第四节 CIE标准色度学系统

 

一、CIE1931RGB 真实三原色表色系统

 
(一)、 颜色匹配实验

  把两个颜色调整到视觉相同的方法叫颜色匹配,颜色匹配实验是利用色光加色来实现的。图5-24中左方是一块白色屏幕,上方为红R、绿G、蓝B三原色光,下方为待配色光C,三原色光照射白屏幕的上半部,待配色光照射白屏幕的下半部,白屏幕上下两部分用一黑挡屏隔开,由白屏幕反射出来的光通过小孔抵达右方观察者的眼内。人眼看到的视场如图右下方所示,视场范围在2°左右,被分成两部分。图右上方还有一束光,照射在小孔周围的背景白版上,使视场周围有一圈色光做为背景。在此实验装置上可以进行一系列的颜色匹配实验。待配色光可以通过调节上方三原色的强度来混合形成,当视场中的两部分色光相同时,视场中的分界线消失,两部分合为同一视场,此时认为待配色光的光色与三原色光的混合光色达到色匹配。不同的待配色光达到匹配时三原色光亮度不同,可用颜色方程表示:
      C=R(R)+G(G)+B(B) (5-1)
式中C 表示待配色光;(R)、(G)、(B)代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位量;R、G、B分别为匹配待配色所需要的红、绿、蓝三原色的数量,称为三刺激值;“o”表示视觉上相等,即颜色匹配。


图5-24 颜色匹配实验

(二)、三原色的单位量

  国际照明委员会(CIE)规定红、绿、蓝三原色的波长分别为700nm、546.1nm、435.8nm,在颜色匹配实验中,当这三原色光的相对亮度比例为1.0000:4.5907:0.0601时就能匹配出等能白光,所以CIE选取这一比例作为红、绿、蓝三原色的单位量,即(R):(G):(B)=1:1:1。尽管这时三原色的亮度值并不等,但CIE却把每一原色的亮度值作为一个单位看待,所以色光加色法中红、绿、蓝三原色光等比例混合结果为白光,即(R)+(G)+(B)=(W)。

(三)、 CIE-RGB光谱三刺激值

  CIE-RGB光谱三刺激值是317位正常视觉者,用CIE规定的红、绿、蓝三原色光,对等能光谱色从380nm到780nm 所进行的专门性颜色混合匹配实验得到的。实验时,匹配光谱每一波长为 的等能光谱色所对应的红、绿、蓝三原色数量,称为光谱三刺激值,记为 ,它是CIE在对等能光谱色进行匹配时用来表示红、绿、蓝三原色的专用符号。因此,匹配波长为l的等能光谱色C(入)的颜色方程为

      C(入)≡    (5-2)

式中(R)、(G)、(B)为三原色的单位量,分别为1.0000、4.5907、0.0601;C(入)在数值上表示等能光谱色的相对亮度,如图5-25所示,其中最大值为C(555)。

且有 C(555)=1,即

           (5-3)

光谱三刺激值的数据见表5-2,图5-26是按表5-2中的数据画出的曲线。



(纵坐标为相对亮度)

5-2  国际R.G.B坐标制(CIE1931年标准色度观察者)

l

(毫微米)

光谱三刺激值

色度坐标

rl

gl

bl

380

0.00003

-0.00001

0.00117

0.0272

-0.0115

0.9843

385

0.00005

-0.00002

0.00189

0.0268

-0.0114

0.9846

390

0.00010

-0.00004

0.00359

0.0263

-0.0114

0.9851

395

0.00017

-0.00007

0.00647

0.0256

-0.0113

0.9857

400

0.00030

-0.00014

0.01214

0.0247

-0.0112

0.9865

405

0.00047

-0.00022

0.01969

0.0237

-0.0111

0.9874

410

0.00084

-0.00041

0.03707

0.0225

-0.0109

0.9884

415

0.00139

-0.00070

0.06637

0.0207

-0.0104

0.9897

420

0.00211

-0.00110

0.11541

0.0181

-0.0094

0.9913

425

0.00266

-0.00143

0.18575

0.0142

-0.0076

0.9934

430

0.00218

-0.00119

0.24769

0.0088

-0.0048

0.9960

435

0.00036

-0.00021

0.29012

0.0012

-0.0007

0.9995

440

-0.00261

0.00149

0.31228

-0.0084

0.0048

1.0036

445

-0.00673

0.00379

0.31860

-0.0213

0.0120

1.0093

450

-0.01213

0.00678

0.31670

-0.0390

0.0218

1.0172

455

-0.01874

0.01046

0.31166

-0.0618

0.0345

1.0273

460

-0.02608

0.01485

0.29821

-0.0909

0.0517

1.0392

465

-0.03324

0.01977

0.27295

-0.1281

0.0762

1.0519

470

-0.03933

0.02538

0.22991

-0.1821

0.1175

1.0646

475

-0.04471

0.03183

0.18592

-0.2584

0.1840

1.0744

480

-0.04939

0.03914

0.14494

-0.3667

0.2906

1.0761

485

-0.05364

0.04713

0.10968

-0.5200

0.4568

1.0632

490

-0.05814

0.05689

0.08257

-0.7150

0.6996

1.0154

495

-0.06414

0.06948

0.06246

-0.9459

1.0247

0.9212

500

-0.07173

0.08536

0.04776

-1.1685

1.3905

0.7780

505

-0.08120

0.10593

0.03688

-1.3182

1.7195

0.5987

510

-0.08901

0.12860

0.02698

-1.3371

1.9318

0.4053

515

-0.09356

0.15262

0.01842

-1.2076

1.9699

0.2377

520

-0.09264    

0.17468

0.01221

-0.9830

1.8534

0.1296

525

-0.08473

0.19113

0.00830

-0.7386

1.6662

0.0724

530

-0.07101

0.20317

0.00549

-0.5159

1.4761

0.0398

535

-0.05136

0.21083

0.00320

-0.3304

1.3105

0.0199

540

-0.03152

0.21466

0.00146

-0.1707

1.1628

0.0079

545

-0.00613

0.21487

0.00023

-0.0293

1.0282

0.0011

550

0.02279

0.21178

-0.00058

0.0974

0.9051

-0.0025

555

0.05514

0.20588

-0.00105

0.2121

0.7919

-0.0040

560

0.09060

0.19702

-0.00130

0.3164

0.6881

-0.0045

565

0.12840

0.18522

-0.00138

0.4112

0.5932

-0.0044

570

0.16768

0.17807

-0.00135

0.4973

0.5067

-0.0040

575

0.20715

0.15429

-0.00123

0.5751

0.4283

-0.0034

580

0.24526

0.13610

-0.00108

0.6449

0.3579

-0.0028

585

0.27989

0.11686

-0.00093

0.7071

0.2952

-0.0023

590

0.30928

0.09754

-0.00079

0.7617

0.2402

-0.0019

595

0.33184

0.07909

-0.00063

0.8087

0.1928

-0.0015

600

0.34429

0.06246

-0.00049

0.8475

0.1537

-0.0012

605

0.34756

0.04776

-0.00038

0.8800

0.1209

-0.0009

610

0.33971

0.03557

-0.00030

0.9059

0.0949

-0.0008

615

0.32265

0.02583

-0.00022

0.9265

0.0741

-0.0006

620

0.29708

0.01828

-0.00015

0.9425

0.0580

-0.0005

625

0.26348

0.01253

-0.00011

0.9550

0.0454

-0.0004

630

0.22677

0.00833

-0.00008

0.9649

0.0354

-0.0003

635

0.19233

0.00537

-0.00005

0.9730

0.0272

-0.0002

640

0.15968

0.00334

-0.00003

0.9797

0.0205

-0.0002

645

0.12905

0.00199

-0.00002

0.9850

0.0152

-0.0002

650

0.10167

0.00116

-0.00001

0.9888

0.0113

-0.0001

655

0.07857

0.00066

-0.00001

0.9918

0.0083

-0.0001

660

0.05932

0.00037

0.00000

0.9940

0.0061

-0.0001

665

0.04366

0.00021

0.00000

0.9954

0.0047

-0.0001

670

0.03149

0.00011

0.00000

0.9966

0.0035

-0.0001

675

0.02294

0.00006

0.00000

0.9975

0.0025

0.0000

680

0.01687

0.00003

0.00000

0.9984

0.0016

0.0000

685

0.01187

0.00001

0.00000

0.9991

0.0009

0.0000

690

0.00819

0.00000

0.00000

0.9996

0.0004

0.0000

695

0.00572

0.00000

0.00000

0.9999

0.0001

0.0000

700

0.00410

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

705

0.00291

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

710

0.00210

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

715

0.00148

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

720

0.00105

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

725

0.00074

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

730

0.00052

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

735

0.00036

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

740

0.00025

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

745

0.00017

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

750

0.00012

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

755

0.00008

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

760

0.00006

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

765

0.00004

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

770

0.00003

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

775

0.00001

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000

780

0.00000

0.00000

0.00000

1.0000

0.0000

0.0000



图5-26 CIE-RGB光谱三刺激值

(四)、 负刺激值
  从表5-2中可以看到,在很多情况下光谱三刺激值是负值(负刺激值),这是因为待配色为单色光,其饱和度很高,而三原色光混合后饱和度必然降低,无法和待配色实现匹配。为了实现颜色匹配,在实验中须将上方红、绿、蓝一侧的三原色光之一移到待配色一侧,并与之相加混合,从而使上下色光的饱和度相匹配。例如,将红原色移到待配色一侧,实现了颜色匹配,则颜色方程为
      …………………(5-4)
  因此,待配色
     …………………(5-5)
  所以 出现了负值。
(五)、 色度坐标
  在颜色匹配实验中,为了表示R、G、B三原色各自在R+G+B总量中的相对比例,我们引入色度坐标r、g、b。
      …………………………………(5-6)
  从上式可知 r+g+b=1
  若待配色为等能光谱色,则上式可写为
      ………………………(5-7)
  式中 为光谱色度坐标,计算出的数值见表5-2。图5-27是按表5-2中光谱色度坐标的数据画出的rg色度图的轮廓曲线。在偏马蹄形的光谱轨迹中,很大一部分色度坐标r是负值。这一系统规定的等能白光(E光源,色温5500K),位于色度图的中心(0.33,0.33)。在CIE rg色度图中色度坐标反映的是三原色各自在三刺激值总量中的相对比例,一组色度坐标表示了色相相同和饱和度相同而亮度不同的那些颜色的共同特征,因此CIE rg色度图并不反映颜色亮度的变化,色度图的轮廓表达出了颜色的色域范围。1931CIE-RGB系统的 光谱三刺激值是从实验得出来的,本来可以用于颜色测量和标定以及色度学计算,但是实验结果得到的用来标定光谱色的原色出现了负值,正负交替十分不便,不宜理解,因此,1931年CIE推荐了一个新的国际色度学系统——1931CIE-XYZ系统,又称为XYZ国际坐标制。


图5-27 CIE rg色度图

 
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2002.3.22