第八章均匀颜色空间及应用

印刷色彩学（第三版）郑元林 ([email protected])

第八章均匀颜色空间及应用


主要内容• 颜色空间的均匀性• 均匀颜色空间• CIE 1976 L*a*b* 均匀颜色空间 • CIE 1976 L*u*v* 均匀颜色空间 • 色差及色差公式 • 光源的色温 • 光源的显色性


8.1 颜色空间的均匀性

人眼对光谱颜色的差别感受性


人眼对颜色的恰可分辨范围


麦克亚当椭圆


8.2 均匀颜色空间• CIE 1960 UCS

• CIE 1964 UVW

• CIE1976L*a*b*

• CIE1976L*u*v*


CIE 1960 UCS

• 1960 年， CIE 根据麦克亚当的工作制定了 CIE 1960 均匀色度标尺图（ CIE

1960 Uniform Chromaticity-Scale Diagram ）简称 CIE 1960 UCS 图。• 该颜色空间和 CIE 1931 XYZ 系统相比据有较好的均匀性，能够正确地反映

颜色的视觉效果，便于调整和预测人眼看到的颜色的变化；• 该系统对色彩的判别是以色度学颜色匹配理论为基础，与颜色出现在什么

介质无关，因而具有等效性；• 在由 X 、 Y 、 Z 向 CIE 1960 UCS 系统转换时保持了原来的亮度因数 Y 不变，

使得颜色的亮度信号与色度信号分开调节，互不影响；• 转换方法简单、方便。


CIE 1960 UCS


CIE 1964UVW


(1) 空间模型CIELAB 空间由 CIEXYZ 系统通过数学方法转换得到：

8.4 CIE1976L*u*v* 均匀颜色空间

*0

*0 0

*0 0

116 ( ) 16

500 ( ) ( )

200 ( ) ( )

L f Y Y

a f X X f Y Y

b f Y Y f Z Z

1 3 3

2 3

( ) (6 / 29)( )

3 (29 / 6) 4 / 29 (6 / 29)

I If I

I I


式中：X Y Z 为颜色样品的三刺激值X0 Y0 Z0 为 CIE 标准照明体的三刺激值L* 称为心理计量明度锥体细胞的黑－白反映a* 心理计量色度锥体细胞的红－绿反映b* 心理计量色度锥体细胞的黄－蓝反映


3/1

03/1

0*

3/10

3/10

*0

3/10

*

)Z/Z()Y/Y(200b

)Y/Y()X/X(500a

01.0Y/Y16)Y/Y(116L

实际计算时


由 X 、 Y 、 Z 变换为Ｌ * 、 a* 、 b* 时包含有立方根的函数变换，经过这种非线形变换后，原来的马蹄形光谱轨迹不复保持。转换后的空间用笛卡儿直角坐标体系来表示，形成了对立色坐标表述的心理颜色空间，如图所示。在这一坐标系统中， +a 表示红色， -a 表示绿色， +b 表示黄色， -b 表示蓝色，颜色的明度由 L 的百分数来表示。


优点：当颜色的色差大于视觉的识别阈限（恰可观察）而又小于孟塞尔系统相邻两级的色差时，能较好地反映物体色的心理感受 !

优点


红绿

黄

蓝

黄绿橙

紫蓝绿黑

白

+a*-a*

-b*

+b*L*=100

L*=0

灰


)a/b(tg180h

)b()a(C

16)Y/Y(116L

**1*ab

2/12*2**ab

3/10

*

心理明度心理彩度心理色相角


色差是指用数值的方法表示两种颜色给人色彩感觉上的差别。若两个色样样品都按L* 、 a* 、 b* 标定颜色，则两者之间的总色差△ E*

ab 以及各项单项色差可用下列公式计算：

(2) 色差


明度差：色度差：

总色差：2*

2*1

2*2

*1

2*2

*1

*ab )bb()aa()LL(E

*2

*1

*

*2

*1

*

*2

*1

*

bbb

aaa

LLL


彩度差： *2,ab

*1,ab

*ab CCC

色相角差： *2,ab

*1,ab

*ab hhh

色相差： 2*ab

2*ab

2*ab

*ab )C()L()E(H


在 2° 标准观察者和 C 光源的照明条件下，测得用黄色油墨印制的三个样品的色度坐标为：No1 ： Y1=71.79 ， x1=0.4210 ， y1=0.4788No2 ： Y2=70.67 ， x2=0.4321 ， y2=0.4889C 光源： Y0=100 ， x0=0.3101 ， y0=0.3162求两个颜色之间的色差

计算举例


首先求各样品色的三刺激值

Yy

yx1Z

YY

YyxX

由此得到：　　 No1: Y1=71.79, X1=63.13, Z1=15.02　　 No2: Y2=70.60, X2=62.46, Z2=11.43　　 C 光源： Y0=100, X0=98.07, Z0=118.22


把这些数值代入式

3/1

03/1

0*

3/10

3/10

*0

3/10

*

)Z/Z()Y/Y(200b

)Y/Y()X/X(500a

01.0Y/Y16)Y/Y(116L


求得：

58.78)22.118/02.15()100/79.71(200b

36.16)100/79.71()07.98/13.63(500a

95.8716)100/79.71(116L

3/13/1*1

3/13/1*1

3/1*1

3.86)22.118/43.11()100/60.70(200b

02.15)100/60.70()07.98/46.62(500a

29.8716)100/60.70(116L

3/13/1*2

3/13/1*2

3/1*2


假定以样品色 No.1 为标准，则可计算出它们的色差值为：　　　 △ L* 　△ a* 　△ b* 　△ E*abNo.2-No.1 -0.6638 1.3287 7.6053 　 7.7490 `


1939 年，美国国家标准局采纳了贾德等的建议而推行 Y1/2 、 a 、 b 色差计算公式，并按此公式计算颜色差别的大小，以绝对值 1 作为一个单位，称为“ NBS 色差单位”。一个 NBS 单位大约相当于视觉色差识别阈值的 5倍。如果与孟塞尔系统中相邻两级的色差值比较，则 1NBS 单位约等于 0.1孟塞尔明度值， 0.15孟塞尔彩度值， 2.5 孟塞尔色相值（彩度为 1 ）；孟塞尔系统相邻两个色彩的差别约为10NBS 单位。 NBS 的色差单位与人的色彩感觉差别用下表来描述，说明 NBS 单位在工业应用上是有价值的。

(3) 色差单位的提出和意义


NBS 单位色差值感觉色差程度0.0～ 0.50 （微小色差）感觉极微（ trave ）0.5～ 1.51 （小色差）感觉轻微（ slight ）1.5～ 3 （较小色差）感觉明显

（ noticeable ）3～ 6 （较大色差）感觉很明显

（ appreciable ）6 以上（大色差）感觉强烈（ much ）

NBS 单位与颜色差别感觉程度


CIE 1976 L*u*v* 均匀颜色空间实际上是由 CIE 1931 和 CIE 1964 均匀颜色空间发展而来的。主要是用数学方法对 Y 值作非线性转换，使其与代表视觉等间距的孟塞尔系统靠拢。

8.4 CIE1976L*u*v* 均匀颜色空间


3y12x2y6v

3y12x2x4u

)vv(W13V

)uu(W13U

100Y117Y25W

0**

0**

3/1*

其中

式中： u 、 v －－颜色样品的色度坐标； u0 、 v0 －－颜色样品的色度坐标；

（ 1 ） 1964 均匀颜色空间


2*2

*1

2*2

*1

2*2

*1 )()()( WWVVUUE


明度指数

色度指数

（ 2 ） CIELUV 色空间1/3 3

0 0*3

0 0

* *0

* *0

116( / ) 16 / (6 / 29)

903.3( / ) / (6 / 29)

13 ( )

13 ( )

Y Y Y YL

Y Y Y Y

u L u u

v L v v


000

0

00

000

000

0

00

000

3159

312295.1

3154

31224

3159

312295.1

3154

31224

ZYXY

yxyvv

ZYXX

yxxuu

ZYXy

yxyvv

ZYXX

yxxuu

其中

样品色度坐标光源色度坐标


色度图


2*2

*1

2*2

*1

2*2

*1

*ab )bb()aa()LL(E

明度差：色度差：

总色差：

*2

*1

*

*2

*1

*

*2

*1

*

vvv

uuu

LLL

色差


*2,ab

*1,ab

*ab CCC

*2,ab

*1,ab

*ab hhh

彩度差：色相角差：色相差： 2*

ab2*

ab2*

ab*ab )C()L()E(H


两者都是在视觉上近似均匀的颜色空间两者在的视觉上的均匀程度基本相同莫莱用 555 对颜色求各个颜色空间的色差值与目测结果的关系， L*a*b* 为 0.72 ， L*u*v* 为

0.71 ；用孟塞尔卡中恒定色相轨迹和恒定彩度轨迹在

a*b* 图和 u*v* 图的改善程度也很接近，只是 a*b* 图略优于 u*v* 图。

根据工业部门的习惯选择应用的颜色空间CIE 1976 L*a*b*多用于表面色工业，如印刷、纺织等CIE 1976 L*u*v*多用于光源色、彩色电视机等工业部门

（ 3 ） CIE LAB 和 CIE LUV 的比较


8.5 色差及色差公式• 1976 年以前 – 基于麦克亚当椭圆的，如 ANLAB 、 CIELAB– 适合孟塞尔数据的，无– 从 CIE 色度学系统线性转化过来的， CIELUV

• 1976至 2001 间 – CMC– CIE94– CIEDE2000

• 2001 年以后


趋势 1

– 几乎所有的努力都用在对 CIELAB 的改进上，成立了 CIE TC1-

55 在颜色视觉理论基础上来推荐一个新的均匀颜色空间。在色貌模型（比如 CIECAM02 ）基础上的均匀颜色空间也许是个比较理想的解决方法。


趋势 2

– 所有的色差公式都只能在 CIE规定的参考观察条件下使用，收集一些新的数据来研究观察参数的变化（比如照明、彩色背景、媒介、物理尺寸、色差大小、分离、织物、照度水平）带来的视觉效果是非常有价值的。随后，能够考虑到不同观察条件的色差公式就会被研究出来。


趋势 3

– 几乎所有的色差公式都是被研究仅仅用来预测一对大的单色物体或色块的色差。越来越多的应用要求要预测一对图像间的色差。当前的色差公式不能够评价图像空间的变化。这要开发一个色差公式来满足从要求。


表 1 色差公式发展历程表


L=90a=4b=1

L=92a=6b=3

L=27a=67b=-107

L=29a=69b=-10946.3* abE 46.3* abE＝

CIELAB 的不足之处


ab平面中的麦克亚当椭圆


-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

a*

b*

CIELAB 的宽容量椭圆


1984 年英国染色家协会（ SDC ）的颜色测量委员会（ CMC ）推荐使用； 1988 年被采纳为英国国家标准（ BS6823 ）；在 1989 年被美国染色化学家协会 (AATCC)采用形成 AATCC试验方法 173～ 1989 年 ,1992 年又进行了修订； 1995 年成为国际标准 (ISO 105 J03 “Calculation of small color difference”) ； GB/T 8424.3-2001, 纺织品色牢度试验色差计算 GB/T 3810.16-2006, 陶瓷砖实验方法第十六部分：小色差的测定

8.5.1 CMC(l:c) 色差公式


2*2*2**

):(

H

ab

C

ab

LclCMC S

HcSC

lSLE

2*2*2** )()()( baLEab


式中： SL=0.040975L*/(1+0.01765×L*) 当 L*<16 时， SL =0.511

SL


SC =0.0638C*/ （ 1+0.0131×C* ）+0.638

SC


)1.( ffTSS cH 2/1

4

4

]1900*)(

*)([

CCf

|)35cos(4.0|36.0 hT

当。。 345164 h|)168cos(2.0|56.0 hT

SH


C*=50 时， SH 和 h 的关系

0 50 100 150 200 250 300 350 4002.36

2.38

2.4

2.42

2.44

2.46

2.48

h

SH


克服 JPC79 在深色及中性色范围计算结果与目测结果偏差较大的现象。并进一步引入了调整参数 l 和c, 以适应不同目的需求。在纺织中， l 通常设为 2 ，就是 CMC(2:1) 公式。印刷行业有人推荐 1.4:1 。


CMC宽容量椭圆


在纺织中， l 通常设为 2 ，就是 CMC(2:1) 公式。印刷行业有人推荐 1.4:1 。


计算程序• CMC 色差公式的 Matlab 计算程序详见：

http://blog.sina.com.cn/s/

blog_4b892b790100093l.html

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L=90a=4b=1

L=92a=6b=3

L=27a=67b=-107

L=29a=69b=-10946.3* abE 46.3* abE＝

*CMCE *

CMCE3.56 2.79>


1989 年， CIE TC1-29 （工业色差评估），主要任务是考察目前在工业中使用的在日光照明下进行物体色色差评价的标准。 1995 年 CIE 技术报告。

8.5.2 CIE94 色差公式


CIE94 公式引入一个新的项（⊿ V ），即色差的视觉量化值 :

*94

1 EKV E

KE 并不是作为商业色差测量来用，而是一个总的视觉因数（视觉灵敏度系数），在工业评定的条件下，设为 1 个单位，即⊿ V ＝⊿ E*94 。


2*2*2**94

HH

ab

CC

ab

LL SKH

SKC

SKLE


①同类样本；②样本间的色差⊿ E*ab<5 ；③样本并列放置；④颜色的评价人员的视觉正常，样本形成的视场大于 4° ；⑤照度为 1000 lx ，背景为 L*=50 的灰，照明光源采用D65 。

适合于工业色差的评价的参考条件：


1SL *

,045.01 XabC CS *

,015.01 XabH CS

当一对颜色中的标准色和样本色明显不同时，则C*ab,X = C*ab,S


在逻辑上如果没有样本作为标准色时， C*ab,X 可以用两个颜色的 CIELAB 的彩度的几何平均值表示 : C*ab,X ＝（ C*ab,A ×C*ab,B ） 1/2


优点：探讨了色差距离的均匀性和参量对知觉色差的影响，应用加权函数校正 CIE LAB 空间的均匀性，与此同时定义一组基本条件，在基本条件下应用时无需对参量效应校正。


计算程序• CIE94 色差公式的 Matlab 计算程序详见：

http://blog.sina.com.cn/s/

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L=90a=4b=1

L=92a=6b=3

L=27a=67b=-107

L=29a=69b=-10946.3* abE 46.3* abE＝

*94E *

94E3.07 2.05>


HH

ab

CC

abT

HH

ab

CC

ab

LL SkH

SkCR

SkH

SkC

SkLE

''2'2'2'

00

CIEDE2000 色差公式的完整表述形式8.5.3 CIEDE2000 色差公式


'/'tan

''

'

*)1(''

1'

22'

*

*

abh

baC

bb

aGaLL

ab

ab

77

*

7*

2515.0

ab

ab

C

CG

明度、彩度、色调


''' sb LLL

',

',

'sabbabab CCC

)2

sin(2'

',

',

' absabbabab

hCCH

明度差：彩度差：色调差：

明度、彩度、色调差

',

',

'sabbabab hhh 色相角差：


权重函数 SL 、 SC 、 SH

2'

2'

5020

50015.01

L

LSL


'045.01 abC CS

TCS abH'015.01

oab

oab

abo

ab

hh

hhT

634cos20.063cos32.0

2cos24.030cos17.01''

''

其中


CT RR )2sin(

旋转函数 RT

77'

7'

2'

252

25/275exp30

ab

abC

oab

C

CR

h

其中

印刷色彩学（第三版）郑元林 ([email protected])-110

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

110

-110 -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 110

a*

b*


计算色差的标准观测条件 (kL=kC=kH=1)

照明光源模拟 CIE 标准照明体 D65 相对光谱功率分布的光源照度 1000 lx

观察者正常色觉观察者背景具有中等明度 (L=50) 的均匀灰色样品模式物体色色样大小 >4° 视场色样间隔两个样品边缘直接接触，间距尽量小色差幅度 0～ 5 个 CIELAB 色差单位色样表面结构颜色均匀，无可见花纹或不均匀性


计算程序• CIEDE2000 色差公式的 Matlab 计算程序详见：http://blog.sina.com.cn/s/

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46.3* abE

L=90a=4b=1

L=92a=6b=3

L=27a=67b=-107

L=29a=69b=-109＝46.3* abE

00.300 E 57.100 E>07.3*

94 E 05.2*94 E>

56.3* CMCE 79.2* CMCE>


绝对黑体：如果一个物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射，那么这个物体称为绝对黑体。天然的、理想的绝对黑体是不存在的。

8.6 光源的色温8.6.1 黑体


黑体辐射的发射本领只与温度有关。严格地说，一个黑体若被加热，其表面按单位面积辐射光谱能量的大小及其分布完全决定于它的温度。因此我们把任一光源发出的光的颜色与黑体加热到一定温度下发出的光的颜色相比较，来描述光源的光色。

黑体


当黑体连续加热，温度不断升高时，其相对光谱能量分布的峰值部位将向短波方向变化，所发的光带有一定的颜色，其变化顺序是红 - 黄 -白 - 蓝。

黑体

印刷色彩学（第三版）郑元林 ([email protected]) 黑体在不同温度下可见光谱范围的相对功率分布曲线


黑体不同温度的色度轨迹


色温：当某一种光源的色度与某一温度下的绝对黑体的色度相同时绝对黑体的温度。相关色温（ correlated color temperature ）：当某一光源的色度与某一温度下的完全辐射体（黑体）的色度最接近，或在均匀色度图上的色差距离最小时的完全辐射体（黑体）的温度。色温用绝对温度“ K” 表示（ T(K)=t(oC)+273 ）

8.6.2 光源的色温(1) 定义


色温是光源的重要指标，一定的色光具有一定的相对能量分布


常见光源色温光源色温（ K ）

晴天室外光 13000 全阴天室外光 6500白天直射日光 555045°斜射日光 4800昼光色、荧光灯 6500

氙灯 5600炭精灯 5500～ 6500

常见光源色温


根据光色的舒适感选择色温根据人的生理和心理需求合理运用色温根据不同的被照场所使用色温印刷行业对光源色温的要求

(2) 色温的应用


照度水平与色光舒适感的程度

很低的照度下采用接近火焰的低色温的光源；在中等照度下采用色温接近黎明和黄昏的色温略高的光色较适宜 ; 而在高的照度下则是采用接近中午阳光或偏蓝的去消天空光色较舒适

根据光色的舒适感选择色温


人们对自然光的适应不仅是色温感觉问题 , 并且在光谱的分布上也要求人工光与自然光接近或基本相同 , 其光谱分布只有一峰值较好 , 若是两个峰值且不连续则易引起人们的视觉疲劳。光谱成分单一的光源 , 光色质量较差，照明效果不好。同一类光源光谱能量分布较宽的光源照明质量相对分布较窄的效果要好 , 舒适度高。


根据人的生理和心理需求合理运用色温红色使人兴奋 , 蓝色使人沉静；波长较长的红黄光使人有近感 , 波长较短的蓝青光使人有远感；重量大小相同的物体深暗色看起来重而小 , 明亮色看起来轻而大。在心理方面红系统光可以增加食欲 , 蓝系统光则会使食欲减退。彩色度高的比彩色度低的光更能使人产生激情。低色温光给人以温暖的感觉 ( 称暖色光 ), 高色温光给人以冷的感觉 ( 称冷色光 ), 所以当需要一种热烈激昂的气氛时可用低色温的暖色光源 , 当需要冷静沉稳的气氛时可用高色温的冷色光源。在温度较高的热带地区 , 宜用高色温光源增加凉爽的舒适感 , 在寒冷地区宜使用低色温光源 , 给人以温暖祥和的感觉。


在餐厅选用以红黄为主的光色 , 可以给人一种灯火辉煌的感觉 , 使人兴奋食欲增强 . 而在紧张繁忙的车间则较适宜采用高色温的冷色光源 , 可缓解人们的紧张情绪 . 在医院病人的情绪多是焦虑不安 , 选用色温高的冷色光源可减轻这种感觉 , 多些平静感 . 在卧室或宾馆客房采用茶色或橙色光源 , 会使人具有休闲、安逸和温馨的感觉 . 在商店为了吸引顾客要设法使商品突出 , 通常的做法是使商品和衬托背景具有强烈的对比效应 , 达到醒目的效果再加上适当的彩色投光装饰 , 效果会更佳 .

根据不同的被照场所使用色温


原稿的拍摄：彩色胶片分日光型片和灯光型片日光型片－－室外日光下拍摄，要求色温 5400～ 5600K ，如果色温低或在室内拍摄，会使照片偏黄。灯光型片－－室内拍摄，要求色温 2800～ 3200K ，如果色温高或在室内拍摄，会使照片偏蓝。

印刷行业对光源色温的要求


色温在 5500K～ 6500K 的光源的光谱能量分布符合制版分色的要求。色温过高或过低都会影响制版的质量。制版车间和印刷车间的照明光源，色温最低应该在 2850K 以上。按照我国的行业标准规定，观察透射样品时，光源的相关色温应该为 5003K ，观察反射样品时，光源的相关色温应该为 6504K

制版光源对色温的要求


8.7 光源的显色性


例如，在日光下观察一副画，然后拿到高压汞灯下观察，就会发现，某些颜色已变了色。如粉色变成了紫色，蓝色变成了蓝紫色。因此，在高压汞灯下，物体失去了 "真实 " 颜色，如果在黄色光的低压钠灯底下来观察，则蓝色会变成黑色，颜色失真更厉害，显色指数更低。光源的显色性是由光源的光谱能量分布决定的。日光、白炽灯具有连续光谱，连续光谱的光源均有较好的显色性。


定义光源的显色性：以日光作标准 , 将白炽灯等人工光源与其比较 , 显示同色差异的能力。定量评价指标：一般显色性指数≤ 100 ，显色性指数的高低，就表示物体在待测光源下 " 变色 " 和 "失真 " 的程度。我国国家标准 " 光源显色性评价方法GB/T 5702-2003" 中规定用普朗克辐射体（色温低于 5000K ）和组合日光（色温高于5000K ）做参照光源。


光源的显色性以一般显色性指数 Ra 值区分：Ra 值为 100～ 75 显色优良　　 75～ 50 显色一般　　 50 以下显色性差

一般显色性指数


光源名称相关色温 (K) 一般显色指数白炽灯 (500瓦 ) 2900 95~100碘钨灯 (500瓦 ) 2700 95~100溴钨灯 (500瓦 ) 3400 95~100荧光灯 ( 日光色 40瓦 ) 6600 70~80外镇高压汞灯 (400瓦 ) 5500 30~40内镇高压汞灯 (450瓦 ) 4400 30~40镝灯 (1000瓦 ) 4300 85~95高压钠灯 (400瓦 ) 1900 20~25

光源的一般显色指数


色温是衡量光源本身光色的指标，显色性是衡量光源视觉质量的指标。假若光源色处于人们所习惯的色温范围内，则显色性应是光源质量的更为重要的指标。这是因为显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。

显色性高显色性低


根据不同的装饰效果运用显色特性在实际的夜景装饰、电影、电视、布景及室内装饰等工程中 , 可以根据不同的装饰要求选用不同光源例如 : 荧光高压汞灯表面看上去它发出的光亮而白 , 说明其色表好 , 但它照在人的脸上却发青很难看 , 说明它显色性差。因为它的光谱成分中青绿具多 , 所以若将其用于草坪装饰 , 会使草坪看上去更加郁郁葱葱 , 生机昂然 , 具有甚佳的效果 .

根据被照场所对显色指标要求运用显色特性

光源显色性的应用


根据不同的装饰效果运用显色特性再如低压钠灯表面光色为橙黄色 , 但由于它的光谱成分中是单色黄 , 所以照在人和物体上都会变色 , 很难看说明其显色性差 , 但若将这种显色特性用于特殊的灯光制景 , 会达到满意的效果 .

根据被照场所对显色指标要求运用显色特性


根据不同的装饰效果运用显色特性根据被照场所对显色指标要求运用显色特性

显色指数 Ra 如前所述指光源照在物体上显色是否接近自然光的一相对指数。在一些被照场所如印刷、摄影、印染、展厅等场所要求将物体的颜色真实地显现出来。所以选显色系数较高的光源 , 可将物体的原色真实的反应出来 , 以达到良好的照明效果。


作业• 教材 P130 ： 1～ 8

第八章 均匀颜色空间及应用

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第八章均匀颜色空间及应用