目录 第3章影色基本原理.………1 S3.1光与色觉.…1 3.11可见光与色彩 312视微 3 3.1.3颜色视觉 ..5 S3.2颜色的光学合成..7 3.2.1颜色合成的基本原理 3.2.2颜色匹配方程. 8 3.2.3颜色光学合成的方法. .9 S3.3颜色的表示与度量方法................11 3.3.1孟塞尔颜色系统 .11 33.2CIE标准色度学系统 .13
目 录 第 3 章 彩色基本原理.......................... 1 §3.1 光与色觉 ................................... 1 3.1.1 可见光与色彩................................................................................................ 1 3.1.2 视觉.............................................................................................................. 3 3.1.3 颜色视觉....................................................................................................... 5 §3.2 颜色的光学合成 .............................. 7 3.2.1 颜色合成的基本原理..................................................................................... 7 3.2.2 颜色匹配方程................................................................................................ 8 3.2.3 颜色光学合成的方法..................................................................................... 9 §3.3 颜色的表示与度量方法 ........................ 11 3.3.1 孟塞尔颜色系统...........................................................................................11 3.3.2 CIE 标准色度学系统................................................................................... 13
第3章彩色基本原理 现代遥感技术尽管可以在不同的空间高度，用各种探测方法获得目标物的信息资料， 但最终都是以影像的形式提供给用户。那么影像上的色调是怎样产生的，人眼又是如何感 觉到这些色彩的，以及进行各种光学、数据图像处理的原理是什么？为解释这些问题，我们 介绍一些彩色的基本知识。 §3.1光与色觉 3.1.1可见光与色彩 1可见光 电磁辐射中能引起视觉反映的一定波长范围的波段称为可见光谱或可见辐射，简称光， 其波长范围一般为0.38μm~0.76μm。来自外界的可见辐射刺激人的视觉器官，在大脑 中产生光、颜色、形状等视觉现象，而获得对外界的认识。 色彩是可见光作用到人眼里，并刺激了色觉神经而产生的一种主观感觉。可见光的波 长不同，产生的色觉不同，如0.7μm为红色、0.58μm为黄色、0.51um为绿色、0.47u 为蓝色。可见光是不同波长可见辐射的混合，其颜色决定于进入人眼的可见光谱不同波 长辐射的相对功率分布。 可见光在一定条件下可以进行分解，最常用的分解方式是棱镜色散，其原理是电磁波 由一种介质进入另一种介质时产生折射，不同波长折射系数不同。色散结果，光被分解成 各种色光。不能被棱镜再分解的、单一波长的光叫单色光，也叫光谱色。它仅表现为一种 颜色。自然界中的单色光很少，多数情况是各种色光的混合，人眼能感觉到的七种色光的 波长范围如表31所示。 表3-1各国可见光谱划分标准 中 颜色 紫蓝一青绿黄橙红 波长（μm) 0.38-0.455-0.492-0.577-0.597-0.622-0.78 英 颜色 紫蓝蓝绿绿黄黄红浅红红深红 美 波长(um)0.38-0.41-0.48-0.52-0.55-0.58-0.62-0.66-0.72-0.78 颜色 固波长（μm) 0.40-0.43-0.47-0.49-0.55-0.59-0.64-0.72 2物体的颜色 根据物体发射电磁辐射的辐射通量密度，我们可以把物体分成发光体和非发光体两大
1 第 3 章 彩色基本原理 现代遥感技术尽管可以在不同的空间高度，用各种探测方法获得目标物的信息资料， 但最终都是以影像的形式提供给用户。那么影像上的色调是怎样产生的，人眼又是如何感 觉到这些色彩的，以及进行各种光学、数据图像处理的原理是什么?为解释这些问题，我们 介绍一些彩色的基本知识。 §3.1 光与色觉 3.1.1 可见光与色彩 1 可见光 电磁辐射中能引起视觉反映的一定波长范围的波段称为可见光谱或可见辐射，简称光， 其波长范围一般为 0.38μｍ～0.76μｍ。来自外界的可见辐射刺激人的视觉器官，在大脑 中产生光、颜色、形状等视觉现象，而获得对外界的认识。 色彩是可见光作用到人眼里，并刺激了色觉神经而产生的一种主观感觉。可见光的波 长不同，产生的色觉不同，如 0.7μｍ为红色、0.58μｍ为黄色、0.51μｍ为绿色、0.47μ ｍ为蓝色。可见光是不同波长可见辐射的混合，其颜色决定于进入人眼的可见光谱不同波 长辐射的相对功率分布。 可见光在一定条件下可以进行分解，最常用的分解方式是棱镜色散，其原理是电磁波 由一种介质进入另一种介质时产生折射，不同波长折射系数不同。色散结果，光被分解成 各种色光。不能被棱镜再分解的、单一波长的光叫单色光，也叫光谱色。它仅表现为一种 颜色。自然界中的单色光很少，多数情况是各种色光的混合，人眼能感觉到的七种色光的 波长范围如表 3-1 所示。 表 3-1 各国可见光谱划分标准 中 国 颜 色 紫 蓝—青 绿 黄 橙 红 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 波长（μm） 0.38—0.455—0.492—0.577—0.597—0.622—0.78 英 美 颜 色 紫 蓝 蓝绿 绿 黄 黄红 浅红 红 深红 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 波长 0.38—0.41—0.48—0.52—0.55—0.58—0.62—0.66—0.72—0.78 (μｍ) 俄 国 颜 色 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 波长 0.40—0.43—0.47—0.49—0.55—0.59—0.64—0.72 (μm) 2 物体的颜色 根据物体发射电磁辐射的辐射通量密度，我们可以把物体分成发光体和非发光体两大
类。发光体的颜色由它所发出的可见辐射的波长而定，非发光体的颜色则取决于它们对可 见光所固有的吸收、反射和透射性能。光源发出的光照射到非发光体上时，由于物体的表 面特性和内部组成不同，其对各种波长单色光的吸收、反射以及透射的多少也不同，被物 体反射出来的色光混合起来就构成了该物体所呈现的颜色。一般根据物体的吸收和反射情 况，将所有物体分为两类，彩色物体和消色物体。 (1)消色物体 消色物体也称非彩色物体，它对入射的白光没有分解能力，呈无选择吸收和反射，当 吸收少，反射多时呈白色：吸收多反射少时呈黑色，中间状态时为各种灰色。它们可以从 白到黑组成一个系列，称为灰阶，一般分为10级，如表3-2所示。 表3-2灰阶系列 灰阶10 98 76 543 2 1 吸收率 0-10% 10-20%20-30%30-40% 40-50% 50-60% 60-70% 70-80% 090% -100% 反射率 p=1-a100-90% 90-80%80-70%70-60%60-50% 50-40% 40-30% 30-20% 20-10%10-0% 色调白灰白淡灰浅灰灰暗灰深灰淡黑浅黑黑 实际上，消色物体的反射光在成分上与入射光完全一样，只是强度有所改变，在视觉 上就是明度的变化。愈接近白色，明度愈高，愈接近黑色，明度愈低。 (2)彩绝物体 彩色物体对入射的白光有分解能力，呈选择性吸收和反射。这时的反射光与入射光相 比，不仅在强度上减弱，而且光谱成分也改变了，即反射光变成了与入射光各波段辐射强 度比例不同的色光，结果使物体呈现出色彩。例如，在阳光下，植物主要反射了可见光中 的绿色光，吸收了其余部分色光，本身呈现绿色：沙漠大量反映黄色光，呈现黄色：海水 反射蓝色光，呈现蓝色。 上述彩色感觉是由于物体选择性吸收和反射入射光而引起的，因此，光源的颜色色光 成分)势必对物体颜色有很大影响。例如，青草在白光下呈绿色，但在钠光灯下不呈现绿色， 因为钠光成分中没有绿色光可以被其反射。所以我们可以说，物体对入射光具有确定的吸 收与反射特性，但没有固定的颜色，物体的颜色是随入射光的成分不同而变化的，光源的 色光成分不同，同一物体可呈现出不同的颜色。因此，只有在测准遥感时光源的光谱成分 的条件下，同时测量出各种不同地物的反射光谱特性时，彩色信息才具有确定的意义。 3彩色的特性 要确切地描述一种彩色，需要从色别、饱和度和明度三个特性方面进行，所以它们又 称彩色的三要素
2 类。发光体的颜色由它所发出的可见辐射的波长而定，非发光体的颜色则取决于它们对可 见光所固有的吸收、反射和透射性能。光源发出的光照射到非发光体上时，由于物体的表 面特性和内部组成不同，其对各种波长单色光的吸收、反射以及透射的多少也不同，被物 体反射出来的色光混合起来就构成了该物体所呈现的颜色。一般根据物体的吸收和反射情 况，将所有物体分为两类，彩色物体和消色物体。 (1)消色物体 消色物体也称非彩色物体，它对入射的白光没有分解能力，呈无选择吸收和反射，当 吸收少，反射多时呈白色；吸收多反射少时呈黑色，中间状态时为各种灰色。它们可以从 白到黑组成一个系列，称为灰阶，一般分为 10 级，如表 3-2 所示。 表 3-2 灰阶系列 灰阶 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 吸收率 α 0-10% 10-20% 20-30% 30-40% 40-50% 50-60% 60-70% 70-80% 80-90% 90-100% 反射率 ρ=1-α 100-90% 90-80% 80-70% 70-60% 60-50% 50-40% 40-30% 30-20% 20-10% 10-0% 色调 白 灰白 淡灰 浅灰 灰 暗灰 深灰 淡黑 浅黑 黑 实际上，消色物体的反射光在成分上与入射光完全一样，只是强度有所改变，在视觉 上就是明度的变化。愈接近白色，明度愈高，愈接近黑色，明度愈低。 (2)彩色物体 彩色物体对入射的白光有分解能力，呈选择性吸收和反射。这时的反射光与入射光相 比，不仅在强度上减弱，而且光谱成分也改变了，即反射光变成了与入射光各波段辐射强 度比例不同的色光，结果使物体呈现出色彩。例如，在阳光下，植物主要反射了可见光中 的绿色光，吸收了其余部分色光，本身呈现绿色；沙漠大量反映黄色光，呈现黄色；海水 反射蓝色光，呈现蓝色。 上述彩色感觉是由于物体选择性吸收和反射入射光而引起的，因此，光源的颜色(色光 成分)势必对物体颜色有很大影响。例如，青草在白光下呈绿色，但在钠光灯下不呈现绿色， 因为钠光成分中没有绿色光可以被其反射。所以我们可以说，物体对入射光具有确定的吸 收与反射特性，但没有固定的颜色，物体的颜色是随入射光的成分不同而变化的，光源的 色光成分不同，同一物体可呈现出不同的颜色。因此，只有在测准遥感时光源的光谱成分 的条件下，同时测量出各种不同地物的反射光谱特性时，彩色信息才具有确定的意义。 3 彩色的特性 要确切地描述一种彩色，需要从色别、饱和度和明度三个特性方面进行，所以它们又 称彩色的三要素
(1)色别(Hue) 色别也叫色调，指彩色的类别，是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱中不同波长的 辐射，在视觉上表现为各种色调，一般将红、黄、绿、青、蓝、紫红六种颜色定为基本的 色别一一标准色。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉：物体的色调 则决定于光源的光谱组成及其强度，物体表面所反射或透射的各波长辐射的比例及其主波 长对人眼所产生的感觉。例如某物体对可见光的长波辐射有较强的反射，而吸收了大部分 580nm以下的短波辐射，该物体表现为红色。人眼能分辨出的色别约有100多种， (2)饱和度(Chroma) 饱和度是指彩色的纯洁性，它表示一种彩色的浓淡程度。一般来讲，色彩越鲜艳，饱 和度越大：反之，饱和度低。可见光谱中各种光谱色是最饱和的彩色。饱和度的变化是随 光谱色中混入白光的比例多少而定的，光谱色中掺入的白光越多，就愈不饱和。本质上 物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。物体对光谱某一较窄波段 的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，这 一颜色的饱和度就高。越饱和的颜色越与灰色不相同。 (2)明度Value) 明度是指颜色的明暗程度，它决定于发光体的辐射强度和物体表面对光反射率的高低。 反射率愈高，它的明度就愈高。对不同的色别，由于其反射率不同，人跟对其敏戒情况不 同，因此表现为不同的明度。如黄褐色物体表面在光谱的各波长上都比红色物体反射更多 的辐射，因而对人眼产生更高的亮度，所以比红色物体有更高的明度。 非彩色只有明度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。 3.1.2视觉 1视觉的生理基础 (1)眼睛的构造 人的眼睛是一个前后直径大径23mm的似近球状体，由眼球内容物和眼球壁构成， 如图31所示。 ①)表球壁眼球壁由三层组成：最外层 脉络膜 是角膜和巩膜，其主要作用是收集光线，保 睫状肌 护眼球。中层包括虹膜、睫状体和脉络膜， 作用是吸收杂散光线，调节瞳孔和品体。内 层包括视网膜和神经内段，视网膜是眼球的 感觉部分，为一透明薄膜，其中有视觉感光 细胞 一维体细胞与杆体细胞。在视网膜中 央有一锥体细胞特别密集的区域称黄斑，黄 前房 虹 巩膜 状液 图3-1人眼的构造
3 图 3-1 人眼的构造 睫状肌 脉络膜 角膜 视轴 巩膜 玻璃状液体 虹膜 前房 视网膜 水晶体 视网膜 中央窝 盲点 视神经 (1)色别(Hue) 色别也叫色调，指彩色的类别，是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱中不同波长的 辐射，在视觉上表现为各种色调，一般将红、黄、绿、青、蓝、紫红六种颜色定为基本的 色别 —— 标准色。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉；物体的色调 则决定于光源的光谱组成及其强度，物体表面所反射或透射的各波长辐射的比例及其主波 长对人眼所产生的感觉。例如某物体对可见光的长波辐射有较强的反射，而吸收了大部分 580ｎｍ以下的短波辐射，该物体表现为红色。人眼能分辨出的色别约有 100 多种。 (2)饱和度(Chroma) 饱和度是指彩色的纯洁性，它表示一种彩色的浓淡程度。一般来讲，色彩越鲜艳，饱 和度越大；反之，饱和度低。可见光谱中各种光谱色是最饱和的彩色。饱和度的变化是随 光谱色中混入白光的比例多少而定的，光谱色中掺入的白光越多，就愈不饱和。本质上， 物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。物体对光谱某一较窄波段 的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，这 一颜色的饱和度就高。越饱和的颜色越与灰色不相同。 (2)明度(Value) 明度是指颜色的明暗程度，它决定于发光体的辐射强度和物体表面对光反射率的高低。 反射率愈高，它的明度就愈高。对不同的色别，由于其反射率不同，人眼对其敏感情况不 同，因此表现为不同的明度。如黄褐色物体表面在光谱的各波长上都比红色物体反射更多 的辐射，因而对人眼产生更高的亮度，所以比红色物体有更高的明度。 非彩色只有明度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。 3.1.2 视觉 1 视觉的生理基础 (1)眼睛的构造 人的眼睛是一个前后直径大径２３ｍｍ的似近球状体，由眼球内容物和眼球壁构成， 如图 3-1 所示。 ①眼球壁 眼球壁由三层组成：最外层 是角膜和巩膜，其主要作用是收集光线，保 护眼球。中层包括虹膜、睫状体和脉络膜， 作用是吸收杂散光线，调节瞳孔和晶体。内 层包括视网膜和神经内段，视网膜是眼球的 感觉部分，为一透明薄膜，其中有视觉感光 细胞——锥体细胞与杆体细胞。在视网膜中 央有一锥体细胞特别密集的区域称黄斑，黄
斑中央有一小凹，叫中央窝。视网膜神经纤维从四周向黄斑一侧汇集成一园盘状，叫视神 经乳头（官点），视神经纤维由视神经乳头穿过脉络膜和巩膜壁而成为视神经 ②眼球内容物眼球内容物包括晶体、房水和玻璃体，它们都是曲光介质。晶体是 扁球形的弹性透明体，位于玻璃体与虹膜之间，睫状肌的收缩可改变晶体的屈光能力，使 外界的对象能在视网膜上形成清楚的影像。角膜和品体之间是前房，虹膜和品体之间是后 房，其内部都充填着房水。玻璃体在晶体后，视网膜前，占眼球内容物的4/5，是一种 胶状的透明体。 (2)视网膜像的形成 当眼睛注视外界物体时，由物体发出的光线通过角膜、房水、晶体及玻璃体，使物像 聚焦在视网膜上。视网膜的感光细胞接受光刺激，转化为神经冲动，经视神经到丘脑的外 侧膝状体，再传导到大脑枕叶皮层的高级视觉中枢，就产生了物体大小、形状和颜色的感 觉。视网膜成像的基本原理相似于诱镜成像，如图32所示。 人的视觉能看清不同距离的物体， 由于眼睛调节机制的作用。眼睛的调节机 制是依据所看到的物体的远近，增大和减 小晶体的曲率，以使不同距离的物体在视 网膜上形成清晰的影像。 图3-2物体AB在视网膜上的成像 2视觉现象 (1)明视觉与暗视觉 视网膜上的不同细胞执行着不同的视觉 功能，在光亮条件下，锥体细胞能够分辨颜 色和物体的细节，杆体细胞只在较暗条件下 起作用，适宜于微光视觉，不能分辨颜色和 细节。即视觉有两重功能，明视觉和暗视觉。 人对不同波长的可见光的感受性是不同 的，同样功率的辐射在不同的光谱段表现为 不同的明亮程度，通常用光诣效幸函数V(λ) 米表示，如图3-3。V(入)代表波长入的单色 辐射所引起的明亮感觉的程度。 V(λ)=Φx=/中， (3-1) 式中Φ、和中，分别为波长入m和λ的辐射 量。(21)式表达的意思是：波长λ的单色 绿 黄橙红 辐射的光谱光效率V(λ)是在特定的光度条 蓝长《 件下，当波长m和波长入的单色光的明亮 图3-3明视觉与暗视觉的光谱光效率 感觉相等时，二者辐射量之比。入m是产生 相同明亮感觉时所需辐射量最小的波长
4 斑中央有一小凹，叫中央窝。视网膜神经纤维从四周向黄斑一侧汇集成一园盘状，叫视神 经乳头(盲点)，视神经纤维由视神经乳头穿过脉络膜和巩膜壁而成为视神经。 ②眼球内容物 眼球内容物包括晶体、房水和玻璃体，它们都是曲光介质。晶体是一 扁球形的弹性透明体，位于玻璃体与虹膜之间，睫状肌的收缩可改变晶体的屈光能力，使 外界的对象能在视网膜上形成清楚的影像。角膜和晶体之间是前房，虹膜和晶体之间是后 房，其内部都充填着房水。玻璃体在晶体后，视网膜前，占眼球内容物的４／５，是一种 胶状的透明体。 (2)视网膜像的形成 当眼睛注视外界物体时，由物体发出的光线通过角膜、房水、晶体及玻璃体，使物像 聚焦在视网膜上。视网膜的感光细胞接受光刺激，转化为神经冲动，经视神经到丘脑的外 侧膝状体，再传导到大脑枕叶皮层的高级视觉中枢，就产生了物体大小、形状和颜色的感 觉。视网膜成像的基本原理相似于透镜成像，如图 3-2 所示。 人的视觉能看清不同距离的物体，是 由于眼睛调节机制的作用。眼睛的调节机 制是依据所看到的物体的远近，增大和减 小晶体的曲率，以使不同距离的物体在视 网膜上形成清晰的影像。 2 视觉现象 (1)明视觉与暗视觉 视网膜上的不同细胞执行着不同的视觉 功能，在光亮条件下，锥体细胞能够分辨颜 色和物体的细节，杆体细胞只在较暗条件下 起作用，适宜于微光视觉，不能分辨颜色和 细节。即视觉有两重功能，明视觉和暗视觉。 人对不同波长的可见光的感受性是不同 的，同样功率的辐射在不同的光谱段表现为 不同的明亮程度，通常用光谱效率函数 V(λ) 来表示，如图 3-3。V(λ)代表波长λ的单色 辐射所引起的明亮感觉的程度。 V(λ)＝Φλｍ／Φλ (3-1) 式中Φλｍ和Φλ分别为波长λm 和λ的辐射 量。（2-1）式表达的意思是：波长λ的单色 辐射的光谱光效率 V(λ)是在特定的光度条 件下，当波长λm 和波长λ的单色光的明亮 感觉相等时，二者辐射量之比。λm 是产生 相同明亮感觉时所需辐射量最小的波长。 图 3-2 物体ＡＢ在视网膜上的成像 图 3-3 明视觉与暗视觉的光谱光效率
(2)暗适应 在黑暗中视觉感受性逐步增强的过程叫做暗适应。当照明条件改变时，眼睛可以通过 一定的生理过程对光的强度进行适应，以获得清晰的视觉。人由光亮地方转到黑暗地方时 起初视觉感受性很低，然后逐渐提高，提高的速度开始较快，后期变慢，暗适应的全过程 约40分钟。 陪话应句括两种生理时程：魔用大小的变化及视网膜感光化学物质的变化。暗孔的变 化范围很有限，为2~8mm,暗适应的主要生理机制是视觉二重功能的作用，即黑暗中 由中央视觉转为边缘视觉的结果。 3.1.3颜色视觉 1颜色视觉现象 (1)辨色区域 由于视网膜中央和边缘部位的结构不同，中央视觉主要是锥体细胞起作用，边缘视觉 主要是杆体细胞起作用，所以视网膜不同区域的颜色感受性也有所不同。具有正常视觉的 人的视网膜中央能分辨各种颜色，这一区域称颜色区。由中央向外围过渡，锥体细胞减少 杆体细胞增多，对颜色的分辨能力逐渐减弱，直到对颜色的感觉消失，先丧失红、绿色的 感受性，视觉呈红绿色盲，形成红绿盲区，然后丧失蓝、黄色的感受性，而成为全色盲区， 在盲区只有明暗感受，领色被看成不同明暗的灰色 (2)颜色辨认 颜色视觉正常的人在光亮条件下能感受到可见光谱的各种颜色，从长波到短波的顺序 是红(700nm)、橙(620nm)、黄(5800nm)、绿(5100nm)、蓝(470nm)、紫(420nm),在 两个相邻颜色之中间还有许多中间色。我们看到的颜色和波长的关系并不总是完全固定的， 随着光强的变化而变化，如图3-4所示。总的规律是：光谱上除了三点，黄(572nm)、绿 (⑤03nm)和蓝(478nm)是不变颜色之外，其它颜色在光强度增加时，都略向红色或蓝色 变化。此外对颜色的辨别能力在不同波谱段也不相同。 不变颜色点 2000 膜照度 4000 675 60 625 600 575 550525 500 475450 波长(nm 图3-4各种波长的恒定颜色线
5 (2)暗适应 在黑暗中视觉感受性逐步增强的过程叫做暗适应。当照明条件改变时，眼睛可以通过 一定的生理过程对光的强度进行适应，以获得清晰的视觉。人由光亮地方转到黑暗地方时， 起初视觉感受性很低，然后逐渐提高，提高的速度开始较快，后期变慢，暗适应的全过程 约 40 分钟。 暗适应包括两种生理过程：瞳孔大小的变化及视网膜感光化学物质的变化。瞳孔的变 化范围很有限，为２～８ｍｍ，暗适应的主要生理机制是视觉二重功能的作用，即黑暗中 由中央视觉转为边缘视觉的结果。 3.1.3 颜色视觉 1 颜色视觉现象 (1)辨色区域 由于视网膜中央和边缘部位的结构不同，中央视觉主要是锥体细胞起作用，边缘视觉 主要是杆体细胞起作用，所以视网膜不同区域的颜色感受性也有所不同。具有正常视觉的 人的视网膜中央能分辨各种颜色，这一区域称颜色区。由中央向外围过渡，锥体细胞减少， 杆体细胞增多，对颜色的分辨能力逐渐减弱，直到对颜色的感觉消失，先丧失红、绿色的 感受性，视觉呈红绿色盲，形成红绿盲区，然后丧失蓝、黄色的感受性，而成为全色盲区， 在盲区只有明暗感受，颜色被看成不同明暗的灰色。 (2)颜色辨认 颜色视觉正常的人在光亮条件下能感受到可见光谱的各种颜色，从长波到短波的顺序 是红(700 nm)、橙(620 nm)、黄(5800 nm)、绿(5100 nm)、蓝(470 nm)、紫(420 nm)，在 两个相邻颜色之中间还有许多中间色。我们看到的颜色和波长的关系并不总是完全固定的， 随着光强的变化而变化，如图 3-4 所示。总的规律是：光谱上除了三点，黄(572ｎｍ)、绿 (503ｎｍ)和蓝(478ｎｍ)是不变颜色之外，其它颜色在光强度增加时，都略向红色或蓝色 变化。此外对颜色的辨别能力在不同波谱段也不相同。 不变颜色点 图 3-4 各种波长的恒定颜色线 视 网 膜 照 度 （ 楚 兰 德 ） 黄 波长（nm） 绿 蓝 2000 1000 4000 100 20 10
(3)颜色对比和颜色适应 在视场中，相邻区域不同颜色的互相影响叫做颜色对比，每一颜色都在其周围诱导出 其补色。如果在一块颜色背景上放置另一颜色，两颜色互相影响，使一颜色的色调向另 颜色的补色方向变化。 人跟在颜色刺激的作用下所造成的颜色视觉变化，叫颜色适应。对某一颜色光适应以 后再观察另一颜色时，后者会发生变化，而带有适应光的补色成分。一般对某一颜色光适 应后，再观察其它颜色，则其它颜色的明度和饱和度都会降低。 2颜色视觉理论 解释眼睛具有颜色视觉的理论有两大类：一个是杨一赫姆霍尔兹的三色学说，另一个 是赫林的“对立”颜色学说，前者从颜色混合的物理学规律出发，后者从视觉现象出发。 (1)三色学说 三色学说根据红、绿、蓝三原色可以产生各种色调及灰色的颜色混合规律，假设在视 网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉，光作用于视网膜上 能同时引起三种纤维的兴奋，但是光谱的不同波长引起三种纤维不同比例的兴奋。三种纤 难不同程度的同时活动就产生相应的色觉（如图3-5）。 三色学说的最大优战性是能充分说明各种颜色的混合顶象，用简明的三种神经纤维的 假设，使颜色实践中颜色混合这一核心问题得到满意的解释，构成现代色度学的基础。这个 学说的最大问题是不能满意地解释色盲现象。 (2)对拉颜色学说 对立颜色学说也叫四色学说，它是根据眼睛观察到的颜色总以红一绿、黄一蓝、黑 白成对关系产生的现象，假定视网膜中有三对视素：白一黑视素、红一绿视素、黄一蓝视 素，这三对视素的代谢作用包括建设（同化）和破坏（异化）两种对立的过程。光刺激破坏白一 黑视素，引起神经冲动产生白色感觉：无光刺激时白一黑视素便重新建设起来，所引起的 冲动便产生黑色感觉。对红一绿视素，红光起破坏作用，绿光起建设作用。对黄一蓝视素， 黄光起破坏作用，蓝光起建设作用。三种视素的对立过程的组合产生各种颜色的混合现象 四色学说能对色盲现象作出很好的解释，但是对三原色能够产生光谱一切颜色这一现象没 有予以说明。 10 a m
6 (3)颜色对比和颜色适应 在视场中，相邻区域不同颜色的互相影响叫做颜色对比，每一颜色都在其周围诱导出 其补色。如果在一块颜色背景上放置另一颜色，两颜色互相影响，使一颜色的色调向另一 颜色的补色方向变化。 人眼在颜色刺激的作用下所造成的颜色视觉变化，叫颜色适应。对某一颜色光适应以 后再观察另一颜色时，后者会发生变化，而带有适应光的补色成分。一般对某一颜色光适 应后，再观察其它颜色，则其它颜色的明度和饱和度都会降低。 2 颜色视觉理论 解释眼睛具有颜色视觉的理论有两大类：一个是杨～赫姆霍尔兹的三色学说，另一个 是赫林的“对立”颜色学说，前者从颜色混合的物理学规律出发，后者从视觉现象出发。 (1)三色学说 三色学说根据红、绿、蓝三原色可以产生各种色调及灰色的颜色混合规律，假设在视 网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉，光作用于视网膜上 能同时引起三种纤维的兴奋，但是光谱的不同波长引起三种纤维不同比例的兴奋。三种纤 维不同程度的同时活动就产生相应的色觉(如图 3-5)。 三色学说的最大优越性是能充分说明各种颜色的混合现象，用简明的三种神经纤维的 假设,使颜色实践中颜色混合这一核心问题得到满意的解释，构成现代色度学的基础。这个 学说的最大问题是不能满意地解释色盲现象。 (2)对立颜色学说 对立颜色学说也叫四色学说，它是根据眼睛观察到的颜色总以红—绿、黄—蓝、黑— 白成对关系产生的现象，假定视网膜中有三对视素：白—黑视素、红—绿视素、黄—蓝视 素，这三对视素的代谢作用包括建设(同化)和破坏(异化)两种对立的过程。光刺激破坏白— 黑视素，引起神经冲动产生白色感觉；无光刺激时白—黑视素便重新建设起来，所引起的 冲动便产生黑色感觉。对红—绿视素，红光起破坏作用，绿光起建设作用。对黄—蓝视素， 黄光起破坏作用，蓝光起建设作用。三种视素的对立过程的组合产生各种颜色的混合现象。 四色学说能对色盲现象作出很好的解释，但是对三原色能够产生光谱一切颜色这一现象没 有予以说明。 光 谱 效 率 （ ％ ） 夜 昼 波长（μｍ）
图35人眼的视觉光谱 图3-6颜色视觉机制示意图 (3)现代颜色视觉理论 三色学说和对立颜色学说虽然都有一定的科学道理，但也存在明显不足，对一些色觉 现象和混色规律无法做出合理的解释。现代色度学理论认为：视网膜上的锥体细胞分为三 种感色单元，每种单元的细胞具有不同的光普量感特性，有洗择地吸收光普不同波长的辐 射，它们分别对红色、绿色和蓝色敏感，同时又可单独产生白和黑的反应（第1阶段，三色 学说)。在神经兴奋由锥体细胞向视觉中枢的传导过程中，这三种反应又重新组合，结果形 成三对对立性的神经反应，即红或绿、黄或蓝、白或黑反应（第2阶段，四色学说）。最后 在大脑皮层中枢进行合成，产生颜色感觉，如图2-6，这也叫阶段论学说。 §3.2颜色的光学合成 3.2.1颜色合成的基本原理 1三基色原理 颜色的光学合成是建立在三基色原理上的。根据色觉理论，光谱相同的光引起相同的 色觉，而光谱不同的光，也能引起相同的色觉，光和色有单一的对应关系，反之色和光没 有相应的对应关系。实验证明，只存在三种独立的色，其它色都可由它们匹配出来，这三 种色被称为三基色或三原色。反过来说，任何一种颜色都可以分解为三基色或三原色 三基色的选择不是唯一的，条件是三个基色中的任何一个不能由其余两个相加混合出 来：用它们合成颜色方法简单、稳定，合成的颜色较多。现在三基色一般选择红色、绿色 蓝色，CIE规定：红基色光(R)波长0.7μm,绿基色光(G)波长0.5461μm,蓝基色光(B) 波长0.4358μm。 2格拉斯曼定律 颜色合成有两种方式：色光混合和染料混合。格拉斯曼在1854年根据色光混合现象总 结成颜色混合定律： ①人的视觉只能分辩颜色的三种变化，色别、饱和度和明度。 ②在由两个颜色组合成的混合色中，如果一个色的成分连续地变化，混合色的外貌也 连续地变化。由此导出两个定律： 补色律：以适当比例混合后能产生白色或灰色的两种色互为补色，每一种颜色都有 个补色，互为补色的颜色如果按其比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。 间色律：任何两个非补色相混合，便产生中间色（间色），其色调决定于两色的相对数 量，饱和度决定于两者在色调顺序上的距离，距离近饱和度高，距离远饱和度低。 ③色貌相同的光，在颜色混合中具有相同的效果，即在视觉上相同的颜色都是等效的 由此导出颜色的代替律。 代替律：相似色混合后仍然相似，如颜色A=颜色B,颜色C=颜色D,则颜色A十 颜色C=颜色B十颜色D。代替律表明，只要在视觉上颜色是相似的，便可以互相代替， 7
7 图 3-5 人眼的视觉光谱 图 3-6 颜色视觉机制示意图 (3)现代颜色视觉理论 三色学说和对立颜色学说虽然都有一定的科学道理，但也存在明显不足，对一些色觉 现象和混色规律无法做出合理的解释。现代色度学理论认为：视网膜上的锥体细胞分为三 种感色单元，每种单元的细胞具有不同的光谱敏感特性，有选择地吸收光谱不同波长的辐 射，它们分别对红色、绿色和蓝色敏感，同时又可单独产生白和黑的反应(第 1 阶段，三色 学说)。在神经兴奋由锥体细胞向视觉中枢的传导过程中，这三种反应又重新组合，结果形 成三对对立性的神经反应，即红或绿、黄或蓝、白或黑反应(第 2 阶段，四色学说)。最后 在大脑皮层中枢进行合成，产生颜色感觉，如图 2-6，这也叫阶段论学说。 §3.2 颜色的光学合成 3.2.1 颜色合成的基本原理 1 三基色原理 颜色的光学合成是建立在三基色原理上的。根据色觉理论，光谱相同的光引起相同的 色觉，而光谱不同的光，也能引起相同的色觉，光和色有单一的对应关系，反之色和光没 有相应的对应关系。实验证明，只存在三种独立的色，其它色都可由它们匹配出来，这三 种色被称为三基色或三原色。反过来说，任何一种颜色都可以分解为三基色或三原色。 三基色的选择不是唯一的，条件是三个基色中的任何一个不能由其余两个相加混合出 来；用它们合成颜色方法简单、稳定，合成的颜色较多。现在三基色一般选择红色、绿色、 蓝色，CIE 规定：红基色光(R)波长 0.7μｍ，绿基色光(G)波长 0.5461μｍ，蓝基色光(B) 波长 0.4358μｍ。 2 格拉斯曼定律 颜色合成有两种方式：色光混合和染料混合。格拉斯曼在 1854 年根据色光混合现象总 结成颜色混合定律： ①人的视觉只能分辩颜色的三种变化，色别、饱和度和明度。 ②在由两个颜色组合成的混合色中，如果一个色的成分连续地变化，混合色的外貌也 连续地变化。由此导出两个定律： 补色律：以适当比例混合后能产生白色或灰色的两种色互为补色，每一种颜色都有一 个补色，互为补色的颜色如果按其比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。 间色律：任何两个非补色相混合，便产生中间色(间色)，其色调决定于两色的相对数 量，饱和度决定于两者在色调顺序上的距离，距离近饱和度高，距离远饱和度低。 ③色貌相同的光，在颜色混合中具有相同的效果，即在视觉上相同的颜色都是等效的， 由此导出颜色的代替律。 代替律：相似色混合后仍然相似，如颜色Ａ＝颜色Ｂ，颜色Ｃ＝颜色Ｄ，则颜色Ａ＋ 颜色Ｃ＝颜色Ｂ＋颜色Ｄ。代替律表明，只要在视觉上颜色是相似的，便可以互相代替
所得的视觉效果是同样的。 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，该定律是一条 非常重要的定律，现代色度学就是建立在此基础上的。 ④混合色的亮度等于组成混合色的各颜色光亮度的总和一亮度相加定律， 上述格拉斯曼颜色混合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。 3.2.2颜色匹配方程 任何一种颜色除了用三特性表示外，还可用三基色含量描述，根据格拉斯曼颜色混合 定律，三基色的数量可通过颜色匹配实验准确决定。所谓颜色匹配是指把两个颜色调到视 觉上相同或相等的方法。 1颜色匹配实验 配色实验是通过三基色相加混合的方法，改变一个或两个基色的色调，饱和度和明度 三特性，使二者达到匹配。实验常用下面两种方式进行（如图3-7,8所示）。 图3-7是利用颜色转盘进行颜色混合来实现颜色匹配的示意图。颜色转盘由几块不同 颜色的圆盘做成，通常用红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色和一种黑色，其中黑扇面的 作用是改变红、绿、蓝三色扇形面积的比例，以及调节明度。当转盘快速旋转时，眼睛便 看到一个混合色。把被匹配的颜色(H)放在转盘的中心部位，把四色扇面放在转盘的外围， 调节三颜色的比例，就可以使外围的混合色与中心的颜色看起来相似。这时就实现了颜色 匹配。配色实验中，为了匹配某一特定颜色所需的三原色数量叫做“三刺激值”。 B. 图37颜色转盘配色实验 图3-8颜色光的匹配实验 比较精密的配色实验是用颜色光实现的，图3-8是颜色光配色实验示意图，用三基色 照射在白色屏幕的同一位置上，光线经过屏幕的反射达到混合，混合后的光线作用到视网 膜上便产生一个新的颜色。如同时投射一个被匹配的特定色光于屏幕的另一侧，则调节 基色光的强度比例，便可产生看起来与被匹配色光相同的颜色。如果待配色很饱和，用三 基色（光）匹配不成，此时可将一种基色（光）加到被匹配的色（光）上，而用另两种基色（光） 进行匹配，当调节到适当比例时，便可达到颜色的匹配。 需要注意的是，在上述颜色光的匹配实验中，由三原色合成的颜色的光谱组成与被匹 8
8 所得的视觉效果是同样的。 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，该定律是一条 非常重要的定律，现代色度学就是建立在此基础上的。 ④混合色的亮度等于组成混合色的各颜色光亮度的总和—亮度相加定律。 上述格拉斯曼颜色混合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。 3.2.2 颜色匹配方程 任何一种颜色除了用三特性表示外，还可用三基色含量描述，根据格拉斯曼颜色混合 定律，三基色的数量可通过颜色匹配实验准确决定。所谓颜色匹配是指把两个颜色调到视 觉上相同或相等的方法。 1 颜色匹配实验 配色实验是通过三基色相加混合的方法，改变一个或两个基色的色调，饱和度和明度 三特性，使二者达到匹配。实验常用下面两种方式进行（如图 3-7，8 所示）。 图 3-7 是利用颜色转盘进行颜色混合来实现颜色匹配的示意图。颜色转盘由几块不同 颜色的圆盘做成，通常用红(Ｒ)、绿(Ｇ)、蓝（Ｂ）三种颜色和一种黑色，其中黑扇面的 作用是改变红、绿、蓝三色扇形面积的比例，以及调节明度。当转盘快速旋转时，眼睛便 看到一个混合色。把被匹配的颜色(Ｈ)放在转盘的中心部位，把四色扇面放在转盘的外围， 调节三颜色的比例，就可以使外围的混合色与中心的颜色看起来相似。这时就实现了颜色 匹配。配色实验中，为了匹配某一特定颜色所需的三原色数量叫做“三刺激值”。 图 3-7 颜色转盘配色实验 图 3-8 颜色光的匹配实验 比较精密的配色实验是用颜色光实现的，图 3-8 是颜色光配色实验示意图，用三基色 照射在白色屏幕的同一位置上，光线经过屏幕的反射达到混合，混合后的光线作用到视网 膜上便产生一个新的颜色。如同时投射一个被匹配的特定色光于屏幕的另一侧，则调节三 基色光的强度比例，便可产生看起来与被匹配色光相同的颜色。如果待配色很饱和，用三 基色(光)匹配不成，此时可将一种基色(光)加到被匹配的色(光)上，而用另两种基色(光) 进行匹配，当调节到适当比例时，便可达到颜色的匹配。 需要注意的是，在上述颜色光的匹配实验中，由三原色合成的颜色的光谱组成与被匹
配的颜色光的光谱组成可能很不一致。因此，三原色混合形成的颜色只表达被匹配颜色光 的外貌，而不能表达它的光诣组成。 2颜色匹配方程 将颜色匹配的关系用代数式的形式描述，所得到的等式叫颜色匹配方程。以H代表被 匹配的颜色，以(R)、(G)、(B)代表红、绿、蓝三原色，R、G、B分别代表红、绿、 蓝匹配时的数值（刺激值），则颜色匹配方程为： H=R (R)+G (G)+B (B) (3.2) 式中，“=”代表匹配，即视觉上相等。其中三刺激值之一可以是负值或零。 关于三基色的单位，根据颜色匹配实验有 1流明(W=0.30流明(R)+0.59流明(G)+0.11流明(B) (3-3) 为了标准化，CE规定：1单位红1T(R)=0.30流明，1单位绿1T(G)=0.59流明， 1单位蓝1T(B)=0.11流明，于是 1T(W)=1TR)+1T(G)+1T(B) (3-4) 即匹配等能白光的R、G、B三基色的亮度值各为一个单位。而一个单位的三基色之 间绝对数量并不相等。 3色度坐标 在色度学中，我们不直接用三原色数量来表示颜色，而用三原色各自在R十G十B总 量中的相对比例表示颜色。三原色各自在R十G十B总量中的相对比例叫做色度坐标。某 一特定颜色的色度坐标r、g、b为： G R+G+B 8R+G+B b-R+G+B (35) 由于r十g+b1,所以只用r和g即可表示一个颜色，某一特定颜色H的一个单 位(H)的方程可写成： 1(H)=r(R)+g(G)+b(B) (3-6) 3.2.3颜色光学合成的方法 1相加混色 两种或两种以上的基色光同时作用于人眼，可以产生另一种色觉，叫做色光的相加或 相加混色，颜色相加的基本原理是：混合色的三刺激值为各组成色三刺激值各自之和。如 R1、G1、B,为第一个颜色光的三刺激值，Rz、G2、B:为第二个颜色光的三刺激值，R、G、 B为两颜色光混合后的三刺激值，相加混色的基本规律如下： 「R=R+R: G=G1+G: (3-7 B=B:+B:
9 配的颜色光的光谱组成可能很不一致。因此，三原色混合形成的颜色只表达被匹配颜色光 的外貌，而不能表达它的光谱组成。 2 颜色匹配方程 将颜色匹配的关系用代数式的形式描述，所得到的等式叫颜色匹配方程。以Ｈ代表被 匹配的颜色，以(Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）代表红、绿、蓝三原色，Ｒ、Ｇ、Ｂ分别代表红、绿、 蓝匹配时的数值(刺激值)，则颜色匹配方程为： H ≡ R（R）＋ G（G）＋ B（B） （3-2） 式中，“≡”代表匹配，即视觉上相等。其中三刺激值之一可以是负值或零。 关于三基色的单位，根据颜色匹配实验有 １流明(W)＝0.30 流明(R)＋0.59 流明(G)＋0.11 流明(B) (3-3) 为了标准化，CIE 规定：１单位红１Ｔ(Ｒ)＝0.30 流明，１单位绿１Ｔ(Ｇ)＝0.59 流明， １单位蓝１Ｔ(Ｂ)＝0.11 流明，于是 １T（W）＝１T(R)＋１T（G）＋１T（B） （3-4） 即匹配等能白光的 R、G、B 三基色的亮度值各为一个单位。而一个单位的三基色之 间绝对数量并不相等。 3 色度坐标 在色度学中，我们不直接用三原色数量来表示颜色，而用三原色各自在 R＋G＋B 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。某 一特定颜色的色度坐标ｒ、g、ｂ为： ｒ＝ R G B R + + ｇ＝ R G B G + + b＝ R G B B + + (3-5) 由于ｒ＋ｇ＋ｂ＝１，所以只用ｒ和ｇ即可表示一个颜色，某一特定颜色Ｈ的一个单 位(Ｈ)的方程可写成： 1（H）＝r（R）＋g（G）＋b（B） （3-6） 3.2.3 颜色光学合成的方法 1 相加混色 两种或两种以上的基色光同时作用于人眼，可以产生另一种色觉，叫做色光的相加或 相加混色，颜色相加的基本原理是：混合色的三刺激值为各组成色三刺激值各自之和。如 R１、G１、B１为第一个颜色光的三刺激值，R２、G2、B２为第二个颜色光的三刺激值，R、G、 B 为两颜色光混合后的三刺激值，相加混色的基本规律如下： R＝R１＋R２ G＝G１＋G２ (3-7) B＝B１＋B２