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