基本色度学

节选自《光电图象处理》 竺子民著

　　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

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 　　　

　　　　黄＋青＝白 －蓝－红 ＝绿

　　　　紫＋青＝白－ 绿－红 ＝蓝

　　　　黄＋紫＋青＝白 －蓝－绿－红 ＝黑