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CIE色度系统怎么理解?CIE色度系统Lab颜色空间怎么看?

文章出处:未知 人气:282发表时间:2023-05-31

为了对颜色进行客观、规范化的定量表达,国际照明委员会CIE规定了一套用于颜色描述的色度系统。在这些色度系统中,CIE规定了多种用于颜色描述的颜色空间和用于色差计算的色差公式,其中使用最为广泛的颜色空间就是Lab颜色空间。本文对CIE色度系统的内容及Lab颜色空间做了详细的介绍,感兴趣的朋友可以了解一下!

色差仪lab颜色空间

CIE色度系统怎么理解?

CIE色度学体系的基础是建立在混色原理上,是以颜色匹配实验为出发点建立起来的。根据颜色视觉理论,所有的颜色感觉都是由视网膜上三种锥体感光细胞的响应实现的,反应了红、绿、蓝三种刺激的组合。因此,可以用组成每种颜色的红、绿、蓝三原色数量来定量描述颜色感觉。从这个意义上说,CIE色度学体系是一种模拟人眼颜色视觉的系统,是建立在对颜色视觉研究和理解的基础上,集中体现了对颜色视觉系统研究的成果。

CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线31

人眼中存在两大类感光细胞,即暗视觉杆体细胞和明视觉锥体细胞。视觉细胞光谱响应函数的直接测量是非常困难的,但是可以通过颜色匹配实验得到视觉响应的线性变换。采用标准色度观察者颜色匹配函数x(λ),y(λ),z(λ)(如上图所示),颜色刺激可以用CIE三刺激值X、Y、Z表示,其计算公式为:

颜色三刺激值X、Y、Z计算公式

上式中的积分区域为整个可见光波段。式中,k为调整系数,将标准光源或照明体的亮度调整为100;波长间隔dλ(△λ)视计算精度要求取5nm、10nm或20nm。在上式中的Φ(λ),根据具体对象的不同,有不同的计算方法。对于自发光物体或光源,Φ(λ)是它们的相对光谱功率分布函数,即:Φ(λ)=S(λ)。

对于透明物体或非透明物体的颜色刺激函数Ф(λ)分别为光源的相对光谱功率分布与物体的光谱透射率或光谱反射率的乘积:

颜色刺激函数计算公式

在实际应用中,观察颜色都要在标准的照明和观察条件下进行,所以在颜色的计算中,S(λ)一般都使用CIE规定的标准照明体或标准照明光源的相对光谱功率分布函数,,具体采用哪种照明体由被测物体的具体情况而定,例如物体是在日光下观察时一般使用D65标准照明体,而在灯光下观察时可用A照明体。τ(λ)为透明物体的光谱透射比,ρ(λ)为非透明物体的光谱反射比。

上面颜色三刺激值计算适用于于1°~4°观察视场范围,当视场增大到4。以上时,因为杆体细胞的作用,视觉系统的响应会发生变化,如下图所示为右眼视网膜颜色区域示意图。为了适应大视场颜色测量的需要,CIE于1964年基于Stiles、Burch和Speranskaya在10视场条件下得到的实验数据,推荐了CIE1964补充标准色度观察者颜色匹配函数x10(λ)、y10(λ)、z10(λ)。

右眼视网膜颜色区

这两组标准数据,是颜色测量和色度计算的最基本数据,结合规定的一系列标准照明体和照明观察几何条件。构成了现代色度学的基本系统。


CIE色度系统Lab颜色空间怎么看?

CIE1976L*a*b*均匀颜色空间(有时也简写为CIE1976LAB)是由CIEXYZ色度系统经过非线性转换得到的,它用明度指数L*,色品指数a*和b*构成的三维坐标系统来表示颜色感觉,其转换公式如下:

转换关系式31

其中F(X/Xn)、FY/Yn)、F(Z/Zn)为分段函数,且具有相同的表达形式:

分段函数表达式31

式中 X、Y、Z 为颜色样品的三刺激值;Xn,Yn,Zn为CIE标准照明体照射到完全漫反射体表面的三刺激值,代表照明光源的颜色。在公式中引入的Xn,Yn,Zn目的是模拟色适应的效果,即无论照明光源的颜色如何,当它照射在完全漫反射体上,且眼睛适应了该光源后,所产生的颜色感觉都应该是白色,色品指数a*和b*都应该为0,即抵消了光源本身的颜色。

lab颜色空间示意图31

在上图中,由几何关系可以看出,任一个坐标位置为p的颜色样品,其明度、色调和彩度三个感觉特征量可用下列公式计算表示:

明度、色调和彩度计算公式

其中,明度L*的取值范围为0~100,0对应着黑色,100对应着白色。色调角h*ab的范围为0°~360°,以正a*轴作为0°方向,按逆时针旋转为正。彩度C*ab为a*-b*平面上样品的坐标点距离原点的距离或半径。上式对转换式式和上图所示的直角坐标系进行了变换,从直角坐标系变换到柱面坐标系,用明度L*、色调角h*ab和彩度C*ab表示颜色感觉。

CIELab均匀色空间两颜色之差

若两个颜色样品F1和F2都以L*,a*,b*值来标定(见上图),其颜色值分别为(L*1,a*1,b*1)和(L*2,a*2,b*2),则两者之间的色差△E*ab用两颜色在色空间中位置的距离来计算:

颜色差异值计算公式

其中,△H*ab为两颜色样品间的色调差(注意不是色调角度差△h*ab),△C*ab为彩度差:

色调角和彩度差计算公式

在等明度的a*b*平面上,+a*为红色方向(值愈大表示对应的颜色愈红),-a*为绿色方向(值愈小则颜色愈绿),+b*为黄色方向(值愈大则颜色愈黄),-b*为蓝色方向(值愈小则颜色愈蓝)。

上式中色差△E*ab=1时称为1个NBS(美国国家标准局的缩写)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。色差值与色差感觉的大致对应关系见下表。在CIEx-y色品图的中心,一个 NBS色差单位相当于0.0015~0.0025x或y的色品坐标变化。

CIE1976Lab色差与颜色差别感觉的大致对应关系

由于CIEL*a*b*均匀色空间使用最广泛,又是以表征物体的表面色为对象,尤其适合印刷行业表示颜色使用,现已成为国际印刷领域内通用的表色系统。

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