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2011-02-25 09:28:47
色度学是—门研究彩色计量的科学，其任务在于研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用。彩色视觉是人眼的—种明视觉。彩色光的基本参数有：明亮度、色调和饱和度。明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。彩色物体的色调决定于 在光照明下所反射光的光谱成分。例如，某物体在日光下呈现绿色是因为它反射的光中绿色成分占有优势，而其它成分被吸收掉了。对于透射光，其色调则由透射光的波长分布或光谱所决定。饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。因而饱和度是色光纯度的反映。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光阴纯色光。色调与饱和度又合称为色度，它即说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。
应强调指出，虽然不同波长的色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可来自不同的光谱成分组合。例如，适当比例的红光和绿光混合后，可产生与单色黄光相同的彩色视觉效果。事实上，自然界中所有彩色都可以由三种基本彩色混合而成，这就是三基色原理。
基于以上事实，有人提出了一种假设，认为视网膜上的视锥细胞有三种类型，即红视谁细胞、绿视锥细胞和蓝视锥细胞。黄光既能激励红视锥细胞，又能激励绿视锥细胞。由此可推论，当红光和绿光同时到达视网膜时，这两种视锥细胞同时受到激励，所造成的视觉效果与单色黄光没有区别。
三基色是这样的三种颜色，它们相互独立，其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的，即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。有两种基色系统，一种是加色系统，其基色是红、绿、蓝；另一种是减色系统，其三基色是黄、青、紫（或品红）。不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色，其规律为：
红＋绿＝黄
红＋蓝＝紫
蓝＋绿＝青
红＋蓝＋绿＝白
彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出，这就是相减混色。因为颜料能吸收入射光光谱中的某些成分，未吸收的部分被反射，从而形成了该颜料特有的彩色。当不同比例的颜料混合在一起的时候，它们吸收光谱的成分也随之改变，从而得到不同的彩色。其规律为：
黄＝白－蓝
紫＝白－绿
青＝白－红
黄＋紫＝白－蓝－绿＝红
黄＋青＝白－蓝－红＝绿
紫＋青＝白－绿－红＝蓝
黄＋紫＋青＝白－蓝－绿－红＝黑
相减混色主要用于美术、印刷、纺织等，我们讨论的图象系统用的是相加混色，注意个要将二者混淆。
根据人眼上述的彩色视觉特征，就可以选择三种基色，将它们按不同的比例组合而引起各种不同的彩色视觉。这就是三基色原理的主要内容。
原则上可采用各种不同的三色组，为标准化起见，国际照明委员会(CIE)作了统一规定。选水银光谱中波长为 546.1 纳米的绿光为绿基色光；波长为 435.8 纳米的蓝光为蓝基色光。
实验发现，人眼的视觉响应应取决于红、绿、蓝三分量的代数和，即它们的比例决定了彩色视觉，而其亮度在数量上等于三基色的总和。这个规律称为 Grassman 定律。由于人眼的这一特性，就有可能在色度学中应用代数法则。
白光(W)可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色相加而得，它们的光通量比例为
ΦR：ΦG：ΦB ＝ 1：4.5907：0.0601
通常，取光通量为1光瓦的红基色光为基准，于是要配出白光，就需要4.5907光瓦的绿光和 0.0601光瓦的蓝光，而白光的光通量则为
Φw ＝1 + 4.5907 + 0.0601＝5.6508光瓦
为简化计算，使用了三基色单位制，记作[R]、[G]、[B]，它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成，即
M
Ｗ = 1[R] + 1[G] + 1[b]
符号 M 的含义是“可由…混合配出”。由此可知，
=
1个单位[R]＝1光瓦(红基色光)
1个单位[G]＝4.5907光瓦(绿基色光)
1个单位[B]＝O.0601光瓦(蓝基色光)
选定上述单位以后，对于任意给出的彩色光Ｃ，其配色方程可写成
Ｃ＝r1[R] + g1[G] + b1[B]
该色的光通量为
Φc＝(r1+4.5907g1+0.0601b1)光瓦
＝680(r1+4.5907g1+0.0601b1)流明
其中，r1、g1、b1为三个色系数。在只考虑色光色度时，起决定作用的是r1、g1、b1的相对比例，而不是其数值大小，于是可进一步规格化。令
m = r1 + g1 + b1
r = r1/m
g = g1/m
b = b1/m
显然， r+g+b=1
式中， m称为色模，它代表某彩色光所含三基色单位的总量。 r、 g、 b称为 RGB制的色度座标或相对色系数，它们分别表示：当规定所用三基色单位总量为1时，为配出某种给定色度的色光所需的[R]、[G]、[B]数值。这样， Ｃ＝m{r[R]+g[G]+b[B]}。
除了数学表达式以外，描述色彩的还有色度图，色度图能把选定的三基色与它们混合后得到的各种彩色之间的关系简单而方便地描述出来。图 3-10 表示一个以三基色顶点的等边三角形。三角形内任意一点 P到三边的距离分别为r、g、b。若规定顶点到对应边的垂线长度为1，则不难证明关系r+g+b=1成立，因此r、g、b就是这一色三角形的色度座标。显然，白色色度对应于色三角形的重心，记为 W，因为该点 r=1/3，g=1/3，b=1/3沿 RG边表示由红色和绿色合成的彩色，此边的正中点为黄色，其色度座标为r= 1/2, g=1/2, b=0．橙色在黄色与红色之间(r=3/4，g=1/4，b=O)。同样，品红色(也称紫色，但与谱色紫不一样)在RB边的中点(r=1/2，g=0，b=1/2)，青色在 BG边的中点(r=0,g=1/2,b=1/2)。穿过 W点的任一条直线连接三角形上的两点，该两点所代表的颜色相加均得到白色。通常把相加后形成白色的两种颜色称为互补色。例如图中的红与青、绿与品红、蓝与黄皆为互补色。从三角形边线上任一点(如R点)沿着此点与W的连线(如RW)移向 W点，则其颜色(如100%饱和度的纯红色)逐渐变淡，到达W点后颜色就完全消失。上述色三角形称为Maxwell色三角形，使用起来有所不便。如果我们用类似直角三角形的形式直接标度，就方便多了。基于r+g+b=l，故在直角三角形中只需标出 r和g的单位，由 b=1-r-g即可知道b。如色度Q，位于座标r=0.5, g=0.2处，说明色度Q包含0．5单位[R]、0.2单位[G]和0.3单位[B]。虽然RGB色度图的物理概念清晰，但还有不足之处。譬如在色度图上不能表示亮度，且相对色系数出现负值等。下面介绍一种确定彩色的标准坐标系统，称为 CIE色度图。 CIE是法文 Commission International del'Eclairage(国际照明委员会)的缩写词。
CIE 色度图所用的三基色单位为 [X]、[Y]、[Z]，而任何一种彩色均可由此三基色单位来表示，即
Ｃ＝x1[X]+y1[Y]+z1[Z]
式中，x1、y1、z1为三个色系数。在选择三基色单位[X]、[Y]、[Z]时，必须满足下列三个条件以克服 RGB 色度图的弊病。
(1)当它们配出实际色彩时，三个色系数均应为正值；
(2)为方便计算，使合成彩色光的亮度仅由y1[Y]一项确定，并且规定1[Y]光通量为1光瓦。换句话说，另外两个基色光不构成混合色光的亮度，但合成光的色度仍然由[X]、[Y]、[Z]的比值确定;
(3)x1[X]=y1[Y]=z1[Z]时，混合得到是白光。
根据上述三个条件求得XYZ色度图中的三基色为任意色彩C在XYZ空间中可以表示为
|[X]| |[R]|
|[Y]| = A |[G]|
|[Z]| |[B]|
其中 | 0.4185 -0.0912 0.0009 |
A = |-0.1587 0.2524 -0.025 |
|-0.0828 0.0157 0.1786 |
任意色彩 C 在 XYZ 空间中可以表示为
Ｃ = m’{x[X] + y[Y] + z[Z]}
其中 m’= x1+y1+z1, x=x1/m’,y=y1/m’,z=z1/m’
显然, x+y+z=1
我们称 x、 y、 z为 XYZ制的色度座标或相对色系数。上式说明，三个色度座标中有一个是不独立的，因而可以用 x，y直角座标系来表示各种色度，这样的平面图形就是 CIE色度图，如图3-11所示。由图可见，所有的色谱(可见光谱中包含的一系列单色)都位于马蹄形曲线上，曲线上加注了毫微米标记，以便能根据它们的波长而辨别其单色。在马蹄形内部包含了用物理方法能实现的所有彩色。马蹄形的底部没有给予标记，因为那里是非谱色(各种紫红色，这些彩色不能作为单色出现在光谱上)，对于这些非谱色，波长当然是没有意义的。
最后着重指出，[X]、[Y]、 [Z]只是计算量，是一种假想的三基色，不能用物理方法直接得到。
三色理论的基本要点是，任意彩色可由适当比例的三种基本彩色匹配出来。在加性系统，如彩色电视中, 三基色是红、绿和蓝，把适当比例的三基色投射到同一区域，则该区域会产生一个混合彩色。而匹配这个混合色的三基色并不是唯一的。
CIE为适应不同的需要，建立了一系列标准基色参考系。例如谱色基色系中，三基色是三个谱色，其波长分别为：红＝700纳米，绿＝546.1纳米，蓝＝435.8纳米。匹配一个混合色的三刺激值的各个份额叫三刺激值，它们的单位是这样确定的：匹配一个可见光谱中的等能白色时，三刺激值恰好相等。匹配同一个混合色，采用不同的参考系得到的三刺激值就不同。于是就存在一个不同三刺激值之间的转换问题。这里我们简单地给出几种常见的变换关系：
均匀色度空间坐标系
------------------
4x 6y
u = -------------- , v = --------------
-2x + 12y +3 -2x + 12y +3
*
Ｓ－θ－Ｗ 坐标系
-----------------
____________ _____________
／ * 2 * 2 * / 2 2
Ｓ＝√(Ｕ ) ＋(Ｖ ) ＝１２Ｗ √(u-u0)＋(V-V0)
*
-1 Ｖ -1 v-v0
θ＝tan ---- ＝ tan ------
* u-u0
Ｕ
Ｌ－ａ－ｂ 坐标系
-----------------
1/3
Ｌ＝25 (100*Y/Y0) -16
1/3 1/3
ａ＝500 [(X/X0) - (Y/Y0) ]
1/3 1/3
ｂ＝200 [(Y/Y0) - (Z/Z0) ]
色温
colo(u)r temperature
表示光源光谱质量最通用的指标。色湿是按绝对黑体来定义的，光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相同时，此时黑体的温度就称此光源的色温。低色温光源的特征是能量分布中，红辐射相对说要多些，通常称为“暖光”；色温提高后，能量分布中，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷光”。一些常用光源的色温为：标准烛光为1930开；钨丝灯为2760-2900开；荧光灯为3000开；闪光灯为3800开；中午阳光为5400开；电子闪光灯为6000开；蓝天为12000-18000开。
在讨论彩色摄影用光问题时，摄影家经常提到“色温”的概念。色温究竟是指什么? 我们知道，通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱所组成。但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度和计算光线的颜色成分的方法，是19世纪末由英国物理学家洛德•开尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法，而其具体确定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长。
开尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。例如，当黑体受到的热力相当于500—550摄氏度时，就会变成暗红色，达到1050一1150摄氏度时，就变成黄色……因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。只不过色温是用开尔文(。K)色温单位来表示，而不是用摄氏温度单位。打铁过程中，黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例子。当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时，它就变成白色，通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于这个黑体。色温计算法就是根据以上原理，用。K来表示受热钨丝所放射出光线的色温。
根据这一原理，任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温度”。颜色实际上是一种心理物理上的作用，所有颜色印象的产生，是由于时断时续的光谱在眼睛上的反应，所以色温只是用来表示颜色的视觉印象。
色温在摄影中的应用：
彩色胶片的设计，一般是根据能够真实地记录出某一特定色温的光源照明来进行的，分为5500。1t日光型、3400。1t强灯光型和3200。K钨丝灯型多种。因而，摄影家必须懂得采用与光源色温相同的彩色胶卷，才会得到准确的颜色再现。如果光源的色温与胶卷的色温互相不平衡，就要靠滤光镜来提升或降低光源的色温，使与胶卷的色温相匹配，才会有准确的色彩再现。
通常，两种类型的滤光镜用于平衡色温。一种是带红色的81系列滤光镜，另一种是带微蓝色的82系列滤光镜。前者在光线太蓝时(也就是在色温太高时)使用：而后者是用来对付红光，以提高色温的。82系列滤光镜使用的机会不如81系列的多。事实上，很多摄影家的经验是，尽量增加色温，而不是降低色温。用一枚淡黄滤光镜拍摄最平常的日落现象，会产生极其壮观的效果。
美国一位摄影家的经验是，用微红滤光镜可在色温高达8000。K时降低色温，而用蓝滤光镜可使日光型胶卷适用于低达4400。1t的色温条件。平时，靠使用这些滤光镜几乎可以在白天的任何时候进行拍摄，并取得自然的色调。但是，在例外的情况下，当色温超出这一范围之外时，就需要用色彩转换滤光镜，如琥珀色的85B滤光镜，可使高达19000。1t的色温适合于日光型胶卷。相反，使用灯光型胶卷配以82系列的滤光镜，可使色温下降到2800。K。
倘若需要用日光型胶片在用钨丝灯照明的条件下拍摄时，还可以用80滤光镜。如果当时不用TTL曝光表测光的话，须增加2级光圈，以弥补光线的损失。而当用灯光型胶片在日光条件下拍摄时，就需用85B滤光镜，需要增加2／3级光圈。
然而，目前市场上通用的滤光镜代号十分混乱，不易识别，并不是所有的制造厂商都用标准的代号和设计。因此，在众多的滤光镜中，选出一个合适的滤光镜是不容易的。为了把滤光镜分类的混乱状况系统化，使选择滤光镜的工作简化，加拿大摄影家施瓦茨介绍了国际上流行的标定光源色温的新方法。
光谱中长短波长光线比例为色温。
如何选择合适的色温:
色温是人眼对发光体或白色反光体的感觉，这是物理学.身理学与心理学的综合复杂因素的一种感觉，也是因人而异的。色温在电视(发光体)或摄影(反光体)上是可以用人为的方式来改变的，例如在摄影上我们用3200K的白炽热灯(3200K)，但我们在镜头上加上红色滤光镜滤通过一点红光线使照片看起来色温高一点；相同的道理，我们也可以在电视上减少一点红色(但减太多多少也会影响到正常红色的表现)让画面看起来色温高一点。
在色温上的喜好是因人而定的，这跟我们日常看到景物景色有关，例如在接近赤道的人，日常看到的平均色温是在11000K(8000K(黄昏)～17000K(中午))，所以比较喜欢高色温(看起来比较真实)，相反的，在纬度较高的地区(平均色温约6000K)的人就比较喜欢低色温的(5600K或6500K)，也就是说如果您用一台高色温的电视去表现北极的风景，看起来就感觉偏青；相反的若您用低色温的电视去看亚热带的风情，您会感觉有点偏红，
电视或者显示屏的色温是如何界定的呢?因为在中国的景色一年四季平均色温约在8000K～9500k之间，所以电视台在节目的制作都以观众的色温为9300K去摄影的。但是欧美因为平时的色温和我们有差异，以一年四季的平均色温约6000K为制作的参考的，所以我们再看那些外来的片子时，就会发现5600K～6500K最适合观看。当然这种差异使我们也会因此觉得猛的看到欧美的电脑或者电视的屏幕时感觉色温偏红，偏暖，有些不大适应。
就是色温黑眼睛的人看9300K是白色的 但是蓝眼睛的人看了就是偏蓝 6500K蓝眼睛的人看了是白色 咱们中国人看了就是偏黄
