1931CIEXYZ标准色度系统.docx
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1931CIEXYZ标准色度系统
1931CIE-XYZ标准色度系统
所谓1931CIE-XY二杀先就是在RG吕系统的基础上•用数学方法.选用三个理想的原色来代替实际的匕总系统屮的光谱三剌激值和色度坐标“s三原色.从而将CIE-RGBb均变为正值。
CIE-RGB系统与CIE-XY2系统的转换关系(一〉、这三个原色不,2代表盔廉色,X选择三个理想的原色(三剌激值)X、
Y.2.代表红原色,Y代表绿原色是物理上的真实色.而是虚构的假想色。
它们在图5-27中的色度坐标分别为:
D
口
D
n
bgr
0.003X-0.2781.275
-0.028Y-1.7392.7671.602
-0.713
0.141
形成的虚线三角形将整个光谱轨迹包育在内,因此整个光谱色变成了以中可以看到由XY7从图5-272W尹(X)
X0)、…利咆度坐标心丫二.角形作为色域的域内色•在XY三系统中所得到的光谱三剌激值.
厂:
:
将完全变成正值,经数学变换.两组颜色空间的三剌激值有以下关系:
X=0.490R-O.31(X^0.200B
Y=0.177R-H).812G+0.011B(5-S)
Z=0.010G-0.990B
曲组颜色空间色度坐标的相互转换关系为:
x=(0.190x-0.310g-0.200b)/(0.667r^l.132g-l.200b)
y=(0.117r-0.812g40.010b)/(0.667r+l.132^1.200b)(5-9)
z=(0.OOOr-O.010g-0.990b)/(0.667r^l.132g-l.200b)
这就是我们通常用來进行变换的关系式.所以.只耍知道某一颜色的色度坐标门sb.即可以求出它们在新设想的三原色XY2颜色空间的的色度坐标my.s通过式(5-9)的变换•对光谱色或一切口然界的色彩而言.变换后的色度坐标均为正值.而且等能口光的色度坐标仍然是(0.33.0.33).没有改变。
表5-3由CIE-RGB系统按表"2中的数据.由式(5-9)计算的结果.从表5-3中可以看到所有光谱色度坐标y(l).的数值均为正值。
为了使用方使.图5-27中的XY三三角形.经转换变为直角三角形(图5-28).其色度坐标为x、八用表5-3中各波长光谱色度坐标在图中的描点.然后将并点连接.即成为CIE1931xy色度图的光谱轨迹:
色度图,CIE1931xy这就是目前国际通用的所以肯定为正值•由图看出该光谱赫迹曲线落在第一象限Z内.
图5-2SCIExy色度图
(二)、CIE-XYZ光谱三剌激值
CIE-XYZ光谱三剌激值是由CIE-RGB比谱三剌激值经过式(5-9〉光谱色度坐标Z间的转换得到的.记兀伉)曲)rQ)gQ)5(A)虽然通过式(5-2〉能间接反映、为、、、°CIE-RGB光谱三刺激值瓦久)tQ)iW可以看出•由等能光谱色色光的相对亮度.然而很不直观。
从图5-25.分别乘以单位、
«:
得到的相对;出乞与人眼的明视觉光谱光视效率函数相冋.为了直观的表示颜色的亮度•cie规定卩⑴yQ)
=.因此不仅配色《•等能光谱色〉中绿原色的敌A「亦待配色色光的亮度•用刀⑺)兀伉))til\.
剌激值CIE-CT2、『计算颜色的亮度特也由丁•符合明视光谱光视效率函数.所以zQ)曲).又称为CIE1931
标准色度观察者光谱三剌激值.简称CIE标准色度观察者•在物体色色度值的计篦中代表人眼的颜色视觉特征参数。
兀⑴=兀亿)/[X〔2)十丁伉)十2伉)]•、…血)=站)/[宁伉)4■爾MS)]..}
由色度坐标的定义知:
Z
(2)=Z(jL)/[X(Z)十丁伉)十2(财]:
丿
(5-10)
也)曲)?
(无)
且=!
弘)超)
又因为规定二
:
所以光谱三剌激值的计算公式为
x(7l)=z
(2)巩久)卜、陀)W)
G
(2)=z
(2)/伉)伉’
(5-11)
计算结果如图5-29所示,其数值见衷5-3。
图5-29光谱三剌激值
yxz___
并曲线所包含的总面积.分别表示X、Y、:
.农5-3中CIE1931标准观察者等能光谱图屮、、*宁F总量
是相邹的.都是21.371.即X=Y=:
=21.371总虽、总扯和并波长的。
这个数是个相对数.没冇
但是.由于剌激值y、、2组成的.它仅仅表明:
绝对总义.一个等能白光(E比源)是由相冋数址的MQ)y符介明视觉光谱效率函数.所以•用曲线可以计算一个颜色的亮度特性。
=卩(久)
•明视觉光谱光视效率函数)=0.0082,y(X)=0.5384A例:
波长=500nm光谱色的色度坐标为:
x(X=0.323.则其光谱三
广700°)二^点00)厂600)。
(刃0)=°0血2刈.32負0.5384=0.0043•
J^(500)=^(500)=0.323
刺激值为:
(三).物体色三刺激值
匹配物体反射色光所需耍红.绿、蓝三原色的数量为物体色三剌激值•即Y.乙也是物体色的色度值,物体色彩感觉形成他大耍渎是光源、颜色物体、眼昭和大师物体色測激值的计%涉及到光源qCO兀伉)
三方而的特征参数.、能址分布、和人眼的颜色视觉、物体表而反射性能
二丄》(乂)刃亿艮亿対⑵X二K(劝^⑴只乂対⑴
Y二K“炸⑵加如
Z二K
式中K为调整因数.Y剌激值既表示绿原色的相对数址.又代表物体色的壳度因数;Q伉)E(小
或者物体发生变化时.物体的颜色X上式表明当光源.Y、Z随即也发生变化.因此上式是一种最基本、最精确的颜色测址及描述方法.是现代设计软件进行色彩描述的星础.
对F照明光源而古•光源上剌激值(E⑴
)的计算仅涉及到光源的相对光谱能址分布和人眼的叙色视觉特征参数,因此光源的三刺、Y、Zoo激值可以表示为:
Zo=K
(5-13)
式中Y表示光源的绿原色对人眼的刺激值量•同时又表示光源的壳度.为了便T•比较不同光源的色度.。
将Y调整到
将I:
式代入(5-12)即可得到物体色的色度值。
所以知道了鴉射光祿《通常使用标准光源)的相对光谱能$⑴Q
(2)
及物体的光谱反射率•物体的颜色就可以用色度值XU分布.Y、2來楮确地定址描述J"。
(四人CIE1931Yxy表色方法
在图5-28所示的巧色度图中.汽色度坐标相肖于红原色的比例.y色度坐标相肖于绿原色的比例;由图中的马蹿形的光谱轨迹并波长的位置,可以看到:
光谱的红色波段集屮在图的右下部.绿色波段集屮在图的上部.蓝色波段樂中在轨迹图的左下部.屮心的口光点E的饱和度放低.光源轨迹线上饱和度瑕高。
如果将丸谱轨迹上表示不冋色光波长点与色度图中心的口光点E相连.則可以将色度图画分为乞种不同的颜色区域.如图570所示.因此.如果能计算出某颜色的色度坐标ey•就可以在色度屮明确地定出它的颜色恃征。
例如音色样品的表而色色度坐标为工=0.1902,y=0.2302.它在色度图中的位置为A点.落在蓝绿色的区域内。
当然不冋的色彩有不冋的色度坐标.在色度图中就占有不同位置。
因此.色度图中点的位置可以代表各种色彩的颇色恃征•但是.前面曾经讨论过.色度坐标只规定了颜色的色度.而未规定颜色的亮度.所以卄耍唯一地确定某颜色.还必皱指出其壳度特征.也即是Y的大小。
我们知道光反射率
P=物体表面的壳度/入射光源的壳度二Y/Y0所以壳度因数Y=100P
•則该颜色的外Y.又有了表示颜色亮度特征的亮度因数厂x这样•既有了表示徼色特征的色度坐标貌才能完全唯一地确定’为了直观地表示这三个参数Z间的总义.可用一立体图(图5-31)形象表示•
0
5-31
图图5-30
的公式为由物体三剌激值计风YxyY=Y
)(X^Zx=X/)(XT+2y=Y/:
Y巧由计篦物体三剌激(ftX=xY/y
5-14)Y=Y(Z=(l-x-y)Y/y
Y巧两种表色方法的数值转换八HVC与(五由孟塞尔所创立的色相00、明度(V)和彩度(C)表示颜色的方法・是从心理学的角度把i「滦到的实际色样.按目视色彩感觉等间關的排列方式•用HVC把并种表面的特性表示出來,给以魏色标号,并按此将心制作成许篡标准颜色样品•汇编成颜色因册ol929年和1913年美国国家标准局(NBS》和美国光学会(0SA)对孟塞尔颜色系统作了进一步硏究•由孟塞尔颜色编排小组委员会对孟塞尔色样逬行了光谱光度测址及视觉实验.并按视觉上等師的煉則对孟塞尔图册中的色样进行了修正和增补.重新编艸了孟塞尔图册屮的色样•制定J'《孟塞尔新标系统》•新标系统屮的色样編排在视觉上更接近等距•而且对每一色样都给出相应的CIE1931色度学系统的色度坐标•即Y.
x.yfft.这个新标系统的颜色样品代表在CIE标准光源C的照明下可制出的所冇表面色(非荧光材料)•由此可知.孟塞尔系统本身的毎一色样都是用HVC和Yxy两种方法标定的.所以根据孟塞尔新标系统.就可以完成Yxy和HVC两种表色方法Z间的转换计篦:
1・亮度因数Y与孟塞尔明度(&V的关系
国际上采用的《孟塞尔新标系统》对丁•明度的分级是用实验方法求得的。
孟塞尔明度值是按视嗾觉上的等典离从L10分为1L级.第10级明度值(丫=10)由理想的完全反射体代表.它的反射率^Tlc然而没有一种材料的表而具有完全反射的性质,实用中.这一系统的所有Yffl都是以轨化镁作为标准的.并规定软化镁的壳度因数Y=100.而轨化镁的实际反射率约为97.5%.M此.孟塞尔第10级的明度值的亮度因数¥=100/0.975=102.57.根据视觉实醴所得结果.孟塞尔明度只与壳度因数2间的关系如图5・32所示.0可用五次多项式表示:
它们Z间的函数关系.Z间迪IF线性关系。
V
与明度值Y亮度因数图中的曲线表明.
+0.000840VY二1・2219V-0.2311V-0.021009V+0.2395IV(5-15)
20%的中性灰色为背娥,孟塞尔明度tflVY上式的最佳观察条件是以与亮度因数YZ间的数值关系如表'所示5-15-1表V10.009.00S.007.006.005.004.003.002.001.000.00
Y102.5778.6659.1013.0630.0519.7712.006.5553.1261.2100.00
图5-32
2.色度坐标壮y与色相H、彩度C的转换
在孟塞尔颜色系统中.对丁•明度值相同的颜色样品只有色相和彩度两维坐标的变化.这在CIE1931色度图上.就总味裕只有色度坐标乩y的不河.在孟塞尔新标系统中.按照「9的9个明度等级.根据视觉实脸•分别在CIE色度图上绘制出恒定色相轨迹和恒定彩度轨迹线,这9张恒定色相轨迹和恒定彩度轨迹图(图5・33、图5-41)就绘我们将CIE1931色度学系统(Yr•表色法)与孟塞尔系统(HVC表色法)相互转换的依据.
分析这9张不同明度的色度图可以看出.在明度值为4/、5人6/时.彩度轨迹的数扯放乡•比明度值9/时占色度图更大的而积,这总味若.在中等明度值4/〜6/时有产生瑕大饱和度表面色的可能性.而在明度值9/时(亮度冈数Y=79).不可能冇非常饱和的颜色.特别是征色度图的蓝、紫、红部分更定如此。
随右明度的降低.毎一恒定的彩度轨迹圈急剧增大.依据在明度值1/时(亮度W^Y=1.210).彩度/4的轨迹己经包括明度值9/的全部颜色•这表明人眼分辩饱和度的能力随明度的降低而降低.明度值为1/时.在色度图中黄.绿部分只剩下很少几个恒定彩度轨迹.这表明.在明度降低时•黄.绿色只有很低的饱和
度,.
图5-37
5-3S
5-10
图5-11
(六)、CIEYxy颜色空间的不均匀性
色彩差别址与其它物理呈在性质上迥然不同,例如长度这一物理虽.人们常常可以任恿分割.即使人眼无法分辨的微小长度.还可以借助显微钱和其它物理仪器来测址和观察。
但是.对于色彩差别址来说.主耍取决丁•眼睛的判断。
如果一个眼睛不能再分辨的色彩差别址.而人们又不能借助物理仪器来观察它.这样它就成J'—•个无总义的数值。
我们把人眼感觉不出的色彩差别址(变化范鬧)叫做颜色的宽容呈.颜色的宽容址反映在CIE巧色度图上即为两个色度点Z间的距离•因为.每种颜色在色度图上是一个点.但对人的视感觉来说•当这种颜色的色度坐标位置变化很小时.人眼仍认为它堤原來的颜色.感觉不出它的变化.所以.对视感觉效果来说.在这个变化的距离(或范闲〉以内的色彩差别址.在视觉效果上杲等效的。
对色彩员制和其它颜色匸业部门来说这种位于人眼宽容址范阖Z内的色彩差别址是允许存在的.
1912年.美国河达研究所的研究人员麦克亚肖(D.L.Macadaa)发表的一篇关于人的视觉宽容虽的论文.迄今为止.仍堆在色彩差別定址计算与测址方面的基本苦作。
在硏丸的过程中.麦克亚当在CIE巧色度图上不何位置选择f25个颜色色度点作为标准色光.其色度坐标札齐又对每个色度点画出5、9条不同的方向直线.取相对曲侧的色光来匹配标准色光的颜色•由同一位观察者调节所配色光的比例.确定其颜色辨别的宽容址。
通过反复做50;火配色实脸.计弊乞次
所得色度坐标的标准差.即:
Q厂宓[d才+3_叫
(5-16)
从图5-42中可以看到.圉绕指定标准色度点向各个方向的辐射线为各标准差的跖离.发现在不同方向上.此距离是不相竽,用绕标准色度点.在不冋方向上取距离为一个标准差的点的轨迹近似一个椭脚。
还可以看到在色度图不同位迸上的25个颜色点的椭閱形状大小不一样•其长轴方向也不相同。
这表明在xy色度图屮.在不同位置不同方向上颜色的宽容址是不相同的:
换句话说.标准CIE色度图上的相同的几何距离.在不同的颜色区域里和不河颜色变化的方向上.所对应的视觉颜色差别址大小是不同的.图5T2倍绘出的。
10中的并个椭閲形宽容虽是按实脸结果的标准差的.
图5-42
麦克亚肖的实验结果表明了在巧色度图乞种颜色区域的宽容址不一样.蓝色区赧小,绿色区鼓大•图5-37是明度值V=5的孟塞尔新标系统的色度图•可以看出在色度图的相同而积内.盔色区冇较多的颜色(不同色相和彩度)•而绿色区内却少得多.就是说•在色度图蓝色部分的同样空间内.视觉能分辩出较多数址的蓝色:
而在绿色部分冋样的空间内.人眼只能分辨出较少数址的绿色,视觉对蓝色恰可辨别的掖小距离与对绿色恰可辨别的最小距离Z比竟达20:
1。
从图577中还可以看到.尽管孟塞尔色相和彩度是按视觉等间护來分级的.而在xy色度图中却变成不等间蹈几即在巧色度图中相邹的空间距离在视觉效果上不是聲差的:
所以CIE巧色度图不能正确反映颜色差别的视觉效果:
如果用巧色度图上两个颜色色度点Z间的陀离作为色彩感觉差别址的度址.就会给人们造成错谋的印象・影响到颜色的匹配和色彩复制的准确性.给色彩设计与复制技术增加困难,因此CIE1931xy色度图不是一个瑕理想的色度图:
同样.从图5・32也可以看•在明度轴上也是不均匀的.说明整个Yxy颇色空间的不均匀性。
冈此.寻求一种新的颜色空间.便得该空间的距离大小与视觉上色彩感觉差别成正比.这堤许多从爭色彩硏究的科学家所探求的何题.也是色彩设计与复制行业所迫切需翌解决的一个何题:
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