第四讲 颜色度量体系及标准

ITU：国际电信联盟 英文名称：International Telecommunications Union
下辖： 电信标准部门（TSS，即ITU ITU-T） ITU 无线电通信部门（RS，即ITU ITU-R） ITU 电信发展部门（TDS，即ITU ITU-D） ITU
五．彩色电视的色度范围 彩色显像管利用红绿蓝三种荧光粉发出的光作为显像基 色光。不可能是CIE 1931 RGB。 PAL制和NTSC制的 色度范围见右图。三色 坐标见P103表6-1。 三角形区域表示两 种制式能够表现的颜色 范围。
第3节 常用的颜色空间
一．模拟电视颜色空间 1.γ校正
所有的CRT（阴极射线管）显示设备都是非线性的，有关系： γ 输出=(输入) 若显示设备的γ=2.5，则在摄像设备中引入γ=0.5，最后我们 看到的图像和真实场景有之间的γ=1.25，符合人眼的感觉特 征。不同的电视制式，γ值不同。
第2节 CIE 颜色系统
国际照明委员会（CIE） ：Commission Internationale de L‘Eclairage / International Commission on Illumination
CIE色度模型是最早使用的模型之一。 它是三维模型，其中，两维定义颜色，第三维（用Y表示）定义 亮度。
X 0.607 0.174 0.200 R 有：Y = 0.299 0.587 0.114 G Z 0.000 0.066 1.116 B
其中，亮度方程： Y=0.299R+0.587G+0.144B
其中EW代表标准白光
配色方程：
C = rR + gG + bB
r g b的比例决定色调，一般r+g+b=1。 把（r,g,b）看成三维空间中的一个点，这个空间称为颜色空间。
标准光源（色度学）： 以白光为标准。 以色温度量。 除了标准白光外， CIE还定义了多种国际 标准光源。如右图：
三基色原理：用红、绿和蓝单光谱基色可以匹配所有可见的颜色 下图表示用三基色匹配光谱色所需要的配色比例，横坐标 表示光谱波长，纵坐标表示用以匹配光谱各色所需要的RGB三基 色刺激值。 由图知：匹配在 438.1 nm和546.1 nm 之间的光谱色，红色 出现负值。这就意味 匹配这段里的光谱色 时，混合颜色需要使 用补色才能匹配。 如果两种色光相混合能形成白光，则这两种色光互为补色。
X ? ? ? R Y = ? ? ? G Z ? ? ? B
思路：比例决定色调，考虑纯红色R=1,G=0,B=0,有：
X ar xr ? ? R Y = a y ? ? G r r Z ar zr ? ? B
四．CIE 1931 xyY 由于色度只与X Y Z的比例有关，可对其归一化：
X x= X +Y + Z Y y= X +Y + Z Z z= X +Y + Z 有： x + y + z = 1
其中只需要知道x,y,z中的两个就可以确定色度，选择x,y。 另外，用Y表示亮度。构成xyY。
反变换：
一．CIE 1931 RGB
定义：红光波长700nm 绿光波长546.1nm 蓝光波长435.8nm
二．配色 为了便于计算对白光的配色： 定义：1个红基色光R=1光瓦 1个绿基色光G=4.5907光瓦 1个蓝基色光B=0.0601光瓦 1光瓦=680流明(lm) 有：
C Ew = 1 × R + 1 × G + 1 × B
三．CIE 1931 XYZ 定义想象中的三种基色X，Y和Z，由CIE 1931 RGB颜色空间 到XYZ颜色空间的变换式为:
X 0.489989 0.310008 0.20 R Y = 0.176962 0.812400 0.01 G Z 0.000000 0.010000 0.99 B
这里RGB和XYZ都表示坐标的值，取值范围0-1。
反变换：
R 2.364700 −0.896580 −0.468083 X G = −0.515150 1.426409 −0.088746 Y B −0.005203 −0.014407 1.009200 Z
注意：上两式都不是配色方程！！ 可以得到配色方程如下：
X = 2.364700R − 0.515150G − 0.005203B Y = −0.896580R + 1.426409G − 0.014407B Z = −0.468083R − 0.088746G + 1.009200B
XYZ性质 CIE XYZ性质 1) 匹配光谱颜色时所有的X，Y和Z值都是正的，不需 要一种负值的基色。 光谱色配色函数图为：
色调不同于我们平时所说的颜色（色度）。同样的色调， 由于饱和度不同会呈现不同的颜色。
（二）饱和度（鲜艳与否） 饱和度(saturation)是颜色的纯洁性，可用来区别颜色艳丽 的程度。 当一种颜色渗入其他光（白光）成分愈多时，就说颜色愈不 饱和。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色。 饱和度在颜色圆上用半径表示，如图所示。沿径向方向上的 不同颜色具有相同的色调和明度，但饱和度不同。
同理，考虑纯绿色和蓝色，有：
X ar xr ag xg ab xb R Y = a y a y a y G g g b b r r Z ar zr ag z g ab zb B
再考虑白光，R=G=B，有：
第四讲、 第四讲、颜色度量体系及颜色空 间
YANGZHOUDAXUE
物理科学与技术学院
第1节 颜色的基本概念
一．颜色的物理性质 从物理学这个角度来说，光波是一种具有一定频率范围的 电磁辐射，其波长覆盖的范围很广。电磁辐射中只有一小部分 能够引起眼睛的兴奋而被感觉，其波长在380nm-780nm的范围 里。
2)Y值表示人眼对亮度的响应!
3)和RGB一样，每一种颜色都可以表示成X，Y和Z的混合。 配色方程： C
= XX + YY + ZZ
当X=Y=Z，合成标准白光。
4)XYZ人为规定，与设备无关。
源自文库
XYZ空间配色图如右： 1)所有的可见光都在锥体上。 2)所有的坐标轴都不在这个 实心锥体内。 3) 相应于没有光照的黑色位 于坐标的原点。 4) 曲线的边界代表纯光谱色 的三基色刺激值，这个边界叫 做光谱轨迹(spectral locus)。 5)通过原点的直线，色度（色 调）是一样的，仅亮度不同。
（一）色调 （色彩） 色调(hue)又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的 名称或颜色的种类。是最容易把颜色区分开的一种属性。 色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫(red，orange, yellow，green，cyan，blue，indigo，violet)等术语来刻 画。 色调与颜色明暗无关。 黑、灰、白则为无色彩。 仔细分析，色调可有一千万种以上，但普通颜色专业人 士可辨认出的颜色大约可达三百至四百种。 色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、 紫。在这个次序中，当人们混合相邻颜色时，可以获得在这 两种颜色之间连续变化的色调。 色调在颜色圆上用圆周表示，圆周上的颜色具有相同的 饱和度和明度，但它们的色调不同。
X 0.489989 0.310008 0.20 R Y = 0.176962 0.812400 0.01 G Z 0.000000 0.010000 0.99 B
标准白光：（0.33 0.33）。
x X = Y y Y =Y 1− x − y Z = Y y
xy平面：
因为由x,y就可以确定色度，所以把x，y做成二维平面，用平 面上的点（x0,y0）代表颜色（不能确定亮度），称为色度图。
几何解释：
x,y平面是XYZ空间 中的X+Y+Z=1平面在Z=0 平面上的投影。
标准白光，单色CIE 1931 R、G、B的色度坐标是多少？
CCIR：国际无线电咨询委员会 （Consultative Committee of International Radio ） 国际电信联盟（ITU）的常设机构之一。主要职责是研究无 线电通信和技术业务问题，并对这类问题通过建议书。 从1993年3月1日起，与国际频率登记委员会（IFRB）合并， 成为现今国际电信联盟（ITU）无线电通信部门，简称ITU-R。总 部位于瑞士日内瓦。
（三）明度和亮度（明暗） 1．明度 明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的 感知属性。 明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两 个极端之间是灰色。 明度和人的感知有关，目前还无法用物理设备来测量。 在许多颜色系统中，明度常用垂直轴表示，如图所示。图(b) 所示的七种颜色,它们具有相同的色调和饱和度，但它们的明度不 同，底部的明度最小，顶部的明度最大。 2．亮度 亮度表示光的强度。 在CIE XYZ系统中用Y表示。 由于明度很难度量，通常可以 用亮度即辐射的能量来度量。
可见光谱
人眼对颜色的感知特性： 用不同波长的光进行组合时可以产生各种颜色感觉。 眼睛对颜色的采样仅相对于红、绿和蓝色三种锥体细胞。 这些锥体细胞采样得到的信号通过大脑产生不同颜色的感觉。 国际照明委员会(CIE) 用颜色的三个特性来区分颜色。这 些特性是色调，饱和度和明度。
二．色调、饱和度和亮度 色调、 从人的视觉系统看，颜色可用色调（hue）、饱和度 （saturation）和亮度（luminance）来描述，其中色调与光 波的波长有直接关系，亮度和饱和度与光波的幅度有关。 人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果，这 三个特性是颜色的三要素。
(ar xr + ag xg + ab xb ):(ar yr + ag yg + ab yb ):(ar zr + ag zg + ab zb ) = X : Y : Z = xn : yn : zn
最后令白光时，Y=1,可求出三个比例常数，进而求出9个未知数。
ar yr + ag yg + ab yb = 1
电磁波谱
颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果。物体由于内部物 质的不同，受光线照射后，一部分光线被吸收，其余的被反射或 投射出来，成为我们所见的物体的颜色。所以，颜色既与光有密 切关系，也与被光照射的物体，以及与观察者均有关。 眼睛感知到的颜色和光波长之间的对应关系如图所示。纯颜 色通常使用光的波长来定义，用波长定义的颜色叫做光谱色 (spectral colors)。
不同的RGB和白光的规定，就是不同的颜色标准！ 转换方程中求Y的方程最为重要，称为亮度方程，如果是 黑白电视，使用的就是Y信号。
3．ITU-R制定的BT.601标准 ITU- 制定的BT.601标准 BT.601 R：（0.67，0.33） G: （0.21，0.71） B: （0.14，0.08） 参考白光（0.310063，0.316158）（被称为C光源）
电视系统颜色空间：
2．由RGB到XYZ转换的计算 RGB到XYZ转换的计算 问题：给出RGB和参照白光在xy色度图中的坐标，求RGB到XYZ转换 设R：（xr,yr,zr=1-xr-zr） G: （xg,yg,zg=1-xg-zg） B: （xb,yb,zb=1-xb-zb） 参考白光（xn,yn,zn=1-xn-yn） 求：