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。A Color Brightness Model Fitting Characteristics of the HumanVisionLiu Weiqi Feng Rui Zhou Fengkun(Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, The Chinese Academyof Sciences, Changchun 130022)(Received 7 April 1998; revised 6 July 1998)Abstract Based on colorimetric theory, the present study has made a thorough analysis of color variable Y and presented a new method of subjective matching of heterochromatic brightness using Munsell color system. It was pointed out that the Munsell equality V section does not comform the characteristics of human vision, and the linear relation between Munsell V and subjective brightness was established through experimental and theoretical analysis.Key words color brightness, heterochromatic brightness match, 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用的对颜色描述的变量是1931 CIE-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(CommissionInternationale de lEclairage,缩写为 CIE)又推出了 1931 CIE-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，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。fY的计算公式为(1)兀kJ580其中亍(入)=V (入)。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，f作为颜色亮度，只有在单色光的情况下才成立。因此Y说，f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Y观亮度。既然fY仍然是颜色的刺激值，那么f的计算公式(1)不会因Y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：只要两个颜色光在色貌上相同， 不论其光谱成分如 何，它们给人眼的感觉是一样的，并具有相同三刺激值f , f , f。按 照人眼的这种视觉特性， 可以通过同色异谱关系， 不必追究一个颜色是 由哪些波长组成的以及这些波长间的相加规律， 而是从色貌即色度点 (x,y)的角度去研究。按照上面分析, 只需在色空间内选择有限个色度点即可匹配出符 合人眼视觉特性亮度分布关系。在各种颜色空间中, 孟塞尔颜色空间是 从心理学的角度, 根据颜色的视知觉特点, 通过主观匹配实验得到的颜 色分类和标定系统, 它的颜色变量的变化在视知觉上是等间隔的。 为此 选用孟塞尔颜色系统作为本文的实验系统。实验中用的是全套美国孟塞 尔色卡及图册。 其色卡是有光泽的, 因此观测方向选择看不到镜反射光 的方向, 如图 1 所示。三个标准观察者均是经过颜色视觉测试正常, 并 且具有视觉心理物理实验能力。speFig.1 Munsell equality V section首先, 选择彩度 C 最多的明度值为 5 的等明度面,按不同色调。 不 同彩度铺展在以黑灰色为背景的实验台面上。用窗口自然光照明。通过 主观亮度观察,明显感觉到随彩度圈的向外扩展,主观亮度也明显增强, 对不同的色调, 其规律是一致的。为了定量研究, 用不同明度的中性灰 白色卡与不同彩度、不同色调的待测色样进行主观异色视亮度匹配, 如 图2所示。从图2可看到，对同一明度V=5、同一色调H=5R、不同彩度 C 按每 2 个彩度等级将孟塞尔色卡排好。Fig.2 Heterochromatic brightness matching用中性灰卡分别与不同彩度级次的色样进行主观异色视亮度匹配。图 2 是色调为 5R， 明度为5， 彩度为 2、 4、 6、 8、 10、 12、 14 的孟塞尔 色卡与中性灰卡的匹配结果。 对其它明度、色调的色样匹配按孟塞尔色 卡所能给出的最大彩度进行匹配。 一共对明度值为 2、 4、 5、 7， 色调 为 5R、5YR、5Y、5GY、5G、5BG、5B、5PB、5P、5PR 等 184 个异色样品 进行了主观异色视亮度匹配实验。三人的实验结果略有差异， 经过统计 处理后的平均值如表1所示。其中C为孟塞尔彩度值，N为中性色灰V=2度值， 其等级差为 0.25。5R5YR5Y5GY5G5BG5B5PB5P5RPCN2CN2CN2CN2CN2CN2CN2CN2CN2CN222.2522.2512.012.022.2522.2522.2522.2522.2522.2542.542.522.2522.2542.542.542.542.542.542.562.7562.7562.7562.7562.7562.7562.7583.083.083.083.0Table 1. Testing resultsV=45R5YR5Y5GY5G5BG5B5PB5P5RPCN4CN4CN4CN4CN4CN4CN4CN4CN4CN424.2524.2524.2524.2524.2524.2524.2524.2524.2524.2544.4544.4544.4544.4544.4544.4544.4544.4544.4544.4564.7564.7564.7564.7564.7564.7564.7564.7564.7564.7585.085.085.085.085.085.085.085.085.0105.25105.25105.25105.25105.25105.25125.5125.5125.5125.5125.5145.75V=55R5YR5Y5GY5G5BG5B5PB5P5RPCN5CN5CN5CN5CN5CN5CN5CN5CN5CN525.2525.2525.2525.2525.2525.2525.2525.2525.2525.2545.545.545.545.545.545.545.545.545.545.565.7565.7565.7565.7565.7565.7565.7565.7565.7565.7586.086.086.086.086.086.086.086.086.086.0106.25106.25106.25106.25106.25106.25106.25106.25106.25126.5126.5126.5126.5146.75V=75R5YR5Y5GY5G5BG5B5PB5P5RPCN7CN7CN7CN7CN7CN7CN7CN7CN7