6第6章 颜色的度量体系
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2014-4-23
(a) 色调
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第6章 颜色的度量体系
Ostwald颜色空间中 的点用C(full color)， W(white)和B(black) 来分别表示全色、白 色和黑色，表示它们 在一个圆上所占的百 分比。例如，某一点 的数值是30, 25, 45， 它所表示的含义是全 色占30%、白色占 25%和黑色占45%。
(a) 色调
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第6章 颜色的度量体系
使用色调、饱和度和 和明度表示颜色的三种属 性,如图6-08(b)所示。
度量颜色明暗的明 度值(value)从白到黑被分成 11个等级， 度量颜色的饱和度 或者叫纯度的色度(Chroma) 被分成15等级。 Munsell制中的颜色 用三个符号表示，写成 HVC(Hue，Value， Chroma)。
(b) 盘色度计
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r , g
第6章 颜色的度量体系
6.6 CIE颜色系统
6.6.1 颜色科学史上的两次重要会议 6.6.2 CIE 1931 RGB
• RGB颜色匹配函数(color matching functions) 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 r , g 和 b 三基色刺 激值。 红、绿和蓝三种单色光 的波长分别定义为700 nm(R)、 546.1 nm(G)和435.8 nm(B)
6.2.4 亮度
用“明度”表示brightness，用“亮度”表示 luminance，用“光亮度”表示lightness
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； • 明度常用垂直轴表示，如图6-05(a)所示
图6-05(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。 (a) 垂直轴表示法 (b) 示例
第6章 颜色的度量体系
从图6-12中可看到： 所有的坐标轴都不在这个实 心锥体内。 相应于没有光照的黑色位于 坐标的原点。 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)。 光谱轨迹上的波长是单一的， 因此其数值表示可能达到的 最大饱和度。 所有的可见光都在锥体上。
是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁 性，它可用来区别颜色明暗的程度。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 沿径向方向上的不同颜色具 有相同的色调和明度，但它们的饱 和度不同 ，如下图所示。
饱和 度小
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饱和 度大
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第6章 颜色的度量体系
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第6章 颜色的度量体系
设备相关和设备无关
设备相关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色 与生成颜色的设备有关。例如，RGB颜色空间。 设备无关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色 与生成颜色的设备无关。例如，CIE L*a*b*颜色空 间。
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第6章 颜色的度量体系
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第6章 颜色的度量体系
图6-06 色调-饱和度-明度颜色空间
HSB(hue, saturation and brightness)颜色空 间：色调用角度来 标定，通常红色标 为0°,青色标为 180°；在径向方 向上饱和度的深浅 用离开中心线的距 离表示；明度用垂 直轴表示。
第6章 颜色的度量体系
色调的自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、 紫(red，orange, yellow，green，cyan，blue， indigo，violet，ROYGBIV)。如图6-03所示。
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第6章 颜色的度量体系
6.2.3 饱和度
饱和度(saturation)
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图6-02 光谱色
第6章 颜色的度量体系
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第6章 颜色的度量体系
6.2.2 色调
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。 视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉。 取决于可见光谱中的光波的频率。
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第6章 颜色的度量体系
6.2.5 颜色空间
是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定 和产生颜色，使颜色形象化。
对于人来说，可以通过色调、饱和度和明度来定义 颜色； 对于显示设备来说，人们使用红、绿和蓝磷光体的 发光量来描述颜色； 对于打印或者印刷设备来说，人们使用青色、品红 色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色 。
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第6章 颜色的度量体系
2. 亮度(luminance)
概念：
• 根据国际照明委员会的定义,亮度是用反映视觉特性的光谱敏感函 数加权之后得到的辐射功率(radiant power)，并在555 nm处达到 了峰值，它的幅度与物理功率成正比。
亮度的值是可度量的，它用单位面积上反射或者发射的光的强 度表示。在CIE XYZ系统中，亮度用Y表示。 明度和亮度的关系不是线性关系。
牛顿色圆 为揭示红 (red, R)、 绿(green, G)和蓝 (blue, B) 相加混色 奠定了基 础
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第6章 颜色的度量体系
Young-Helmholtz理论
认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收 器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收 器 ，使用三种基色相加可产生范围很宽的颜色。
6.3 颜色的度量体系
颜色度量体系(color system)：
也叫做颜色制或者叫做颜色体制， 实际上就是人们组织 和表示颜色的方法。
两种主要组织和表示颜色的方法：
颜色模型(color model)：
是用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义。 如：RGB, HSB, CMY, CIE XYZ, CIELAB，CMYK和颜色的光谱描述方法 等。
• 显示了在这些数值范围内的一套色块，每个色块用数值表 示。在合适的照明和观看条件下，任何表面的颜色都可以 同这套色块进行比较，从而确定它是属于什么颜色。
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第6章 颜色的度量体系
色调被分成红(R)、黄(Y)、 绿(G)、蓝(B)、紫(P)，这五种色叫 做主色调(principal hues)，如图 6-08(a)所示。
(b) 颜色属性
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第6章 颜色的度量体系
6.5 Ostwald颜色系统
Ostwald制
是根据对颜色起决定作用的波长、纯度和亮度 来映射色调、饱和度和明度的值。
stwald假设色调有8种主色调组成， 分别是黄色(yellow)，橙色 (orange)，红色(red)，紫色 (purple)，蓝色(blue)，青绿色 (turquoise)，海绿色(seagreen) 和叶绿色(leafgreen)，每一种再 细分成3种，共24种，安排在如 图6-09所示的色圆上。
编目系统(cataloging system)：
是给每一种颜色分配一个唯一的名称或者一个号码。如， Munsell颜色系统(Munsell color system)，Pantone颜色匹配 系统(Pantone Matching System ，PMS)等
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第6章 颜色的度量体系
图6-12 CIE 1931 XYZ颜色空间
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在主色调之间插入红－黄、 黄－绿、绿－蓝、蓝－紫，紫－红 5种色调，连同5个主色调共10个色 调，分别用R(Red)，YR(YellowRed)，Y(Yellow)，GY(GreenYellow)，G(Green)，BG(BlueGreen)，B(Blue)，PB(PurpleBlue)，P(Purple)和RP(RedPurple)表示，并且把它们放在等间 隔的扇区上。
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第6章 颜色的度量体系
因为三基色的总光通量必须与被表示的颜色相等，因此 之和必等于1,即
r g b 1
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第6章 颜色的度量体系
6.6.3 CIE 1931 XYZ
CIE XYZ系统
是国际照明委员会定义的一种颜色空间。 它的坐标有时也叫做CIE刺激值(tristimulus values)，表示三种基色的量(用百分比表示)，它们 是想象的相加基色X，Y和Z。 而是设备无关的颜色系统，是根据视觉特性和使用 颜色匹配实验结果定义的颜色系统。 该颜色系统规定，X，Y和Z基色都是用正数去匹配 所有的颜色，并且用Y值表示人眼对亮度 (luminance)的响应。
第6章 颜色的度量体系
第6章 颜色的度量体系
第6章 颜色的度量体系
6.1 颜色科学简史
牛顿色圆(Newton color circle)
每一种颜色和它相邻颜色之间的关系，把红色和紫 色首尾相接就形成了一个圆，这个圆称为色圆 (color circle)或者称为色轮(color wheel)，如图601所示 :
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第6章 颜色的度量体系
图中的横坐 标表示可见光谱的波 长，纵坐标表示和基 色的相对值。 图中的 x , y 和 z 是 颜色匹配系数，三条 曲线表示和三基色刺 激值如何组合以产生 可见光谱中的所有颜 色。
图6-11 CIE 1931标准颜色匹配函数
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第6章 颜色的度量体系
CIE选择的X，Y和Z基色具有如下性质：
所有的X，Y和Z值都是正的，匹配光谱颜色时不需 要一种负值的基色。 Biblioteka Baidu用Y值表示人眼对亮度(luminance)的响应。 如同RGB模型，X，Y和Z是相加基色。因此，每一 种颜色都可以表示成X，Y和Z的混合。
图6-07 颜色的度量方法
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第6章 颜色的度量体系
6.4 Munsell颜色系统
Munsell颜色系统
是精确指定颜色和显示各种颜色之间关系的一种方 法。 每种颜色都有色调(hue)、明度值(value)和色度 (chroma)这三种属性。Munsell对这三种属性建立 了一个与视觉感知特性相一致的数值范围。 Munsell颜色簿(Munsell Book of Color)
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第6章 颜色的度量体系
用红、绿和蓝三基色光匹配成白光时，所需要的红、绿和蓝 基色光的光通量之比为1∶4.5907∶0.0601。为便于计算， 根据这个比例规定了三基色光的单位,分别用,和表示：
• 1个红基色光单位=1光瓦。 • 1个绿基色光单位=4.5907光瓦。 • 1个蓝基色光单位=0.0601光瓦。 其中，1光瓦=680流明(lm)。
标准白光Ew可以用每个基色单位为1的物理三基色配出：
CEw 1 R 1 G 1 B
w
• 式中 C E，表示白光的颜色， “＝”表示“匹配”的意思，即 与看到的颜色相同，“＋”表示混合的意思。
根据三基色原理，任意一种颜色可以用下式匹配：
C rR gG bB
• 式中的系数分别为红、绿和蓝三基色的比例系数，也就是三种 单位基色光的光通量的倍数。
3. 光亮度
光亮度是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，并用 L*表示。 光亮度用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于 发光体,该术语用来描述反射表面或者透射表面。 对计算机显示器显示的颜色，除使用明度(brightness)之外，也 可使用光亮度(lightness)这个术语来描述，因为虽然监视器是 发射光的物体，但显示的颜色是相对于监视器的白光而言的。
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第6章 颜色的度量体系
6.2 描述颜色的几个术语
6.2.1 什么是颜色
颜色
是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的 频率决定。
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。
光谱色(spectral colors)：
用波长定义的纯颜色 眼睛感知到的颜色和波长之间的对应关系如图6－02所示。
(a) 色调
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第6章 颜色的度量体系
Ostwald颜色空间中 的点用C(full color)， W(white)和B(black) 来分别表示全色、白 色和黑色，表示它们 在一个圆上所占的百 分比。例如，某一点 的数值是30, 25, 45， 它所表示的含义是全 色占30%、白色占 25%和黑色占45%。
(a) 色调
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使用色调、饱和度和 和明度表示颜色的三种属 性,如图6-08(b)所示。
度量颜色明暗的明 度值(value)从白到黑被分成 11个等级， 度量颜色的饱和度 或者叫纯度的色度(Chroma) 被分成15等级。 Munsell制中的颜色 用三个符号表示，写成 HVC(Hue，Value， Chroma)。
(b) 盘色度计
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r , g
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6.6 CIE颜色系统
6.6.1 颜色科学史上的两次重要会议 6.6.2 CIE 1931 RGB
• RGB颜色匹配函数(color matching functions) 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 r , g 和 b 三基色刺 激值。 红、绿和蓝三种单色光 的波长分别定义为700 nm(R)、 546.1 nm(G)和435.8 nm(B)
6.2.4 亮度
用“明度”表示brightness，用“亮度”表示 luminance，用“光亮度”表示lightness
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； • 明度常用垂直轴表示，如图6-05(a)所示
图6-05(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。 (a) 垂直轴表示法 (b) 示例
第6章 颜色的度量体系
从图6-12中可看到： 所有的坐标轴都不在这个实 心锥体内。 相应于没有光照的黑色位于 坐标的原点。 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)。 光谱轨迹上的波长是单一的， 因此其数值表示可能达到的 最大饱和度。 所有的可见光都在锥体上。
是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁 性，它可用来区别颜色明暗的程度。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 沿径向方向上的不同颜色具 有相同的色调和明度，但它们的饱 和度不同 ，如下图所示。
饱和 度小
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饱和 度大
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第6章 颜色的度量体系
设备相关和设备无关
设备相关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色 与生成颜色的设备有关。例如，RGB颜色空间。 设备无关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色 与生成颜色的设备无关。例如，CIE L*a*b*颜色空 间。
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图6-06 色调-饱和度-明度颜色空间
HSB(hue, saturation and brightness)颜色空 间：色调用角度来 标定，通常红色标 为0°,青色标为 180°；在径向方 向上饱和度的深浅 用离开中心线的距 离表示；明度用垂 直轴表示。
第6章 颜色的度量体系
色调的自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、 紫(red，orange, yellow，green，cyan，blue， indigo，violet，ROYGBIV)。如图6-03所示。
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饱和度(saturation)
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图6-02 光谱色
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6.2.2 色调
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。 视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉。 取决于可见光谱中的光波的频率。
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第6章 颜色的度量体系
6.2.5 颜色空间
是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定 和产生颜色，使颜色形象化。
对于人来说，可以通过色调、饱和度和明度来定义 颜色； 对于显示设备来说，人们使用红、绿和蓝磷光体的 发光量来描述颜色； 对于打印或者印刷设备来说，人们使用青色、品红 色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色 。
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2. 亮度(luminance)
概念：
• 根据国际照明委员会的定义,亮度是用反映视觉特性的光谱敏感函 数加权之后得到的辐射功率(radiant power)，并在555 nm处达到 了峰值，它的幅度与物理功率成正比。
亮度的值是可度量的，它用单位面积上反射或者发射的光的强 度表示。在CIE XYZ系统中，亮度用Y表示。 明度和亮度的关系不是线性关系。
牛顿色圆 为揭示红 (red, R)、 绿(green, G)和蓝 (blue, B) 相加混色 奠定了基 础
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Young-Helmholtz理论
认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收 器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收 器 ，使用三种基色相加可产生范围很宽的颜色。
6.3 颜色的度量体系
颜色度量体系(color system)：
也叫做颜色制或者叫做颜色体制， 实际上就是人们组织 和表示颜色的方法。
两种主要组织和表示颜色的方法：
颜色模型(color model)：
是用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义。 如：RGB, HSB, CMY, CIE XYZ, CIELAB，CMYK和颜色的光谱描述方法 等。
• 显示了在这些数值范围内的一套色块，每个色块用数值表 示。在合适的照明和观看条件下，任何表面的颜色都可以 同这套色块进行比较，从而确定它是属于什么颜色。
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第6章 颜色的度量体系
色调被分成红(R)、黄(Y)、 绿(G)、蓝(B)、紫(P)，这五种色叫 做主色调(principal hues)，如图 6-08(a)所示。
(b) 颜色属性
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6.5 Ostwald颜色系统
Ostwald制
是根据对颜色起决定作用的波长、纯度和亮度 来映射色调、饱和度和明度的值。
stwald假设色调有8种主色调组成， 分别是黄色(yellow)，橙色 (orange)，红色(red)，紫色 (purple)，蓝色(blue)，青绿色 (turquoise)，海绿色(seagreen) 和叶绿色(leafgreen)，每一种再 细分成3种，共24种，安排在如 图6-09所示的色圆上。
编目系统(cataloging system)：
是给每一种颜色分配一个唯一的名称或者一个号码。如， Munsell颜色系统(Munsell color system)，Pantone颜色匹配 系统(Pantone Matching System ，PMS)等
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图6-12 CIE 1931 XYZ颜色空间
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在主色调之间插入红－黄、 黄－绿、绿－蓝、蓝－紫，紫－红 5种色调，连同5个主色调共10个色 调，分别用R(Red)，YR(YellowRed)，Y(Yellow)，GY(GreenYellow)，G(Green)，BG(BlueGreen)，B(Blue)，PB(PurpleBlue)，P(Purple)和RP(RedPurple)表示，并且把它们放在等间 隔的扇区上。
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第6章 颜色的度量体系
因为三基色的总光通量必须与被表示的颜色相等，因此 之和必等于1,即
r g b 1
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第6章 颜色的度量体系
6.6.3 CIE 1931 XYZ
CIE XYZ系统
是国际照明委员会定义的一种颜色空间。 它的坐标有时也叫做CIE刺激值(tristimulus values)，表示三种基色的量(用百分比表示)，它们 是想象的相加基色X，Y和Z。 而是设备无关的颜色系统，是根据视觉特性和使用 颜色匹配实验结果定义的颜色系统。 该颜色系统规定，X，Y和Z基色都是用正数去匹配 所有的颜色，并且用Y值表示人眼对亮度 (luminance)的响应。
第6章 颜色的度量体系
第6章 颜色的度量体系
第6章 颜色的度量体系
6.1 颜色科学简史
牛顿色圆(Newton color circle)
每一种颜色和它相邻颜色之间的关系，把红色和紫 色首尾相接就形成了一个圆，这个圆称为色圆 (color circle)或者称为色轮(color wheel)，如图601所示 :
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第6章 颜色的度量体系
图中的横坐 标表示可见光谱的波 长，纵坐标表示和基 色的相对值。 图中的 x , y 和 z 是 颜色匹配系数，三条 曲线表示和三基色刺 激值如何组合以产生 可见光谱中的所有颜 色。
图6-11 CIE 1931标准颜色匹配函数
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第6章 颜色的度量体系
CIE选择的X，Y和Z基色具有如下性质：
所有的X，Y和Z值都是正的，匹配光谱颜色时不需 要一种负值的基色。 Biblioteka Baidu用Y值表示人眼对亮度(luminance)的响应。 如同RGB模型，X，Y和Z是相加基色。因此，每一 种颜色都可以表示成X，Y和Z的混合。
图6-07 颜色的度量方法
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6.4 Munsell颜色系统
Munsell颜色系统
是精确指定颜色和显示各种颜色之间关系的一种方 法。 每种颜色都有色调(hue)、明度值(value)和色度 (chroma)这三种属性。Munsell对这三种属性建立 了一个与视觉感知特性相一致的数值范围。 Munsell颜色簿(Munsell Book of Color)
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第6章 颜色的度量体系
用红、绿和蓝三基色光匹配成白光时，所需要的红、绿和蓝 基色光的光通量之比为1∶4.5907∶0.0601。为便于计算， 根据这个比例规定了三基色光的单位,分别用,和表示：
• 1个红基色光单位=1光瓦。 • 1个绿基色光单位=4.5907光瓦。 • 1个蓝基色光单位=0.0601光瓦。 其中，1光瓦=680流明(lm)。
标准白光Ew可以用每个基色单位为1的物理三基色配出：
CEw 1 R 1 G 1 B
w
• 式中 C E，表示白光的颜色， “＝”表示“匹配”的意思，即 与看到的颜色相同，“＋”表示混合的意思。
根据三基色原理，任意一种颜色可以用下式匹配：
C rR gG bB
• 式中的系数分别为红、绿和蓝三基色的比例系数，也就是三种 单位基色光的光通量的倍数。
3. 光亮度
光亮度是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，并用 L*表示。 光亮度用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于 发光体,该术语用来描述反射表面或者透射表面。 对计算机显示器显示的颜色，除使用明度(brightness)之外，也 可使用光亮度(lightness)这个术语来描述，因为虽然监视器是 发射光的物体，但显示的颜色是相对于监视器的白光而言的。
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6.2 描述颜色的几个术语
6.2.1 什么是颜色
颜色
是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的 频率决定。
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。
光谱色(spectral colors)：
用波长定义的纯颜色 眼睛感知到的颜色和波长之间的对应关系如图6－02所示。