第6章颜色的度量体系 6.1颜色科学简史 62描述颜色的几个术语 621什么是颜色 622色调 623饱和度 624亮度 625颜色空间 6.3颜色的度量体系 6.4 Munsell i颜色系统 6.50 stwald颜色系统 6.6CIE颜色系统 661颜色科学史上的两次重要会议 6.6.2CIE1931RGB 6.63 CIE 1931 XYZ 6.6.4 CIE 1931 xyY 6.6.5 CIE 1960 YUV FI CIE YUV 6.6.6ClE1976LUV 6.6.7CIE1976LAB 66.8 CIELUV LCh FH CIELAB LCI 练习与思考题 参考文献和站点 在开拓颜色科学的历史上,人们付出了巨大的努力,因此才有今天的五彩缤纷的多媒体 世界。颜色是一门很复杂的学科,它涉及到物理学、生物学、心理学和材料学等多种学科。 许多人都同意这种看法,颜色是人的大脑对物体的一种反映,是人的一种感觉,而这种感觉 又是带有极端的主观性,因此用数学方法来描述这种感觉可能是一件很困难的事。现在已经 有许多有关颜色的理论、测量技术和颜色标准,但好像还没有一种人类感知颜色的理论普遍 被接受,因此还需要我们继续努力。 由于颜色科学的历史比较长,随着科学技术的进步,度量颜色的方法也越来越多,而且 也经常遇到使用多个字面上不同的术语来描述同一个颜色特性,初学者(包括笔者)在阅读这 类文献时往往感到比较混乱。根据笔者对文献的理解,本章将人们对颜色的认识和度量等方 面所取得的进步作一些简单的介绍,目的是为读者阅读英文文献提供一些背景材料。由于条 件和时间的限制,对其中的许多事实和观点无法一一加以验证并列出参考文献。 6.1颜色科学简史 在1666年,23岁的 Isaac newton(1642-1727)就开始研究颜色。在光和颜色的实验中, 牛顿认识到了每一种颜色和它相邻颜色之间的关系,把红色和紫色首尾相接就形成了一个 圆,这个圆称为色圆( color circle)或者称为色轮( color wheel),如图6-01所示。人们为纪念他 所作的贡献,把这种颜色圆称为牛顿色圆( Newton color circle)。牛顿色圆为揭示红(red,R)、 绿(gren,G)和蓝(blue,B)相加混色奠定了基础
第 6 章 颜色的度量体系 6.1 颜色科学简史 6.2 描述颜色的几个术语 6.2.1 什么是颜色 6.2.2 色调 6.2.3 饱和度 6.2.4 亮度 6.2.5 颜色空间 6.3 颜色的度量体系 6.4 Munsell 颜色系统 6.5 Ostwald 颜色系统 6.6 CIE 颜色系统 6.6.1 颜色科学史上的两次重要会议 6.6.2 CIE 1931 RGB 6.6.3 CIE 1931 XYZ 6.6.4 CIE 1931 xyY 6.6.5 CIE 1960 YUV 和 CIE YU'V' 6.6.6 CIE 1976 LUV 6.6.7 CIE 1976 LAB 6.6.8 CIELUV LCh 和 CIELAB LCh 练习与思考题 参考文献和站点 在开拓颜色科学的历史上，人们付出了巨大的努力，因此才有今天的五彩缤纷的多媒体 世界。颜色是一门很复杂的学科，它涉及到物理学、生物学、心理学和材料学等多种学科。 许多人都同意这种看法，颜色是人的大脑对物体的一种反映，是人的一种感觉，而这种感觉 又是带有极端的主观性，因此用数学方法来描述这种感觉可能是一件很困难的事。现在已经 有许多有关颜色的理论、测量技术和颜色标准，但好像还没有一种人类感知颜色的理论普遍 被接受，因此还需要我们继续努力。 由于颜色科学的历史比较长，随着科学技术的进步，度量颜色的方法也越来越多，而且 也经常遇到使用多个字面上不同的术语来描述同一个颜色特性，初学者(包括笔者)在阅读这 类文献时往往感到比较混乱。根据笔者对文献的理解，本章将人们对颜色的认识和度量等方 面所取得的进步作一些简单的介绍，目的是为读者阅读英文文献提供一些背景材料。由于条 件和时间的限制，对其中的许多事实和观点无法一一加以验证并列出参考文献。 6.1 颜色科学简史 在 1666 年，23 岁的 Isaac Newton(1642-1727)就开始研究颜色。在光和颜色的实验中， 牛顿认识到了每一种颜色和它相邻颜色之间的关系，把红色和紫色首尾相接就形成了一个 圆，这个圆称为色圆(color circle)或者称为色轮(color wheel)，如图 6-01 所示。人们为纪念他 所作的贡献，把这种颜色圆称为牛顿色圆(Newton color circle)。牛顿色圆为揭示红(red, R)、 绿(green, G)和蓝(blue, B)相加混色奠定了基础
6章颜色的度量体系 图6-01牛顿色圆 牛顿发明的颜色圆是度量颜色的一种方法。牛顿颜色圆用圆周表示色调,圆的半径表 饱和度,它可方便地用来概括相加混色的性质。例如,RGB是相加基色,而它们的互补色 是C,MY,图6-01显示了它们之间的关系。通过实验,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 在1802年, Thomas Young(1773-1829)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。19世纪60年代, Maxwell. James Clerk (1831-1879)探索了三种基色的关系,并且认识到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。他认识到彩色表面的色调和饱和度对眼 睛的敏感度比明度低。 Maxwell I的工作可被认为是现代色度学的基础 人们发现 Young的看法非常重要。根据这种看法,使用三种基色相加可产生范围很宽 的颜色。其后, Hermann von helmholtz(1821-1894)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。 在20世纪20年代,人们对科学家们提出的理论进行了详细的实验。实验表明,红、绿 和蓝相加混色的确能够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 长构成的颜色),尤其是在绿色范围里。后来已经发现,如果加入一定量的红光,所有颜色 都可以呈现,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 在1931年,国际照明委员会( Commission internationale de l'clairage/ International Commission on illumination,CIE)定义标准颜色体系时,规定所有的激励值应该为正值,并 且都应该使用x和y两个颜色坐标表示所有可见的颜色。现在大家熟悉的CIE色度图(CE chromaticity diagram)就是用xy平面表示的马蹄形曲线,它为大多数定量的颜色度量方法奠 定了基础。 长期以来,眼睛中的不同锥体对颜色的吸收性能一直是一种猜想,直到1965年前后人 们才做详细的生理学实验进行验证。实验的结果验证了 Thomas Young的假设,在眼睛中的 确存在三种不同类型的锥体 62描述颜色的几个术语 62.1什么是颜色 从物理学角度来说,人们认为颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果,感知到的颜色 由光波的频率决定。光波是一种具有一定频率范围的电磁辐射,其波长覆盖的范围很广。电 磁辐射中只有一小部分能够引起眼睛的兴奋而被感觉,其波长在380~780m的范围里。眼
第 6 章 颜色的度量体系 2 图 6-01 牛顿色圆 牛顿发明的颜色圆是度量颜色的一种方法。牛顿颜色圆用圆周表示色调，圆的半径表示 饱和度，它可方便地用来概括相加混色的性质。例如，R,G,B 是相加基色，而它们的互补色 是 C,M,Y, 图 6-01 显示了它们之间的关系。通过实验，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。 在 1802 年，Thomas Young(1773–1829)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。19 世纪 60 年代，Maxwell, James Clerk (1831–1879)探索了三种基色的关系，并且认识到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。他认识到彩色表面的色调和饱和度对眼 睛的敏感度比明度低。Maxwell 的工作可被认为是现代色度学的基础。 人们发现 Young 的看法非常重要。根据这种看法，使用三种基色相加可产生范围很宽 的颜色。其后，Hermann von Helmholtz(1821-1894)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。 在 20 世纪 20 年代，人们对科学家们提出的理论进行了详细的实验。实验表明，红、绿 和蓝相加混色的确能够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 长构成的颜色)，尤其是在绿色范围里。后来已经发现，如果加入一定量的红光，所有颜色 都可以呈现，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。 在 1931 年，国际照明委员会(Commission Internationale de l'clairage / International Commission on Illumination ，CIE)定义标准颜色体系时，规定所有的激励值应该为正值，并 且都应该使用 x 和 y 两个颜色坐标表示所有可见的颜色。现在大家熟悉的 CIE 色度图(CIE chromaticity diagram)就是用 xy 平面表示的马蹄形曲线，它为大多数定量的颜色度量方法奠 定了基础。 长期以来，眼睛中的不同锥体对颜色的吸收性能一直是一种猜想，直到 1965 年前后人 们才做详细的生理学实验进行验证。实验的结果验证了 Thomas Young 的假设，在眼睛中的 确存在三种不同类型的锥体。 6.2 描述颜色的几个术语 6.2.1 什么是颜色 从物理学角度来说，人们认为颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色 由光波的频率决定。光波是一种具有一定频率范围的电磁辐射，其波长覆盖的范围很广。电 磁辐射中只有一小部分能够引起眼睛的兴奋而被感觉，其波长在 380～780 nm 的范围里。眼
6章颜色的度量体系 睛感知到的颜色和波长之间的对应关系如图6-02所示。纯颜色通常使用光的波长来定义, 用波长定义的颜色叫做光谱色( spectral colors)。人们已经发现,用不同波长的光进行组合时 可以产生相同的颜色感觉。 虽然人们可以通过光谱功率分布来精确地描述颜色,也就是用每一种波长的功率(占总 功率的一部分)在可见光谱中的分布来描述,但因为眼睛对颜色的采样仅用相应于红、绿和 蓝三种锥体细胞,因此这种描述方法就产生了很大冗余。这些锥体细胞采样得到的信号通过 大脑产生不同颜色的感觉,这些感觉由国际照明委员会(CIE)作了定义,用颜色的三个特性 来区分颜色。这些特性是色调,饱和度和明度,它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性 …y射珐x射续紫外红外… 可见光谐 吉绿簧橙 频率较低 图6-02光谱色 622色调 色调(hue)又称为色相,指颜色的外观,用于区别颜色的名称或颜色的种类。色调是视 觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉。对颜色的感觉实际上就是视觉系统对可见物体辐射或 者发射的光波波长的感觉。这种感觉就是与红、绿和蓝三种颜色中的哪一种颜色相似,或者 与它们组合的颜色相似。色调取决于可见光谱中的光波的频率,它是最容易把颜色区分开的 种属性 色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。苹果是红色的,这“红色”便 是一种色调,它与颜色明暗无关。色调的种类很多,如果要仔细分析,可有1000万种以上, 但普通颜色专业人士可辨认出的颜色大约可达300~400百种。黑、灰、白则为无色彩 色调有一个自然次序:红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫(red, orange, yellow,gren, cyan,blue, indigo, violet, ROYGBIV)。在这个次序中,当人们混合相邻颜色时,可以获 得在这两种颜色之间连续变化的色调。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,但它们的色调不同如图6-03所示 用于描述感知色调的一个术语是色彩( colorfulness)色彩是视觉系统对一个区域呈现的 色调多少的感觉,例如,是浅蓝还是深蓝的感觉
第 6 章 颜色的度量体系 3 睛感知到的颜色和波长之间的对应关系如图 6－02 所示。纯颜色通常使用光的波长来定义， 用波长定义的颜色叫做光谱色(spectral colors)。人们已经发现，用不同波长的光进行组合时 可以产生相同的颜色感觉。 虽然人们可以通过光谱功率分布来精确地描述颜色，也就是用每一种波长的功率(占总 功率的一部分)在可见光谱中的分布来描述，但因为眼睛对颜色的采样仅用相应于红、绿和 蓝三种锥体细胞，因此这种描述方法就产生了很大冗余。这些锥体细胞采样得到的信号通过 大脑产生不同颜色的感觉，这些感觉由国际照明委员会(CIE)作了定义，用颜色的三个特性 来区分颜色。这些特性是色调，饱和度和明度，它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性。 图 6-02 光谱色 6.2.2 色调 色调(hue)又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。色调是视 觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉。对颜色的感觉实际上就是视觉系统对可见物体辐射或 者发射的光波波长的感觉。这种感觉就是与红、绿和蓝三种颜色中的哪一种颜色相似，或者 与它们组合的颜色相似。色调取决于可见光谱中的光波的频率，它是最容易把颜色区分开的 一种属性。 色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。苹果是红色的，这“红色”便 是一种色调，它与颜色明暗无关。色调的种类很多，如果要仔细分析，可有 1 000 万种以上， 但普通颜色专业人士可辨认出的颜色大约可达 300～400 百种。黑、灰、白则为无色彩。 色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫(red，orange, yellow，green， cyan，blue，indigo，violet，ROYGBIV)。在这个次序中，当人们混合相邻颜色时，可以获 得在这两种颜色之间连续变化的色调。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,如图 6-03 所示。 用于描述感知色调的一个术语是色彩(colorfulness)。色彩是视觉系统对一个区域呈现的 色调多少的感觉，例如，是浅蓝还是深蓝的感觉
6章颜色的度量体系 白 色调 红 该图可以不用 图6-03色调表示法 623饱和度 饱和度( saturation)是相对于明度的一个区域的色彩,是指颜色的纯洁性,它可用来区别 颜色明暗的程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时,就说颜色愈不饱和。完全饱和的颜色 是指没有渗入白光所呈现的颜。例如,仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。饱 和度在颜色圆上用半径表示,如图6-04(a)所示。沿径向方向上的不同颜色具有相同的色调 和明度,但它们的饱和度不同。例如,在图6-04(b)所示的七种颜色,它们具有相同的色调 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。 品红 (a)半径表示法 (b)示例 图6-04饱和度表示法 在英文文献中,有一个叫做“ chroma”的术语,这个术语有时也指“ saturation(饱和度)”。 例如在 Munsell颜色制中,就是用“ saturation”代替“ chroma”。在中文科技术语中,“ chroma” “ chromaticity”和“ chrominance”都被译成“色度”—一—色彩的浓度。在CIE文献(CIE45-25-225) 中,“ chroma”定义为视觉的感知属性,用于衡量呈现的纯颜色的量,而不管非彩色的量 624亮度 在许多中文书籍和英汉词典工具书中, brightness,, lightness和 luminance都被翻译成“亮 度”。在英文科技文献中,这些术语是有差别的。为了反映它们所表达的不同含义,在本教 材中分别用“明度”表示 brightness,用“亮度”表示 luminance,用“光亮度”表示 lightness 1.明度 根据国际照明委员会的定义,明度( brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少 的感知属性。例如,一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比白炽光下亮。虽然明度的主观感觉
第 6 章 颜色的度量体系 4 该图可以不用 图 6-03 色调表示法 6.2.3 饱和度 饱和度(saturation)是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁性，它可用来区别 颜色明暗的程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时，就说颜色愈不饱和。完全饱和的颜色 是指没有渗入白光所呈现的颜。例如，仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。饱 和度在颜色圆上用半径表示，如图 6-04(a)所示。沿径向方向上的不同颜色具有相同的色调 和明度，但它们的饱和度不同 。例如，在图 6-04(b)所示的七种颜色，它们具有相同的色调 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 6-04 饱和度表示法 在英文文献中，有一个叫做“chroma”的术语，这个术语有时也指“saturation(饱和度)”。 例如在 Munsell 颜色制中，就是用“saturation”代替“chroma”。在中文科技术语中，“chroma”， “chromaticity”和“chrominance”都被译成“色度”——色彩的浓度。在 CIE 文献(CIE 45-25-225) 中，“chroma”定义为视觉的感知属性，用于衡量呈现的纯颜色的量，而不管非彩色的量。 6.2.4 亮度 在许多中文书籍和英汉词典工具书中，brightness，lightness 和 luminance 都被翻译成“亮 度”。在英文科技文献中，这些术语是有差别的。为了反映它们所表达的不同含义，在本教 材中分别用“明度”表示 brightness，用“亮度”表示 luminance，用“光亮度”表示 lightness。 1. 明度 根据国际照明委员会的定义，明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少 的感知属性。例如，一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比白炽光下亮。虽然明度的主观感觉
6章颜色的度量体系 值目前还无法用物理设备来测量,但可以用亮度( luminance)即辐射的能量来度量。颜色中的 明度分量不同于颜色即色调(hue),也不同于饱和度( saturation)即颜色的强度( Intensity 有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率。由于感知的明度与反射率不是成正比,而 认为是一种对数关系,因此在颜色度量系统中使用一个数值范围例如,0~10)来表示明度。 明度的一个极端是黑色(没有光),另一个极端是白色,在这两个极端之间是灰色 在许多颜色系统中,明度常用垂直轴表示,如图6-05(a)所示。例如,在图6-05(b)所示 的七种颜色它们具有相同的色调和饱和度,但它们的明度不同,底部的明度最小,顶部的 明度最大。 ○●●●● 品红 黑色≡0明度 (a)垂直轴表示法(b)示例 图6-05明度表示法 2.亮度 如前所述,明度( brightness9是视觉系统对可见物体发光多少的感知属性,它和人的感知 有关。由于明度很难度量,因此国际照明委员会定义了一个比较容易度量的物理量,称为亮 度( luminance)。根据国际照明委员会的定义,亮度是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55sm处达到了峰值,它的幅度与物理功率成正比。 从这个意义上说,可以认为“亮度就像光的强度”。在英文科技文献中,光的强度用“ Intensity 表示,但在许多中文工具书和科技文献中把“ Intensity”和“ luminance”都翻译成“亮度”, 这是我们在阅读文献时需要注意的地方。在 CIE XYZ系统中,亮度用Y表示。亮度的值是 可度量的,它用单位面积上反射或者发射的光的强度表示。 顺便指出,明度和亮度的关系不是线性关系,它们不是同义词。此外,严格地说,亮度 应该使用像烛光/平方米(cdm2)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80cdm2的白光作参考,并指定 3.光亮度 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。CIE把L*定义为亮度的立方根: L*=116×Y/n-16(X/X)>0008856) L*=9033×yY/Yn(Y/y)≤0008565) 其中,y是 CIE XYZ系统中定义的亮度,n是参考白色光的亮度。光亮度用作颜色空间的
第 6 章 颜色的度量体系 5 值目前还无法用物理设备来测量，但可以用亮度(luminance)即辐射的能量来度量。颜色中的 明度分量不同于颜色即色调(hue)，也不同于饱和度(saturation)即颜色的强度(intensity)。 有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率。由于感知的明度与反射率不是成正比，而 认为是一种对数关系，因此在颜色度量系统中使用一个数值范围(例如，0～10)来表示明度。 明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色。 在许多颜色系统中，明度常用垂直轴表示，如图 6-05(a)所示。例如，在图 6-05(b)所示 的七种颜色,它们具有相同的色调和饱和度，但它们的明度不同，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 6-05 明度表示法 2. 亮度 如前所述，明度(brightness)是视觉系统对可见物体发光多少的感知属性，它和人的感知 有关。由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比较容易度量的物理量，称为亮 度(luminance)。根据国际照明委员会的定义,亮度是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。 从这个意义上说，可以认为“亮度就像光的强度”。在英文科技文献中，光的强度用“intensity” 表示，但在许多中文工具书和科技文献中把“intensity”和“luminance”都翻译成“亮度”， 这是我们在阅读文献时需要注意的地方。在 CIE XYZ 系统中，亮度用 Y 表示。亮度的值是 可度量的，它用单位面积上反射或者发射的光的强度表示。 顺便指出，明度和亮度的关系不是线性关系，它们不是同义词。此外，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。 3. 光亮度 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。CIE 把 L * 定义为亮度的立方根： L* =1163 Y /Yn −16 ( ( / ) 0.008856 Y Y n ) * 903.3 / 3 L Y Y = n ( (Y /Yn ) 0.008856 ) 其中， Y 是 CIE XYZ 系统中定义的亮度， Yn 是参考白色光的亮度。光亮度用作颜色空间的
6章颜色的度量体系 一个维,而明度( brightness则仅限用于发光体该术语用来描述反射表面或者透射表面。有人 认为,对计算机显示器显示的颜色,除使用明度( brightness)之外,也可使用光亮度( lightness) 这个术语来描述,其理由是虽然监视器是发射光的物体,但显示的颜色是相对于监视器的白 光而言的 625颜色空间 颜色空间是表示颜色的一种数学方法,人们用它来指定和产生颜色,使颜色形象化。对 于人来说,可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色:对于显示设备来说,人们使用红、绿 和蓝磷光体的发光量来描述颜色:对于打印或者印刷设备来说,人们使用青色、品红色、黄 色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色。因此,颜色空间通常用三维模型表示,空间中的 颜色能够看到或者使用颜色模型产生。颜色空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标 来指定,这些参数描述的是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。 为说明颜色空间的概念,图6-06表示使用色调、饱和度和明度构造的一种颜色空间 叫做 HSB(hue, saturation and brightness颜色空间。色调用角度来标定,通常红色标为0°,青 色标为180°:在径向方向上饱和度的深浅用离开中心线的距离表示;明度用垂直轴表示。 现在,人们已经构造了各种各样的颜色空间,以适应不同的应用场合。例如,颜色空间的大 小和类型有限制的颜色空间,主要用于某些设备:感觉上是线性的某些颜色空间;感觉上是 非线性的颜色空间,例如,在计算机图形中使用的颜色空间。在已经使用的颜色空间中,某 些颜色空间使用起来很直观,某些颜色空间很抽象,使用户很糊涂 白 饱和度 里 图6-06色调-饱和度-明度颜色空间 颜色空间有设备相关和设备无关之分。设备相关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜 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。设备无关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色与生成颜 色的设备无关,例如,CIEL*a+b*颜色空间就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
第 6 章 颜色的度量体系 6 一个维，而明度(brightness)则仅限用于发光体,该术语用来描述反射表面或者透射表面。有人 认为，对计算机显示器显示的颜色，除使用明度(brightness)之外，也可使用光亮度(lightness) 这个术语来描述，其理由是虽然监视器是发射光的物体，但显示的颜色是相对于监视器的白 光而言的。 6.2.5 颜色空间 颜色空间是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定和产生颜色，使颜色形象化。对 于人来说，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色；对于显示设备来说，人们使用红、绿 和蓝磷光体的发光量来描述颜色；对于打印或者印刷设备来说，人们使用青色、品红色、黄 色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色。因此，颜色空间通常用三维模型表示，空间中的 颜色能够看到或者使用颜色模型产生。颜色空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标 来指定，这些参数描述的是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。 为说明颜色空间的概念，图 6-06 表示使用色调、饱和度和明度构造的一种颜色空间， 叫做 HSB(hue, saturation and brightness)颜色空间。色调用角度来标定，通常红色标为 0 o ,青 色标为 180o；在径向方向上饱和度的深浅用离开中心线的距离表示；明度用垂直轴表示。 现在，人们已经构造了各种各样的颜色空间，以适应不同的应用场合。例如，颜色空间的大 小和类型有限制的颜色空间，主要用于某些设备；感觉上是线性的某些颜色空间；感觉上是 非线性的颜色空间，例如，在计算机图形中使用的颜色空间。在已经使用的颜色空间中，某 些颜色空间使用起来很直观，某些颜色空间很抽象，使用户很糊涂。 图 6-06 色调-饱和度-明度颜色空间 颜色空间有设备相关和设备无关之分。设备相关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜 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。设备无关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色与生成颜 色的设备无关，例如，CIE L*a*b*颜色空间就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
6章颜色的度量体系 63颜色的度量体系 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。但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 颜色常用像色调、饱和度和明度这样的参数来刻画。自从牛顿颜色圆发明之后,发明了 许多详细描述颜色和对颜色进行排列编号的方法。用色调、明度值和色度来定义和排列颜色 就导致了曼塞尔系统( Munsell system)的产生,用波长、纯度和亮度映射色调、饱和度和明度 就导致了 Ostwald系统( Ostwald system)的出现,以及后来出现的CE颜色系统( CIE color system),如图6-07所示 颜色度量体系( color system),也叫做颜色制或者叫做颜色体制,实际上就是人们组织 和表示颜色的方法。由于许多中文科技文献习惯于把“ color system”翻译成“颜色系统”, 因此,本教材也采用这个名称。到目前为止,组织和表示颜色的方法主要有两种:一种叫做 颜色模型( color model),另一种方法叫做编目系统( cataloging system)。颜色模型是用简单方 法描述所有颜色的一套规则和定义。颜色空间是颜色模型最普通的例子,RGB,HSB,CMY CIE XYZ, CIELAB,CMYK和颜色的光谱描述方法都是颜色模型。事实上,“颜色空间” 和“颜色模型”是两个同义词。编目系统是给每一种颜色分配一个唯一的名称或者一个号码 例如,Mune颜色系统( Munsell color system), Pantone公司开发的 Pantone颜色系统,也叫 Pantone颜色匹配系统( Pantone Matching System,PMS)等都是属于编目系统。 Pantone是在 图形艺术和印刷技术中使用的一种颜色匹配系统。该系统包含有500多种印墨颜色,每种颜 色都指定了一个号码。某些计算机图形软件允许颜色使用 Pantone号码,尽管计算机显示器 仅能近似地显示其中的某些颜色,但软件可输出每种 Pantone颜色,因此可精确地打印出所 希望的颜色。 紫外光VI|B|Gr 红外光 绿 G: gre 可见光 B:blue(蓝) I: Indigo(靛) V: viole 牛顿颜色圆 图6-07颜色的度量方法 64 Munsel颜色系统 Albert H. Munsel(1858-1919)是美国杰出的一位艺术家和教授,是1905年发表的著名 论文 Color notation(颜色表示法)和1915年发表的著名论文 Atlas of the Munsell Color System (Mnse颜色制图谱)的作者。他开发了第一个广泛被接受的颜色次序制( color order system)
第 6 章 颜色的度量体系 7 6.3 颜色的度量体系 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。但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。 颜色常用像色调、饱和度和明度这样的参数来刻画。自从牛顿颜色圆发明之后，发明了 许多详细描述颜色和对颜色进行排列编号的方法。用色调、明度值和色度来定义和排列颜色 就导致了曼塞尔系统(Munsell system)的产生，用波长、纯度和亮度映射色调、饱和度和明度 就导致了 Ostwald 系统(Ostwald system)的出现，以及后来出现的 CIE 颜色系统(CIE color system)，如图 6-07 所示。 颜色度量体系(color system)，也叫做颜色制或者叫做颜色体制， 实际上就是人们组织 和表示颜色的方法。由于许多中文科技文献习惯于把“color system”翻译成“颜色系统”， 因此，本教材也采用这个名称。到目前为止，组织和表示颜色的方法主要有两种：一种叫做 颜色模型(color model)，另一种方法叫做编目系统(cataloging system)。颜色模型是用简单方 法描述所有颜色的一套规则和定义。颜色空间是颜色模型最普通的例子，RGB, HSB, CMY, CIE XYZ, CIELAB，CMYK 和颜色的光谱描述方法都是颜色模型。事实上，“颜色空间” 和“颜色模型”是两个同义词。编目系统是给每一种颜色分配一个唯一的名称或者一个号码。 例如，Munsell 颜色系统(Munsell color system)，Pantone 公司开发的 Pantone 颜色系统，也叫 Pantone 颜色匹配系统(Pantone Matching System ，PMS)等都是属于编目系统。Pantone 是在 图形艺术和印刷技术中使用的一种颜色匹配系统。该系统包含有 500 多种印墨颜色，每种颜 色都指定了一个号码。某些计算机图形软件允许颜色使用 Pantone 号码，尽管计算机显示器 仅能近似地显示其中的某些颜色，但软件可输出每种 Pantone 颜色，因此可精确地打印出所 希望的颜色。 图 6-07 颜色的度量方法 6.4 Munsell 颜色系统 Albert H. Munsell (1858-1919) 是美国杰出的一位艺术家和教授，是 1905 年发表的著名 论文 Color Notation (颜色表示法)和 1915 年发表的著名论文 Atlas of the Munsell Color System (Munsell 颜色制图谱)的作者。他开发了第一个广泛被接受的颜色次序制(color order system)
6章颜色的度量体系 人们把它称为 Munsell color- order system或者叫 Munsell color system,对颜色作了精确的描 述并用在他的教学中。 Munsell颜色次序制也是其他颜色系统的基础。 Munsel颜色系统是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)这三种属性。 Munsell i对这三种属性建立了一个与 视觉感知特性相一致的数值范围。 Munsell i颜色簿( Munsell book of color)显示了在这些数值 范围内的一套色块,每个色块用数值表示。在合适的照明和观看条件下,任何表面的颜色都 可以同这套色块进行比较,从而确定它是属于什么颜色。 1905年提出并在1943年修改的 Munsell颜色系统使用色调、饱和度和和明度表示颜色 的三种属性,如图6-08(b所示。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6-08a)所示。在主色调之间插入红一黄、黄一绿、绿一蓝 蓝一紫,紫一红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者叫纯度的色度( 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5R414,其中5R是色调,4是明度值,而14是色度。 (a)色调 (b)颜色属性 图6-08 Munsell颜色系统 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 这样就可以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 种颜色都有一个指定的位置。 这个系统仍然广泛使用,但也有人认为 Munsell颜色系统对图像数据不是很有用。 6.50 stwald颜色系统 德国化学家 Wilhelm Ostwald(1853-1932)在1916年出版了 The Colour prime(颜色入 ),1918年出版了 The Harmony of colours(颜色的融合)。 Ostwald制是根据对颜色起决定
第 6 章 颜色的度量体系 8 人们把它称为 Munsell color-order system 或者叫 Munsell color system，对颜色作了精确的描 述并用在他的教学中。Munsell 颜色次序制也是其他颜色系统的基础。 Munsell 颜色系统是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)这三种属性。Munsell 对这三种属性建立了一个与 视觉感知特性相一致的数值范围。Munsell 颜色簿(Munsell Book of Color)显示了在这些数值 范围内的一套色块，每个色块用数值表示。在合适的照明和观看条件下，任何表面的颜色都 可以同这套色块进行比较，从而确定它是属于什么颜色。 1905 年提出并在 1943 年修改的 Munsell 颜色系统使用色调、饱和度和和明度表示颜色 的三种属性,如图 6-08(b)所示。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 6-08(a)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者叫纯度的色度(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。 (a) 色调 (b) 颜色属性 图 6-08 Munsell 颜色系统 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。 这样就可以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。 这个系统仍然广泛使用，但也有人认为 Munsell 颜色系统对图像数据不是很有用。 6.5 Ostwald 颜色系统 德国化学家 Wilhelm Ostwald (1853-1932)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 制是根据对颜色起决定
6章颜色的度量体系 作用的波长、纯度和亮度来映射色调、饱和度和明度的值。 Ostwald假设色调有8种主色调 组成,分别是黄色( 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 如图6-09所示的色圆上。 Ostwald制使用垂直轴表示亮度,从黑色、灰色到白色 。叶绿|黄 白色 n海绿 橙 黑色/全彩色 (a)色调 (b)盘色度计 图6-09 Ostwald色圆和颜色表示法 这些参数的数值通过一个盘色度计( disc colorimeter)来产生,如图6-09(b所示。 Ostwald 颜色空间中的点用C( full color), w(white)和B( black)来分别表示全色、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,后来逐渐被 American Munsell和 Swedish Natural Colour制所 淘汰。其原因是 Ostwald值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。 6.6CIE颜色系统 6.6.1颜色科学史上的两次重要会议 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 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,尽管各自都工作很圆满,而且很直观,但不能通用 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。1931年9月,国际照明委员会在英国的剑桥市召开了具有 历史意义的大会。会议所取得的主要成果包含 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) 定义了标准光源( Standard illuminants):用于比较颜色的光源规范。 定义了 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 定义了 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
第 6 章 颜色的度量体系 9 作用的波长、纯度和亮度来映射色调、饱和度和明度的值。Ostwald 假设色调有 8 种主色调 组成，分别是黄色(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 如图 6-09 所示的色圆上。Ostwald 制使用垂直轴表示亮度，从黑色、灰色到白色。 (a) 色调 (b) 盘色度计 图 6-09 Ostwald 色圆和颜色表示法 这些参数的数值通过一个盘色度计(disc colorimeter)来产生，如图 6-09(b)所示。Ostwald 颜色空间中的点用 C(full color)，W(white)和 B(black)来分别表示全色、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，后来逐渐被 American Munsell 和 Swedish Natural Colour 制所 淘汰。其原因是 Ostwald 值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。 6.6 CIE 颜色系统 6.6.1 颜色科学史上的两次重要会议 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，尽管各自都工作很圆满，而且很直观，但不能通用。 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。1931 年 9 月，国际照明委员会在英国的剑桥市召开了具有 历史意义的大会。会议所取得的主要成果包含： ➢ 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)。 ➢ 定义了标准光源(Standard Illuminants)：用于比较颜色的光源规范。 ➢ 定义了 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。 ➢ 定义了 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
6章颜色的度量体系 定义了CIE色度图( CIE chromaticity diagram):容易看到颜色之间关系的一种图。 其后,国际照明委员会的专家们对该系统做了许多改进,包括1964年根据10视野的 实验数据,添加了补充标准观察者( Supplementary Standard Observer)的定义 1976年国际照明委员会召开了一次又具有历史意义的会议。1931的C系统规范使用 三基色刺激值和色度图描述颜色空间,为用户提供了描述和编排颜色次序的能力,并且证明 是有用的。随着科学研究的深入和技术的发展,许多人认为该系统存在两个问题: 第一,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 第二,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,专家们对CIE1931XYZ系统进行了非线性变换, 制定了CIE1976Lab'颜色空间的规范。事实上,1976年ClE规定了两种颜色空间,一种 是用于自照明的颜色空间,叫做 CIELUV,另一种是用于非自照明的颜色空间,叫做CIE1976 La'b,或者叫 CIELAB。这两个颜色空间与颜色的感知更均匀,并且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△E表示两种颜色之差。 CIE XYZ是国际照明委员会在1931年开发并在1964修订的CIE颜色系统( CIE Color System),该系统是其他颜色系统的基础。它使用相应于红、绿和蓝三种颜色作为三种基色 而所有其他颜色都从这三种颜色中导出。通过相加混色或者相减混色,任何色调都可以使用 不同量的基色产生。虽然大多数人可能一辈子都不直接使用这个系统,只有颜色科学家或者 某些计算机程序中使用,但了解它对开发新的颜色系统、编写或者使用与颜色相关的应用程 序都是有用的。 6.6.2 CIE 1931 RGB 按照三基色原理,颜色实际上也是物理量,人们对物理量就可以进行计算和度量。根据 这个原理就产生了用红、绿和蓝单光谱基色匹配所有可见颜色的想法,并且做了许多实验 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6-10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F,g和b三基色刺激值,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 6 章 颜色的度量体系 10 ➢ 定义了 CIE 色度图(CIE chromaticity diagram)：容易看到颜色之间关系的一种图。 其后，国际照明委员会的专家们对该系统做了许多改进，包括 1964 年根据 10 视野的 实验数据，添加了补充标准观察者(Supplementary Standard Observer)的定义。 1976 年国际照明委员会召开了一次又具有历史意义的会议。1931 的 CIE 系统规范使用 三基色刺激值和色度图描述颜色空间，为用户提供了描述和编排颜色次序的能力，并且证明 是有用的。随着科学研究的深入和技术的发展，许多人认为该系统存在两个问题： 第一，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。 第二，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，专家们对 CIE 1931 XYZ 系统进行了非线性变换， 制定了 CIE 1976 L * a *b *颜色空间的规范。事实上，1976 年 CIE 规定了两种颜色空间，一种 是用于自照明的颜色空间，叫做 CIELUV，另一种是用于非自照明的颜色空间，叫做 CIE 1976 L * a *b *，或者叫 CIELAB。这两个颜色空间与颜色的感知更均匀，并且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。 CIE XYZ 是国际照明委员会在 1931 年开发并在 1964 修订的 CIE 颜色系统(CIE Color System)，该系统是其他颜色系统的基础。它使用相应于红、绿和蓝三种颜色作为三种基色， 而所有其他颜色都从这三种颜色中导出。通过相加混色或者相减混色，任何色调都可以使用 不同量的基色产生。虽然大多数人可能一辈子都不直接使用这个系统，只有颜色科学家或者 某些计算机程序中使用，但了解它对开发新的颜色系统、编写或者使用与颜色相关的应用程 序都是有用的。 6.6.2 CIE 1931 RGB 按照三基色原理，颜色实际上也是物理量，人们对物理量就可以进行计算和度量。根据 这个原理就产生了用红、绿和蓝单光谱基色匹配所有可见颜色的想法，并且做了许多实验。 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 6-10 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 g r , 和 b 三基色刺激值，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