【光学课堂】色彩和光的知识04-新色差公式（CIE 2000）

2019-11-02 20:34

色彩和光的知识04

               




CIE Lab（L*a*b*色空间）通过使用一个均匀的色空间来表示颜色，在该色空间中，亮度L*及色度a*和b*均被认为是均匀变化的。虽然色差的计算公式是基于人眼对色彩的视觉感官来定义的，但是对于一些色彩的评估，人眼的敏感度和ΔE*ab之间还是有些差异的，这是因为人眼对色差的辨别能力及范围与CIE Lab定义的ΔE*ab和Δa*b*是有着很大的差异的。



有些颜色即使是不一样的，人眼也很难察觉。在色度图中这些颜色所在的区域，我们称之为人眼的色差辨别临界区。
右图为CIE Lab色空间的a*b*色度图的一部分。图上的白色椭圆是人眼对饱和度及色调这两个色彩指数的辨别临界区。换句话说，人眼无法辨别出同一椭圆内的颜色色差。

我们仔细的分析下这些白色的椭圆，不难看出人眼对CIE Lab色度图（L*a*b*色空间）色差辨别能力有如下四个特征：

1) 人眼对饱和度高的色彩的敏感度较弱，因而，对这类色彩的色差辨别能力较差。（饱和度依赖性较高。）低饱和度时的色彩，其白色椭圆变得接近于圆形，随着饱和度的增加，圆形在饱和度方向上渐渐拉长，在色调方向上渐渐变窄。这就表示虽然颜色的色差相对已经较大了，但人眼对饱和度较高的色彩的分辨能力却在减弱。
2) 色调不同，人眼对色调方向上的色差敏感度也不一样。我们看一下图中的椭圆A和椭圆B，A在色调为120度的位置（黄绿色）而B在色调为180度的位置（绿色），虽然两个位置的饱和度近似，但A椭圆在色调方向上更宽，而B相对较窄。这就表示与A点位置相比，人眼对B点的色调敏感度更高一些。

3) 在亮度方向上的色差敏感度也会随着亮度的不同而发生变化。
遗憾的是，由于亮度轴是正交于所示平面图，因此我们无法从图中看到在亮度方向上色差敏感度的变化趋势。但是，科学得出这样的结论：在亮度为50左右的地方，人眼的色差敏感度达到很高，不论是沿着更高或者更低的亮度变化，敏感度都是逐步递减的。
4) 在蓝色区域内，人眼的分辨能力在方向上会有所改变。
从图中我们可以看到，蓝色区域的白色椭圆的主轴不像其他颜色一样是从中心沿饱和度方向扩展。
这就引起了使用色差计测量与人眼视觉评估之间存在的差异。
从右图中可以看到，用红色圆圈表示的在CIE Lab（L*a*b*色空间）中评估色差的常用指数ΔE*ab，在各个饱和度及色调的条件下定义色差的方法都是一个圆圈。另外一个色差常用指数，在图中用蓝色矩形表示的Δa*b*，其在色度图中定义色差的方法都是矩形，不论哪种定义方法、哪种形状，都是与人眼的色差辨别临界区（白色椭圆）有区别的。
因此，在我们评估同样的两种颜色的色差时，人眼与色差计计算结果有矛盾和差异的主要原因就在于判断方法和定义形状上的差异。

备注：此处使用的表示人眼色差辨别临界区的白色椭圆图片摘自由M.R. Luo, G. Cui和B. Rigg所撰写的名为“The Development of the CIE 2000 Colour-Difference Formula: CIEDE2000”的论文中的Figure 1（图1），该论文发表于2001年10月出版的第5期（第26卷）COLOR Research and Application（色彩研究与应用）刊物的第341页，图片的使用已获得该期刊及作者的支持和同意。John Wiley & Sons, Inc享有期刊第341页上Figure 1（图1）的版权。



由于人眼与色差计在色度图中不同位置的色彩评估方法和形状上的差异，引起了许多色彩评定时测量数据与目测结论不匹配的问题，CIE 2000色差计算公式的提出，就是为了解决这个难题。
CIE 2000色差公式并不是创建了一个新的人眼辨别临界区均匀的色空间，而是重新定义了色差计算方法，使得在整个CIE Lab（L*a*b*色空间）中，色差计算值与人眼评估更为接近。
新的色差公式在原色差计算公式基础上，另外特别引用了三个新的重量系数SL，SC和Sh，分别表示了在亮度ΔL*、饱和度ΔC*和色调ΔH*方向上的差异程度。显然，这三个重量系数与亮度L*、饱和度C*及色调角h有关系。因此，新计算公式综合了在CIE Lab（L*a*b*色空间）中人眼的辨别临界区的特征，并为与人眼评估密切相关的三个参数：1）饱和度、2）色调及3）亮度独立设置了修正系数。
* 有关特定计算公式的详细介绍，请参阅“色彩术语”。



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