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