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1、符合人眼视觉特性的颜色亮度模型*刘伟奇 冯睿 周丰昆摘 要 从色度学基本理论出发,对颜色变量Y进行了深入分析,提出了由孟塞尔(Munsell)颜色体系进行颜色视亮度主观匹配的新方法。实验和理论分析指出孟塞尔色立体的等明度面并非在视觉上是等明度的，建立了人眼主观亮度与孟塞尔明度值V之间满足线性关系的颜色亮度模型。关键词 颜色视亮度, 异色视亮度匹配, 同色异谱。AColorBrightnessModelFittingCharacteristicsoftheHumanVisionLiuWeiqi FengRui ZhouFengkun(Chan
2、gchunInstituteofOpticsandFineMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Changchun130022)(Received7April1998;revised6July1998)Abstract Basedoncolorimetrictheory,thepresentstudyhasmadeathoroughanalysisofcolorvariableYandpresentedanewmethodofsubjectivematchingofheterochromaticbright
3、nessusingMunsellcolorsystem.ItwaspointedoutthattheMunsellequalityVsectiondoesnotcomformthecharacteristicsofhumanvision,andthelinearrelationbetweenMunsellVandsubjectivebrightnesswasestablishedthroughexperimentalandtheoreticalanalysis.Keywords colorbrightness, heterochromaticb
4、rightnessmatch, metamerism.1 引 言 颜色亮度相加律失效,直接反映了人眼对颜色亮度的感受与色度学中现有的颜色亮度定义相矛盾［1］。具体表现为：按颜色亮度相加律所得到的有着相等亮度Y的不同颜色,人眼在观测时会感到这些颜色的亮度并不相等,有的亮,有的暗。如何解决这一矛盾是近几十年来国际颜色科学界一直努力研究的课题。本文在重新认识色度学变量Y的物理含义的基础上,结合同色异谱理论及人眼对颜色的感知只与颜色的外貌有关的特点,提出了以色度点为变量,建立一个适合人眼视觉特性的颜色亮度模型。2 亮度Y值物理意义分析 目前广泛采
5、用的对颜色描述的变量是1931CIE-XYZ系统的三刺激值(X,Y,Z),及相应的色度坐标(x,y)。然而,由于颜色亮度相加的失效,则三刺激值变量中代表亮度线性相加的物理量Y的含义及公式是否依然成立,与之相应的同色异谱公式能否继续使用,是首先要解决的问题。1931CIE-XYZ系统是由CIE-RGB系统经数学变换得到的。首先,在RGB系统中,fR、fG、fB被定义为3个原色R、G、B的刺激值,它们代表着R、G、B的数量。按格拉斯曼的颜色混合定律,任何一个颜色都可以用fR、fG、fB三个变量表示。但由于R、G、B三个原色所构成的颜色三角形在光谱轨
6、迹范围内,描述光谱色时,原色出现负值,不易理解,加之使用不便,国际照明委员会(CommissionInternationaledel′Eclairage,缩写为CIE)又推出了1931CIE-XYZ系统。通过数学变换而得到的XYZ系统中,fX、fY、fZ仍然具有刺激值的含义,即X、Y、Z分别代表三个原色X、Y、Z的数量。另外,由于虚构的三个原色X、Y、Z选取巧妙,使原色X、Z落在无亮度线上,并由此得到的刺激值fX、fZ只代表色度,不代表亮度。而刺激量fY不仅代表色度［2］,而且是构成颜色亮度的唯一参量,但它并不等于符合人眼视觉特性的颜色亮度。f
7、Y的计算公式为 (1)其中(λ)=V(λ)。积分结果有两个含义：1)fY表示组成颜色的所有单色光中包含原色Y的总量,即所说的Y刺激值。2)它表示构成颜色的所有单色光的亮度总和。这一点正是色度学对颜色亮度的定义。大量实验已证明,一个颜色的主观亮度并不等于构成该颜色所有单色光亮度的线性相加,fY作为颜色亮度,只有在单色光的情况下才成立。因此说,fY只能代表颜色的刺激值,而不能代表包括复色光在内的颜色的主观亮度。既然fY仍然是颜色的刺激值,那么fY的计算公式(1)不会因亮度不满足线性相加而失效。这样同色异谱公式也不会因亮度的非线性关系
8、而不再成立。人眼在观察颜色时,只能感知颜色的外貌(色貌),而该色是由哪些光谱成分组成的,视觉系统无法感知。这也正如同色异谱理论所描述的那样：只要两个颜
