CIE基本色度学分析与计算

高工LED技术中心发布时间：2009-08-04 16:07:39设置字体：大中小

色度学是门研究彩色计量的科学,其任务在于研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用。彩色视觉是人眼的种明视觉。彩色光的基本参数有：明亮度、色调和饱和度。明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说,彩色光能量大则显得亮,反之则暗。色调反映颜色的类别,如红色、绿色、蓝色等。彩色物体的色调决定于在光照明下所反射光的光谱成分。例如,某物体在日光下呈现绿色是因为它反射的光中绿色成分占有优势,而其它成分被吸收掉了。对于透射光,其色调则由透射光的波长分布或光谱所决定。饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光,其饱和度越高,颜色就越深,或越纯;而饱和度越小,颜色就越浅,或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅,变成低饱和度的色光。因而饱和度是色光纯度的反映。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光阴纯色光。色调与饱和度又合称为色度,它即说明彩色光的颜色类别,又说明颜色的深浅程度。

应强调指出,虽然不同波长的色光会引起不同的彩色感觉,但相同的彩色感觉却可来自不同的光谱成分组合。例如,适当比例的红光和绿光混合后,可产生与单色黄光相同的彩色视觉效果。事实上,自然界中所有彩色都可以由三种基本彩色混合而成,这就是三基色原理。

基于以上事实,有人提出了一种假设,认为视网膜上的视锥细胞有三种类型,即红视谁细胞、绿视锥细胞和蓝视锥细胞。黄光既能激励红视锥细胞,又能激励绿视锥细胞。由此可推论,当红光和绿光同时到达视网膜时,这两种视锥细胞同时受到激励,所造成的视觉效果与单色黄光没有区别。

三基色是这样的三种颜色,它们相互独立,其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的,即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。有两种基色系统,一种是加色系统,其基色是红、绿、蓝;另一种是减色系统,其三基色是黄、青、紫(或品红)。不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色,其规律为：

红+绿=黄

红+蓝=紫

蓝+绿=青

红+蓝+绿=白

彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出,这就是相减混色。因为颜料能吸收入射光光谱中的某些成分,未吸收的部分被反射,从而形成了该颜料特有的彩色。当不同比例的颜料混合在一起的时候,它们吸收光谱的成分也随之改变,从而得到不同的彩色。其规律为：

黄=白-蓝

紫=白-绿

青=白-红

黄+紫=白-蓝-绿=红

黄+青=白-蓝-红=绿

紫+青=白-绿-红=蓝

黄+紫+青=白-蓝-绿-红=黑

相减混色主要用于美术、印刷、纺织等,我们讨论的图象系统用的是相加混色,注意个要将二者混淆。

根据人眼上述的彩色视觉特征,就可以选择三种基色,将它们按不同的比例组合而引起各种不同的彩色视觉。这就是三基色原理的主要内容。

原则上可采用各种不同的三色组,为标准化起见,国际照明委员会(CIE)作了统一规定。选水银光谱中波长为546.1 纳米的绿光为绿基色光;波长为435.8 纳米的蓝光为蓝基色光。

实验发现,人眼的视觉响应应取决于红、绿、蓝三分量的代数和,即它们的比例决定了彩色视觉,而其亮度在数量上等于三基色的总和。这个规律称为Grassman 定律。由于人眼的这一特性,就有可能在色度学中应用代数法则。

白光(W)可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色相加而得,它们的光通量比例为

ΦR：ΦG：ΦB = 1：4.5907：0.0601

通常,取光通量为1光瓦的红基色光为基准,于是要配出白光,就需要4.5907光瓦的绿光和0.0601光瓦的蓝光,而白光的光通量则为

Φw =1 + 4.5907 + 0.0601=5.6508光瓦

为简化计算,使用了三基色单位制,记作[R]、[G]、[B],它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成,即

M

W = 1[R] + 1[G] + 1[b]

符号M的含义是可由混合配出。由此可知,

=

1个单位[R]=1光瓦(红基色光)

1个单位[G]=4.5907光瓦(绿基色光)

1个单位[B]=O.0601光瓦(蓝基色光)

选定上述单位以后,对于任意给出的彩色光C,其配色方程可写成

C=r1[R] + g1[G] + b1[B]

该色的光通量为

Φc=(r1+4.5907g1+0.0601b1)光瓦

=680(r1+4.5907g1+0.0601b1)流明

其中,r1、g1、b1为三个色系数。在只考虑色光色度时,起决定作用的是r1、g1、b1的相对比例,而不是其数值大小,于是可进一步规格化。令

m = r1 + g1 + b1

r = r1/m

g = g1/m

b = b1/m

显然, r+g+b=1

式中, m称为色模,它代表某彩色光所含三基色单位的总量。r、g、b称为RGB制的色度座标或相对色系数,它们分别表示：当规定所用三基色单位总量为1 时,为配出某种给定色度的色光所需的[R]、[G]、[B]数值。这样, C=m{r[R]+g[G]+b[B]}。

除了数学表达式以外,描述色彩的还有色度图,色度图能把选定的三基色与它们混合后得到

的各种彩色之间的关系简单而方便地描述出来。图1 表示一个以三基色顶点的等边三角形。三角形内任意一点P到三边的距离分别为r、g、b。若规定顶点到对应边的垂线长度为1,则不难证明关系r+g+b=1成立,因此r、g、b就是这一色三角形的色度座标。显然,白色色度对应于色三角形的重心,记为W,因为该点r=1/3,g=1/3,b=1/3 沿RG边表示由红色和绿色合成的彩色,此边的正中点为黄色,其色度座标为r=1/2, g=1/2, b=0.橙色在黄色与红色之间(r=3/4,g=1/4,b=O)。同样,品红色(也称紫色,但与谱色紫不一样)在RB 边的中点(r=1/2,g=0,b=1/2),青色在BG边的中点(r=0,g=1/2,b=1/2)。穿过W点的任一条直线连接三角形上的两点,该两点所代表的颜色相加均得到白色。通常把相加后形成白色的两种颜色称为互补色。例如图中的红与青、绿与品红、蓝与黄皆为互补色。从三角形边线上任一点(如R点)沿着此点与W的连线(如RW)移向W点,则其颜色(如100%饱和度的纯红色)逐渐变淡,到达W点后颜色就完全消失。上述色三角形称为Maxwell色三角形,使用起来有所不便。如果我们用类似直角三角形的形式直接标度,就方便多了。基于r +g+b=l,故在直角三角形中只需标出r和g的单位,由b=1-r-g即可知道b。如色度Q,