白色,而白色 的负后象是黑色。后象也可以是与原来刺激相同的颜色,这种后象叫做正后象 914颜色的混合 对颜色混合的研究可追溯到十七世纪后期牛顿的工作。他用棱镜把太阳光分散成光谱上 的颜色光带。牛顿通过实验证明了:(1)白光是由很多不同颜色的光混合而成的结果:(2)作 为白光成分的单色光具有不同的折射度。牛顿进一步进行了颜色混合的实验,让白光通过两 个棱镜以产生两个光谱,再设法使两个光谱上的单色光相混合。牛顿发现光谱上的两种颜色 相混合会出现一种新的颜色。绿光和红光混合会出现黄色,黄光和红光混合会出现橙色,而 且在光谱上能找到这个颜色,它位于红和黄之间。一般来说,光谱上临近的两种颜色混合所 产生的新颜色处于光谱上两种被混合颜色的中间,称为中间色。但也有例外。例如,两种颜 色在光谱上距离很远。它们混合所产生的新颜色可能是灰色或白色,这叫中性颜色。光谱两 端的红光和蓝色相混合会出现一个光谱上找不到的新颜色,这个颜色是紫色,它被叫做非光 谱色。 颜色混合的各种规律可以用叫做颜色环的理想示意图来表示。若把饱和度最高的光谱色 依顺序围成一个环再加上紫红色就构成了图9.3所示的颜色环。圆环的圆周代表色调,白色 位于圆环中心。每一种颜色都在圆环上或圆环内占一确定位置。颜色越不饱和其位置越靠近 中心 这个模型可用来定性地预测各种颜色光相混合的结果。例如,圆周上的b点代表480 纳米的蓝色光,g点代表520纳米的绿色光。如果这两种光以相等的亮度相混合,那么我们 用直线连接圆周上的b,g两点,再由圆心画一条线过这条线的中点,并落在圆周的b点上 这一点的颜色就是这两种颜色相混合的结果,它是蓝绿色。又例如,当r(红)和g(绿) 两种颜色相混合时,我们就从r点到g点连接一条直线,如果r和g分别代表660纳米的红 光和520纳米的绿光,两者又是等量混合的话,这条线就通过圆环的中心,这说明混合的结 果是一个中性颜色,而这两个相混合的颜色则互为补色。480纳米蓝光和660纳米红光相混 合将呈现紫色,这个颜色在光谱上是没有的,但在颜色环上能表示出来。它位于红、蓝之间 圆环模型的优点是它是一个封闭的图形能使相似的颜色彼此靠近,并能将由颜色混合产生的 非光谱色表现出来
181 决定的。白纸不管在什么样的照明条件下都是白的，而煤仍然是黑的。这就是说，尽管外界 的条件发生变化，人们仍然根据物体的固有颜色来感知它们。这是颜色恒常性的表现。在一 天的过程中，我们周围物体所受的照度会有很大的变化。中午时的照度要比日出时和日落时 高几百倍。但在日常生活中，当照明条件变化时我们的视觉仍能保持对物体颜色的恒常性， 这才使我们对周围物体有正确的认识。 颜色恒常性还表现在当光源的光谱成分发生变化时被观察物体的颜色在一定程度上看 起来仍然保持不变。例如，室内不管由白炽灯的黄光或萤光灯的蓝光照明，书页纸看起来都 是白色的。但如果让被试验者通过一个圆筒，只看到被照射物体的一小块面积，同时又不让 他知道是用哪一种色光照射时，一张白纸在用红光照射时就会被看成是红色的。 一个物体的明度和色调不仅取决于当前的刺激，而且也与先前刺激的后效有关。这种后 效叫相继交互作用，或相继对比效应。例如，我们看一个红色方块一段时间后再注意看一个 均匀的灰色表面，就会看到一个很快消失的绿色方块的映象，映象的颜色是诱导颜色的补色， 这样产生的映象叫做负后象。对黑色和白色也是同样的情况，黑色的负后象是白色，而白色 的负后象是黑色。后象也可以是与原来刺激相同的颜色，这种后象叫做正后象。 9.1.4 颜色的混合 对颜色混合的研究可追溯到十七世纪后期牛顿的工作。他用棱镜把太阳光分散成光谱上 的颜色光带。牛顿通过实验证明了：(1) 白光是由很多不同颜色的光混合而成的结果；(2) 作 为白光成分的单色光具有不同的折射度。牛顿进一步进行了颜色混合的实验，让白光通过两 个棱镜以产生两个光谱，再设法使两个光谱上的单色光相混合。牛顿发现光谱上的两种颜色 相混合会出现一种新的颜色。绿光和红光混合会出现黄色，黄光和红光混合会出现橙色，而 且在光谱上能找到这个颜色，它位于红和黄之间。一般来说，光谱上临近的两种颜色混合所 产生的新颜色处于光谱上两种被混合颜色的中间，称为中间色。但也有例外。例如，两种颜 色在光谱上距离很远。它们混合所产生的新颜色可能是灰色或白色，这叫中性颜色。光谱两 端的红光和蓝色相混合会出现一个光谱上找不到的新颜色，这个颜色是紫色，它被叫做非光 谱色。 颜色混合的各种规律可以用叫做颜色环的理想示意图来表示。若把饱和度最高的光谱色 依顺序围成一个环再加上紫红色就构成了图 9.3 所示的颜色环。圆环的圆周代表色调，白色 位于圆环中心。每一种颜色都在圆环上或圆环内占一确定位置。颜色越不饱和其位置越靠近 中心。 这个模型可用来定性地预测各种颜色光相混合的结果。例如，圆周上的 b 点代表 480 纳米的蓝色光，g 点代表 520 纳米的绿色光。如果这两种光以相等的亮度相混合，那么我们 用直线连接圆周上的 b，g 两点，再由圆心画一条线过这条线的中点，并落在圆周的 bg 点上， 这一点的颜色就是这两种颜色相混合的结果，它是蓝绿色。又例如，当 r（红）和 g（绿） 两种颜色相混合时，我们就从 r 点到 g 点连接一条直线，如果 r 和 g 分别代表 660 纳米的红 光和 520 纳米的绿光，两者又是等量混合的话，这条线就通过圆环的中心，这说明混合的结 果是一个中性颜色，而这两个相混合的颜色则互为补色。480 纳米蓝光和 660 纳米红光相混 合将呈现紫色，这个颜色在光谱上是没有的，但在颜色环上能表示出来。它位于红、蓝之间。 圆环模型的优点是它是一个封闭的图形能使相似的颜色彼此靠近，并能将由颜色混合产生的 非光谱色表现出来
黄 绿 蓝 图9.3颜色环 十九世纪初, Yaung提出某一波长的光可以通过三种不同波长的光相混合而复现出来的 假设。他认为红(R)、绿(G)、蓝(B)这三种单色光可以作为基本的颜色一原色,把这三种光 按不同的比例混合就能准确地复现出任何其它波长的光。当把它们以等量混合时会产生中性 的颜色一白光(W),后来 Maxwell用旋转圆盘所做的颜色混合实验证明了 Yaung的假设。 Maxwell i证明在颜色圆盘上按不同的比例混合三种颜色可以产生任何色调。他还证明这三种 颜色不一定是红、绿、蓝,任何三种颜色,只要混合后能产生中性色,都可以起原色作用。 用三种原色能产生各种颜色的原理是当今颜色科学中最重要的原理。这个原理经过 Helmhotz 的进一步发展形成了颜色视觉机制学说,即三种感受器理论,或称为三色学说。 颜色混合的另一个重要特点是颜色可以相互代替。例如,黄光和蓝光混合得白光。若没 有黄光,用红光和绿光混合得出黄光,这一混合的黄光与蓝光混合仍得白光。颜色混合的 个重要原则是只要外貌上相同的颜色,不管它原来组合的成分是什么,在视觉系统上产生的 效应都是相同的。色调决定于波长,每一种波长都产生一定色调,但每一种色调并不只和 种特定的波长相联系。我们从波长520纳米的单色光得到绿光,同样也可以从510和530 纳米的光线混合得到绿光,这种绿光还可以从其它大量的混合得到。光谱相同的光线固然能 引起同样的颜色感觉,而光谱不同的光线在某种条件下,也能引起人眼相同的颜色感觉,这 叫同色异谱。 染料的混合与光的混合属于不同的过程,光线与光线的混合是两种波长的光线同时作用 到视网膜上的相加过程。因此,叫加色混合,而水彩或染料的混合是减色混合。因为染料是 反射某些光波而吸收其它光波。所以,由染料混合而生的颜色依赖于染料所反射的光谱成分。 黄色染料主要反射光谱上黄色和邻近的绿色的波长,而吸收蓝色和其它各种颜色,这是一种 相减过程;蓝色染料则主要反射蓝色和邻近的绿色的波长,而吸收黄色和其它各种颜色,这 也是一种相减过程。当黄色和蓝色染料相混合时,二者都共同反射绿色带的波长,而其它所 有波长的颜色或被黄色染料或被蓝色染料吸收了。所以混合的结果是绿色。因此,染料的混 合是对光谱颜色的双重减法。 1853年格拉斯曼( Grassman)将颜色现象总结成颜色混合定律: 1.人的视觉只能分辨颜色的三种变化:明度、色调、饱和度。 2.在由两个成分组成的混合色中,如果一个成分连续地变化,混合色的外貌也连续地 变化,由这一定律导出两个定律 1)补色律。每一种颜色都有一个相应的补色。如果某一颜色与其补色的适当比例混合, 便产生白色或灰色。如果两者按其它比例混合,便产生近似于比重大的颜色成分的非饱和色 (2)中间色律。任何两个非补色相混合,便产生中间色,其色调决定于两颜色的相对数 ,其饱和度决定于两者在色调顺序上的远近
182 图 9.3 颜色环 十九世纪初，Yaung 提出某一波长的光可以通过三种不同波长的光相混合而复现出来的 假设。他认为红(R) 、绿(G) 、蓝(B)这三种单色光可以作为基本的颜色—原色，把这三种光 按不同的比例混合就能准确地复现出任何其它波长的光。当把它们以等量混合时会产生中性 的颜色—白光(W)，后来 Maxwell 用旋转圆盘所做的颜色混合实验证明了 Yaung 的假设。 Maxwell 证明在颜色圆盘上按不同的比例混合三种颜色可以产生任何色调。他还证明这三种 颜色不一定是红、绿、蓝，任何三种颜色，只要混合后能产生中性色，都可以起原色作用。 用三种原色能产生各种颜色的原理是当今颜色科学中最重要的原理。这个原理经过Helmhotz 的进一步发展形成了颜色视觉机制学说，即三种感受器理论，或称为三色学说。 颜色混合的另一个重要特点是颜色可以相互代替。例如，黄光和蓝光混合得白光。若没 有黄光，用红光和绿光混合得出黄光，这一混合的黄光与蓝光混合仍得白光。颜色混合的一 个重要原则是只要外貌上相同的颜色，不管它原来组合的成分是什么，在视觉系统上产生的 效应都是相同的。色调决定于波长，每一种波长都产生一定色调，但每一种色调并不只和一 种特定的波长相联系。我们从波长 520 纳米的单色光得到绿光，同样也可以从 510 和 530 纳米的光线混合得到绿光，这种绿光还可以从其它大量的混合得到。光谱相同的光线固然能 引起同样的颜色感觉，而光谱不同的光线在某种条件下，也能引起人眼相同的颜色感觉，这 叫同色异谱。 染料的混合与光的混合属于不同的过程，光线与光线的混合是两种波长的光线同时作用 到视网膜上的相加过程。因此，叫加色混合，而水彩或染料的混合是减色混合。因为染料是 反射某些光波而吸收其它光波。所以，由染料混合而生的颜色依赖于染料所反射的光谱成分。 黄色染料主要反射光谱上黄色和邻近的绿色的波长，而吸收蓝色和其它各种颜色，这是一种 相减过程；蓝色染料则主要反射蓝色和邻近的绿色的波长，而吸收黄色和其它各种颜色，这 也是一种相减过程。当黄色和蓝色染料相混合时，二者都共同反射绿色带的波长，而其它所 有波长的颜色或被黄色染料或被蓝色染料吸收了。所以混合的结果是绿色。因此，染料的混 合是对光谱颜色的双重减法。 1853 年格拉斯曼（Grassman）将颜色现象总结成颜色混合定律： 1. 人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调、饱和度。 2. 在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续地变化，混合色的外貌也连续地 变化，由这一定律导出两个定律： (1) 补色律。每一种颜色都有一个相应的补色。如果某一颜色与其补色的适当比例混合， 便产生白色或灰色。如果两者按其它比例混合，便产生近似于比重大的颜色成分的非饱和色。 (2) 中间色律。任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色调决定于两颜色的相对数 量，其饱和度决定于两者在色调顺序上的远近
3.颜色外貌相同的光,不管它们的光谱组成是否一样,在颜色混合中具有相同的效果。 换言之,凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。由这一定律导出颜色的代替律。即相似色混 合后仍相似。 如果颜色A=颜色B,颜色C=颜色D 那么A+C=B+D 代替律表明,只要在感觉上颜色是相似的,便可以相互代替而得到同样的视觉效果,尽 管他们两者的光谱成分是不一样的。例如,设A+B=C,如果没有B,而X+Y=B,那么 A+(X+Y)=C,这个由代替而产生混合色与原来的混合色在视觉上具有相同的效果。根据代 替律,可以利用颜色混合方法来产生或代替各种所需要的颜色。颜色混合的代替律是一条非 常重要的定律,现代的色度学就建立在这一定律的基础上 4.亮度相加律。由几个颜色组成的混合色的亮度是各颜色光亮度的总和。 格拉斯曼颜色定律是色度学的一般规律,适用于各种颜色光的相加混合,但不适用于染 料或涂料的混合。 92颜色匹配和标定 921颜色匹配和颜色方程 根据格拉斯曼颜色混合实验,外貌相同的颜色可相互代替。相互代替的颜色可以通过颜 色匹配实验来找到。把两个颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫颜色匹配。在进行颜色匹 配实验时须通过颜色相加混合的方法,改变一个颜色或两个颜色的明度、色调、饱和度三特 性,使两者达到匹配。 在颜色匹配实验中用来产生混合色的红、绿、蓝叫三原色。把为了匹配某一特定颜色所 需的三原色数量叫做三刺激值。精密的颜色匹配实验是在比色仪上进行的。比色计的原理示 意图如94所示。人的视场分成二等分,视场的一边呈现的是待配色光,另一边投射的是红、 绿、蓝三原色的混合光。让视场两边分别投射到视场中的两块屏幕上,然后通过调节红、绿 蓝三原色的强度来改变这三者之间的比例,直到所得颜色看起来与待配色的光一样为止。因 此,可以用三种原色相加的比例来表示某一颜色,并可写成方程式: (Q≡R(R)+G(G)+B(B) 其中(Q)是某一颜色,(R)、(G)、(B)是红、绿、蓝三原色,R、G、B是每种颜色的数量(三 刺激值),式中“≡”是指匹配,即在视觉上颜色相同。在匹配实验中,如果被匹配的颜色 很饱和,那么用红、绿、蓝三原色可能实现不了匹配,这时就需要把少量的三原色之一加到 被匹配的颜色上,并与余下的两种原色相匹配。例如,对光谱的黄单光就不能用三原色的混 合获得满意的匹配。这时,只用红和绿两原色相混合,而把少量的蓝原色加到黄光谱色一侧 这一颜色匹配关系仍可用方程 (Q)+B(B)≡R(R)+G(G)
183 3. 颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。 换言之，凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。由这一定律导出颜色的代替律。即相似色混 合后仍相似。 如果 颜色 A=颜色 B，颜色 C=颜色 D； 那么 A+C=B+D 代替律表明，只要在感觉上颜色是相似的，便可以相互代替而得到同样的视觉效果，尽 管他们两者的光谱成分是不一样的。例如，设 A+B=C，如果没有 B，而 X+Y=B，那么 A+(X+Y)=C，这个由代替而产生混合色与原来的混合色在视觉上具有相同的效果。根据代 替律，可以利用颜色混合方法来产生或代替各种所需要的颜色。颜色混合的代替律是一条非 常重要的定律，现代的色度学就建立在这一定律的基础上。 4. 亮度相加律。由几个颜色组成的混合色的亮度是各颜色光亮度的总和。 格拉斯曼颜色定律是色度学的一般规律，适用于各种颜色光的相加混合，但不适用于染 料或涂料的混合。 9.2 颜色匹配和标定 9.2.1 颜色匹配和颜色方程 根据格拉斯曼颜色混合实验，外貌相同的颜色可相互代替。相互代替的颜色可以通过颜 色匹配实验来找到。把两个颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫颜色匹配。在进行颜色匹 配实验时须通过颜色相加混合的方法，改变一个颜色或两个颜色的明度、色调、饱和度三特 性，使两者达到匹配。 在颜色匹配实验中用来产生混合色的红、绿、蓝叫三原色。把为了匹配某一特定颜色所 需的三原色数量叫做三刺激值。精密的颜色匹配实验是在比色仪上进行的。比色计的原理示 意图如 9.4 所示。人的视场分成二等分，视场的一边呈现的是待配色光，另一边投射的是红、 绿、蓝三原色的混合光。让视场两边分别投射到视场中的两块屏幕上，然后通过调节红、绿、 蓝三原色的强度来改变这三者之间的比例，直到所得颜色看起来与待配色的光一样为止。因 此，可以用三种原色相加的比例来表示某一颜色，并可写成方程式： (Q)≡R(R)+G(G)+B(B) (9-1) 其中(Q)是某一颜色，(R) 、(G) 、(B)是红、绿、蓝三原色，R、G、B 是每种颜色的数量（三 刺激值），式中“≡”是指匹配，即在视觉上颜色相同。在匹配实验中，如果被匹配的颜色 很饱和，那么用红、绿、蓝三原色可能实现不了匹配，这时就需要把少量的三原色之一加到 被匹配的颜色上，并与余下的两种原色相匹配。例如，对光谱的黄单光就不能用三原色的混 合获得满意的匹配。这时，只用红和绿两原色相混合，而把少量的蓝原色加到黄光谱色一侧。 这一颜色匹配关系仍可用方程： (Q)+B(B) R(R)+G(G)
视场 (B) 基色 待配色 光调节 人眼 图94比色计原理示意图 表达。这一方程在色度学中可写成 (Q)≡R(R)+G(G)-B(B) 在上述可能具有负值的方程表示的颜色匹配条件下,所有的颜色,包括白黑系列的各种灰色, 各种色调和饱和度的颜色都能由红、绿、蓝三原色按不同的比例相加混合产生。 922色度图和色度坐标 通常原色的单位是这样选择的:以某一特定的白光(例如,日光色白光)作为标准,使 红、绿、蓝三原色进行混合直到三原色以适当比例匹配标准白光。这时三原色的亮度值不 定相等,而我们却把每一原色光的亮度值作为一个单位看待,三者的比例定为1:1:1的等量 关系。换言之,为了匹配标准白光,三原色的数量R、G、B(三刺激值)相等,即R=G=B=1。 用(R)、(G)、(B)三原色的单位向量可定义一个三维空间。颜色刺激(C可表示为这个 维空间中的一个以原点为起点的向量(图95)。这个向量对应于空间中坐标为R、G、B的 点。这个三维向量空间被称为(R、G、B)三刺激空间。在三刺激空间中向量的方向由三刺 激值之间的比例决定,所以向量的方向表示颜色。向量的幅度表示亮度。这样,在三刺激空 间中方向相同,幅度不同的向量应代表颜色相同,但亮度不同的颜色刺激。但实际上,代表 不同亮度,相同颜色的点在三刺激空间中的轨迹不是直线而是略有偏离,这就是所谓的 Bezold- Brucke效应。如果忽略不计这样的非线性,就可以在二维空间中表示颜色。为此, 可相对于三个坐标轴对称地取一个截面。此截面通过(R)、(G)、(B)三个坐标轴上的单位向量 点(1,1,1)(图95)。图此,截面的方程为(R+(G)+(B=1。这个截面与三个坐标轴平面的交 线构成一个等边三色形,它被称为色度图( chromaticity diagram)。各个颜色刺激向量都与此 色度图有一交点。因此用色度图就能表示三维空间中的所有颜色,平面上的每一个点代表 种颜色。三刺激空间中坐标为R、G、B颜色刺激向量(或其延长线)与此色度图的交点坐 标为(Eg,b),用空间解析几何,不难求出Eg.b分别为 B R+g+B
184 图 9.4 比色计原理示意图 表达。这一方程在色度学中可写成： (Q) R(R)+G(G) -B(B) 在上述可能具有负值的方程表示的颜色匹配条件下，所有的颜色，包括白黑系列的各种灰色， 各种色调和饱和度的颜色都能由红、绿、蓝三原色按不同的比例相加混合产生。 9.2.2 色度图和色度坐标 通常原色的单位是这样选择的：以某一特定的白光（例如，日光色白光）作为标准，使 红、绿、蓝三原色进行混合直到三原色以适当比例匹配标准白光。这时三原色的亮度值不一 定相等，而我们却把每一原色光的亮度值作为一个单位看待，三者的比例定为 111 的等量 关系。换言之，为了匹配标准白光，三原色的数量 R、G、B（三刺激值）相等，即 R=G=B=1。 用(R)、(G)、(B)三原色的单位向量可定义一个三维空间。颜色刺激(C)可表示为这个三 维空间中的一个以原点为起点的向量（图 9.5）。这个向量对应于空间中坐标为 R、G、B 的 点。这个三维向量空间被称为（R、G、B）三刺激空间。在三刺激空间中向量的方向由三刺 激值之间的比例决定，所以向量的方向表示颜色。向量的幅度表示亮度。这样，在三刺激空 间中方向相同，幅度不同的向量应代表颜色相同，但亮度不同的颜色刺激。但实际上，代表 不同亮度，相同颜色的点在三刺激空间中的轨迹不是直线而是略有偏离，这就是所谓的 Bezold-Brucke 效应。如果忽略不计这样的非线性，就可以在二维空间中表示颜色。为此， 可相对于三个坐标轴对称地取一个截面。此截面通过(R)、(G)、(B)三个坐标轴上的单位向量 点(1, 1, 1)（图 9.5）。图此，截面的方程为(R)+(G)+(B)=1。这个截面与三个坐标轴平面的交 线构成一个等边三色形，它被称为色度图（chromaticity diagram）。各个颜色刺激向量都与此 色度图有一交点。因此用色度图就能表示三维空间中的所有颜色，平面上的每一个点代表一 种颜色。三刺激空间中坐标为 R、G、B 颜色刺激向量（或其延长线）与此色度图的交点坐 标为（r, g, b），用空间解析几何，不难求出 r, g, b 分别为： r R R G B g G R G B b B R G B = + + = + + = + + , , (9-2)
r了Q 【R 1.0 色度平面 R R BEI B 图9.5三刺激空间和色度图 在色度学中我们不直接用三原色数量(即RG,B三刺激值)来表示颜色,而是用三原色各 自在R+B+G总量中的相对比例表示颜色。三原色各自在R+G+B总量中的相对比例叫做色 度坐标。所以上述Egb就是颜色刺激的色度坐标。某一特定颜色刺激(Q的方程可写成: (Q)=r(R)+g(G)+b(B) 例如,匹配标准白光(W)的三原色光的数量RG,B相等,所以标准白光的色度坐标为 r=1+1+1033,g=1+1+/033,b= 1+1+1 所以 (W=0.33(R)+0.33(G)+0.33(B) 由于Pg+b=1,所以在Fg,b三个变量中只需知道其中两个就可以求得第三个变量,也 就是说只需要知道其中两个量,例如r和g就可以表示一种颜色。为此可把上述等边三角形 的色度图投影到(R),(G坐标平面上去,这时可得到一个直角三角形的色度图(图95)。这 样的色度图首先是由马克斯韦( Maxwell)提出来的。因此被称为马克斯韦颜色三角形 角形的三个顶点分别代表(R),(G),(B)三原色。在此三角形色度图中没有b坐标,但它可由 b=1-(r+g)求得。现在国际上正式采用马克斯韦直角三角形作为标准色度图。 923颜色相加原理 根据格拉斯曼颜色混合的代替律,如果有两个颜色刺激,其中第一个颜色刺激可用三原
185 图 9.5 三刺激空间和色度图 在色度学中我们不直接用三原色数量（即 R, G, B 三刺激值）来表示颜色，而是用三原色各 自在 R+B+G 总量中的相对比例表示颜色。三原色各自在 R+G+B 总量中的相对比例叫做色 度坐标。所以上述 r, g, b 就是颜色刺激的色度坐标。某一特定颜色刺激(Q)的方程可写成： (Q)=r(R)+g(G)+b(B) (9-3) 例如，匹配标准白光(W)的三原色光的数量 R, G, B 相等，所以标准白光的色度坐标为： r = g b + + = = + + = = + + = 1 1 1 1 033 1 1 1 1 033 1 1 1 1 . , . , 0.33 所以: (W)=0.33(R)+0.33(G)+0.33(B) 由于 r+g+b=1，所以在 r, g, b 三个变量中只需知道其中两个就可以求得第三个变量，也 就是说只需要知道其中两个量，例如 r 和 g 就可以表示一种颜色。为此可把上述等边三角形 的色度图投影到(R), (G)坐标平面上去，这时可得到一个直角三角形的色度图（图 9.5）。这 样的色度图首先是由马克斯韦（Maxwell）提出来的。因此被称为马克斯韦颜色三角形。三 角形的三个顶点分别代表(R), (G), (B)三原色。在此三角形色度图中没有 b 坐标，但它可由 b=1-(r+g)求得。现在国际上正式采用马克斯韦直角三角形作为标准色度图。 9.2.3 颜色相加原理 根据格拉斯曼颜色混合的代替律，如果有两个颜色刺激，其中第一个颜色刺激可用三原
色光数量R1、G1、B1匹配出来,第二种颜色刺激可用R2、G2、B2匹配出来,第一个颜色刺 激和第二个颜色刺激的相加混合色则可用三原色光数量的各自之和R、G、B匹配出来。即: RERI+R2 G=GI+G2 B=BI+B3 由此可见,混合色的三刺激值分别为各组成色三刺激值各自之和,这称为颜色相加原理。它 不仅适用于两个颜色的相加,而且可以扩展到许多颜色的相加。 设颜色刺激Q的光谱能量分布为包Qdn}(图96)。那么,它可被看作是颜色刺激Q2d2 的相加混合。一个任意光源的三刺激值应等于匹配该光源各波长光谱色的三刺激值 2=2,da (10-3 5c0 20.am 图96颜色刺激光谱能量分布的例子 各自之和。也就是说,如果Q4的三刺激分别为RMλ,Gd,Bd,以及Q的三刺激值为 RG,B,那么 R=∫R 积分在可见光谱的范围内进行,2=380纳米780纳米。对G和B也有类似的公式 对某一光谱的光源来说,用特定的三原色光匹配各个波长的光谱色所需的三剌激比例是 不同的。但是对任何光源来说,匹配同波长光谱色的三刺激值比例都是固定的。只是在改变 光源时,由于光源的光谱功率分布不同,就需要对匹配各个波长光谱色的固定三刺激值分别 乘以不同的因数。由此我们可得一种测量颜色的方法。 当我们选定了三原色光(R,(G(B),并已知颜色视觉正常的人眼用这三原色匹配等能光 谱的各波长光谱色q所需的三刺激值(这些特定的三刺激值分别用、g、b2表示),就 可把它作为标准去计算具有不同光谱功率分布的光源的刺激值。这时只需用待测光的光谱功 率分布按波长对等能光谱的三刺激值加权。因此有 Q=[P292 和 R=|P2d,G=pgdn,B=p:bda (9-6) 设:有两个颜色刺激Q1和O的光谱功率分布分别为{B2B,和{P2an}。如果下述三个 方程成立,那么这两种颜色刺激是完全匹配的
186 色光数量 R1、G1、B1 匹配出来，第二种颜色刺激可用 R2、G2、B2 匹配出来，第一个颜色刺 激和第二个颜色刺激的相加混合色则可用三原色光数量的各自之和 R、G、B 匹配出来。即： R=R1+R2 G=G1+G2 B=B1+B2 由此可见，混合色的三刺激值分别为各组成色三刺激值各自之和，这称为颜色相加原理。它 不仅适用于两个颜色的相加，而且可以扩展到许多颜色的相加。 设颜色刺激 Q 的光谱能量分布为 Qd （图 9.6）。那么，它可被看作是颜色刺激 Qd 的相加混合。一个任意光源的三刺激值应等于匹配该光源各波长光谱色的三刺激值 Q = Q d (10-3) 图 9.6 颜色刺激光谱能量分布的例子 各自之和。也就是说，如果 Qd 的三刺激分别为 Rd, Gd, Bd, 以及 Q 的三刺激值为 R, G, B，那么 R = Rd (9-4) 积分在可见光谱的范围内进行，=380 纳米-780 纳米。对 G 和 B 也有类似的公式。 对某一光谱的光源来说，用特定的三原色光匹配各个波长的光谱色所需的三刺激比例是 不同的。但是对任何光源来说，匹配同波长光谱色的三刺激值比例都是固定的。只是在改变 光源时，由于光源的光谱功率分布不同，就需要对匹配各个波长光谱色的固定三刺激值分别 乘以不同的因数。由此我们可得一种测量颜色的方法。 当我们选定了三原色光(R),(G), (B)，并已知颜色视觉正常的人眼用这三原色匹配等能光 谱的各波长光谱色 q所需的三刺激值（这些特定的三刺激值分别用 r 、 g 、b 表示），就 可把它作为标准去计算具有不同光谱功率分布的光源的刺激值。这时只需用待测光的光谱功 率分布按波长对等能光谱的三刺激值加权。因此有 Q = p q d (9-5) 和 R = p r d G = p g d B = p b d , , (9-6) 设：有两个颜色刺激 Q1 和 Q2 的光谱功率分布分别为 P1d ，和 P2d 。如果下述三个 方程成立，那么这两种颜色刺激是完全匹配的
I Puida= p2iF2da ∫ngd=Jm28d P2b2d=「p2b2d 上式的左面的积分分别为颜色刺激Q1的三刺激值R1,G,B1;右面的积分分别为颜色刺 激的三刺激值R2,G2,B2。如果Q1和Q2具有不同的光谱功率分布,但符合颜色匹配条件, 那么看起来就具有相同的颜色。这时这两种颜色就称为异谱同色( metameric colors)。 924颜色的标定 在电视、电影、印刷等领域,以及理解人眼的颜色视觉机制都需要对颜色进行度量。现 代色度学就是一门对颜色进行测量和标定的学科。狭义地讲,色度学是一种工具,它用于预 测两种光谱功率成分不同的光(视觉刺激),在一定的观察条件下,在颜色上是否能匹配 广义地说,色度学应包括对复杂环境下呈现给观察者的色刺激外貌的测定方法。其中涉及目 前尚未理解的复杂问题。现代色度学采用国际照明委员会( Commission international de I' Clarage)所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法。我们称其为CE标准色度学系 9241CIE色度学系统 外界的光学辐射作用于人的眼睛产生颜色感觉。因此物体的颜色既决定于外界的刺激, 又决定于人眼的视觉特性。颜色的测量和标定应符合人眼的观察结果。然而,不同观察者的 颜色特性多少是有些差异的,这就要求根据许多观察者的颜色视觉实验确定一组为匹配等能 光谱所须的三原色数据,即“标准色度观察者光谱三刺激值”,以此代表人眼的平均颜色视 觉特性用于色度学计算和标定颜色。 Wright和Guld分别进行了用三原色匹配等能光谱上各 种颜色的颜色匹配实验。但 Wright所选用的三原色为:650纳米(红色)、530纳米(绿色) 460纳米(蓝色),而 Guild所选用的三原色为630纳米、542纳米、和460纳米。 如果我们原来选择的三原色系统是RG,B,那么RG,B的线性组合R',G'B',也可以 作为新的三原色。它们两者之间的线性变换关系[A]可表示为: R R 21a22a G (9-8) B B 由于R,G,B是线性独立的,所以A]的行列式|≠0。这样,以这两个原色系统中的某 个系统表示的颜色匹配函数也将是另一个原色系统表示的颜色匹配函数的线性变换。因此 如果我们已知四种特定颜色刺激在这两种原色系统中的色度坐标,那么就可以求出这个线性 变换,从而把一种原色系统表示的色度坐标转换到另一原色系统中的色度坐标。根据上述原 理,Guld把他的和 Wright测得的光谱颜色的色度坐标变换到一个共同的原色系统中去,这 个新系统的三原色波长分别为700纳米、5461纳米和4358纳米,并将三原色的单位调整 到相等数量相加匹配出等能白色(E光源),结果发现他们两个的研究结果很一致。因此 1931年CIE采用两人的平均结果给出匹配等能光谱色的F、、b2光谱三剌激值。光谱 三刺激值曲线如图97所示。这组函数原色R=700纳米G=5461纳米,B=4358纳米等能光 谱白色的色度E(r=g=0.33)叫做1931 CIE-RGB
187 p r d p r d p g d p g d p b d p b d 1 2 1 2 1 2 = = = (9-7) 上式的左面的积分分别为颜色刺激 Q1 的三刺激值 R1, G1, B1；右面的积分分别为颜色刺 激的三刺激值 R2, G2, B2。如果 Q1和 Q2 具有不同的光谱功率分布，但符合颜色匹配条件， 那么看起来就具有相同的颜色。这时这两种颜色就称为异谱同色（metametric colors）。 9.2.4 颜色的标定 在电视、电影、印刷等领域，以及理解人眼的颜色视觉机制都需要对颜色进行度量。现 代色度学就是一门对颜色进行测量和标定的学科。狭义地讲，色度学是一种工具，它用于预 测两种光谱功率成分不同的光（视觉刺激），在一定的观察条件下，在颜色上是否能匹配。 广义地说，色度学应包括对复杂环境下呈现给观察者的色刺激外貌的测定方法。其中涉及目 前尚未理解的复杂问题。现代色度学采用国际照明委员会（Commission International de I’Eclairage）所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法。我们称其为 CIE 标准色度学系 统。 9.2.4.1 CIE 色度学系统 外界的光学辐射作用于人的眼睛产生颜色感觉。因此物体的颜色既决定于外界的刺激， 又决定于人眼的视觉特性。颜色的测量和标定应符合人眼的观察结果。然而，不同观察者的 颜色特性多少是有些差异的，这就要求根据许多观察者的颜色视觉实验确定一组为匹配等能 光谱所须的三原色数据，即“标准色度观察者光谱三刺激值”，以此代表人眼的平均颜色视 觉特性用于色度学计算和标定颜色。Wright 和 Guild 分别进行了用三原色匹配等能光谱上各 种颜色的颜色匹配实验。但 Wright 所选用的三原色为：650 纳米（红色）、530 纳米（绿色）、 460 纳米（蓝色），而 Guild 所选用的三原色为 630 纳米、542 纳米、和 460 纳米。 如果我们原来选择的三原色系统是 R, G, B，那么 R, G, B 的线性组合 R , G ,B ，也可以 作为新的三原色。它们两者之间的线性变换关系[A]可表示为： = = R G B a a a a a a a a a R G B A R G B 11 12 13 21 22 23 31 32 33 (9-8) 由于 R , G ,B 是线性独立的，所以[A]的行列式 A 0 。这样，以这两个原色系统中的某一 个系统表示的颜色匹配函数也将是另一个原色系统表示的颜色匹配函数的线性变换。因此， 如果我们已知四种特定颜色刺激在这两种原色系统中的色度坐标，那么就可以求出这个线性 变换，从而把一种原色系统表示的色度坐标转换到另一原色系统中的色度坐标。根据上述原 理，Guild 把他的和 Wright 测得的光谱颜色的色度坐标变换到一个共同的原色系统中去，这 个新系统的三原色波长分别为 700 纳米、546.1 纳米和 435.8 纳米，并将三原色的单位调整 到相等数量相加匹配出等能白色（E 光源），结果发现他们两个的研究结果很一致。因此， 1931 年 CIE 采用两人的平均结果给出匹配等能光谱色的 r 、 g 、b 光谱三刺激值。光谱 三刺激值曲线如图 9.7 所示。这组函数原色 R=700 纳米, Ｇ=546.1 纳米, B=435.8 纳米等能光 谱白色的色度 E（r=g=0.33）叫做 1931 CIE-RGB