1、CIE標準色度系統 物體顏色是光刺激人的視覺器官產生的反應，要將觀察者的顏色感覺數字化，國際照明委員會(CIE)規定了一套標準色度系統，稱為CIE標準色度系統，這一系統是近代色度學的基本組成部分，是色度計算的基礎，也是彩色復制的理論基礎之一。CIE標準色度學系統是一種混色系統，是以顏色匹配實驗為出發點建立起來的。用組成每種顏色的三原色數量來定量表達顏色。2.1顏色匹配2.1.1顏色匹配實驗把兩種顏色調節到視覺上相同或相等的過程叫作顏色匹配顏色匹配。顏色匹配實驗Mapping the human responseRedRedGreenGreenBlueBlueWhite ScreenWhite

2、ScreenMasking ScreenMasking Screen2 2 22 2 22 2 22 2 22.1.2三刺激值和色度圖一、三刺激值 在顏色匹配中，用于顏色混合以產生任意顏色的三種顏色叫做三原色三原色 。通常加色混色中使用紅、綠、藍三種顏色光為三原色是為了得到最多的混合色。顏色匹配實驗中，當與待測色達到色匹配時所需要的三原色的數量，稱為三刺激值三刺激值，記作R、G、B。一種顏色與一組R、G、B值相對應，R、G、B值相同的顏色，顏色感覺(外貌)必定相同。二、光譜三刺激值匹配等能光譜色的三原色數量。用符號， 表示。三、色度坐標和色度圖 三原色各自在R+G+B總量中的相對比例叫做色度坐

3、標，用符號r，g，b來表示。色度坐標與三刺激值的關系如下：r=R/(R+G+B)g=G/(R+G+B)b=B/(R+G+B)=1-r-g以色度坐標r，g表示的平面圖稱為色度圖。2.2 CIE標準色度系統現代色度學采用CIE所規定的一系列顏色測量原理、條件、數據和計算方法，稱為CIE標準色度系統。這一色度系統以兩組基本顏色視覺實驗數據為基礎：CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激值1-4視場CIE1964補充標準色度觀察者光譜三刺激值大于4視場2.2.1CIE1931-RGB系統、選擇三原色：700nm(R)、546.1nm(G)、435.8nm(B)、確定三原色單位：將相加匹配出等能白光(E光

4、源)時三原色各自的數量定為三原色的單位。即從色彩角度，三原色等量（R=G=B=1)混合得到白光。白光色度r=g=b=1/(1+1+1)=0.33 2視場下用上述選定三原色匹配等能光譜色的R、G、B三刺激值，用 r, g, b來表示。光譜三刺激值曲線如圖。這一組函數叫做“CIE1931-RGB系統標準色度觀察者光譜三刺激值”，簡稱“CIE1931-RGB系統標準色度觀察者”。以此來代表人眼2視場的平均顏色視覺特性。顏色視覺特性r() g() b() (nm)435.8546.17000.0三刺激值0.40.2CIE1931-RGB系統標準色度觀察者光譜三刺激值曲線 bgrbbgrgbgrrbgr

5、光譜三刺激值與光譜色色度坐標的關系式 CIE1931-RGB系統色度圖及(R)、(G)、(B)向(X)、(Y)、(Z)的轉換光譜軌跡：注意：出現了負的三刺激值與色度坐標值 加入待匹配色一側視場的原色數量為負值。 CIE1931-RGB系統的光譜三刺激值r, g, b 是由實驗獲得的，本來可以用于色度計算，但由于光譜三刺激值與色度坐標都出現了負值，計算起來不方便，又不易理解，因此，1931年CIE討論推薦了一個新的國際通用色度系統CIE1931-XYZ系統。1931年CIE在RGB系統的基礎上，改用三個假想的原色X、Y、Z建立了一個新的色度系統。將RGB系統光譜三刺激值進行轉換后，變為以X、Y、

6、Z三原色匹配等能光譜的三刺激值，定名為“CIE1931標準色度觀察者光譜刺激值”，簡稱為“CIE1931標準色度觀察者”，記作x () ，y () ，z () 。這一系統叫做“CIE1931標準色度系統”或“CIE1931-XYZ”系統。 2.2.2CIE1931標準色度系統(nm)三刺激值z()y()x() CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激值曲線圖1.51.00.5400500600700 光譜光視效率 能量相同而波長不同的光，對人眼所引起的亮度感覺是不同的。眼睛的靈敏度與波長的依賴關系，稱為光譜光視效率(或稱視見函數)。由于人眼有明視覺和暗視覺兩種視覺功能，光譜光視效率也分明、暗兩種

7、。 CIE(國際照明委員會)分別于1924年和1951年根據不同科學家的實驗結果規定了明視覺光譜光視效率V()和暗視覺光譜光視效率V()。 CIE明視覺和暗視覺光譜光視效率是光度學計算的重要依據。CIE推薦采用明視覺和暗視覺光譜光視效率V()和V()作為標準光度觀察者，代表人眼的平均(光)視覺特性。按照CIE標準光度觀察者來評價的輻通量e即為光通量v。輻通量與光通量的關系式為：式中V()為明視覺光譜光視效率；V()為暗視覺光譜光視效率；v,v為光通量，單位是流明(lm)；e()是以波長為自變量的輻通量，單位是瓦(W)；Km=683流明/瓦(lm/w)；Km=1755流明/瓦(lm/w)。明視覺

8、： 暗視覺： dVKemV780380 dVKemV780380色度圖可用來表示所有顏色的色度特性。色度圖中心為白點（非彩色點），光譜軌跡上的點代表不同波長的光譜色，是飽和度最高的顏色，越接近色度圖中心（白點），顏色的飽和度越低。圍繞色度圖中心不同的角度，顏色的色調不同。0.8 0.8顏色光譜由來 CIE1931標準色度觀察者的數據適用于2視場的中央視覺觀察條件(視場范圍1-4)，以此代表人的平均顏色視覺特性。 CIE1931標準色度系統的三刺激值以X、Y、Z表示，三種原色由于選擇時的考慮，只有Y值既代表色度又代表亮度，又稱為亮度因數，而X、Z只代表色度，與亮度無關，所以 y()函數曲線與明視

9、覺光譜光視效率V()一致，即 y()= V()。 在使用數字描述顏色時，常采用Yxy表色方法，即采用色度坐標x，y表示顏色的色度特征，用亮度因數Y表示顏色的亮度特征，這樣該顏色的外貌就能完全唯一地確定下來。右圖直觀地表示這三個參數之間的關系。 Yxy立體圖 2.3CIE1964補充標準色度系統 在大面積視物觀察條件下(4)，由于桿體細胞的參與以及中央凹黃色素的影響，顏色視覺會發生一定的變化。主要表現為飽和度的降低及顏色視場出現不均勻的現象。實驗表明：人眼用小視場觀察顏色時，顏色差異辨別力較低。當觀察視場從2增大到10時，顏色匹配的精度也隨之提高。但視場再進一步增大，顏色匹配精度的提高就不大了。

10、 CIE在1964年又規定了一組“CIE1964補充標準色度觀察者光譜三刺激值”，簡稱為“CIE1964補充標準色度觀察者”， x10 () ，y10 () ，z10 () 。這一系統稱為“CIE1964補充標準色度系統”，也叫作10視場X10Y10Z10色度系統。 CIE1964補充標準色度系統三刺激值記作X10，Y10，Z10。 為了適應大視場顏色測量的需要， 在色度測量與計算中要根據觀察視場的大小選擇CIE1964或CIE1931標準色度觀察者數據來代表人眼的平均顏色視覺特性。2.4光源的顏色特性光源自身的顏色：用三刺激值、光源的顯色性：用顯色指數評價光源的顏色特性色溫來評價。2.4.1

11、色溫與相關色溫 不同的光源其所發光的光譜功率分布有很大差異，隨之而來光源的光色也各不相同。我們將光源的光與黑體的光相比較來描述它的光色。黑黑 體體溫度一定輻射光譜分布一定顏色一定黑體軌跡（普朗克軌跡）色溫：當某種光源的色度(坐標)與某一溫度下的黑體色度(坐標)相同時，就稱此時黑體的溫度為該光源的顏色溫度，簡稱色溫，用符號Tc表示，單位為開爾文，用“K”表示。絕對溫度T與攝氏溫度t的關系為：T(K)=t()+273 例如：某光源的光色與黑體加熱到絕對溫度2400K所發出的光色相同時，則光源的色溫為2400K，它在CIE1931色度圖上的坐標為x=0.4862，y=0.4147。相關色溫：由于光源

12、的色度坐標并不恰好落在黑體軌跡上，所以只能用光源與黑體軌跡最接近的顏色來確定該光源的色溫，這樣確定的色溫叫做相關色溫。例如：圖中光源B的色度點最接近黑體加熱到4874K時的色度點，所以光源B的相關色溫就定為4874K。注意：色溫只是一種描述光源顏色的量值，色溫相同的光源它們的光譜組成可能會有很大的不同。另外，它與光源本身的溫度無關。2.4.2 CIE標準照明體和標準光源 為了達到顏色度量與評價的一致性，需要在人們共同約定的幾種具有代表性的光源下標定物體的顏色。為此，CIE推薦了標準照明體和標準光源。標準照明體和標準光源是兩個不同的概念：標準照明體是指特定的光譜功率分布，這種標準的光譜功率分布不

13、必由一個光源直接提供，也不一定能真正地實現。標準光源是符合標準照明體規定的光譜功率分布的物理發光體。CIE先用相對光譜功率分布定義了標準照明體，同時還規定了標準光源，以實現標準照明體的相對光譜功率分布。CIE標準照明體：標準照明體A:代表絕對溫度2856K的完全輻射體(黑體)的輻射。它的色度坐標點落在CIE1931色度圖的黑體軌跡。標準照明體B：代表相關色溫大約為4874K的直射日光，它的光色相當于中午的日光，其色度點緊靠黑體軌跡。標準照明體C：代表相關色溫大約為6774K的平均日光。它的光色近似陰天天空的日光，其色度點位于黑體軌跡的下方。標準照明體D：代表各種時相的日光的相對光譜功率分布，又

14、名典型日光或重組日光。400500600700400500600700400500600700 D65以外的其它時相的日光的相對光譜功率分布可根據色溫按CIE推薦的D照明體(典型日光或重組日光)的光譜功率分布統計公式計算得到。 CIE優先推薦D55，D65，D75的相對光譜功率分布作為代表日光的標準照明體，相當于相關色溫為5505K，6504K，7504K的D照明體。CIE建議，盡量用D65來代表日光，在不能應用D65時則盡量使用D55和D75。在印刷應用中，常使用D50作為標準照明條件。 標準光源是指用來實現標準照明體光譜功率分布的光源。2.4.3光源的顯色性 光源的顯色性是光源顏色特性的又

15、一方面，即物體在光源照明下所呈現顏色的真實性。真實的標準：日光下和火光下 日光和火光都是連續光譜，盡管其光譜功率分布和色溫存在很大差異，但在這種自然光條件下，人眼的辨色能力依然是準確的。 白熾燈的光譜分布與火光類似，顯色性很好。具有與白熾燈和日光相似的連續光譜的光源均有較好的顯色性。光源顯色性的評價 將待測光源下與參照標準光源下標準樣品的顏色相比較，偏差越小，則待測光源的顯色性越好。CIE規定：待測光源色溫低于5000K時，用完全輻射體(黑體)作為參照標準光源；待測光源色溫高于5000K時，用標準照明體D作為參照標準光源。參照光源的顯色指數Ra=100，當待測光源下與參照標準光源下的標準樣品顏

16、色相同時，則此光源的顯色指數為100，顯色性最好。反之，顏色差異越大，顯色指數越低。 幾種人工光源的一般顯色指數光源名稱CIE 色度坐標相關色溫(k)一般顯色指數Ra白熾燈(500瓦)x 0.447 u 0.255y 0.408 v 0.350290095100碘鎢燈(500瓦)x 0.458 u 0.261y 0.411 v 0.351270095100溴鎢燈(500瓦)x 0.409 u 0.237y 0.391 v 0.342340095100熒光燈(日光色40瓦)x 0.310 u 0.192y 0.339 v 0.31566007080外鎮高壓汞燈(400瓦)x 0.334 u 0.

17、184y 0.412 v 0.34055003040內鎮高壓汞燈(450瓦)x 0.378 u 0.203y 0.434 v 0.34944003040鏑燈(1000瓦)x 0.369 u 0.222y 0.367 v 0.33043008595高壓鈉燈(400瓦)x 0.516 u 0.311y 0.389 v 0.35219002025一照明光源印刷行業所使用的光源可分為兩種:反射樣品D65光源透射樣品D50光源顯色指數90二照明條件(1) 反射樣品照明條件照度均勻度80%的漫射光lx 亮調為主 暗調為主根高顯色性熒光燈燈管，燈管上加裝反射燈罩和漫散射隔板或毛玻璃，觀察面上方m1.2m。北

18、窗下的太陽光 觀察透射原稿的條件 (1) 透射樣品的照明條件用根高顯色性熒光燈管的燈箱實現 觀察反射樣品的首選觀察條件 三觀察條件(1) 觀察反射樣品 可避免燈光的鏡面反射光進入觀察者的眼睛 觀察反射樣品的替代觀察條件 光源到觀察面的距離不相等，有可能產生照明不均勻的情況(1) 觀察透射樣品灰色擋光材料原稿四觀察樣品時的環境色和背景色1、觀察環境四周的顏色應該是淺灰色或白色，當帶有彩色的環境光不可避免時，應設法將看版臺用淺灰色的擋板隔離開或將環境光限制到很弱。2、觀察樣品的背景顏色應該是灰色或淺灰色，避免彩色對樣品顏色的干攏。S() z()y()x()2.5 CIE色度計算方法2.5.1三刺激

19、值與色度坐標的計算 光源或物體的顏色是由進入眼睛的不同波長的光混合而成的感覺。我們把進入眼睛的光能量隨波長的分布稱為顏色刺激函數()。()根據被測對象不同，有不同的計算方法。即() 對于照明體或光源 對于透明物體 對于非透明物體 ss 而人眼對不同波長的顏色刺激感覺強度不同，只有 ()與該波長的CIE光譜三刺激值的乘積才是由這個波長的顏色刺激所引起的顏色感覺。根據顏色相加原理，總的顏色感覺應是各波長顏色感覺的總和。因此，三刺激值的計算公式為：X=k()x()d X10=k10()x10()d Y=k()y()d Y10=k10()y10()d Z=k()z()d Z10=k10()z10()d

20、范圍取380-780nm 在實際計算中，用求和來近似積分，求和的表達式為： zkZykYxkX或 101010101010zkZykYxkX ()一般采用CIE規定的標準照明體，具體采用哪種照明體由被測物體的具體情況而定，例如物體是在日光下觀察時可用D65或B、C照明體，而在燈光下觀察時可用A照明體。 dyskdysk1010100100或 1010100100yskysk 式中的常數K和K10叫做歸化系數，它是將照明體(或光源)的Y值調整為100時得出的，即： 此式中的S()= ()。由于K是這樣定義的，于是當()()()時，Y為物體的光透過率；當()() ()時，Y為物體的光反射率。 nm

21、dzSkZdySkYdxSkX780380其中相對功率相對功率反射率反射率三刺激值三刺激值紅紅顏色的光譜特性！S()()()=S()()紅相對功率相對功率反射率反射率()紅 計算出物體的三刺激值以后，再按下式將其轉換為物體的色度坐標，即：ZYXZzZYXYyZYXXx或 101010101010101010101010101010ZYXZzZYXYyZYXXx2.5.2顏色相加的計算一計算法 當兩種或兩種以上已知三刺激值的顏色光相加混合，混合色的三刺激值等于各色光三刺激值之和。X=X1+X2+Xn Y=Y1+Y2+Yn Z=Z1+Z2+Zn n為組成混合色的色光數量。 混合色的色度坐標在三刺激

22、值計算之后就可求得 :ZYXYyZYXXx 當已知兩種顏色的色度坐標x，y及亮度Y而要求混合色的色度坐標時，因為混合色的色度坐標與已知色的色度坐標之間沒有線性疊加的關系，所以必須先求出各顏色的三刺激值，可采用下面公式：YyyxYyzZYYYyxX1二作圖法 在CIE1931 x-y色度圖上，兩種顏色相加產生的第三種顏色總是位于連接兩種顏色的直線上。這一新顏色在直線上的位置取決于兩種顏色的三刺激值總和的比例。按重心原理，混合色的色度點被拉向比例大的顏色那一側。P為顏色1,為顏色2，M為P+Q的混合色。C1和C2分別為顏色1和2的三刺激值之和，即： C1=X1+Y1+Z1 C2=X2+Y2+Z2根

23、據重力中心定律：22211121ZYXZYXCCMPQM2.6主波長與色純度 CIE推薦使用主波長和色純度來大致描述顏色的色調和飽和度。一主波長 將與樣品色具有相同色調的光譜色的波長叫作樣品色的主波長，用符號d表示。 從色度圖中白點W(x0,y0)向樣品色色度點S(x，y)作直線并延長交光譜軌跡上一點L，這一點光譜色的波長就是該顏色樣品的主波長d，主波長光譜色與白光按一定比例混合可以匹配出樣品色。補色波長記作-d或c一色純度 色純度表示樣品色與其主波長光譜色的接近程度，以符號Pe表示。色純度可大致反映顏色的飽和度。 用白點到樣品點的距離WS與白點到主波長點的距離WL之比來表示，即WLWSPeZ

24、YXZYXPe當Pe=1時，表明樣品色就是光譜色，飽和度最高。當Pe=0時，表明樣品色就是白色，是非彩色， 飽和度為0。2.7均勻顏色空間2.7.1尋找均勻顏色空間的目的 CIEXYZ色度系統解決了顏色的定量描述與計算的問題，但它的色度空間在視覺上是不均勻的，空間中相同的距離所帶來的視覺上差異是不同的。 麥克亞當顏色寬容量示意圖 :在CIEx-y色度圖中以不同位置上橢圓的大小和方向表示顏色寬容量 我們把人眼感覺不到顏色差異的變化范圍叫做顏色的寬容量。萊特顏色寬容量示意圖 在如印刷等需要處理物體表面色的行業，經常遇到的問題是需要去鑒別顏色的差別，要用數量來用數量來描述顏色的差別描述顏色的差別，簡

25、稱為色差。 因此，需要尋找一個均勻顏色空間，使得該空間中的每一個點代表一種顏色，空間中的距離大小與視覺上色彩感覺差別成正比，相同的距離代表相同的色差。尋找更加均勻的顏色空間 顏色空間的坐標是可以任意選擇的。 各色空間坐標之間可以采用數學的方法進行相互變換，而不會改變其本身的物理意義。 新的顏色空間的三個坐標一定要由原來的X、Y、Z三刺激值換算得出。1960年 CIE1960UCS均勻色度圖 CIE1964W*U*V*均勻色空間1976年 CIE1976L*u*v*色空間 CIE1976L*a*b*色空間 國際印刷領域采用CIE L*a*b*均勻色空間系統作為印刷色彩的顏色匹配與評價的方法。 2

26、.7.2 CIE1976L*a*b*均勻顏色空間及 色差公式 CIE1976L*a*b*均勻顏色空間用明度指數L*，色度指數a*，b*三維坐標系統來表示：3131*3131*31*20050016116nnnnnZZYYbYYXXaYYLCIEL*a*b* CIEXYZ式中：X、Y、Z：顏色樣品的三刺激值；Xn，Yn，Zn：CIE標準照明體照射到完全漫反射體表面的三刺激值。 L*a*b*均勻顏色空間示意圖 2*2*1*31*18016116baCabtgHYYLn飽和度色調角明度色調角的范圍在0-360，以正a*軸作為0。2*2*2*2*2*12*2*12*2*1*baLbbaaLLEab 式

27、中：假定1為樣品色，2為標準色明度差L*=L1*-L2* 正值時表示樣品色比標準 色淺， 負值時則表示樣品色深， 明度低。色度差a*=a1*-a2* 正值表示樣品色比標準 色偏紅， 負值表示樣品色偏綠。 b*=b1*-b2* 正值表示樣品色比標準 色偏黃， 負值表示樣品色偏藍。色調角差H*=H1*-H2* 正值表示樣品色位于標 準色的逆時針方向上， 負值表示樣品色位于標 準色的順時針方向上。 色差E*ab=1時稱為1個NBS(美國國家標準局的縮寫)色差單位。NBS單位與顏色差別感覺程度NBS單位色差值感覺色差程度0.00.5痕跡0.51.5輕微1.53可覺察3.06.0可識別6.012.0大12.0以上非常大 我國國家標準局在彩色印刷品的質量要求上也使用了CIE L*a*b*色差，如彩色裝潢印刷品的同批同色色差為：一般產品E*ab5.00-6.00，精細產品E*ab4.00-5.00，同時還將這一質量標準作為國有企業晉級的一項條件。推廣CIE L*a*b*均勻色空間十分必要！2.7.3CIE1976L*u*v*均勻顏色空間 及色差公式 CIE