印刷色彩学.pdf
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印刷色彩学 蔡 燕 蔡圣燕 天津科技大学包印学院 2013年3月 shycai@tust.edu.cn 3月1日：印度荷丽节（holi） （洒红节、色彩节 ） 印度三大节日之一， 源于古人期盼丰收的活动， 并迎接春天的到来。人们相互泼洒彩色颜料。 shycai@tust.edu.cn 2 《印刷色彩学》课程解构 基础理论 部分 核心理论 部分 应用部分 第一章 光与色觉 第三章 CIE 色度学 第六章 颜色测量 第二章 颜色视觉 体系 第七章 彩色印刷 第四章 光源色度学 第五章 色序系统 12学时 shycai@tust.edu.cn 16学时 8学时 3 CIE色度学体系 shycai@tust.edu.cn 4 如何描述千变万化的颜色？ shycai@tust.edu.cn 5 颜色数字化的需要 shycai@tust.edu.cn 6 目前的解决方案提供者 国际照明委员会——专门研究光与照明问题的国际 组织 英语：International Commission on Illumination 法语 Commission 法语： C i i IInternational i ld de l'éclairage l'é l i 法语简称 法语简称CIE。 。 颜色是其主要研究方向之一。 shycai@tust.edu.cn 7 CIE成果 CIE标准色度系统是近代色度学的基本组成部分，是 颜色测量、计算和表示的基础。 shycai@tust.edu.cn CIE 1931标准色度系统 CIE LAB 均匀色空间 8 CIE 成果发展轨迹 …… iCAM图像色貌模型 CIE CAM02色貌模型 CIE 1976L*a*b*色空间 CIE 1976L*u*v*色空间 CIE DE2000色差公式 CMC色差公式 CIE 94色差公式 CIE1964 U*V*W* 色空间 CIE 1931-RGB系统 CIE1960UCS均匀标尺图 CIE1931 XYZ系统 shycai@tust.edu.cn 参考资料：蔡圣燕. 各个CIE表色系的导出与相互关系. 印刷杂志. 2001.5 9 颜色表示法分类 shycai@tust.edu.cn 混色系统表色法 显色系统表色法 • 混色系统表色法是基 色 统表色 • 显色系统表色法是根 色 统表色 于三原色能够混合匹 据色彩的外貌，按直 配出各种不同颜色所 观颜色视觉的心理感 归纳的系统。 受，对颜色进行表示。 • 例：1931 CIEXYZ色 例：CIELAB色空间 • 例：CIELAB色空间、 度系统、密度计测色 孟塞尔系统、自然颜 法 色系统 10 3 CIE色度学体系 3.1 CIE色度系统理论基础（理论基础） 3 2 CIE1931 标准色度系统（核心部分） 3.2 3.3 CIE色度计算方法（核心部分） 3.4 主波长和色纯度 3.5 均匀颜色空间（核心部分） 3 6 色差公式的发展 3.6 3.7 同色异谱 shycai@tust.edu.cn 11 3 1 CIE色度系统理论基础 3.1 如何定量表示颜色？ shycai@tust.edu.cn 12 一 颜色匹配实验 一、颜色匹配实验 根据三色学说，所有颜色都可以由红绿蓝三原色混 根据三色学说 所有颜色都可以由红绿蓝三原色混 合产生。 颜色匹配（Color Matching）：把两种颜色调节到 视觉上相同或相等的过程。 视觉上相同或相等的过程 shycai@tust.edu.cn 13 颜色匹配实验 Red Green 白屏幕 Blue 观察者 挡屏 挡屏 测试光源 shycai@tust.edu.cn 14 1 三原色 1. 三原色：颜色匹配中，用于混合产生各种颜色的三 种基本颜色。 三原色条件：任意一种原色不能由其余两种原色光 混合得到，即线性无关。 G c R shycai@tust.edu.cn B 15 2 三刺激值 2. 三刺激值：颜色匹配实验中，与待匹配色实现颜色 匹配时所需要的三原色数量。 红光：118 绿光：29 蓝光：80 shycai@tust.edu.cn 16 三刺激值空间 G c R B shycai@tust.edu.cn 17 3 颜色方程 3. 在三刺激值空间，颜色可以用一个矢量表示，该矢 量对应的方程就称为颜色匹配方程，简称颜色方程。 用(R)、(G)、(B)表示三原色，当与颜色 C 匹配时， 可以表示为： C(C) ≡ R(R)＋G(G)＋B(B) 矢量长度 颜色相 颜色相互匹配 三刺激值 单位矢量 矢量方向 shycai@tust.edu.cn 18 问题：如何计算任意颜色的三刺激值？ 不同颜色的光谱能量分布不同。 shycai@tust.edu.cn 19 二 色光混合规律（格拉斯曼定律） 二、色光混合规律（格拉斯曼定律） 若 若两个色光C1和C2， 色光 ((C1)) ≡ R1(R)＋G1(G)＋B1(B) ( ) ( ) ( ) (C2) ≡ R2(R)＋G2(G)＋B2(B) 则它们的混合色C： (C) ≡ R(R)＋G(G)＋B(B) ≡ (C1) ＋(C2) ≡ R1(R)＋G1(G)＋B1(B) ＋R2(R)＋G2(G)＋B2(B) 接下页…… shycai@tust.edu.cn 20 色光混合计算 因此： R R1 R2 R＝R1＋R2 G＝G1＋G2 B＝B1＋B2 此公式可以推广到任意多个颜色的混合。 R＝R1＋R2 + …… G＝G1＋G2 + …… B＝B1＋B2 B B1＋B2 + …… shycai@tust.edu.cn 21 三 任意颜色三刺激值计算思路 三、任意颜色三刺激值计算思路 因此任意颜色的三刺激值可以通过其各单色光的三 刺激值相加得到。 R = ∑ R (λ ) G = ∑ G (λ ) B = ∑ B(λ ) 那么就需要知道各单色光的三刺激值！实际颜色各 单色光的能量都不相同 该如何计算其三刺激值？ 单色光的能量都不相同，该如何计算其三刺激值？ shycai@tust.edu.cn 22 1 引入一个重要概念——等能光谱 1. 引入一个重要概念 等能光谱 等能光谱：整个可见光光谱范围内，各波长单色光 能量都相等的光谱分布。 能量 问题：为什么提出“等能光谱”概念？ shycai@tust.edu.cn 23 2 一套基准数据——光谱三刺激值 2. 一套基准数据 光谱三刺激值 光谱三刺激值：匹配 等能光谱各单色光所 需的三原色数量。 r (λ ), g (λ ), b(λ ) shycai@tust.edu.cn 能量 24 3 任意单色光三刺激值计算 3. 设任一颜色的相对能量 比例关系为∮(λ)，则匹 配各单色光所需的三刺 激值为： 激值为 φ (λ )r (λ ) φ (λ )g (λ ) φ (λ )b (λ ) shycai@tust.edu.cn 25 4 任意颜色三刺激值计算 4. 根据色光相加原理，任意颜色三刺激值就是各单色 光三刺激值的混合。 R = k ∫ φ (λ ) ⋅ r (λ ) ⋅ dλ G = k ∫ φ (λ ) ⋅ g (λ ) ⋅ dλ B = k ∫ φ (λ ) ⋅ b (λ ) ⋅ dλ CIE 颜色计算的最基本公式！ shycai@tust.edu.cn 26 三刺激值单位的确定 三刺激值单位可以任意选择，只要保持三原色相对 比例即可。 通常方法：匹配标准白光所用的红绿蓝三原色数量 为一个单位的(R)、(G)、(B)。 三刺激值为心理物理量，是人眼对颜色的感觉量。 三刺激值为心理物理量 是人眼对颜色的感觉量 感觉量相等，并不意味着能量和亮度相等。 shycai@tust.edu.cn 27 四 色品坐标 四、色品坐标 很多情况下，人们只关心颜色的彩色特征，而不关 心明度，此时就可以用色品坐标来表示。 r = R/ (R+G+B) g= G/ (R+G+B) b= B/ (R+G+B) 则：r +g g +b = 1 shycai@tust.edu.cn 28 色品图 色品图：以色品坐标 r, g 表示的平面图。 美国科学家麦克斯韦首先提出，因此又称为做麦克 美国科学家麦克斯韦首先提出 因此又称为做麦克 斯韦颜色三角形。 g( ) g(G) 1 0.33 shycai@tust.edu.cn W 0.33 1 r(R) 29 思考题 标准白光的色品坐标是多少？ shycai@tust.edu.cn 30 CIE色度系统理论基础 CIE标准色度学系统以颜色匹配实验为出发点建立， 用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色。 用达到匹配时的三刺激值来表示各种颜色感觉，这 就是CIE色度系统的基本出发点，是颜色数字化的方 法，也是 色学说的具体体现，代表了眼睛在视网 法，也是三色学说的具体体现，代表了眼睛在视网 膜阶段的颜色感觉。 shycai@tust.edu.cn 31 一个重要观点 颜色不是客观存在的属性。它不仅取决于外界的光 辐射，而且取决于人眼的视觉特性，因此颜色测量 与标定必须与人的观察结果相符合才有实际意义。 所以需要通过匹配实验得到光谱三刺激值作为颜色 计算的根据。 shycai@tust.edu.cn 32 新浪微博 @蔡圣燕：我们看到的“颜色”并不是客观存 在的东西，而只是大脑对不同波长光波的感觉 。"颜色"只存在我们的感觉里。可以认为，"颜 色"是人脑在长期进化过程中炼就的一种特异功 能——光波"可视化"功能，有助于对不同波长 光波的识别。人脑太高级了！ 要知道，很多动 光波的识别。人脑太高级了 物眼里的世界是灰色的，如狗和牛。 shycai@tust.edu.cn 33 3 1 思考题 3.1 1. 等能光谱是假想的光谱，有什么意义？ 2 三原色选取的原则？ 2. 3. 三刺激值与光谱三刺激值的区别？ 4. 三刺激值计算公式的理解！ shycai@tust.edu.cn 34 3 2 CIE标准色度系统 3.2 3 2 1 CIE 1931-RGB系统 3.2.1 1931 RGB系统 3.2.2 3. . CIE C 1931 93 标准色度系统 3.2.3 CIE 1964补充色度系统 shycai@tust.edu.cn 35 3 2 1 CIE 1931-RGB系统 3.2.1 基于莱特和吉尔德的颜色匹配实验数据。 二人实验的观察视场都为2 °以内 以内，且结果非常相似 且结果非常相似 ，于是CIE综合二人的研究成果，制定了CIE 1931RGB系统。 shycai@tust.edu.cn 36 莱特试验 三原色选择：650 nm、530 nm、460 nm 三原色单位的确定方法： 红光和绿光匹配出582.5nm的黄色时，红光和绿光 的量为一个单位；用一个单位的绿光与一定量的蓝 光匹配出490 0nm的蓝绿光时 此时的蓝光数量为 光匹配出490.0nm的蓝绿光时，此时的蓝光数量为 一个单位。 观察者：10名。 shycai@tust.edu.cn 37 吉尔德试验 三原色光：630nm、542nm、460nm，用滤色片 产生。 三原色单位的确定方法： 匹配4800K的白色所对应的三原色数量为三原色单 位。 观察者：7名。 shycai@tust.edu.cn 38 CIE 1931-RGB色度系统三原色 1931 RGB色度系统三原色 三原色：700 nm(R)、546.1 nm(G)、435.8 nm(B) 三原色单位的确定方法： 匹配等能白光（E光源）需要的三原色数量。 等能白光色品：r=g=b= 1/(1+1+1)= 0.33 光亮度 L L 光亮度：Lr: Lg: Lb = 1 1.000: 000 4 4.5907: 5907 0 0.0601 0601 辐亮度：Er:: Eg: 辐亮度： g: Eb＝72.0962: b .096 : 1.3791: .3 9 : 1.0000 .0000 shycai@tust.edu.cn 39 CIE 1931-RGB 系统标准色度观 察者（光谱三刺激值曲线） 能量 shycai@tust.edu.cn 40 CIE 1931-RGB系统色品图 1931 RGB系统色品图 1. 色品图中，光谱轨迹是 一个偏马蹄形曲线。 2. 光谱轨迹很大一部分的 坐标值是负值，超出了 红色 角形 。 红色三角形 3. 光谱轨迹两端连线（蓝 色）没有单色光对应 色）没有单色光对应。 4. 光谱轨迹整个区域涵盖 了所有可实现的颜色， 即真实颜色，包括单色 和混合色。 shycai@tust.edu.cn 41 光谱三刺激值出现负值！ 对光谱色进行匹配时，由于有些光谱色纯度太高， 用三原色匹配无论如何不能直接匹配出，需要用三 原色之一加入光谱色，以降低其纯度，才能使混合 色与其他两色实现颜色匹配 如 色与其他两色实现颜色匹配。如： ((C)＋R(R) ) ( ) ≡ G(G)＋B(B) ( ) ( ) 则：(C) ≡-R(R) + G(G)＋B(B) shycai@tust.edu.cn 42 3 2 2 CIE 1931标准色度系统 3.2.2 CIE 1931-RGB 系统刺激值和色品坐标都出现了负 值，计算起来不方便，也不易理解。 于是CIE对其进行数学变换，用三个假想的三原色X、 Y、Z 建立了一个新的色度系统，称为“CIE 1931 标准色度系统”或“CIE 标准色度系统 或 1931-XYZ系统”。 系统 。 新的光谱三刺激值称为“CIE 1931标准色度观察 者”。 者” shycai@tust.edu.cn 43 坐标变换思路 确定X、Y、Z三点（三原色）： 确定X Y Z三点（三原色）： 1. XYZ三点形成的三角形完全包 围光谱轨迹。 2. XZ直线：无亮度直线(Y＝0)。 关键是确定X、Y、Z X与Z只表示彩色，没有亮度， 三点 全部亮度由Y表示。 全部亮度由Y表示 3. XY直线：700－540 nm光谱 轨迹近似是 条直线，XY直 轨迹近似是一条直线，XY直 线与之重合。 4. YZ直线：定义为与光谱轨迹 503nm相切的直线 三原色单位的确定方法： 匹配等能白光（E光源）需要的三 原色数量为三原色单位。 shycai@tust.edu.cn 44 XYZ三原色在rg 色品图的位置 关键是确定X、Y、Z 三点 shycai@tust.edu.cn 45 XYZ系统与RGB系统的转换公式 shycai@tust.edu.cn 46 CIE 1931色品图 1 用来表示所有可感知颜色的色度 1. 特性； 2 色品图中心为白点； 2. 3. 光谱轨迹上的点代表不同波长的 光谱色，饱和度最高； 4. 围绕色品图中心不同的角度，颜 色的色调不同； 5. 连接400 nm与700 nm光谱坐标 点的直线不是光谱色，称为紫红 线； 6. 540nm到700nm的光谱轨迹位 于x+y=1的直线上。 shycai@tust.edu.cn 47 三星F2370H显示器网上测评报告 shycai@tust.edu.cn 48 CIE1931标准色度观察者（光谱三刺激值） 三刺激激值 能量 shycai@tust.edu.cn 49 Yxy表色方法 y(λ) 函数曲线与明视觉光谱光视效率 V(λ) 一致，即 y(λ)= V(λ)。 y(λ) 因此常用Yxy 方法表示颜色变量，Y表示亮度，xy 表示颜色的彩色特征。 Y y shycai@tust.edu.cn x 50 3 2 3 CIE 1964补充色度系统 3.2.3 在大面积视物观察条件下(>4°)，由于杆体细胞的参 与及中央凹黄色素的影响，颜色视觉发生 定变化 与及中央凹黄色素的影响，颜色视觉发生一定变化 ，主要表现为饱和度降低及颜色视场出现不均匀的 现象。 现象 实验表明：人眼小视场观察颜色，颜色差异辨别力 实验表明 人眼小视场观察颜色，颜色差异辨别力 较低。当视场从2°增大到10°，颜色匹配精度提高。 但视场再增大 颜色匹配精度提高就不大了 但视场再增大，颜色匹配精度提高就不大了。 shycai@tust.edu.cn 51 CIE 1964 补充色度系统 1. 大视场标准色度观察者函数（光谱三刺激值） x10 (λ ), ) y10 (λ ), ) z10 (λ ) 2 三刺激值X 2. 刺激值X10、Y Y10、Z Z10，相当于红、绿、蓝光 相当于红 绿 蓝光 的含量。 3. 色品坐标x10，y10及色品图。 shycai@tust.edu.cn 52 两个色度系统比较 10° 10 ° (CIE 1964) 2° (CIE 1931) shycai@tust.edu.cn 53 3 2 CIE标准色度系统 小结 3.2 三原色的选择、三刺激值单位的确定都不是唯一的。 为了统 ，CIE规定了 系列颜色测量和计算方法， 为了统一，CIE规定了一系列颜色测量和计算方法， 称为CIE标准色度系统。 1 CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值，1°-4°视场 1. C 1931标准色度观察者光谱 刺激值 1 视场 2. CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值，大于4°视 场 shycai@tust.edu.cn 54 CIE标准色度系统组成 1. 标准观察者函数（光谱三刺激值）：最基本数据， 通过颜色匹配实验得到 2. 三刺激值：根据标准观察者函数计算出 3. 用色品图和色品坐标表示颜色 shycai@tust.edu.cn 55 CIE标准色度系统建立过程 1. 用RGB三原色进行光谱色匹配实验，建立人眼观 察光谱色的响应函数 察光谱色的响应函数——RGB标准色度观察者函 RGB标准色度观察者函 数； 2. 通过数学变换建立CIE XYZ颜色系统——CIE标 准观察者函数； 3. 根据CIE XYZ颜色三刺激值建立CIE x-y 色品坐 标图。 标图 shycai@tust.edu.cn 56 思考题 1. CIE 1931 XYZ标准色度系统的三原色是否真实 存在？ 2. CIE 1931 XYZ标准色度系统光谱三刺激值能否 通过匹配实验得到？ shycai@tust.edu.cn 57 shycai@tust.edu.cn 58 3 3 CIE 色度计算方法 3.3 3.3.1 三刺激值计算公式 3.3.2 颜色相加计算 shycai@tust.edu.cn 59 3 3 1 三刺激值计算公式 3.3.1 进入眼睛的光能量随波长的分布称为颜色刺激函数 Φ(λ)。 Φ (λ ) = S (λ ) 自发光物体 Φ (λ ) = S (λ )τ (λ ) 透射物体 Φ (λ ) = S (λ ) ρ (λ ) 反射物体 shycai@tust.edu.cn 60 三刺激值计算公式 X = k ∫ Φ (λ ) x (λ ) d (λ ) λ Y = k ∫ Φ (λ ) y (λ ) d (λ ) λ Z = k ∫ Φ (λ ) z (λ ) d (λ ) λ Y = 100 = k ∫ S(λ ) y (λ )d (λ ) λ k= 100 ∫ S(λ ) y(λ )d (λ ) k ：亮度调整因数，将光源 的Y值调整为100。 Y值同时是物体的反射率。 λ shycai@tust.edu.cn 61 三 刺 激 值 计 算 公 式 图 解 S (λ ), ρ (λ ) Φ (λ ) x(λ ), ) y (λ ), ) z (λ ) R (λ ), ) G (λ ), B(λ ) shycai@tust.edu.cn 62 三刺激值实际计算公式 ⎧ ⎪ X = k ∑ S(λ ) ρ (λ ) x(λ )Δλ 380 −780 ⎪ ⎨ Y = k ∑ S(λ ) ρ (λ ) y(λ )Δλ 380 −780 ⎪ ⎪ Z = k ∑ S(λ ) ρ (λ ) z (λ )Δλ 380 −780 ⎩ 见教材p75计算实例！ shycai@tust.edu.cn 63 CIE标准色品坐标计算公式 X ⎧ = x ⎪ X +Y + Z ⎪ Y ⎪ ⎨y = X +Y + Z ⎪ Z ⎪ ⎪z = X + Y + Z ⎩ shycai@tust.edu.cn 64 测色仪器 测色仪器——X-Rite X Rite EyeOne pro shycai@tust.edu.cn 65 新浪微博 @蔡圣燕：分光光度计通过分光测量光谱反射率 ，据此可以计算各种光源和观察条件下的三刺激 值。色度计使用滤色片调节光源和三个探测器， 使之模拟特定标准光源和标准观察者特性，直接 得到三刺激值。因此色度计只能测量特定光源和 观察条件下的三刺激值，而分光光度计则不限。 前者如X-Rite 520, 后者如528, 530, i1。 shycai@tust.edu.cn 66 思考题 1. 反射色样的三刺激值与测量 光源有关吗？ 2. 反射色样的颜色是否固定？ 3. 反射色样有哪些固定特性？ 4 根据光源相对能量分布和物 4. 体光谱反射率计算物体的三 刺激值。 shycai@tust.edu.cn 67 3 3 2 颜色相加计算 3.3.2 1. 计算法 2 作图法 2. shycai@tust.edu.cn 68 颜色相加计算之计算法 当两种或两种以上已知三刺激值的色光混合，混合 色的三刺激值为： X = X1+X2+…+Xn Y = Y1+Y2+…+Yn Z = Z1+Z2+…+Z + +Zn 注意：颜色相加是三刺激值相加，而非色品坐标相 加。 shycai@tust.edu.cn 69 由色品坐标计算三刺激值 已知某颜色的Yxy，求它的三刺激值。 推导一下下！ shycai@tust.edu.cn 70 颜色相加计算之作图法 CIE 1931x-y色品图上，两颜色相加产生的混合色总 是位于连接两颜色的直线上，位置取决于两颜色三 刺激值总和的比例。 C1=X1+Y1+Z1 C2=X2+Y2+Z2 shycai@tust.edu.cn 色度计算习题1 已知某颜色380nm--730nm之间的光谱反射率ρ(λ)，请计算 已知某颜色380 730 之间的光谱反射率 (λ) 请计算 D50，2°视角条件下，该颜色的三刺激值、色品坐标，说明 思路 列出公式 思路，列出公式。D50光源的光谱概率分布见教材4.2部分 0光源的光谱概率分布见教材 2部分 内容。 shycai@tust.edu.cn 72 色度计算习题2 已知两色光的色品坐标如下，请计算这两个色光的 混合光的色品坐标。 shycai@tust.edu.cn Y x y 色光1 50 0.2 0.6 色光2 20 0.3 0.1 73 shycai@tust.edu.cn 74 3 4 主波长与色纯度 3.4 三刺激值只能表示红绿蓝三原色的混合比例，不能 直接表达颜色的感觉属性（明度、色相、饱和度） 。为了弥补该缺陷，使用主波长和色纯度大致描述 颜色的感觉属性。 颜色的感觉属性 shycai@tust.edu.cn 75 主波长 主波长：与样品色具有相同色调感觉的光谱色的波长。 shycai@tust.edu.cn 76 色纯度 色纯度：样品色与其主波长光谱色的接近程度，又 称兴奋纯度，用Pe表示。色纯度大致反映颜色的饱 和度。 shycai@tust.edu.cn 77 shycai@tust.edu.cn 78