现代色度学-第一章 光与彩色视觉

绪论Introduction

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z[先进色度学-advanced colorimetry]

进入90年代，出现了解释各种色貌现象(color appearance phenomena：Simultaneous Contrast, Crispening and Spreading(扩增现象), Bezold-Brucke Hue Shift, Abney Effect, Hunt Effect, Helmholtz-Kohlrausch Effect, Stevens Effect, Helson-Judd Effect, Bartleson-Breneman Equations, Discounting-the-Illuminant)、不同媒体间颜色传递和数字视频、其他工业应用的需求等（Vienna Experts Symposium (1996)、Industrial Demand Uniformity of Practice (like CIELAB) ），对基本色度学提出了扩展要求。这些现象表明，视场(the visual field)的各个方面对刺激色貌的影响。

色貌模型(color appearance models: CAM)就是要解决特定的照明、背景和观察环境等参数下的CIE色度参数(如三

刺激值)进行色貌属性参数(如明度、彩度、色相) 计算或预测的一组数学表达式或数学模型，与基本色度学对应即advanced colorimetry[1]。

z色度学研究的具体内容

z色度学是研究颜色度量和评价方法的一门学科，是颜色科学领域里的一个重要部分。

z色度学的最终目标是要解决在复杂环境中物体颜色外貌的度量问题。目前距离此目标还很遥远；近十年“色貌模型”研究就是要解决这个问题)。

z所以，颜色测量问题(包括仪器)、颜色参数(即色空间或色度坐标，包括物理参数和心理参数)、物理参数与心理参数之间的关系及其转换(即色貌模型)、色差等是色度学的具体内容。其它如光源、彩色设备以及其他颜色应用等都与色度学有直接关系。

z

测量光谱z测量仪器。测量“光谱分布”叫分光光度计；直

z特点

色度学是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。也是一门以实验为基础的实验性科学。也是一门描述性科学，人眼是最终的归宿。

z应用

色度学也是一门应用领域非常广泛的科学。光源研制、印刷、染织、电影、电视、化工、灯光信号、照明、伪装等都需要对颜色进行测量和控制。随着数字技术、数字设备、信息技术的发展，颜色以及色度学已在信息科学中占有重要的地位。

第一章光与色视觉

Light& Human Color Vision

人眼所见的色彩，其理论基础最早是由Newton 于1671 年利用三棱镜自然光通过后分离出不同的色彩表现，称之为光谱(Spectrum)。当人类将色光经由Newton 的实验分离后，便开始着手研究色彩究竟是如何产生的？

1802 年，Thomas Young 重新定义色彩三原色说，其假设自然界所见的所有色彩均可由三原色组合而成。另一方面，亦假定人眼內有三种视觉接收细胞，每一种细胞负责单一色彩的感应、接收。大约50 年后(由于某些部份未详细记载)，Helmholtz再加以详细补充及改进原有的学说，成就现今Young-Helmholtz理论。

直到1861 年，Maxwell 研究色彩並实验而制作出第一张彩色影像，因此也证实了三原色说的理论基础[Malacara, 2002]。

1.1 牛顿颜色理论

z波长380~780nm之间电磁波，引起人眼颜色感觉不同，简称可见光。

紫、蓝(430~470 nm)、青、绿(500~530 nm)、

绿、黄、橙、红(620~700 nm)

Electromagnetic Radiation

光谱强度分布：Spectral Power Distribution
The Spectral Power Distribution (SPD) of a light is a function P(λ) which defines the power in the light at each wavelength. （如图是相对光谱强度分布）
Relative Power
1
0.5
0
400
500
600
700
Wavelength (λ)

人眼感觉光强的范围(动态范围)很宽
COMPUTATIONAL MODELS OF HVS HIGH DYNAMIC RANGE VIDEO COMPRESSION_2006-153页.pdf

1.2 颜色视觉理论(人眼颜色感觉的机理)
（1） 三色学说：the trichromatic theory of colour vision
基于红、绿、蓝三原色可以混合出不同颜色的现象，19世 纪扬—赫姆霍尔兹(Young 1802-Helmholtz 1886)提出，人眼 视网膜上有三种含有不同视色素类型的神经纤维，光作用于 纤维上能同时引起三种纤维的兴奋，波长不同，引起三种纤 维兴奋不同，产生不同的颜色感知。 后来生理学证实了三种锥细胞的存在，并且测的的三种不 同光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰分别约在 440~450nm；530~540nm；560~570nm。

三色说理论
三色说理论是19世纪扬—赫姆霍尔兹(Young 1802Helmholtz 1859)提出的。基于红、绿、蓝三原色可以混合出不同 颜色的现象，扬(Thomas Young, 1773–1829)在1801年提出了三 色说理论。认为人眼不可能有每一种波长的接收器(receptors)， 视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起一种原色 的感觉，提出颜色可以用三种基色合成(primaries)的概念。扬在 1802年重新定义色彩三原色说，其假设自然界所见的所有色彩均 可由三原色组合而成。另一方面，也假定人眼内有三种视觉接收 细胞，每一种细胞负责单一色彩的感应和接收[3-荆其诚1979]。 1859年，赫姆霍尔兹(Hermann von Helmholtz, 1821-1894) 补充杨的学说，认为视网膜上有三种神经纤维，光谱的不同部分 引起三种纤维不同比例的兴奋。赫姆霍尔兹对这个学说作了一个 图解，图中给出三种神经纤维的兴奋曲线，对光谱的每一波长， 三种纤维都有其特有的兴奋水平，三种纤维不同程度的同时活动 就产生相应的色觉。这个学说现在通常称为杨—赫姆霍尔兹学 说，也叫做三色学说。三色学说最大优越性是能充分说明各种颜 色的混合现象。