第二章彩色科學與工程

光度與色度怎樣比較兩個物體哪個更亮？怎樣比較兩個光源哪個發光效率更高？怎樣定量地表述一個物體的顏色？怎樣定量地區分鮮紅色和暗紅色的差異？1了解人眼的視覺生理基礎。了解明適應和暗適應。理解視覺暫留（殘留）現象。理解三基色原理。理解色彩再現原理。色彩學基礎22.1人眼的生理特性人眼基本上可以看成是一個包含在鞏膜內的不透光暗室。它具有一個由角膜﹑前房水﹑水晶體和玻璃體組成的折射光學系統﹐它們將入射光線聚焦在眼球后面的視網膜上形成一個倒像。3錐體細胞與桿體細胞視網膜由一個感光細胞薄層組成﹐含有兩類感光細胞，即錐體細胞與桿體細胞，不均勻地分布在視網膜上。錐體細胞分布在視網膜中央，特別是在中央凹部分，而桿體細胞則多分布在較邊緣部分。這兩類細胞的作用不同﹐桿狀細胞主司明暗的判別，平均約有1億兩千萬個細胞，可接受400～600nm波長的光線，不具色彩判別力。桿形細胞作用相當于高靈敏度﹑粗顆粒的黑白底片﹐它在很暗的光照下還能起作用﹐但不能區別顏色﹐得到的像輪廓不夠清晰﹔錐狀細胞，可接受400～700nm波長的光線，具辨別色彩的能力，但數量只有6百萬個。這也說明了為什么人的眼睛對明暗對比的判定，要比色彩的變化來的敏感的原因。錐形細胞作用相當于靈敏度比較差﹑顆粒細的彩色底片﹐它在較強的光照下才能起作用，能區別顏色，得到的像的細節較清晰.4進入眼睛的光線被視網膜上的桿狀（Rod）和錐狀(Cone)細胞所接受，并產生電子訊號刺激后方的神經細胞層在精于大腦整合產生視覺影像。

5兩種視覺細胞的區別①桿體細胞比錐體細胞小一些，它對光的敏感性較錐體細胞強約500倍，但它不能提供色的信息；②在中央凹2°范圍內沒有桿體細胞，但離開中央凹以外便開始出現桿體細胞，錐體細胞在中央凹處密度最大，桿體細胞在離開中央凹20°的地方密度最大；③錐體細胞在和神經的連接上占有優勢，中央凹的錐體細胞是一個細胞連接一根神經纖維，而桿體細胞則是許多個細胞共用一根神經纖維；④在桿體細胞中有“視紫紅質”，錐體細胞沒有，這種物質在亮光下很快褪色，在弱光下或在黑暗中又逐漸復原，它與暗適應有關。6

暗適應與明適應人眼從光亮中進入暗室時，在最初的瞬間什么都看不見，逐漸地才適應了黑暗，從而區分出周圍物體的輪廓，這就是暗適應。人們從黑暗處走到強光下，開始覺得眩目，睜不開眼睛，大約需要經過1min后才能看清楚周圍的景物。眼睛這種由暗到亮的適應過程叫做明適應，在這過程中眼的感受度降低。視紫紅質視黃醛+蛋白質光暗72.2光度學（photometry）光度學是研究光度測量的科學。在光度學中根據人類視覺器官的生理特性和某些約定的規范來評價輻射所產生的視覺效應，使用單位與人眼生理特性有關。一般成像系統中，像的亮度不可能大于物的亮度，即光學系統不能增加亮度。8光度的基本物理量光量

Qv

單位lm·s

光通量

Φv

單位lm流明(光)照度

Ev

單位lx＝lm·m-2

勒克斯(光)出射度

Mv

單位lm·m-2發光強度

Iv

單位cd＝lm·sr-1(Candela)(光)亮度

Lv

單位cd·m-29

α=

立體角的單位叫球面度（sr），1球面度是半徑為1米的球面上，1平方米的球面對球心所張的立體角。lαAoB(a)sAA＇r(b)orΩΩ=

平面角和立體角平面角的單位叫弧度，1弧度是半徑為1米的園上，1米長的圓弧對圓心所張的角。10光度學單位1.光通量(LuminousFlux)：光源在單位時間內發出的光量，符號為ΦV，單位為流明（lm）2.發光強度(LuminousIntensity)：光源在給定方向(Φ，θ)的單位立體角(Ω)中輻射的光通量，符號IV，單位是坎德拉(cd)。點光源r，

單位：坎德拉，

其中

，

11流明是國際單位制的一個導出單位，定義為：發光強度為1坎德拉的點光源，在1球面度立體角內發射的光通量。如用符號表示可寫成：1lm=1

cd·sr。常見電光源的發光效率，是指1W的電功率能轉化成多少光通量。

1979年第十六屆國際計量大會決定：坎德拉是一光源在給定方向上的發光強度、該光源發出頻率為540x1012Hz的單色輻射，而且在此方向上的輻射強度為1／683瓦特每球面度(w/sr)。12實際數據光通量lm：40W鎢絲燈泡468lm40W日光燈2100lm常見光源的大致效率（流明/瓦）白熾燈，15;日光燈，50發光強度cd：無月的夜空10-3；滿月0.25；鎢絲白熾燈500-1500地球上看到的太陽150,000133.光照度(Luminous)

:單位受光面積(S)上所接收的光通量數，符號為EV，單位為勒克斯（lx）勒克斯定義：1流明的光通量均勻分布在1平方米面積上的光照度，1lx=1lm/m2。4.光亮度(Brightness)：光源在某方向的單位投影面積(S·cosθ)上、在單位立體角中輻射的光通量，符號Lv，單位坎德拉每平方米（cd/m2或尼特，即nit）。常見發光體的亮度（尼特）：

太陽表面，2,000,000,000白熾燈燈絲，10,000,000

眼能習慣的亮度，3,000

滿月表面，2,500

人眼能比較好的分辨出顏色的亮度，1

無月夜空，0.000114照度表，比光通量、發光強度、光亮度更易測量常見照度值lx：陽光直射（正午）下110,000晴天有窗室內100-500辦公室工作必需 20-100滿月室外0.2例：若教室12mX10m，有12個20W的日光燈，計算桌面照度15視覺惰性與閃爍當外界光消失之后，我們的亮度感覺還會殘留一段時間，這個現象稱為視覺惰性。利用視覺惰性，以周期性的光脈沖對眼睛反復進行刺激時，我們就感到每刺激一次眼睛就會閃現一次圖像：當刺激頻率足夠高時，該圖像就會變成穩定的、和光長期刺激時一樣的圖像。近代電影、電視、顯示等正是利用了這一生理上的特點才發展起來的。視覺細胞在外界光作用之下其視敏物質經過曝光染色過程是需要時間的，因此極短時間的光脈沖給我們的感覺不如亮度相同的恒定光那么亮。16視覺惰性能夠被加以利用的關鍵原因是在外界光脈沖作用之下，亮度在眼睛里建立得快、消失得慢，這個現象叫做視覺殘留。視覺殘留時間受如下一些因素影響：(1)由弱的發光物體所得到的后像消失較快，而由強的光刺激所引發的后像則可持續較長時間；(2)刺激光作用時間越長，后像持續的時間也越長；(3)不同色光的刺激，后像延續時間不同，黃色光的后像消失得最快。17一般正常人眼睛的視覺殘留時間約為0．1s左右。在陰極射線管(CRT)顯示設備中，電子束打到熒光屏上時就出現一個亮點，給人一個時間極短的光脈沖。如果此亮點在熒光屏上高速運動，由于眼睛的視覺殘留作用，所看到的就是一幅完整的圖形。為了看到穩定的圖形，不但要求亮點在熒光屏上的運動速度足夠高，而且還要進行不斷地重復，即刷新。如果刷新的間隔時間太長，以至于前一次在眼睛里殘留的圖像快要消失了才進行重復，就會感到一明一暗的閃爍現象，因此刷新的時間間隔(也叫做刷新周期)不能太長。正好使人感到不閃爍的刷新頻率稱為臨界閃爍頻率(CriticalFusionFrequency)，簡記為CFF。18在CRT顯示系統中，熒光粉本身也有一定的惰性。其表現為：當受到電子束轟擊時，其光輸出按指數規律較快地增長到最大值；當電子束停止轟擊時，其光輸出并不立即停止，而是按指數規律慢慢地衰減。這種現象叫做熒光粉的余輝。因此，臨界閃爍頻率不但與人的視覺惰性有關，而且也與熒光粉的特性有關。另外，眼睛對亮度感覺的敏銳程度與平均亮度水平有關，而造成閃爍現象的實質又是由于在圖像的某一像素上因電子束前一次轟擊在視網膜上所感覺到的亮度與這一次轟擊所感覺到的亮度之間已能發覺出差異。當平均亮度水平較高時，眼睛對亮度差異的鑒別能力也高。可見臨界閃爍頻率與平均亮度水平也是有關的。19臨界閃爍頻率還與亮度變化幅度有關，亮度變化幅度越大，閃爍頻率越高。另外相繼兩幅畫面本身的亮度分布和顏色、觀看者到畫面的距離以及環境條件等也都對臨界閃爍頻率有影響。總而言之，閃爍是一個復雜的現象，它與許多物理量以及觀察者的特性都有關。對于重復頻率在臨界閃爍頻率以上的光脈沖，人眼不再感覺到閃爍。202.3色度學色度學是研究人的顏色視覺規律、顏色測量理論與技術的科學，是以物理光學、視覺生理、視覺心理、心理物理等學科為基礎的綜合性科學。色度學是一種主觀的科學,它以人類的平均感覺為基礎,是研究人眼對顏色感覺規律的一門科學。以對光強的度量來說,物理光學以光的輻射能量這個客觀單位來度量,而色度學卻以色光對人眼的刺激強度來度量。輻射能量很大的波長很長的紅光對人來說卻沒有輻射能量很小的黃光亮,人們就認為黃光的強度比紅光大。在人們眼中所反映出的顏色，不單取決于物體本身的特性，還與照明光源的光譜成分有著直接的關系。因此在人們眼中反映出的顏色是物體本身的自然屬性與照明條件的綜合效果。我們用色度學來評價的結論就是這種綜合效果。21顏色視覺過程：

當錐狀細胞感受顏色后，顏色的信息是怎樣通過神經通路傳遞到大腦去的?研究證明,在視網膜中含有三種不同的光譜敏感視色素，分別存在于三種視錐細胞中：紅視錐細胞(吸收峰值為575nm)、綠視錐細胞(540nm)和藍視錐細胞(450nm)。視網膜上的三種獨立的錐狀感色細胞有選擇地吸收光譜中不同波長的輻射，同時每一細胞又可單獨產生白與黑的反應。在強作用下產生白的反應，無外界刺激時是黑的反應。在把錐狀細胞的感受向視覺神經中樞傳遞的過程中，三種反應又重新組合，最后形成三對對立的神經反應，即紅或綠、黃或藍、白或黑反應。22眼睛對顏色的辨認能力人的辨別顏色的能力在不同波長是不同的.光譜各部位的顏色辨認閾限23在明視覺條件下，人眼對380-780nm可見光譜范圍的不同波長的輻射，即各種色光，具有不同的感受性。對于等能量的各色光，人眼覺得黃綠色最亮，其次是藍、紫，最暗的是紅色。人眼對顏色細節的分辨能力遠比對亮度細節分辨力低。人眼對不同色調細節的分辨力也不相同。基于人眼分辨彩色細節的能力很差這一事實，在彩色電視系統中傳送彩色圖像時細節部分可以只傳送黑白圖像，而不傳送彩色信息，并配以亮度細節,這就是利用大面積著色原理以節省傳輸頻帶的依據。24顏色的特性顏色有三大特性，即：明度、色調和飽和度，也稱為彩色參量。這三個參量在視覺中組成一個統一的總效果，并嚴格地描述了彩色光。色調表征不同顏色特征的量，反映顏色的類別，如紅色、綠色、藍色等，是顏色彼此區分的特性。指在物體反射的光線中以哪種波長占優勢來決定的，不同波長產生不同顏色的感覺。彩色最重要的特征，它決定了顏色本質的基本特征。25明度是指刺激物的強度作用于眼睛所發生的效應，它的大小是由物體反射系數來決定的，反射系數越大，則物體的明度越大，反之越小。明度是人眼直接感受到的物體明亮程度，可描寫人眼主觀亮度感覺。表征顏色的明亮程度，是光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺，是指色彩明暗深淺的程度，也可稱為色階。一般來說，彩色光能量大則顯得亮。（亮度、反射率、透過率越大，明度越高。）同一物體因受光不同會產生明度上的變化；強度相同的不同色光，亮度感不同。26飽和度是指彩色光所呈現的顏色的深淺程度(或濃度)。指一個顏色的鮮明程度,是顏色色調的表現程度，它取決于波長范圍的狹窄性(即純度)。光譜色指從380～770nm可見光波長范圍內的單色光所對應的顏色,不同波長的光在人的視覺上呈現不同的色感。飽和度是指顏色接近光譜色的程度。一種顏色越接近光譜色，其飽和度越好。對于同一色調的彩色光，其飽和度越高，顏色就越深，或越純。在物體反射光的組成中，白色光越少，則它的色彩飽和度越大。淡色的飽和度比濃色要低一些；飽和度還和亮度有關，同一色調越亮或越暗越不純。272829非彩色是指白色、黑色和各種深淺不同的灰色。只有明度值的差別，沒有色調和飽和度，只有灰度等級。對光譜各波長的反射沒有選擇性，它們是中性色。彩色是指白黑系列以外的各種顏色。顏色非彩色彩色顏色的分類29顏色環如果兩種顏色混合得到白色或灰色，那么這兩種顏色就是互補色。由圖可見，與顏色環圓心對稱的圓周上的任何兩種顏色都是互補色白色30顏色的混合不同顏色混合在一起，能產生新的顏色，這種方法稱為混色法。得到混合色的方法有兩種，即相加混色法和相減混色法。相加混色是各分色的光譜成分相加，以紅、綠、藍作為三種基色，全部光色都可以由紅、綠、藍三基色以適當的比例混合而得到。彩色顯示屏基本都是利用紅、綠、藍三基色相加產生各種不同的彩色。相減混色中存在光譜成分的相減，物體呈現的顏色是物體吸收了一定波長的光線以后所余下的光線的色調。在彩色印刷、繪畫和電影中就是利用相減混色。紅＋綠＝黃紅＋藍＝紫藍＋綠＝青紅＋藍＋綠＝白31相減混色法減色法的三原色是青、紫、黃，它們是相加三原色紅、綠、藍的補色。彩色影片的畫面是由黃、紫、青三種影片染料按減色法原理構成。它們采用了顏色料，白光照射在顏色料上后，光譜的某些部分使被吸收，而其他部分被反向或透射，從而表現出某種顏色。混合顏料時，每增加一種顏料，都要從白光中減去更多的光譜成分，因此，顏料混合過程稱為相減混色。32紅＝白－藍－綠＝黃＋紫

綠＝白－藍－紅＝黃＋青藍＝白－綠－紅＝紫＋青

黑=白－藍－綠－紅＝黃＋紫＋青33CIE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。34顏色匹配實驗把兩個顏色調整成視覺上相同或相等的方法稱之顏色匹配以三原色R(700nm)；G(546.1nm)；B(435.8nm)匹配等能白光(匹配相同能量各波長的光譜色)35三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。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，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，顏色感覺必定相同。光譜三刺激值:

匹配等能光譜色的三原色數量。用符號ｒ，ｇ，ｂ表示。36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標，用符號r，g，b來表示。1.選擇三原色：700nm(R)、546.1nm(G)、435.8nm(B)２、確定三原色單位：將相加匹配出等能白光(E光源)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。37TheChromaticityDiagram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。38實驗發現：人眼的視覺響應取決于紅、綠、藍三分量的代數和。它們的比例決定了彩色視覺。亮度在數量上等于三基色的總和。由于人眼的這一特性，可在色度學中應用代數法則。

白光(W)可由紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色相加而得，它們的光通量比例為

ΦR：ΦG：ΦB＝1：4.5907：0.0601

3940CIE1964均勻顏色空間加入明度考慮考慮完全反射漫射體白物體色刺激的亮