均勻顏色空間及顏色差別的評價

國際照明委員會(CIE)於1931年推薦的標準色度觀察者光譜三刺激值函數及相應的色品圖、標準照明體與標準光源做爲CIE標準色度系統,至今仍在許多方面獲得普遍的應用,令人們能夠在統一的基準下進行顏色的計量測試和比較分析,並具備了學術和生產交流的色彩專用語言,促進了顏色科學和相關產業的進步和發展。可是,在CIE1931標準色度系統的實際應用中發現了一些不足之處,尤爲是色品圖的不均勻性即各色區中顏色感知差別的容限大小不等,這在實用中產生了較大的問題。此外,工業應用中還經常須要比較和評價不一樣亮度等級的顏色,而這些問題的出現推進了均勻顏色空間以及顏色差別計算方法的研究。

1、均勻色品圖

定量地表示顏色感知差異的量稱爲色差(color difference) ,但是用CIE-xy色品圖上的距離來求出的色差倒是不均勻的。如圖3-1所示的CIE色品圖上有兩組處於不一樣色區的顏色對,其中第一對顏色1和2在藍色區,第二對顏色3和4在綠色區,而且假定在該色品圖上1和2之間的距離與3和4之間的距離相等,這時按常規思惟因距離相等就應認爲感知上的顏色差別也相同,但實際上隨着在色品圖上所處的位置不一樣其,感知有至關的差異。可見,對於相同的色距離有時出現較大的感知上的差別,有時又呈現出難以分辨的很小的感知差異,這顯然是很不合理的,沒法知足工業應用的需求。爲了定量地表示色差,須要對人眼的顏色分辨能力進行測試和分析。顏色是三維量,包括明度和色品(如色調、彩度或飽和度等),所以對顏色分辨力的研究有必要分別從：一、光亮度分辨力二、波長和色純度的分辨力三、色品的分辨力這幾個方面來探討。

對此在學術界麥克亞當等人的實驗數據驗證下，CIE前後推出了CIE1960 UCS（2°和10°視場）、CIE1976 UCS的 （相對）均勻色品圖。

2、均勻明度標尺

上面介紹的均勻色品圖只涉及顏色的色品,包括色調和飽和度,於是還須要研究顏色的第三維特性即明度的均勻性問題。明度表示顏色的明亮程度,大致上與三刺激值中的Y相對應。物體色的Y也稱爲亮度因數,即在規定的光照條件下和給定的方向上,物體表面的亮度與同一光照下徹底漫反射體的亮度之比。可是,對於視覺相同的明度等級其所對應的Y值倒是非等間隔的,反之亦然,即如將Y做10,20,30,….變化時,對應的明度也不是均勻增長的。所以,爲使明度變得均勻而將亮度因數Y進行修正後的標尺稱爲均勻明度標尺(uniform lightness scale, ULS)。孟塞爾顏色系統提供了很好的均勻明度標尺,這是由於孟塞爾顏色系統的明度即孟塞爾明度值V在視覺上是均勻的。孟塞爾顏色系統將明度值V分爲0~10共十一個等級,其中0爲理想黑色,10爲理想白色,而且V值越大表示視知覺的明亮度越高。由孟塞爾色卡的亮度因數Y向孟塞爾明度值V的轉換式爲：Y=1.2219V - 0.23111V² + 0.23951V³—0.021009V⁴+0.0008404V⁵。可見,二者之間存在明顯的非線性關係,其對應的關係曲線以下圖所示,圖中曲線上的數字爲各點的Y值。由圖可知,在黑色附近非線性尤爲明顯,因此在黑色中色就會明顯變白。

由Y值向均勻明度標尺的變換除了上述的孟塞爾明度值函數之外,還有其餘多種轉換方法,如平方根公式、CIE明度指數函數、德國DIN系統明度標尺等。 

3、均勻顏色空間

上面討論的均勻色品圖中並未涉及有關顏色的明度均勻性,即便採用(u',v', Y)代替(x, y, Y),色品座標的均勻性提升了,但明度的均勻性沒有變化。所以,應考慮將均勻色品標尺和均勻明度標尺組合起來,造成一個均勻的三維空間,稱之爲均勻顏色空間(uniform color space),同時,把在均勻顏色空間中對應於明度的座標稱爲明度指數(psychometriclightness).

3.一、CIE1964均勻顏色空間

國際照明委員會基於威澤斯基(Wyszecki)提出的利用CIE1960 UCS圖的均勻顏色空間,於1964年推薦了CIE1964 W*U*V顏色空間。該系統採用三個參數即明度指數W*、色品指數U*和V*來表示顏色,並由此組合的三維座標造成了顏色的立體空間,它們的計算公式爲：

式中,u、v是顏色樣品的CIE1960色品座標,而u_n、v_n是照明光源的色品座標。可見,明度指數W*與刺激值Y有關,而且明度指數標尺在知覺上是均勻的,即每個單位量的差異表明相等的知覺差別,於是它更準確地表達了顏色明度的變化;色品指數U*和V*的計算式是基於CIE1960 UCS圖的u、v色品座標,同時又考慮了明度指數W*對色品座標的影響,故當明度指數W*增大或減少時色品指數也隨之增大或減少。

在該均勻顏色空間中,兩個顏色(U₁* ,V₁* ,W₁* )和(U₂* ,V₂* ,W₂*)之間的色差爲：， 式中的色差ΔE=1時稱爲1個NBS色差單位。NBS ( National Bureau of Standard)色差單位原是由1942年亨特的均勻顏色空間推導出的色差公式所決定的,而CIE1964均勻顏色空間的色差公式推導出的色差單位正好與它的單位一致。不一樣的色差公式導出的色差單位不一樣,故在計算色差時必須註明是按何種色差公式計算的。對於有色產品的色差容許範圍,應根據具體狀況分別設定,如塗料的顏色稍有差異就比較明顯,故色差能夠定爲小於1個NBS單位,紡織品一般定爲小於2個NBS單位,而彩色電視能夠取4～5個NBS色差單位。

3.二、CIE1976 L*u*v*均勻顏色空間

國際照明委員會改進了原有的CIE1964 W*U*V*顏色空間,提出採用L*、u*、v*做爲三維直角座標的CIE1976 L*u*v*顏色空間,也稱爲CIELUV顏色空間,它主要用於如電視工業等加混色(additive mixture)的表示和評價。在該空間中,L*爲明度,u*、v*表示顏色的色品座標,其計算公式爲：

式中,u、v是顏色樣品的CIE1976色品座標,而u_n、v_n是照明光源的色品座標。

3.三、CIE1976 L*a*b*均勻顏色空間

國際照明委員會改進了原有的CIE1964 W*U*V*顏色空間,提出採用L*、u*、v*做爲三維直角座標的CIE1976 L*u*v*顏色空間,也稱爲CIELUV顏色空間,它主要用於如電視工業等加混色(additive mixture)的表示和評價。在該空間中,L*爲明度,u*、v*表示顏色的色品座標,其計算公式爲：

式中,X、Y、Z爲顏色樣品的三刺激值,X_n、Y_n、Z_n爲CIE標準照明體照射在徹底漫反射體上,而後反射到觀察者眼中的三刺激值,其中Y_n=100。

4、色差及其的評價

4.一、色差與心理相關量

在CIELUV和CIELAB顏色空間中,以兩個被比較顏色點的歐氏距離表示色差,同時還各有一組與心理量近似對應的感知屬性,即明度、彩度、色調角及色調差。下面分別具體介紹這些顏色評價參數,並如下標"uv"和"ab"來區分CIELUV和CIELAB顏色空間。

色差：

明度：

彩度：

色調角：

色調差：

4.二、色差的視覺判斷

對於兩個顏色之間差異的視覺判斷主要有兩種直觀的評價,便可感知性(perceptibility)和可接受性(acceptability),可感知性是指觀察者可以看到顏色的差異或可以判斷兩個顏色樣品之間色差的大小的視覺屬性,而可接受性則表示觀察者是否定爲能夠接受被觀察顏色差異的視覺判斷。可是,目視比較和判斷具備較大的主觀性和易變性,在工業生產中不宜直接做爲顏色質量的評價依據。所以,儀器測色顯得尤其重要,可是物理測量的數據應該能預測觀察者所看到的狀況,並須要有合適的色差公式使之計算出來的色差可以預測目視色差。可見,爲了實現色差的符合視覺判斷的客觀評價,須要創建可以預測可感知性判斷的色差方程,而色差方程的創建是基於大量的顏色視覺判斷和色差比較心理物理實驗數據之上的,同時還要考慮顏色刺激的時間與空間特性和視覺實驗的觀察條件等因素。

4.三、色差公式

理想的色差評價模型應基於真正視覺感知均勻的顏色空間，其預測的色差應與目視判斷具備良好的一致性，並且能夠採用統一的色差寬容度來進行顏色質量控制,即對全部顏色產品能用相同的色差容限來斷定其合格與否,而與標準色樣在顏色空間中所處的位置或所屬的色區無關。這是色差研究的最終目標,是一項十分困難和艱鉅的任務。長期以來,各國的顏色科學工做者已在這一領域投入了大量的精力,作了不少的工做,至今已提出幾十個色差公式,其中一些公式已被CIE階段性地推薦爲評價標準。

縱觀色差評價研究的發展,以CIE1976均勻顏色空間爲界,現有的色差公式大體能夠分爲1976年之前發表的早期色差公式，如：瑞利立方根色差公式、FMC-I公式、FMC-II公式、ANLAB公式以及亨特Lab公式等。1976年以來發表的近期色差公式有：ECM色差公式、JPC79色差公式、CMC（l:c）色差公式、BFD（l:c）色差公式、CIELAB色差公式的加權式、CIE94以及CIEDE2000色差公式等。

5、一維顏色標尺

顏色是三維量,包括明度、色調、彩度或飽和度,但其中任何一個標尺又可用來描述有色物體的單一性能,如從無色通過黃色到橙色或紅色的物體着色成分的變化就能夠用色調標尺來表示。這種一維的顏色標尺在有些狀況下具備特定應用意義,如白布、白塑料等白色的物體,能夠用白度標尺來描述和評價其白色的程度;當將白色物體長期置於陽光下曝曬時,白色會逐漸變黃,這時可用黃度來描述這種稍帶有黃色的白色物體,而白色物體通過一段時間後變黃的程度則可用變黃度表示。

5.一、黃度標尺

在幾乎全是白色的樣品中,每每會有黃色的出現,使人不悅,所以人們投入大量的精力來創建均勻黃度標尺。美國ASTM (American Society of Testing Materials)標準採納了以CIE1931標準色度觀察者和CIE標準照明體的色度參數爲基礎而獲得的黃度標尺,該標尺只與看起來是黃色或藍色的視覺感知有關,其中視覺藍色的狀況下其黃度指數爲負數,而且它們,都不能用來描述視覺上偏紅或偏綠的顏色。由標準照明體C和CIE1931標準色度觀察者得到顏色樣品的三刺激值X、Y、Z,以此能夠進一步計算出樣品的黃度指數YI,即

白色的樣品在特定的條件下隨時間逐漸變黃的程度一般採用変黃度指數ΔYI來描述,它可由樣品變黃前的黃度YI₀和變黃後的黃度YI計算出來:

5.二、白度標尺

白色是在人們的平常生活中十分廣泛的一種顏色,也是相關工業產品如紡織品、紙張、塗料、塑料製品等的一個大類,具備重要的意義。在熒光增白劑出現之前,白度的提升是經過對材質進行漂白並加點藍或經過優選和純化材質來達到。一般,接近徹底漫射體的氧化鎂和硫酸鋇能夠認爲是理想的白色,而某些材料在添加了熒光增白劑之後,其白度可超過徹底漫射體，這給白度的評價增長了複雜性。

與紅、綠、黃、藍等其餘顏色同樣、白色也能夠用CIE標準色度系統進行數字化描述。有色品圖上,白色只佔有沿着570mm和470nm爲主波長下很狹窄的區域,在顏色空間中,白色都處於圍繞無彩明度軸上端的範圍,沿着無彩軸向下增長其灰度則白色將逐漸變爲灰色,而沿着彩度增長的徑向其白色將漸變爲各類彩色。常見的白度公式有：單波段白度公式、多波段白度公式、以明度L和色純度表示的白度公式、與色彩概念有關的白度公式、CIE白度公式等，這裏不作詳細闡述，感興趣的可自行查閱。

6、同色異譜顏色及其評價

由格拉斯曼顏色混合定律可知,兩種光譜分佈不一樣的光刺激其顏色外貌可能徹底相匹配,這種狀況就稱爲同色異譜(metamerism)現象。在工業生產實踐中,特別是如印染、印刷、油漆、繪畫、彩色攝影、彩色電視等行業中,常常會遇到同色異譜現象,因此這是在顏色科學中的一個重要問題。

在某種肯定的照明與測量條件下,非熒光性的材料所顯示的顏色主要取決於材料自己的光度特性,因此當兩種非熒光性材料的光度特性徹底一致時,它們在一樣的照明和觀察條件下具備相同的顏色,這是毫無疑問的。可是,若是這兩種非熒光性材料的光度特性不徹底一致,,那麼它們必須在某一特定的照明和觀察條件下才有可能具備相同的顏色外貌。所以,當兩種顏色樣品的光譜反射比或光譜透射比不一樣(異譜),而在特定的照明和觀察條件下其顏色外貌又能相互匹配(同色)的兩種顏色刺激就稱爲同色異譜顏色或同色異譜色對(metameric pair)。

一般,同色異譜顏色的三刺激值分別相等,即

式中,Ψ₁(λ)和Ψ₂(λ)表示兩個不一樣的顏色刺激。通常討論的同色異譜顏色經常是指在一樣的照明和觀察條件(包括照明體的相對光譜功率分佈、觀察者的色匹配函數以及觀察視場等)下兩個具備不一樣光度特性的顏色具備一樣的顏色外貌。這時,若是改變照明體或者觀察者,那麼顏色的匹配就會被破壞或稱爲失配,所以CIE對因條件變化所產生的同色異譜色的失配推薦了改變照明體光譜分佈和改變觀察者色匹配函數的評價方法。

同色異譜顏色在工業領域中具備重要的應用意義。在實際生產中,經常須要復現某種顏色,如紡織印染的顏色匹配是最典型的例子之一,這時要求再現的顏色樣品在某個選定的照明體下與標準色樣的顏色外貌相同,但是在具體的顏色復現過程當中很難作到複製色樣與標樣的配方和染料特性徹底相同,更不用說是異質媒介的顏色複製了,因此在這樣的情形下就須要對這兩種顏色樣品進行同色異譜程度的評價。此外，同色異譜顏色的分析和評價內容這裏不作贅述，可自行學習。

7、光源顯色性的評價

對光源顏色特性的評價主要有兩個方面的內容:一方面是人眼直接觀察光源時所看到的顏色,其評價方法與物體色相似,能夠經過計算其三刺激值和相關色溫來捕述光源自己的顏色；另外一方面就是物體在光源照明下所呈現的顏色效果,研究照明光源對物體顏色的影響及其評價方法,即光源的顯色性問題。

人們一般習慣地把物體在日光下所呈現的顏色認爲是其真實顏色。同時,因爲白熾燈的,發光特性與黑體比較接近,因此在它的照明下人眼也能感覺到物體的真實顏色。可是,不少人工光源的特性並不徹底與日光或白熾燈的特性相同,並且它們還各具備不一樣的色溫,因此在應用人工光源照明時,須要一種檢驗方法來評價採用人工光源與日光或白熾燈照明同一種物體時的差異及其程度。

7.一、光源顯色性

一般把照明光源對物體色外貌所產生的影響稱爲顯色(color rendering) ,而將光源固有的顯色特性稱爲顯色性(color rendering property)。光源的光譜分佈決定了光源的顯色性,具備連續光譜分佈的光源均有較好的顯色性,如日光、白熾燈等。另外,由特定的色光組成的混合光源也能有很好的顯色性,如波長爲450nm(藍),540nm(綠)和610nm(橙)的光譜輻射對提升光源的顯色性具備特殊的效果,因此採用這三種色光以適當的比例混合所產生的白光與連續光譜的日光或白熾燈具備一樣優良的顯色性。此外,光源的色溫和顯色性之間沒有必然的聯繫,由於具備不一樣光譜分佈的光源可能有相同的色溫,可是其顯色性可能差異很大。光源的顯色性影響人眼所觀察的物體顏色,顯色性好的光源照明下物體顏色的失真就小,因此與物體表面色相關的工業領域如紡織、印染、塗料、印刷、彩色攝影、彩色電視等必須考慮光源顯色性對顏色複製及其評價的影響。爲了比較光源顯色性的優劣,有必要創建定量的評價方法。顯色性的評價方法大致上可分爲兩種,即基於光譜分佈之差的方法和基於做爲標準的物體色(試驗色)外貌之差異的方法。目前,在光源顯色性評價上多采用後一種方法,本節也將說明做爲試驗色方法表明的CIE於1974年推薦的光源顯色性評價方法。對光源顯色性進行定量的評價是光源製造工業評價光源質量的一個重要方面,還可爲提升照明質量、改進光源的特性提供必要的技術參數。

關於光源顯色性的計算這裏不作介紹，通常來講光源顯色性越高越好。