可见光的色度学基本知识

色度学是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学，来解决颜色度量的问题。

从颜色角度来看，物体可以分为两类：一是指能向周围空间辐射能量的自发光体，即光源如太阳、水母等，其颜色却决于它所发出的光谱分布；二是指不发光体，但其本身能够不同程度的反射或透射、吸收照射在其上的光而呈现出颜色，射入人眼光的光谱分布决定了发光体或反射和透射物体的颜色。

光源色指自发光形成的颜色。

物体色指被照射物体反射、透射形成的颜色。

光谱色指视觉对可见光范围内不同波长的光的感知的颜色。

 

色品坐标与色度图

在1931年，CIE采用假想的X、Y、Z三种基色，得到了匹配等能光谱及颜色匹配函数（ Color Matching Functions,CMF)，即光谱三刺激值，也称为颜色匹配函数。1931绿色匹配函数与1931CIE的即明视觉光谱光效应函数是一致。颜色匹配函数有2°视场和10°视场匹配函数两种，是人眼CIE 1931 2°视场的颜色匹配函数和人眼CIE 1964 10°视场的颜色匹配函数。

 

 

2°视场和10°视场的颜色匹配函数

 

如果人眼在25cm处看圆，则在2°视场角和10°视场角的圆如下图所示。

 

 

25cm处，2°视场角和10°视场角在视网膜上的圆

 

三刺激值

有了颜色匹配函数CMF，就可以计算任何进入人眼产生感觉的光能量，即颜色刺激函数的CIE色度系统的三刺激值X、Y、Z。

 

 

色品坐标

色品坐标与三刺激值有如下的转换形式。

 

色度图

CIE定义CIE Y xy色度系统，色度坐标(x，y)用来在二维图上指定颜色，构成了马蹄形区域，称作CIE 1931色度或色品图。任何一种颜色都可以在色品图中标定出来，马蹄型曲线边界各点表示单色光；下部直线为蓝、红成分构成的紫色光。马蹄型曲线内包含了所有自然界可能存在的色彩。

 

 

色品坐标和色度图的变换

1931 CIE色度图 

在1931色度图上，因为人眼在不同的区域，比如蓝色、红色和绿色区域的分辨力不同。如图1931色度图中的25个麦克亚当椭圆，在绿色区域的椭圆比红色、蓝色区域的椭圆都要大，表示人眼在绿色空间只能分辨较少数量的绿色，而在蓝色区域，人眼能够分辨出很多数量的蓝色。

 

 

1960 CIE色度图

因为这个原因，1931色度图演化成1960色度图。1960的色度图如图所示。

 

1931色度图和1960色度图的对比

 

在CIE 1960 UCS均匀色空间中，采用u、v作为横纵坐标，与CIE 1931色度图x、y具有以下的转换公式。

 

1976 CIE色度图

继CIE 1960色度图之后又出现了更加均匀的色度图，即CIE 1976 UCS，其色度图横纵坐标用表示，与1931色度图的横纵坐标x、y和1960 UCS横纵坐标u、v有如下转换公式。

 

色温和相关色温

当物体被加热至不同温度时，会呈现出不同的颜色。因此，温度和颜色就会有一种联系。这是铁块被加热时呈现的颜色变化和温度的关系。

 

 

某类特殊遇热物体，当以100%的效率辐射时，称为黑体辐射，而这类物体称为黑体。当温度上升时，颜色会由红色转为橙色、黄色、白色至略带蓝的白色。当某个辐射体在特定温度下，光源的色彩会与其对应。因此，引入色温来加以描述这类光源的颜色，单位为开尔文（K）。色温是用来衡量光源色的指标。

 

一天中的光色随时间变化而变化。早晨的阳光是偏蓝的光，接近10000K。黄昏的阳光是偏红的光，接近2000K。

 

 

自然光色一天当中的变化

 

一般色温大于5500K时，称为冷色调；小于3300K时，称为暖色调。

 

 

冷暖色调对应的色温范围

 

然而，光源的实际颜色可能不完全符合特定的色温值。这就引入了相关色温的概念。相关色温（Correlated Color Temperature，CCT）是用于描述光源颜色外观的度量标准，它表示与特定色温下的黑体辐射源具有相似颜色外观的光源的色温值。色温是根据黑体辐射的概念描述光源颜色外观的度量标准，而相关色温则表示与特定色温下的黑体辐射源具有相似颜色外观的光源的色温值。

色度图中的色温等温线是指与普朗克线相交并表示具有相同相关色温（CCT）的颜色的曲线。这些等温线在色度图上呈现为一系列曲线，其形状类似于弯曲的线条。

 

每条等温线表示具有相同CCT的颜色。在色度图上，它们从低色温（暖色调）到高色温（冷色调）呈现出不同的弧度和方向。等温线的起点通常与普朗克线相交，该点表示与相应CCT的黑体辐射源的颜色相匹配。

这些等温线的作用是帮助确定色度图上不处于普朗克线上的白光源的CCT。通过将其色度坐标与最接近的等温线相匹配，可以估算出白光源的CCT。

 

 

色空间

色空间是用于表示和描述颜色的数学模型或坐标系统，提供了一种在三维或更高维空间中定位颜色的方式。常见的色空间包括RGB、CMYK、CIE XYZ、CIE Lab等。每个色空间都有不同的颜色范围、坐标系和表示方式，提供了颜色的完整信息（色相、饱和度和亮度）。

CIE XYZ色空间是CIE最早定义的色彩空间之一，它基于人眼对不同波长光的感知，用于精确描述和测量颜色。XYZ色空间的三个坐标分量（X、Y、Z）表示颜色的三个刺激值。

 

 

CIE XYZ色空间

 

CIE Lab色空间是以CIE XYZ色空间为基础的色彩空间，提供了更直观和可感知的颜色表示方式。CIE Lab色空间包括三个分量：L表示亮度（从黑到白），a表示从红到绿的色差，b表示从黄到蓝的色差。CIE Lab色空间更符合人眼对颜色的感知，可用于色彩测量、色彩比较和色彩管理等领域。

 

 

 

CIELAB色彩空间的描述，L*表示明暗度，指颜色明暗的强度，其数值为0～100，L*愈接近0，颜色愈暗；L愈接近100，颜色愈亮。对于一些明暗度相同的颜色，还得考虑用彩度指标来描述颜色的差异。

 

a*和b*表示色相，指颜色的相貌。a*表示红一绿轴，正值表示红，负值表示绿；b*表示黄一蓝轴，正值表示黄，负值表示蓝。h*表示颜色的色相角度，即任一颜色以+a*轴为基准，沿逆时针方向算起的相对角度。

 

C*表示彩度，指颜色的鲜艳程度，是色样在a*b*色彩图形位置距中心点的距离。低彩度的颜色（灰色），C*略大于0；高彩度的颜色，C*为70～90。

 

CIE Luv色空间是基于CIE XYZ色空间的另一种色彩空间。它也具有亮度（L）和色差（u、v）两个分量，但与CIE Lab色空间不同的是，它在色差分量上使用了不同的坐标系。CIE Luv色空间在一些应用中比CIE Lab色空间更适合用于色彩测量和色彩工程。

 

 

色域空间

sRGB和Adobe RGB是基于CIE色空间的扩展和调整，以满足特定的应用需求。CIE色空间提供了基础的色彩模型和测量方法，而sRGB和Adobe RGB是基于该基础上的具体应用和标准化定义的色彩空间。

 

sRGB：sRGB是一种标准的RGB色彩空间，由国际电工委员会（IEC）和国际电工委员会技术委员会（IEC TC 100）在1996年制定。sRGB基于CIE色度图和CIE XYZ色空间，但经过了一些调整和限制，以适应典型的电子显示器和光照条件。sRGB提供一种广泛支持的标准色彩空间，以确保在不同设备和平台上显示的图像具有一致的颜色表现。

 

Adobe RGB：Adobe RGB是一种广色域的RGB色彩空间，由Adobe Systems开发。它具有比sRGB更广的色域范围，能够表示更多的颜色。Adobe RGB主要应用于印刷和专业图形设计等领域，以提供更准确的颜色表示和更大的色彩范围。

 

 

sRGB、Adobe RGB等在CIE色度图的色域范围

 

色域标准的发展经历了以下的变化：

 

 

CIE（1931 年）

1931 年，国际照明委员会（英语国际照明委员会）批准了 CIE RGB 色彩空间，通常被称为“CIE”，这是历史上首次定义了可被人眼感知的全部可见光谱。CIE 是最高的色域基准，后续的色域标准都是其子集。

 

NTSC（1953 年）/ PAL / SECAM（1967 年）

这三个标准是自 20 世纪 50 年代以来用于世界各地的模拟广播和电视的主要标准，随着数字高清广播时代的来临，在 2010 年后基本都被淘汰了。

 

Rec.709（1990 年）

Rec.709 于 1990 年由国际电信联盟（ITU）引入，现在是全世界数字高清广播和电视的主要标准。它也用于DVD 和蓝光媒体和播放器。尽管在近40年后才推出，Rec.709 色域实际上比 NTSC 覆盖的 CIE 更少。

 

sRGB（1996 年）

随着个人计算机的日益普及，1996 年 HP 和 Microsoft 使用与 Rec.709 相同的色域引入了 sRGB 颜色标准。sRGB 是目前全世界最常用的标准，除了电视机之外几乎每个设备。它用于互联网流媒体，显示器，投影机，相机、打印机，游戏机，智能手机，平板电脑，触摸屏等。

 

Adobe RGB（1999 年）

Adobe于1999年推出Adobe RGB，该标准最初旨在解决与将显示颜色与CMYK打印颜色精确匹配相关的挑战。现在主要被艺术家和摄影师所使用，因为其拥有比sRGB 更宽的色域。

 

DCI-P3（2005 年）

DCI-P3 是由电影，电视和娱乐公司联盟于 2005 年推出的。它主要设计用于确保从原始捕获到最终投影的一致的内容质量。由于其强调数字生产和分配，主要被专业创造者用于电影级相机，投影仪和投影设备。

 

Rec.2020（2012 年）

2012 年由国际电信联盟（ITU）针对超高清（UHD）显示器提出 Rec.2020 标准，也称为 BT.2020。Rec.2020 规格的色域是全视觉光谱的三分之二，几乎是 Rec.709（今天的电视标准）的两倍，可以使设备显示前所未有的 680 亿种颜色。

 

下面的 CIE 色域图中，马蹄形形状内的颜色代表人眼可以看到的所有颜色，三角形表示当今使用最广泛的色域标准的颜色空间，以及不同色域标准可以再现多少可见光谱。

 

 

色差

色差是指在颜色表示中的差异或偏差。它是实际颜色与目标颜色之间的差异。ΔE是最常用的色差度量，表示两个颜色之间的整体差异。它是通过计算颜色在三维色彩空间中的欧氏距离来确定的，通常使用CIE Lab色彩空间进行计算。较低的ΔE值表示颜色之间较小的差异。

 

CIE LUV色空间的色差公式

CIE LUV主要应用于加色法的色光混色，较适合于光源色、彩色电视等工业部门。

CIE LUV色差公式具体如下：

是由三刺激值计算而来。是颜色样品的色品坐标；为参照光源的色品坐标；为样品的三刺激值；为CIE标准照明体照射在完全漫反射体、再经过完全漫反射反射到观察者眼中的白色刺激的三刺激值。

 

 

CIE LAB色空间的色差公式

CIE LAB主要应用于减色法的色料混合，较适合于印刷、染料、颜料及油墨等表面颜色工业。CIE LAB是CIE XYZ色空间的一种非线性变换空间，其色空间下的色差公式如下：

 

 

CIEDE2000色差公式

为了进一步改善工业色差评价的视觉一致性，在2000年提出了一个新的色彩评价函数，称为CIE DE2000色差公式，这是目前最好的色差公式。

ΔL'：CIEDE2000亮度差；ΔC'：CIEDE2000色度差；ΔH'：CIEDE2000色相差；

SL、SC、SH表示权重函数；KL、KC、KH表示亮度、色度和色相参数因子；

RT 是根据色调和饱和度进行的调整参数；

 

评价光源颜色质量的参数

显色性是用来衡量光源视觉质量的指标。 光源对物体本身颜色的还原程度称为显色性, 即颜色逼真的程度。显色性高的光源对颜色表现较好，所见到的颜色也就接近自然原色，显色性低的光源对颜色表现较差，所见到的颜色偏差也较大。

 

 

显色指数CRI

用显色指数CRI来对光源显色性作定量描述。通过参照光源与待测光源在标准样品下形成的色差来评定光源的显色性，显色指数CRI或一般显色指数Ra进行表示。

一般是8个标准色样或14个标准色样，这些标准色样是非饱和色，如下图所示。

 

 

1-14号标准色样

在一些场所，对光源的显色指数有数值要求，一些光源应用场所的数值要求如下表所示。

 

 

色彩保真度指数Rf

在2015年，IES发布了IES TM-30-15文件来评价光源颜色质量。采用双指标系统，用色彩保真度指数Rf和色彩饱和度指数Rg共同评价颜色质量。标准色样有99种，使得绝大部分物体的颜色再现性更加准确。色彩保真度指数Rf的计算方式与显色指数有很大的不同。

 

 

同色异谱现象

同色异谱是指光谱不同的刺激可以产生相同的视觉知觉，也可以说，同色异谱是三刺激值相同、光谱分布不同的颜色。

在某种场景下，比如图左边的两个物体在室外太阳光底线看起来颜色的一样的，但是一旦拿到室内，在荧光灯管底线发现，其实这两个物体的颜色是相差非常大的。同色异谱也叫做条件对色，即这两个颜色只有符合一定观察条件下颜色才能相等，实际上这两个颜色并非完全一样。

 

 

色彩深度

色彩深度是指在图像或显示设备中表示颜色的位数。它表示每个像素可以显示的不同颜色数量。常见的色彩深度包括8位（256色）、16位（65,536色）、24位（1677万色）和32位（1677万色+透明度）。具体说来8位色彩深度使用8位二进制数字（或1字节）来表示每个像素的颜色，因此可以表示256种不同的颜色，以此类推。色彩深度决定了一个显示设备或图像能够呈现的颜色数量，深度越高，颜色表现越丰富。

 

 

色准度

色准度是指显示设备或图像能够准确显示或再现真实颜色的能力。它衡量了设备或图像中的颜色是否与其真实值相匹配。在显示设备中，色准度通常通过色域覆盖率和色彩深度来衡量。色域是一种表示设备可以显示的颜色范围的方法，常见的色域包括sRGB、Adobe RGB等。较广的色域表示设备可以显示更多的颜色，从而提供更好的色准度。较高的位数（色彩深度）表示设备能够更准确地表示颜色，从而提供更好的色准度。