1、第一章 光与色觉 生活常识一：在没有灯光的的黑暗房间里，根本感觉不到颜色的存在；漆黑的夜晚，不仅看不到色彩，甚至看不到物体的轮廓。 说明：颜色与光有关，光是一切色彩的主宰和源泉。颜色的存在离不开光。,生活常识二：五颜六色的景物，闭上眼睛不去看也感知不到物体的颜色。 说明：颜色是通过人眼产生的一种颜色感觉。,生活常识三：人们观察物体时，首先反应是物体的颜色，其次注意到形状，最后是质感和具体细节。 说明：“远观颜色、近看花”,人类通过五大感官对外部世界进行感知：视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。其中80%通过视觉提供。 视觉分为形象视觉和颜色视觉二类。 形象视觉：是指对物体形状、大小、质感等信息的感觉
2、 颜色视觉：除去形象感觉以外的视觉感觉,颜色视觉产生过程：由光源发出的光照射在物体表面，经物体对光的选择性吸收，反射或透射出来的光线刺激眼睛，由人眼内的视觉细胞将光刺激转换为神经冲动信号，再由视神经将信号传入大脑，由大脑判断出该物体颜色感觉。思考：产生颜色视觉的要素？,颜色的定义（GB5698-85）：光作用于人眼引起的除形象以外的视觉特性。本书定义：“光作用于物体所产生的除物体形象以外的视觉感觉”。,从本质上讲，颜色又是一种光学现象，是光刺激人眼的结果。根据这一定义，颜色是光的物理刺激作用于人眼的视觉现象，因此颜色科学把看到的颜色称为颜色视觉。离开了人眼，无从谈颜色。,一可见光 光是人类生存
3、的基本要素。人的感觉器官从外界接受的各种信息中，有70%来自光波。 光是电磁波辐射的一部分，因而光源又称物理辐射体。 国家标准GB5698-85对光的定义：能够在人眼的视觉系统上引起明亮的颜色感觉的电磁辐射。 光是刺激人眼的电磁辐射。光的物理性质由它的波长和能量决定。波长决定了光的颜色，能量决定了光的强度。波长不同，光的颜色不同，能量不同，决定了色相明暗的不同。,第一节 光的颜色特性,在整个电磁波谱中，能引起人眼视觉的只有一小部分。因此，刺激人眼引起视觉的光辐射又称为可见光辐射，简称可见光。 只有波长380nm-780nm（1nm=10-9m）的辐射能引起人们的视觉感，这段光波叫可见光的范围。
4、,可见光谱图,在可见光谱范围内，不同波长的辐射引起人眼的不同颜色感觉。 分光实验： 1666年英国科学家牛顿在剑桥大学实验室发现把太阳光经过三棱镜折射，然后折射到白色的屏幕上，会显出一条象彩虹一样的色光带谱，从红开始，依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色。,这说明日光中包含不同波长的辐射能，在它们分别刺激眼睛时，会产生不同色光，而它们混合在一起并同时刺激人眼时，产生白光。 当日光经过三棱镜时，由于不同波长的光的折射系数不同，折射后投影在屏上的位置也不同，因此一束白光通过三棱镜便分解为七种不同颜色。这种白光被分解成各种色光的现象称为色散。这条依次排列的彩色光带称为光谱（spectrum）。,在可
5、见光谱中，每一种颜色只有一种波长，这种只含有一种波长而不能再分解的光称为单色光。单色光的波长由长到短，对应的颜色感觉由红到紫。 由单色光混合而成的光叫复色光。 自然界中人们见到单色光的机会不多，一般都是由单色光混合而成的复色光。大自然中的太阳光、火光及人造光源发出的光都是复色光。 思考：黄光是单色光还是复色光？,自然界中光的色散现象,由色散实验可以说明：自然光和大多数光源发出的光是由单色光复合而成的，复合后的混合 光具有白光的感觉。反之，将复色光分解成不同波长的单色光后可以产生不同的颜色感觉，即特定波长的单色光产生特定的颜色感觉。 光的混合和分解特性：不同波长的单色光可以混合到一起形成复色光，
6、不同比例的单色光混合出的复色光产生不同的颜色感觉；而复色光又可以分解为各种波长 的单色光，不同波长的单色光具有不同的颜色感觉。,光具有分解与合成的性质是光的最基本特性之一，它反映了不同波长光能量的叠加和分解关系。 眼睛对于色光的感觉也是一种叠加的关系，这是进行颜色复制、颜色计算、颜色测量的依据。,二、光源的光谱分布 光源的种类很多，一般将光源分为两大类，即自然光源和人造（工）光源。通常复色光的光源是由不同能量的各单色光混合而成，这说明复色光的辐射能量是随波长的变化而变化的，这种能量比例关系决定了光源发光的颜色感觉。因此，在研究颜色特性或计算颜色时，首先要考虑辐射能量与波长的函数关系。,光源的辐
7、射能与波长之间的关系： 光源的辐射能按波长分布的规律随着光源的不同而不同。若以X表示光的辐射能量，以表示光的波长，定义为以波长为中心的微小波长范围内的辐射能与该波长的宽度之比称为光谱密度。 公式: X()=dX/d (w/nm),光谱密度的实质表示了单位波长区间内辐射能的大小。光源中不同波长色光的辐射能是随波长变化而变化的，因此光谱密度是波长的函数。即不同的光，其光谱密度是不同的。 将光源的光谱密度与波长之间的关系用函数表示时，此函数称之为光谱功率分布，通常称之为光谱能量分布。 光源的光谱功率分布是描述光源发光颜色的最基本方法，也是计算颜色的最基本数据。光源的光谱功率分布函数描述了光源的光学性
8、质。,色彩学上主要关心的是光谱能量分布的相对值而不是绝对值（这是因为光源的颜色感觉取决于光谱分布中各单色光的相对比例，而不是它们的能量绝对值）。为了表达问题方便，通常取波长为555nm的可见光的辐射能量为100，以此作为参考点，其它波长处能量由此比较（归化）得出。 将函数中其他波长的值进行归化，经归化后的光谱分布函数称为光源的相对光谱功率分布。因此，知道了光源的光谱分布就知道了颜色的特性。,光谱能量分布曲线,若以波长为横坐标，相对光谱能量为纵坐标，就可以绘制出光谱的相对能量（功率）分布曲线。每种光源都有自己的相对光谱能量分布曲线，因此，知道光源的相对光谱能量分布，就知道了光源的颜色特性。反过来
9、，光源的颜色特性取决于在发出的光线中不同波长上的相对能量比例，而与光谱密度的绝对值无关。,思考：如何通过光的相对光谱能量分布曲线来判断光的颜色,看曲线的峰值在什么地方！,常见的光谱分布类型有线状光谱、带状光谱、连续光谱和混合光谱。,线状光谱,带状光谱,连续光谱,混合光谱,低压钠灯、激光的光谱为线状光谱，能产生纯度较高的单色光；碳弧灯和高压汞灯为带状光谱，在某个区间发光较强；太阳和白炽灯属于连续光谱，光谱分布曲线平滑，没有能量突变；日常用荧光灯属于混合光谱。 知道了光源的相对光谱能量分布，就可以知道光源的颜色特性。反过来，光源的颜色特性取决于在发出的光线中不同波长上的相对能量比例，而与光谱密度的
10、绝对值无关。绝对值的大小只反映光的强弱，不会引起光源颜色变化。比如：日光在不同气候条件下相对光谱能量分布曲线形状不同，这也验证了在不同季节、不同地区感受到太阳的颜色不一样的现象。,北方天空日光的平均值（光源 D65）,荧光光谱,白炽光 （光源 A）,光源的光谱分布既决定于它本身所发光的颜色，又对它所照明物体的颜色产生影响，不同光谱分布的光源照射同一个物体时会产生不同颜色感觉效果。,第二节 物体光谱特性 按照能否发光，自然界的物体一般分为发光体和非发光体两类。发光体是能够辐射光能的物体，常称为光源。非发光体是本身不辐射光能的物体。 光照射到物体上时，会产生诸如：反射、吸收、透射、漫射、散射、折射
11、和衍射等许多物理现象。但是对色彩成因起主要作用的是反射、吸收和透射。 当光源照射到物体表面时，由于物体表面对光的选择性吸收和反射（或透射），从而使用物体表面的光按特定波长刺激人眼形成颜色感觉，物体的这种颜色呈现特性称为物体的光谱特性。,一、反射体 非透明体受到光照射后，由于其表面分子结构差异而形成选择性吸收，从而将可见光中某一部分波长的辐射能吸收了，而将剩余的色光反射出来，这种物体称为非透过体或反射体。,一束光投射到物体表面，会有部分的光被反射。由于物体表面的情况不同，反射可以分为三种类型。 镜面反射：又称正反射，反射光通量等于入射光通量，反射角等于入射角。 完全漫反射：反射光通量等于入射光通
12、量，在反射面上各个方向的亮度相等。 镜面与漫反射组合反射：在各方向漫反射同时，在反射定律规定的反射方向上，反射光通量较大或显著偏大。,光反射率是指被物体表面反射的光通量与入射到物体表面的光通量i之比。,i,光反射率（比）=/i,从色彩的观点来说，每一个反射物体对光的反射效应，能够以光谱反射率分布曲线来描述。 光谱反射率（）定义为在波长的光照射下，样品表面反射的光通量 ()与入射光通量 i（）之比。光谱反射率（比） ()= （）/i（） *光反射密度 D=lg(1/)=lgi/*光谱反射密度 D()=lg(1/()=lgi()/(),R,G,B,S(),400 500 600 700,入射光谱,
13、R,G,B,(),400 500 600 700,反射光谱,R,G,B,A(),400 500 600 700,吸收光谱,思考：通过光谱特性曲线分析红色物体呈色原理,消色物体与非选择性吸收 若一个物体表面对投射到它上面的白光的各波段的辐射能做等比例吸收，而反射或透射光谱组成比例不会改变，这种吸收称为非选择性吸收。该物体表面就呈现出白色、灰色（或消色），若全部吸收就是黑色。 随着吸收比例的不同，物体在日光下将呈现从白色、各种灰色到黑色的一系列中性颜色，这一系列的颜色称为消色。呈现消色的物体就称为消色物体。,当光照射到消色物体上时，各种波长的光被等量吸收，因而反射或透射的光谱成分不变，与入射光相同
14、。在白光照射下的这类物体，反射或透射各原色光光量均相等，所以给人以消色的感觉。同时，当光照射到消色物体上时，总有一部分光能量被吸收，所以反射或透射的光总比入射光弱些。 通常，光谱反射率在10%以下的为黑色，反射率从1070%为不同程度的灰色，反射率大于70%的物体就感觉为白色。 消色物体具有非选择吸收光谱的特性，在色光的照射下可以呈现出不同明度的与色光相同的色调来。,0.7,R,G,B,400,500,600,700,0.6,0.8,0.9,1.0,二、透射 透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。入射光将穿过媒介从另一界面透出。被透射的物体多为透明体或半透明体。 透射分为二种类型。 正透射
15、：垂直于界面入射时，透射光也垂直射出。 漫透射：入射光非垂直于界面的入射。 为了表示透明体透光的程度，通常用入射光通量i与透过后的光通量之比来表示物体透光性质。称为光透射率。,i,光透射率(比)=/i,i,从色彩的观点来说，同反射一样，每一个透射体都能够用光谱透射率分布曲线描述。此光谱透射率分布曲线为相对值分布。光谱透射率是从物体透射出的波长入的光通量()与入射于物体上的波长入的光通量i()之比。 光谱透射率(比)()= ()/i(),绿色透明体透过绿色光,红色透明体透过红色光,蓝色透明体透过蓝色光,第三节 颜色视觉的生理基础,产生色彩的第三个要素是人的眼睛，或称为颜色感受器。人的视网膜上既有
16、视锥细胞，又有视杆细胞。视锥细胞主要分布于视网膜的中央凹内。视杆细胞的密度在距离视轴20度的地方最大。人眼的视锥细胞内含有对光敏感的色素物质，一般分为三种，即感红、感绿、感蓝色素。人眼的视杆细胞一般只有一种感光色素。一、眼睛的生理结构,人眼视网膜结构,视网膜成像,二、明视觉和暗视觉,一、明视觉（photopic vision）、暗视觉（scotopic vision） 在人眼的视网膜的中心区及黄斑区分布着大约700万个视锥细胞，在视网膜上的其他区域分布着1.3亿个视杆细胞。视锥细胞和视杆细胞分别执行着不同的视觉功能。,视锥细胞与视神经是一对一连接的。它对光的敏感性小，必须在一定的光照条件下，才
17、能够充分辨别物体的颜色和细节。当光线暗淡时，它就会失去工作能力，人们便无法感受到物体的细节和色彩，而只有明暗的感觉。视锥细胞只有在亮度达到一定水平时才能被激发起来，因此，把这种在明亮条件下产生的视觉叫做明视觉。在光亮条件下主要是明视觉占主导作用。,人眼视杆细胞形状细长，往往几十个连在一起向视神经输送信息。它对光的敏感性很高，在光线很弱的情况下，它都能有所感受。但是，它只能反映光的亮度差异，却不能分辨物体的细节和颜色。因此，在较暗的环境下，由视杆细胞形成了暗视觉。暗视觉只能分辨物体的形状和运动。暗视觉只能分辨物体的形状和“黑”和“白”。在黑暗条件下主要是暗视觉占主导作用。,在光亮条件下，具有明视
18、觉的眼睛可能看到可见光谱上不同明暗的各种色彩。当光亮减弱到一定程度时，人眼依靠暗视觉来分辨物体，但是只有暗视觉的眼睛感觉不到各种颜色，而只能感觉到物体的不同明暗，并依据明暗的层次来区分不同的物体。因此明视觉与暗视觉被称为视觉器官的两重功能。 视觉正常的人由明亮的环境到黑暗的环境时，视锥细胞与视杆细胞会自动完成功能的交换，使人眼不论在什么情况下均能分辨出物体。,人眼对不同颜色光的相对响应曲线，主线为正常的明视觉，左边的曲线是暗视觉曲线（比较暗的场合下）,1912年。J.V.凯斯根据上述事实，提出了视觉的两重功能学说，认为视觉有两重功能：视网膜中央的“视锥细胞视觉”和视网膜边缘的“视杆细胞视觉”，
19、也叫做明视觉和暗视觉。,思考：电影开演后进入电影院眼睛的视觉作用及散场后 从黑暗的环境到明亮的环境眼睛的作用？进入电影院：暗视觉走出 电影院：明 视觉各自的转换时间长与短？,三、视觉参数：视角、视力和视场1、视角 ：人眼观察物体时，物体的大小对眼睛形成的张角。 如下图： 为视角。 tg /2=A/2D 当较小时，tg /2= /2 =A/D=s/b(b=17mm)物体在视网膜上的像s=17A/D=17tg（s的大小取决于视角的大小）,2、视力 视力也称为视敏度，表示是视觉辨认物体细节和空间轮廓的能力。视力V是以视角的倒数表示 V=1/ (分) 我国规定正常视力标准是，当人的视觉能够分辨1分角所
20、对应物体细节时，它的视力为1.0。,3、视场 视场是指眼睛视角所对应形成的圆面积。视角越大，对应的视场也越大。视场的大小还与视距有关，视距越大，对应形成的面积也越大。,4、网屏线数 印刷是通过网点来再现图像的，即是由大小不同的网点来表现原稿的颜色的深浅。网点大小可以用加网线数来表示，也称网线分辨率。一般用每英寸多少线来表示（一条阳线间隔一条阴线）。加网线数越高，网点越细。对印刷品来说，加网的线数要保证在正常视距内，不能看到网点，而是看到均匀的颜色深浅变化。要实现这一条件，就要研究人眼能分辨最小的线的宽度。,正常视力的人，能分辨的物体细节的视角为1，当视觉距离为250mm时，其能分辨出的宽度（物
21、像大小）为： （10.00029弧度） 物像大小A= D=250/（6057.3）=0.072mm=0.0028in 换算成网屏线数 N=1/(2A)=1/2X0.0028=178 线/in 在上式计算中，因网屏线数通常是指阳线数的多少（如下图）。 因此，在实际印刷中，一般所采用的网屏线数 175线/英寸。,A,D, =1,如上图，假设加网线数为N，视角为1则有：N=1/（2A）=1/（2D） =1=1/（60 57.3）N=60 57.3/（2D）=1719/D（线/in）（线/cm）,通常情况下，加网线数是由视距的大小决定的。根据上式可以很方便地按照视距D的大小来计算网屏线数。例如当视距为
22、1m时，则网屏线数为：N=1719/D=1719/100=17.19线/cm=43.66线/in由上面计算可知道，视距越远，可以加网的线数越小。也就是说视距越远，可以用比较大的网点来表现图像就可得到较好观视效果。,第四节 光度学基础,光通量与明度是同一概念辐射量（辐通量）与亮度是同一概念。,光波是一种辐射能。通常对于同一波长光波，光通量越大，感觉光线越明亮。如果对于波长不同的色光，即使它们的辐射能量相同，它们对视锥细胞和视杆细胞所产生的明亮感觉也是不同的。即人眼对不同波长的光的辐射具有不同的感受性，有的色光给人眼的感受比较强烈，会觉得比较亮，而有的色光给人的感觉就比较暗。 实践证明，人眼对可见
23、光谱范围内的不同波长的辐射，具有不同的感受性。在等量色光照射下，有的色光人眼感觉较明亮，有的较暗，人眼感觉最亮的是黄绿色，最暗的是红色，其次是紫色（如下图）。,怎样来衡量人眼对等能光谱不同波长的视觉效果呢？,选一个视觉正常的人作为观察者，将可见光谱上不同波长的光与一个标准光源在明度上进行匹配，然后测量出各波长所需要的能量。那个波长所需要的能量较小，就说明该色光对人眼的刺激更强烈。 实验表明：在明亮光的条件下，人眼对波长为555nm处的黄绿光感受性最高，即这个波长的光只需要较小的能量便可以和标准光源的明度进行匹配。,在实验中，分别在明光条件和暗光条件下进行测试，并将结果中人眼对不同波长的光波的光
24、能量产生光感觉的效率与波长之间的关系描绘成上图。二条曲线中，V（ ）和V（ ）是随波长变化的函数，称为光谱光视效率函数。,从明视觉与暗视觉的光谱光效率曲线中可以看出，明视觉与暗视觉对于光的敏感处不在同一位置，明视觉对555nm处黄绿光最敏感，而暗视觉对507nm处的蓝绿光最敏感。为了使于理解和使用，对两曲线都进行归一化处理，即把两视觉条件下的光谱光效率函数最大值都定为1，这样明视觉和暗视觉函数为相对的数值。,用v()表示光通量（明度），e()表示辐通量（即：光谱密度或亮度），则光通量与辐通量之间的关系如下：v()=K V() e()其中，V()是随波长变化的函数，称之为光谱光视效率或视见函数 K 称为辐射能光当量。 光谱光视效率就是辐射能转化为人眼可见光程度，随波长的不同而不同，它是不同波长的光通量与辐通量之比。,光通量可以理解为光谱不同波长辐射能对人眼产生光亮感觉作用的数量特征的亮度。 取1和2两束光进行比较，根据上式可列出 v(1)=K V(1) e(1) v(2)=K V(2) e(2) 1.当光通量（明度）相等v(1)=v(2) 可得： V(1)/V(2)=e(2)/e(1) 当明度相等时，光视效率与辐通量成反比。 2若辐通量（亮度）相等e(1)=e(2) 可得： V(1)/V(2)=v(1)/v(2) 当辐通量相等时，光视效率与光通量成正比。,
