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顏色的表示

Colour Coordinator 色座標
用比較科學的方法表示顏色及顏色之間的差別,一直是人們關心的重要問題之一。為了便於顏色的計量及國際上的交流,國際照明協會CIE於1931年規定XYZ表色系統,並推薦"CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激值“,如圖,x(λ),y(λ),z(λ)分別代表匹配各波長等能光譜刺激所需的紅、綠、藍三原色的分量。 相應的1931CIE-XYZ色品圖如圖所示,馬蹄形曲線是單色光譜的軌跡。自然界中各種顏色用色坐標表示,均位於馬蹄形曲線所包圍的區域內,每個點代表一種特定的顏色,中間區域為白色。離開中間愈遠則愈靠近光譜軌跡,顏色愈純、愈鮮艷。馬蹄形下邊直線為紫色線,由不同比例的紅色和藍色混合得到。

標準色度觀察者光譜三刺激值函數

如果光源的光譜輻射通量為Φ(λ),人眼接收該光譜能量後引起的三刺激值XYZ為:

如果人眼接收到的是來自於物體反射光,則Φ(λ)=ρ(λ).P(λ),式中ρ(λ)為物體表面的光譜反射比,P(λ)為照明光源的光譜功率分布。 那麼,該顏色的色坐標x,y為

即使是同一種規格的熒光燈,由於熒光粉的配比不同,顏色會存在一定的差別,而人眼分辨顏色變化的能力是有限的。人眼感覺不出顏色變化的範圍叫做顏色的寬容度。在1931CIE-XYZ系統中,人眼對各種不同顏色的寬容度是不同的。藍色部分的寬容度最小,綠色部分的寬容度最大。最小與最大寬容度橢圓的長短軸之比達1:20。 為了克服色品圖的缺點,1960在CIE根據MacAdam等的實驗結果,制定了1960CIE-UCS色座標圖。在這個圖上,色容差是近似圓形,它更適宜於工業上的色度檢驗,也符合人眼的視覺特點。 1960CIE-UCS色座標圖的橫坐標為U,縱坐標為V。它與1931CIE-XYZ色座標圖中的x,y坐標的轉換關係為:

Purity & Dominate Wavelength 色純度和主波長
顏色除用了色坐標表示外,CIE還推薦可以用主波長和色純度來表示。如圖所示,一種顏色S1的主波長,指的是某一種光譜色的波長,用符號λd表示,這種光譜色按一定比例與一種確定的參照光源相加混合,能匹配出顏色S1

但是,並不是所有的顏色都有主波長,色座標圖中連接白點和光譜軌跡兩端點所形成的三角形區域內各顏色點都沒有主波長。因此引入補色波長這個概念。一種顏色S2的補色波長是指某一種光譜色的波長,此波長的光譜色與適當比例的顏色S2相加混合,能匹配出某一種確定的參照白光。補色波長用符號λc或-λd表示。
如果已知樣品的色坐標 x,y 和特定白光的色坐標xw, yw,在色品圖上由白點(0)向顏色S1引一直線,延長直線與光譜軌跡相交於L點,交點L的光譜色波長就是樣品的主波長(λd=583nm)。我們以樣品S2為例說明如何求得補色波長。在色度圖上標出樣品S2的位置,由樣品點S2向白點(P)引一直線,延長與光譜軌跡相交,交點處的光譜色波長就是樣品的補色波長。圖中所示S2的補色波長λc=530nm。也可寫成λd=530nm。
色純度是指樣品的顏色同主波長光譜色接近的程度。在1931CIE-XYZ色座標圖上,它用兩個線段的長度比率來表示。第一線段是由參照白點到樣品點的距離0S1,第二線段是由參照白點到主波長點的距離0L。如果是以符號Pe表示色純度,則Pe=0S1 /0L;對於樣品顏色點S2,則Pe=0S/0P(見圖)。圖中S1樣品的Pe約為60%,S樣品的Pe約為35%。參照白點通常選用等能白(E點)或如A,B,C,D65照明體的座標點。樣品的主波長和色純度隨所選用的白點不同而會出現不同的結果。
用主波長和色純度表示顏色,比只用色坐標表示顏色的優點在於這種表示顏色的方法能給人以具體的印象,反映一種顏色的色調及飽和度的大致情況。對於顏色比較鮮艷的彩色樣品,如霓虹燈、彩色燈管、單色熒光粉等,用色純度和主波長來表示顏色色品,更形象、直觀。

Colour Temperature & Correlated Colour Temperature 色溫和相關色溫
當某一種光源的色座標與某一種溫度下的完全輻射體(黑體)的色座標完全相同時,則該完全輻射體(黑體)的溫度稱為該光源的色溫,符號為T,單位為開(K)。 對於大部分氣體放電光源,它發射光的色品與各種溫度下完全輻射體(黑體)的色品都不可能完全相同。這時就不能用色溫表示。為了便於比較,而採用相關色溫(CCT)概念。也就是當光源的色品與完全輻射體(黑體)在某一溫度下的色品最接近,即在1960CIE-UCS色品圖上的色品差距最小時,則該完全輻射體(黑體)的溫度稱為該光源的相關色溫。用色溫或相關色溫表示顏色,比較直觀地反映出該顏色的基本特性。高色溫表示冷色調,低色溫表示暖色調。但兩種色溫相同的光源,不一定有相同的顏色。例如,同樣是5000K的熒光燈,一種可能偏綠,另一種可能偏紫。因此,要準確地表示顏色,還應確定色偏差值duv。即光源的色品點(u,v)離開完全輻射體(黑體)軌跡的最小距離。因此,用CCTduv值也能準確地表示光源顏色。而且在照明上應用,比色度座標更能直接地反映顏色的性質和偏離方向。

Colour Rendering & Index of Colour Rendering 演色性和演色指數
人眼的顏色視覺是在自然光照明下長期地進行各種工作和辨色過程中逐漸形成的。所謂自然光在白天是指日光,夜間為火光,火光的光譜分布大致相當於黎明和黃昏時的日光。盡管由於時相、季節、緯度、氣候等條件的變化,日光會有不同的光色和光譜分布,但是日光和火光都是熾熱發光體,它們發光的光譜分布都是連續光。由於人眼長期適應於這類光源照明,因此在這類光源照明下觀察物體的顏色是恆定的。對物體顏色的辨別能力是準確的,我們可以認為在日光和火光的照明下看到的物體顏色是物體的“真實”顏色。隨著科學技術的發展,與日光、火光具有相似連續光譜分布的白熾燈統治照明工業的時代已經過去,許多發光效率高的光源已經出現。例如熒光燈、高壓鈉燈、高壓汞燈、疝燈、金屬鹵素燈等。它們具有新的發光機制,因此它們發出來的光的光譜分布不再完全是連續光譜了,有線譜、帶譜,更多的是混合光譜。在這些新光源照明下看到的物體顏色與日光和白熾燈下所看到的顏色會產生一定的差異。例如一支高壓汞燈去照明賣肉的櫃台,你會發現新鮮的肉變得暗紅色,而且紅色缺少飽和度,這樣會使顧客誤以為肉不新鮮。原因是這種燈缺少紅光部分的光譜,因此物體中的紅色的顏色損失了。由此可知,人眼在這些光源照明下看到的物體色會改變,感到物體顏色失真,這種影響物體顏色的特性稱為光源演色性。演色性好的光源,則物體色失真小。
光源的演色性影響人眼所觀察物體的顏色,所以那些處理物體表面色的工業技術部門如紡織、印染、塗料、印刷、彩色攝影、彩色電視等部門,必須考慮由光源演色性所帶來的後果。對光源演色性進行定量的評估是光源制造部門評價光源質量的一個重要指標。

1974年CIE推薦了用“測驗色”法來定量評價光源演色性的方法,它是測量參照光源照明下和待測光源照明下標準樣品的總色位移量為基礎來規定待測光源的演色性,用一個演色指數值來表示。CIE規定用完全輻射體或標準照明體D作為參照光源,並將其演色指數定為100,還規定了若干測試用的標準色樣。 請參照表,CIE用於演色指數計算的標準色樣

序號 孟塞稱標號 反射比% 日光下的顏色
1 7.5R  6/4 30.05 淡灰紅色
2 5Y  6/4 30.05 暗灰黃色
3 5GY   6/8 30.05 飽和黃綠色
4 2.5G 6/6 30.05 中等黃綠色
5 10BG 6/4 30.05 淡藍綠色
6 5PB 6/8 30.05 淡藍色
7 2.5P 6/8 30.05 淡紫藍色
8 10P 6/8 30.05 淡紅紫色
9 4.5R 4/13 12.00 飽和紅色
10 5Y 8/10 59.10 飽和黃色
11 4.5G 5/8 19.77 飽和綠色
12 3PB  3/11 6.56 飽和藍色
13 5YR 8/14 57.26 白種人膚色 (淡黃粉色)
14 5GY 4/4 12.00 樹葉綠

根據在參照光源下和待測光源下,上述標準色樣形成的色差來評定待測光源演色性的好壞。光源對某一種標準色樣品的演色指數稱為特殊演色指數R1

R1=100-4.6△E1

式中△E1為第i號標準色樣在參照光源下和待測光源下的色差。

CIE推薦的標準色樣共有14種,如表1,其中1-8號為中等飽和度、中等明度的常用代表性色調樣品,第9至14號樣品包括紅、黃、綠、藍等幾種飽和色、歐美人的皮膚色和樹葉色。在一些特殊場合使用的光源,必須考核其特殊的演色指數。