第一章

光與視覺可見光譜視覺與生理基礎明視覺與暗視覺視覺功效輻射度學和光度學慣用單位第1頁CIE：明視覺和暗視覺光譜光效率函數代表不一樣波長能量對人眼產生光感覺效率3、CIE明/暗視覺光譜光效率函數第2頁所以，波長λ單色輻射相對光譜光效率函數V(λ)，

是指當波長λm和λ單色光在引發明亮感覺相等時輻通量之比：明視覺/暗視覺響應曲線--光譜光視效率函數(視見函數)CIE將兩條曲線最大值歸一化，明/暗視覺函數均成為相對數值和相對值代表等能光譜波長λ單色輻射所引發明亮感覺程度。第3頁明視覺：最大值在555nm，即555nm黃綠部位最亮；暗視覺：最大值在507nm處，即507nm處最亮；

曲線相對向短波方向推移，且長波端能見范圍減小，短波端能見范圍略有擴大。CIE明/暗視覺光譜光效率函數是光度學計算主要依據第4頁[和)]來評價輻通量Φe即為光通量Φv，輻通量與光通量關系式為流明/瓦因為人眼對各個波長感受性不一樣，各個波段產生光感覺程度不一樣，因而，按照CIE標準光度觀察者視覺特征對于明視覺對于暗視覺流明/瓦光源在紫外和紅外部分光譜輻射是人眼感受不到，所以其光譜光效率等于0。4、輻通量與光通量第5頁光視效能：K[lm/W]：人眼對不一樣波長輻射能產生光感覺效率說明，即使輻射通量不變，光通量也伴隨不一樣波長而改變，K是百分比，但不是常數，是隨波長改變，于是人們又定義了光視效能試驗表明：說明一樣輻射能，在555nm處引發光通量最大，對人眼刺激最大，效率最高第6頁那么怎樣表示人眼對輻射感覺程度呢？光視效率光視效能與其最大值之比物理意義：以光視效能最大值為基準來衡量其它波優點引發視覺在相同輻射能下，看到亮度不一樣。詳細某一波長光視效率，叫光譜光視效率國際上對光視效能和光視效能進行了研究，確定了統一要求值，（經過不一樣地域，不一樣人種等大量試驗統計出結果）第7頁全光通量(TotalLuminousFlux;Φv)[lumens]

第8頁光度學單位度量光強弱(大小)和方向一門科學.基本單位:

光通量--------發光體

發光強度-----發光體

亮度------發光體

反射體----受照體照明后反射光

照度-----------受照體第9頁四個單位圖示:第10頁第二章

顏色視覺顏色視覺現象顏色分類和特征顏色匹配色覺缺點顏色視覺理論第11頁彩色是指白黑系列以外各種顏色．彩色有三種特征：明度、色調、飽和度明度彩色光亮度愈高，人眼就愈感覺明亮，或者說有較高明度．彩色物體表面光反射率愈高，它明度就愈高．

色調

色調是彩色彼此相互區分特征．可見光譜不一樣波長輻射在視覺上表現為各種色調，如紅、橙、黃、綠、藍等

飽和度

飽和度是指彩色純潔性．可見光譜各種單色光是最飽和彩色．非彩色只有明度差異，而沒有色調和飽和度這兩種特征，彩色特征第12頁1.人視覺只能分辨顏色三種改變：明度、色調、飽和度．

2．在由兩個成份組成混合色中。假如一個成份連續地改變，混合色外貌也連續地改變。由這一定律導山兩個定律：補色律每一個顏色都有一個對應補色．假如某一顏色與其補色以適當百分比混合，便產生白色或灰色：假如二者按其它百分比混合，便產生近似比重大顏色成份非飽和色．中間色律任何兩個非補色相混合，便產生中間色，其色調決定于兩顏色相對數量，其飽和度決定于二者在色調次序上遠近．

格拉斯曼(Grassmann)顏色混合定律第13頁3．顏色外貌相同光，不論它們光譜組成是否一樣，在顏色混合中含有相同效果．換言之，凡是在視覺上相同顏色都是等效．自這一定律導出顏色代替律：

代替律相同色混臺后仍相同．假如顏色A＝顏色B，顏色C＝顏色D，那么，顏色A十顏色C＝顏色B十顏色D．4．混合色總亮度等于組成混合色各顏色光亮度總和．這一定定律叫做亮度相加律：

亮度相加律由幾個顏色光組成混合色亮區是各顏色光亮度總和．第14頁依據格拉斯曼顏色混合定津，外貌相同顏色能夠相互代替。相互代替顏色能夠經過顏色匹配試驗來找到。把兩個顏色調整到視覺上相同或相等方法叫做顏色匹配。在進行顏色匹配試驗時，須經過顏色相加混合方法，改變一個顏色或兩個顏色明度、色調、飽和度三特征，使二者到達匹配．§2.3顏色匹配第15頁一、顏色匹配試驗顏色轉盤

把用來產生混合色紅、綠、藍叫做三原色把為了匹配一特定顏色所需三原色數量叫做三刺激值．第16頁

光譜三刺激值TristimulusValues(color-matchingfunctions)(C)+R(R)=G(G)+B(B)(C)=G(G)+B(B)–R(R)為匹配相等能量(等能)光譜色三原色數量叫做光譜三刺激值第17頁第三章CIE標準色度系統CIE1931標準色度學系統CIE1964補充色度學系統CIE色度計算方法CIE1960均勻色度標尺圖CIE1964均勻顏色空間第18頁3．CIE1931色度圖SQT第19頁依據顏色混合原理．它用匹配某一顏色三原色百分比來要求這色，x色度坐標相當于紅原色百分比，y色度坐標相當于綠原色百分比。圖中沒有z色度坐標，因為x+y+z＝1從光譜紅端到540nm一帶綠色，光譜軌跡幾乎是直線．今后光譜軌跡突然轉彎，顏色從綠轉為藍-綠，藍-綠色又從510nm到480nm伸展開來，帶有一定曲率，藍和紫色波段卻壓縮在光譜軌跡尾部較短范圍。光譜軌跡這種特殊形狀是由人眼對三原色刺激混合百分比所決定。連接400nm和700nm直線是光譜上所沒有由紫到紅顏色．光譜軌跡曲線以及連接光譜軌跡兩端所形成馬蹄形內包含一切物理上能實現顏色。而坐標系統原色點，即三角形3個角頂都落在這個區域之外。即，原色點色度是假想，在物理上不可能實現。一樣，凡是落在光譜軌跡和由紅端到紫端直線范圍以外顏色也都是不能由真實光線產生顏色。第20頁Y=0直線與亮度沒相關系，即無亮度線．光譜軌跡短波端緊靠這條線，這意味著，即使短波光刺激能夠引發標準觀察者反應，即在普通觀察條件下產生藍紫色感覺，但380-420nm波長輻通量在視覺上只有很低亮度。顏色三角形中心E是等能白光，由三原色各1/3產生，其色度坐標為

xe=0.3333，ye=0.3333，ze=0.3333．

c點是CIE標準光源c，相當中午陽光光色；任何顏色在色度圖中都占一確定位置。比如S、Q兩個顏色，由c經過Q作一直線至光譜軌跡，在511.30m處與光譜軌跡相交，此處光譜軌跡顏色相當于Q色調(綠色),某一顏色離開c點(或E點)靠近光譜軌跡程度表明它純度，相當于飽和度．顏色愈靠近c(或E)愈不純，愈靠近光譜軌跡愈純。第21頁從色度圖還可計算出由兩種顏色相混合所得出各種中間色如Q和S相加，得出Q到S直線各種過渡顏色。任何兩個波長光相混合所得出混合色或落在光譜軌跡上，或在光譜軌跡所包圍面積之內，而絕不會落在光譜軌跡之外。靠近長波末端700-770nm光譜波段含有一個恒定色度值，都是x＝0.7347,y＝0.2653，所以在色度圖上只由一個點來代表．只要將700-770nm這段光譜軌跡上任何兩個顏色調整到相同明度，則這兩個顏色在人眼看來都是一樣。540-700nm直線方程x+y=1，與XY邊重合。意味著這段范圍內任何光譜色（飽和色）都可經過540nm和700nm二種波長光線以一定百分比混合而成。第22頁光譜軌跡380-540nm一段是條曲線，它意味著，在此范圍內一對光線混合不能產生二者之間位于光譜軌跡上顏色，而只能產生光譜軌跡所包圍面積內混合色．光譜軌跡上顏色飽和度最高，而離開軌跡愈靠近c或等能白顏色，飽和度愈低．所以，在380-540nm波長范圍內，伴隨兩個光譜色波長間隔增加，其混合色飽和度就愈低．在色度圖上很輕易確定一對光譜色補色波長：從光譜軌跡一點經過等能白(或c)點劃一直線拓達對側光譜軌跡一點，直線與兩側軌跡相交點就是一對補色波長．在色度圖上能夠看出，在380-494nm之間光譜色補色存在于570-700nm之間，反之亦然．不過，在494-570nm之間光譜色補色只能由最少兩種光線混合而產生出來(一個取自光譜軌跡長波部分，一個取自短波部分)．因為494-570nm之間色度點經過等能白(或c)點連成直線時，在對側恰好與連結光譜軌跡兩端直線相交，而這段直線是由光譜兩端顏色相加混合色軌跡。第23頁

假如已知色光E光譜功率分布，怎樣來確定它三刺激值及色度坐標呢？第24頁光源光譜功率物體光譜反射率因數氣體放電光源亮線光譜功率三刺激值色品坐標§3.3CIE色度計算方法一、色度坐標－加權坐標法第25頁§3.3CIE色度計算方法顏色相加原理：兩個顏色相加混合，可用三原色光數量各自之和R，G，B匹配出來：即任意一個光源三刺激值應等于匹配改光源各波長光譜色三刺激值各自之和，即分別為第一、第二顏色三刺激值混合色三刺激值回顧：第26頁對一個光源光譜，用特定三原色光匹配每一波長光譜色，所需三刺激值百分比是不一樣．不過對任何光源，匹配同波長光譜色三刺激值百分比關系卻是固定，只是在改變光源時，因為光源光譜功率分布不一樣，就需要對匹配各個波長光譜色固定三刺激值分別乘以不一樣因數．即已知標準觀察者光譜三刺激值，，，就能夠此為標準去計算光譜功率分布不一樣光源三刺激值和色度坐標。待測光光譜功率分布第27頁為了計算光源色或物體色色度坐標，首先須對光源光譜功率分布或物體光譜反射率因數進行測定，然后計算顏色三刺激值，最終再由三刺激值轉換為色品坐標．對于氣體放電光源亮線光譜，則須測出亮線光譜功率，隨同連續光譜一起計算三刺激值和色度坐標．顏色三刺激值計算方法是用顏色刺激函數φ(λ)分別乘以CIE光譜三刺激值，并在整個可見光譜范圍內分別對這些乘積進行積分．第28頁對于物體色：分別為物體光譜透過率，輻亮度因數，光譜反射率。對于照明體或光源：第29頁光源三刺激值與色坐標

Y表示光源綠原色對人眼刺激值量，也表示光源亮度，為了便于比較不一樣光源色度，將Y調整為1或100第30頁

物體色三刺激值

(

)為物體光譜透射比，光譜輻亮度因數或光譜反射比在大多數實際應用時，波長范圍為380nm至780nm，波長間隔

為5nm，甚至10nm。在計算物體色三刺激值時，應盡可能采取CIE標準照明體，通常提議使用CIE標準照明體D65。第31頁計算出物體三刺激值以后，再按下式形式將其轉換為物體色度坐標，即第32頁CIEChromaticityDiagram(1931)S1(x,y)λdL(x,y)S2(x,y)P(x,y)-λd,λcO

主波長(Dom.Wavelength)λd

補色波長(Comp.wavelength)–λd,λc興奮純度(ExcitationPurity)Pe=OS1/OL,Pe=OS2/OPPe=(xs-xo)/(xL-xo)Or,Pe=(ys-yo)/(yL-yo)亮度純度(ColorimetricPurity)Pc=Yλ/Y,Yλ–主波長光譜色亮度，Y—樣品色亮度Pc=(yL/ys)Pe二、主波長與色純度Concepts：第33頁1.主波長定義：用某一光譜色按一定百分比與一個確定參考光源相混合而匹配出樣品色，該光譜色波長就是樣品主波長。顏色主波長大致相當于日常生活中觀察到顏色色調在色度圖中心O點代表等能白光，它由三原色各三分之一單位混合而成，能夠把它當做參考照明體。S1代表某一實際顏色，連接O和S1并延長與光譜軌跡線相交于λd點，則λd為S1主波長。依據定義，S1能夠用WE和光譜波長為λd光譜色相混合而取得。CIEChromaticityDiagram(1931)S1(x,y)λdL(x,y)S2(x,y)P(x,y)-λd,λcO第34頁不過，并不是全部顏色都有主波長，色品圖中連接白點和光譜軌跡兩端點所形成三角形區域內各色品點都沒有主被長。補色波長：一個顏色S2補色波長是指某一個光譜色波長，此波長光譜色與適當百分比顏色S2相加混合，能匹配出某一個確定參考白光。補色波長用符號λc或－λd表示。CIEChromaticityDiagram(1931)S1(x,y)λdL(x,y)S2(x,y)P(x,y)-λd,λcO在色度圖中心O點代表等能白光，它由三原色各三分之一單位混合而成，能夠把它當做參考照明體。S2代表某一實際顏色，連接O和S2并反向延長與光譜軌跡線相交于λc/

-λd點，則λc/-λd為S2補色波長。第35頁

將前面敘述均勻明度標尺和均勻色品標尺組合起來，形成一個均勻三維顏色空間—CIE1964均勻顏色空間

CIE964均勻色空間用明度指數W*，色品指數U*、V*三維坐標系統來表示。三維坐標公式是u,v是顏色樣品色品坐標，u0,v0是照明光源色品坐標§3.5CIE1964均勻顏色空間一、CIE1964均勻顏色空間CIE1960UCS圖即使處理了CIE1931色度圖不均勻性，不過它沒有明度坐標，所以在給出uv坐標時須單獨注明Y值第36頁明度指數W*或明度值V標尺在知覺上是均勻，各單位間代表相等直覺差異。明度指數W*和三刺激值（亮度因數）Y相關，而且是立方根關系。W*和Y增加率是不一致，這表明Y差異并不能直接代表知覺上差異。明度指數標尺在知覺上是均勻，每一個單位量差異代表相等知覺差異，故它更能準確地表示顏色明度改變。色品指數U*，V*計算式是從CIE1960UCS圖u，v色品坐標，同時又將明度指數W*對色品坐標影響考慮進去而得到。當明度指數W*改變，一樣色品指數也隨之改變。兩個顏色W1*,U1*,V1*和W2*,U2*,V2*之間色差

E=[(W1*-W2*)2+(U1*-U2*)2+(V1*-V2*)2]1/2

=[W*2+U*2+V*2]1/2ΔE表示位于W*，U*，V*三維空間兩顏色點之間距離在理論上，當觀察者適應于平均日光，在白色或中灰背景上看一樣尺寸和相同外形一對顏色樣品時，這個公式能夠準確地表示兩樣品顏色視覺差異第37頁色差計算舉例：解：(1)計算兩樣品

，

色度坐標.(3-18)第38頁

(2)選取一中性色，如CIE光源D65用式(3-18)計算對應坐標：

(3)用式(3-21)和式(3-20)計算,并取其差：(3-20)(3-21)第39頁(4)計算平方，然后求其總和，即即：色差：第40頁第五章

同色異譜顏色顏色同色異譜概念顏色同色異譜程度評價顏色同色異譜差異第41頁一、同色異譜色

所謂同色異譜色，粗略地講，就是顏色外貌看起來相同，不過光譜組成并不相同顏色。也就是說兩個樣品所反射輻通且光譜成份不一樣，而顏色卻相互匹配，它們有相同三刺激值，在色品圖上是同一個色品點。一對同色異譜色應滿足以下條件是兩種顏色色刺激函數；是光譜三刺激值;(5-1)第42頁第七章

光源色度學光源色溫CIE標準照明體和標準光源光色舒適感光源顯色性第43頁（6）色溫：人們就用黑體加熱到不一樣溫度所發出不一樣光色來表示一個光源顏色，稱作光源顏色溫度，簡稱色溫。比如，一個光源顏色與黑體加熱到絕對溫度3000K所發出光色相同，這個光源色溫就是3000K．它在CIEl931色度圖上色度點應為，x＝0.437，y＝0.404，這恰好落在黑體軌跡上面。白熾燈等熱輻射光源，當燈鎢絲經過電流加熱時，近似黑體加熱情形，它們光譜功率分布與黑體分布近似。伴隨經過電流增加，燈絲顏色從淺紅向白改變．白熾燈鎢絲熔點是3600K，在這個溫度以下，鎢絲白熾燈光色改變基本上符合黑體軌跡。所以，色溫概念能恰當地描述白熾燈光色。第44頁光源色溫(ColorTemperature):

某光源色度與絕對黑體輻射在某一溫度下色度一樣，則這一溫度稱為某光源色溫。

相同光源色溫相對光譜功率分布與某溫度下黑體輻射光譜功率分布可能完全一致，也可能不一致。相關色溫CCT(CorrelatedColorTemp.)

：光源光色在色度圖上不一定準確地落在絕對黑體軌跡上，所以只能用光源與黑體軌跡最近顏色來確定該光源色溫，稱為相關色溫。二、光源色溫和相關色溫第45頁§7.2CIE標準照明體和標準光源測量物體表面顏色，必須在一定光源下進行，為了統一顏色測量標準，CIE要求了色度學標準照明體和標準光源。標準照明體：指特定光譜功率分布，這種標準光譜功率分布并不是必須由一個光源直接提供，也不一定能用一個光源來實現。CIE“標準照明體”是由相對光譜功率分布來定義，同時還要求了“標準光源”，以實現標準照明體相對光譜功率分布。光源：指能發光物理輻射體，如燈，太陽和天空等第46頁人眼在這些光源照明下看到物體色會改變，感到物體顏色失真，這種影響物體顏色照明光源特征稱為光源顯色性。顯色性好光源則物體色失真小，顯色性好壞是評價光源性能一個主要方面。

二、光源顯色性第47頁三、ClE光源顯色指數計算方法CIE推薦用“測驗色”法來定量評價光源顯色性方法是：以測量參考光源照明下和待測光源照明下標準樣品總色位移量為基礎來要求待測光源顯色性，用一個顯色指數值來表示光源顯色性，它表示了待測光源下物體顏色與參考光源下物體顏色相符程度。CIE要求用完全輻射體或標準照明體D作為參考光源，并將其顯色指數定為100，還要求了若干測試用標準顏色樣品。依據在參考光源下和待測光源下，上述標準樣品形成色差來評定待測光源顯色性好壞。光源對某一個標準樣品顯色指數稱為特殊顯色指數:式中ΔEi為在參考光源下和待測光源下樣品色差。光源對特定8個顏色樣品平均顯色指數稱為普通顯色指數顯色指數：ColorRenderingIndex(CRI)第48頁幾點說明：參考照明體選擇當待測光源相關色溫低于5000K時，選擇完全輻射體(普朗克輻射體)作為參考照明體，它色溫可依據待測光源相關色溫選取。當待測光源相關色溫高于5000K時選擇標準照明體D作為參考照明體，它色溫也是依據待測光源來選取。待測光源(色品坐標，

)與參考照明體(色品坐標，

)應含有相同或近似相同色品坐標，它們色品差ΔC應小于5.4×10-3式中，為待測光源色品坐標；，為參考照明體色品坐標。第49頁

(2)顏色樣品

CIE選擇了14種顏色樣品作為計算光源顯色指數標準樣品。1-8號樣品為中等飽和度、中等明度各種有代表性色調樣品，計算普通顯色指數Ra時只能用1-8號試樣。求得Ra值表示了待測光源色顯現對參考照明體色顯現平均偏離。9-14號樣品包含飽和度較高紅、黃、綠、藍及歐美人皮膚色和樹葉綠色。考慮到第13號色樣是歐美女性面部膚色，1984年在我國制訂光源顯色性評價方法國家標準中，增加了我國女性面部膚色色樣，作為第十五種試樣。計算特殊顯色指數Ri時能夠選擇十五種樣品中任何一個。第50頁(3)待測光源及待測光源下顏色樣品色度坐標計算經過對待測光源光譜輻射測量，計算待測光源和

色度坐標。然后根根表7-9、表7-10數據算出在待測光源下各樣品和

色度坐標。對色度坐標應給出小數點后四性數．第51頁色適應色品位移修正因為待測光源k和所選取參考照明體r色度不完全相同，而使視覺在不一樣照明下受到顏色適應影響。為了處理兩種照明下色適應，必須將待測光源色度坐標，調整為參考照明體色度坐標、，即這時各顏色樣品i色度坐標,也要作對應調整，成為。這種色度坐標調整叫做適應性色位移。第52頁式中各c、d由下式計算：

c=（4–u–10v）/v，

d=（1.708v+0.404–1.481u）/v下標“r”代表參考照明體；“k”代表待測光源；“k,i”代表待測光源照明下第i種標準樣品。在計算顯色指數時，就用調整后色度坐標計算。第53頁(5)CIEl964顏色空間坐標計算第54頁(6)顏色樣品總色位移用CIEl964色差公式計算在待測光源k和參考照明體r照明下同一顏色樣品i色差：第55頁(7)顯色指數計算特殊顯色指數（i=1,2,3，……單個顏色樣品）：普通顯色指數(CIE1—8號顏色樣品Ri平均值)：式中4.6是要求參考照明體顯色指數數為100、標準熒光燈顯色指數為50調整系數，顯色指數用整數表示。第56頁單位為NBS色差單位。特殊顯色指數Ri1分（1%）等于0.22NBS色差單位，Ri5分大約等于1個NBS色差單位．當一個光源某一Ri為90時，表明在該光源下與參考照明體下相比，物體顏色改變大約為2個NBs色差單位。光源Ri數為50時，顏色改變大約為10個NBS色差單位。因為普通顯色指數Ra是8個顏色樣品Ri平均值，所以即使兩個光源有完全相同Ra，兩光源下同一顏色樣品Ri之間也可能有較大差異．只有當兩個光源Ra都靠近100時，兩光源下顏色樣品Ri差異才可能很小．第57頁CIE光源顯色指數是基于CIE1964顏色空間上對待測光源下和參考照明體下顏色樣品色差矢量長度比較，即基于樣品色位移量比較．應認可色位移方向也是主要，但CIE顯色指數不包含色位移方向度量。基于上述原因，即使兩個含有相同Ri光源，如顏色樣品i色位移方向不一樣，這一樣品顏色在視覺上也不會相同。同理，在兩個含有相同Ra燈下觀察顏色，也不確保它們有一樣顏色視覺效果．所以，在要求準確區分顏色實踐中應該注意到，即使不一樣光源可能含有相同特殊顯色指數或普通顯色指數，但這并不表明各種燈之間能夠相互代替使用．第58頁

CRI計算方法

測量被測光源相對光譜功率分布P(λ)

計算被測光源在1931xy,1960UCS坐標系中色品坐標xk,yk,uk,vk及相關色溫Tc

依據Tc選擇參考光源Tc<5000K，Planckianradiationsource，S(λ)=C1/[πλ5(eC2/λT-1)],

c1=3.7418*1016[W.nm2],c2=1.4388*107[nm.K],λ[nm]Tc>5000K,組合晝光為參考光(標準照明體D),色品坐標xD,yDTc:4000~7000K,xD=-4.6070*109/Tc3+2.9678*106/Tc2+0.09911*103/Tc+0.244063Tc:7000K~25000K,xD=-2.0064*109/Tc3+1.9018*106/Tc2+0.24748*103/Tc+0.23704(0.250<=xD<=0.380)

yD=-3.000xD2+2.870xD-0.275

標準照明體D相對光譜功率分布公式：

S(λ)＝S0(λ)+M1S1(λ)+M2S2(λ)S0(λ),S1(λ),S2(λ)為實測特征矢量。

M1＝(-1.3515-1.7703xD+5.9114yD)/(0.0241+0.2562xD-0.7341yD)M2=(0.0300-31.442xD+30.0717yD)/(0.0241+0.2562xD-0.7341yD)第59頁由參考光相對光譜功率分布S(λ)計算色品坐標xr,yr,ur,vr。被測光與參考光色品差ΔC=[(uk-ur)2+(vk-vr)2]1/2<5.4*10-3用20視場色匹配函數xba