光源對顏色感知的影響分析
發布時間：2024-02-29 點擊：148
光源的顏色特性光源對顏色感知的影響主要從光源的光譜功率分布、色溫、顯色性這三個方面來分析。
1、光譜功率分布一般光源發出的光是由許多不同波長的輻射組成的復合光，且各個波長的輻射功率也不同。光源的光譜輻射功率按波長的分布規律稱為光譜功率分布。在色彩學中，主要討論光源的相對光譜功率分布，因為光源的顏色取決于它所發出的不同波長光的相對能量比例。在人類所經歷的漫長進化過程中，由于長期處于自然光環境中，形成了人的視覺器官的特殊結構,適應自然光強度的變化。
自然光的最大特點是具有連續的光譜，在清晨和黃昏時色溫較低約為2000k～4500k，中午色溫較高約為5000k～7000k，在夜晚人們開始是用火把, 隨后發明了蠟燭與油燈。這些燃燒火光都是色溫較低的連續光譜。而在印刷中所用到的光源是人造光源，它的光譜功率分布曲線很難和日光的光譜功率分布曲線完全的重合，如白熾燈光源在短波藍色波段的功率較低，所以白熾燈光源的光色帶有黃紅色，使印刷品偏色。所以印刷使用的光源的光譜功率分布與日光的接近程度決定了印刷品的偏色程度。
2、色溫黑體（完全輻射體）black body是指入射的電磁波能全部吸收的物體，既沒有反射也沒有透射，其吸收能力在所有物體中是最大的，因此它也是物體中發射本領最強的物體。所以可以將黑體作為參考標準。一定的光譜功率分布表現一定的光色，而黑體輻射的光譜功率分布由溫度決定。所以人們將光源的相對光譜功率分布與某溫度下黑體輻射的相對光譜功率分布相比較，如果某一光源與黑體在某一溫度時的相對光譜功率分布相吻合，那么這一光源的光色就可以用此時黑體的溫度來表示,該黑體的溫度稱為該光源的色溫。有許多光源，其色度不一定能與黑體加熱時的色度完全相同，只能用與之最接近的黑體的溫度的色溫來確定光源的色溫，這個色溫叫做相關色溫。色溫表征了光源的光譜特性，與光源的光譜成分有關。光源的光譜成分又決定的光源的光色，因此色溫表達了光源的光我。色溫低的光源，藍光成分少，紅光成分多；色溫高的則相反。
在印刷復制的過程中，對光源色溫也有很高的要求。分色用光源的色溫應與分色膠片的感色性相匹配，色溫過高或過低都會影響分色效果。色溫在5000k～6500k的光源，其光譜能量分布較符合照相分色的要求。印刷時用作看樣的照明光源，色溫以5000k或6500k為好，否則所呈現的色彩將會出現偏差。
3、 顯色性
（1）、 顯色性的定義
照明光源不僅要求光效高、發光強度大，而且具有良好的色表和顯色性。光源的色表取決于光源的色溫，光源的色溫低，偏紅色，反之，偏藍色。光源的顯色性是指光源對于物體色彩呈現的程度，也就是色彩逼真的程度。印刷中需要應用各種各樣的人工光源，由于人工光源的光譜功率分面不同，同一個物體表面在不同的光源照射下，人眼會產生不同的色覺。人們把日光作為最理想的光源，或選擇標準參照光源，將人工光源與之相比較，顯示同色能力的強弱就是該人工光源的顯色性。顯色性的高低用平均顯色指數（ra）或特征顯色指數來表示。顯色性高的光源對于色彩的再現較好，我們所看到的色彩也就越接近自然色，顯色性低的光源對色彩的再現則較差，因而我們所看到的物體色彩偏差也就會較大。通常按一般顯色指數可將光源的顯色性分成：優（r =100—75），一般（r =75—5o），劣（r<50）三個質量等級，作為對光源顯色性的定性評價。如白熾燈、鹵鎢燈和鎘燈等光源的顯色指數較高，一般為85左右，常用于彩色電影、彩色印刷、紡織工業等色重現要求高的場合；熒光燈的顯色指數為70～80，可用于一般的照明；高壓汞燈和鈉燈等的顯色指數較低，通常低于50，故不宜用于辨色等視覺工作顯色指數是定量地評價光源色還原性能質量的重要指標。
在一些被照場所如印刷、攝影、印染、展廳等場所要求將物體的顏色真實地顯現出來，所以選顯色系數較高的光源，可將物體的原色真實的反應出來, 以達到良好的照明效果。現在街道上的路燈已逐步采用高壓汞燈、高壓鈉燈等氣體放電光源。如果從遠處看，高壓汞燈發出的光既亮且白。但是，當看到被它照射的人面孔時，看起來好像在臉上抹了一層青灰，這說明高壓汞燈的色表并不差，但顯色性不好。鎢絲燈恰恰與之相反，它的光看上去雖然偏紅偏黃，但是受照物體的特色卻很少失真，也就是說鎢絲燈的色表不很好，但顯色性很好。低壓鈉燈的光色非常黃，如果將一塊藍布放到低壓鈉燈下面，藍布就變成黑色。這說明低壓鈉燈的色表和顯色性都不好。而氨燈的色表和顯色性都好。這就是說，在燈光照明中，有些光源的色表和顯色性都不好，有些都很好，有些色表好但顯色性不好，有些色表不好但顯色性好。光源的色表和顯色性既有區別，又有聯系。光源的顏色從根本上來說是由它的光譜能量分布決定的。光源的光譜能量分布確定之后，它的色表和顯色性也就確定了。但是，不能倒過來認為，由光源的色表可以確定光源的光譜能量分布。光譜能量分布截然不同的光源可以產生相同的色表，這就是所謂的“同色異譜”現象。高壓汞燈發出的光盡管色表和日光接近，但它的光譜能量分布和日光相差很大，它的光譜中多青光、藍光而缺少紅光，所以被它所照的人臉會發青灰的顏色。[next]
（2）、一般顯色指數ra的局限性
盡管一般顯色指數簡單實用，但是它在方面表現出嚴重不足。首先，顏色是人們主觀的感覺，不是物體固有的屬性，它與照明條件、觀察者、輻照度、照度、周圍物體和觀察角度等有關，并不存在什么所謂“真實顏色”。但是由于在cie系統中，已定義在近似黑體的輻射下達最高值100，所以燈泡制造商都有意識地設計燈泡，使在用它照射物體時的顯色性與黑體或日光照射時盡可能相近。這意味著光源的光譜分布與黑體或日光有偏離時，會使顯色指數下降。例如用紅、綠、藍三個單色led組成的白光led，當在它的一般顯色指數ra較低時，它的顯色性有時并不一定很壞。但是事實上，許多研究者judd、thorntou和jerome已證實人們不一定最喜歡cie所規定的參考光源照明時的顏色。例如前面已經提到的用色溫很低的白熾燈照射綠色的樹葉，并不一定是最好的選擇。規定在黑體或日光照射時顯色指數為最佳值ra=100，存在疑問。cie規定的參考光源是與待測光源的相關色溫最接近的黑體或日光，它們都是輻射連續光譜的光源，具有多種顏色的光譜成分。當色溫在6500 k時，其長短波的光譜功率分布較為均衡，作為參考光源應該說較為合理。但當色溫在4000 k以下時，光譜功率分布嚴重不對稱，藍色的短波光譜功率遠小于紅色的長波光譜功率，其顏色偏向紅色，作為參考光源存在疑問。在cie顏色系統中，8塊標準色板都是處在中等明度和色飽和度，在u～v系統中為等距離間隔。它們對于室內照明，可認為已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時，往往存在一些色飽和度較高的顏色，這8塊標準色板已不能充分代表常用顏色。許多學者認為標色板數太少，是一般顯色指數的另一個不足。雖然cie還有9—14號色飽和度較高的6塊色板，但它們并不包含在一般顯色指數 n之中。在照明實踐中，人們熟知的顏色為皮膚、樹葉、食品等，它們的顏色極為重要，但它們都被排除在一般顯色指數之外。seim曾提議用20快標準色板，但由于這會使計算變得太復雜而被拒絕。當前，計算機普遍使用，似乎這個提議又得重新考慮。由于光源的顯色性評價存在這兩大問題、許多其它的評價方法引起廣泛興趣，本文將就作者所知作一簡要介紹。
（3）、夫勒特利指數
研究表明人們傾向于記住比較熟悉的物體的顏色，而且是記住它的生動的、飽和度較高時的顏色。這種記憶色與喜愛色往往相一致，而且傾向于向飽和度高方向偏移。如人們膚色的記憶色，傾向于向紅方向偏移，樹葉色向綠色方向偏移。顯然與cie中的r方法不同。事實上是對ra的修正，這個修正包括二個方面：第一，在參考光源的照明下定義rf=90，只有在假想的“完美光源”照明下，才有rf=100。第二，選擇10塊標準色板，即除了原來1～8號標準色板外，還加上l3號l4號二塊色板，相應于皮膚色和樹葉色。這時，“完美光源”就是指在它的照射下，能把10塊標準色板的顏色向喜愛方向偏移的光源。由此可見，對每塊標準色板來說，相應的“完美光源”的色坐標是各不相同的，可以由實驗確定。這也說明了這樣的“完美光源”只能是假想的。rf的計標方法與ra相似，但有二點不同：(1)對于每塊標準色板，參考光源的色坐標都需要調整，即根據實驗確定的“完美光源”色坐標。然后，在待測光源照明時，每塊色板的色差是與其相應的“完美光源”相比較后得到。(2)在計算rf時，取l0塊色板的色差平均值，但是每塊色板的權重不同。l3號色板是膚色，權重是35％、2號是15％、14號是15％、其余是每塊5％。這里特別強調了膚色的重要性。所以待測光源的可以高于參考光源rf=90，但小于100。
（4）、顏色偏愛指數（cpi）
顏色偏愛指數cpi（color preference index）利用上節提出的喜愛色概念，定義在d65光源照明下，顏色偏愛指數cpi=100。于是待測光源的cp1可以這樣得到：在待測光源照射下，計算8塊標準色板的色坐標與最喜愛色的色坐標之差，并求其矢量和的平均值（△e）cpi=156—7.18（△e）以上計算都是在cie的uv色度系統中進行。雖然cpi與rf都利用了最喜愛色這一概念，但兩者有很大差別： (1) 在計算rf時，用1-8號和l3、l4共l0塊標準色板，而cp1只用1-8塊標準色板。(2) 計算rf時，色差（△e）取實驗值的l/5，而cpi取原始實驗值。(3) 計算rf時，各塊色板的權重不同，而cpi取相同權重。(4)根據定義 rf的最大值為100，而cpi的最大值為156。
最后要指出提出，與cpi兩個指數的研究人員，都用實驗確定喜愛色，而在實驗中采用的是日光照明。現在有證據表明喜愛色與光源的相關色溫有關。所以在使用rf和cpi來恒量顯色性時，僅僅適用高色溫的光源。
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1、光譜功率分布一般光源發出的光是由許多不同波長的輻射組成的復合光，且各個波長的輻射功率也不同。光源的光譜輻射功率按波長的分布規律稱為光譜功率分布。在色彩學中，主要討論光源的相對光譜功率分布，因為光源的顏色取決于它所發出的不同波長光的相對能量比例。在人類所經歷的漫長進化過程中，由于長期處于自然光環境中，形成了人的視覺器官的特殊結構,適應自然光強度的變化。
自然光的最大特點是具有連續的光譜，在清晨和黃昏時色溫較低約為2000k～4500k，中午色溫較高約為5000k～7000k，在夜晚人們開始是用火把, 隨后發明了蠟燭與油燈。這些燃燒火光都是色溫較低的連續光譜。而在印刷中所用到的光源是人造光源，它的光譜功率分布曲線很難和日光的光譜功率分布曲線完全的重合，如白熾燈光源在短波藍色波段的功率較低，所以白熾燈光源的光色帶有黃紅色，使印刷品偏色。所以印刷使用的光源的光譜功率分布與日光的接近程度決定了印刷品的偏色程度。
2、色溫黑體（完全輻射體）black body是指入射的電磁波能全部吸收的物體，既沒有反射也沒有透射，其吸收能力在所有物體中是最大的，因此它也是物體中發射本領最強的物體。所以可以將黑體作為參考標準。一定的光譜功率分布表現一定的光色，而黑體輻射的光譜功率分布由溫度決定。所以人們將光源的相對光譜功率分布與某溫度下黑體輻射的相對光譜功率分布相比較，如果某一光源與黑體在某一溫度時的相對光譜功率分布相吻合，那么這一光源的光色就可以用此時黑體的溫度來表示,該黑體的溫度稱為該光源的色溫。有許多光源，其色度不一定能與黑體加熱時的色度完全相同，只能用與之最接近的黑體的溫度的色溫來確定光源的色溫，這個色溫叫做相關色溫。色溫表征了光源的光譜特性，與光源的光譜成分有關。光源的光譜成分又決定的光源的光色，因此色溫表達了光源的光我。色溫低的光源，藍光成分少，紅光成分多；色溫高的則相反。
在印刷復制的過程中，對光源色溫也有很高的要求。分色用光源的色溫應與分色膠片的感色性相匹配，色溫過高或過低都會影響分色效果。色溫在5000k～6500k的光源，其光譜能量分布較符合照相分色的要求。印刷時用作看樣的照明光源，色溫以5000k或6500k為好，否則所呈現的色彩將會出現偏差。
3、 顯色性
（1）、 顯色性的定義
照明光源不僅要求光效高、發光強度大，而且具有良好的色表和顯色性。光源的色表取決于光源的色溫，光源的色溫低，偏紅色，反之，偏藍色。光源的顯色性是指光源對于物體色彩呈現的程度，也就是色彩逼真的程度。印刷中需要應用各種各樣的人工光源，由于人工光源的光譜功率分面不同，同一個物體表面在不同的光源照射下，人眼會產生不同的色覺。人們把日光作為最理想的光源，或選擇標準參照光源，將人工光源與之相比較，顯示同色能力的強弱就是該人工光源的顯色性。顯色性的高低用平均顯色指數（ra）或特征顯色指數來表示。顯色性高的光源對于色彩的再現較好，我們所看到的色彩也就越接近自然色，顯色性低的光源對色彩的再現則較差，因而我們所看到的物體色彩偏差也就會較大。通常按一般顯色指數可將光源的顯色性分成：優（r =100—75），一般（r =75—5o），劣（r<50）三個質量等級，作為對光源顯色性的定性評價。如白熾燈、鹵鎢燈和鎘燈等光源的顯色指數較高，一般為85左右，常用于彩色電影、彩色印刷、紡織工業等色重現要求高的場合；熒光燈的顯色指數為70～80，可用于一般的照明；高壓汞燈和鈉燈等的顯色指數較低，通常低于50，故不宜用于辨色等視覺工作顯色指數是定量地評價光源色還原性能質量的重要指標。
在一些被照場所如印刷、攝影、印染、展廳等場所要求將物體的顏色真實地顯現出來，所以選顯色系數較高的光源，可將物體的原色真實的反應出來, 以達到良好的照明效果。現在街道上的路燈已逐步采用高壓汞燈、高壓鈉燈等氣體放電光源。如果從遠處看，高壓汞燈發出的光既亮且白。但是，當看到被它照射的人面孔時，看起來好像在臉上抹了一層青灰，這說明高壓汞燈的色表并不差，但顯色性不好。鎢絲燈恰恰與之相反，它的光看上去雖然偏紅偏黃，但是受照物體的特色卻很少失真，也就是說鎢絲燈的色表不很好，但顯色性很好。低壓鈉燈的光色非常黃，如果將一塊藍布放到低壓鈉燈下面，藍布就變成黑色。這說明低壓鈉燈的色表和顯色性都不好。而氨燈的色表和顯色性都好。這就是說，在燈光照明中，有些光源的色表和顯色性都不好，有些都很好，有些色表好但顯色性不好，有些色表不好但顯色性好。光源的色表和顯色性既有區別，又有聯系。光源的顏色從根本上來說是由它的光譜能量分布決定的。光源的光譜能量分布確定之后，它的色表和顯色性也就確定了。但是，不能倒過來認為，由光源的色表可以確定光源的光譜能量分布。光譜能量分布截然不同的光源可以產生相同的色表，這就是所謂的“同色異譜”現象。高壓汞燈發出的光盡管色表和日光接近，但它的光譜能量分布和日光相差很大，它的光譜中多青光、藍光而缺少紅光，所以被它所照的人臉會發青灰的顏色。[next]
（2）、一般顯色指數ra的局限性
盡管一般顯色指數簡單實用，但是它在方面表現出嚴重不足。首先，顏色是人們主觀的感覺，不是物體固有的屬性，它與照明條件、觀察者、輻照度、照度、周圍物體和觀察角度等有關，并不存在什么所謂“真實顏色”。但是由于在cie系統中，已定義在近似黑體的輻射下達最高值100，所以燈泡制造商都有意識地設計燈泡，使在用它照射物體時的顯色性與黑體或日光照射時盡可能相近。這意味著光源的光譜分布與黑體或日光有偏離時，會使顯色指數下降。例如用紅、綠、藍三個單色led組成的白光led，當在它的一般顯色指數ra較低時，它的顯色性有時并不一定很壞。但是事實上，許多研究者judd、thorntou和jerome已證實人們不一定最喜歡cie所規定的參考光源照明時的顏色。例如前面已經提到的用色溫很低的白熾燈照射綠色的樹葉，并不一定是最好的選擇。規定在黑體或日光照射時顯色指數為最佳值ra=100，存在疑問。cie規定的參考光源是與待測光源的相關色溫最接近的黑體或日光，它們都是輻射連續光譜的光源，具有多種顏色的光譜成分。當色溫在6500 k時，其長短波的光譜功率分布較為均衡，作為參考光源應該說較為合理。但當色溫在4000 k以下時，光譜功率分布嚴重不對稱，藍色的短波光譜功率遠小于紅色的長波光譜功率，其顏色偏向紅色，作為參考光源存在疑問。在cie顏色系統中，8塊標準色板都是處在中等明度和色飽和度，在u～v系統中為等距離間隔。它們對于室內照明，可認為已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時，往往存在一些色飽和度較高的顏色，這8塊標準色板已不能充分代表常用顏色。許多學者認為標色板數太少，是一般顯色指數的另一個不足。雖然cie還有9—14號色飽和度較高的6塊色板，但它們并不包含在一般顯色指數 n之中。在照明實踐中，人們熟知的顏色為皮膚、樹葉、食品等，它們的顏色極為重要，但它們都被排除在一般顯色指數之外。seim曾提議用20快標準色板，但由于這會使計算變得太復雜而被拒絕。當前，計算機普遍使用，似乎這個提議又得重新考慮。由于光源的顯色性評價存在這兩大問題、許多其它的評價方法引起廣泛興趣，本文將就作者所知作一簡要介紹。
（3）、夫勒特利指數
研究表明人們傾向于記住比較熟悉的物體的顏色，而且是記住它的生動的、飽和度較高時的顏色。這種記憶色與喜愛色往往相一致，而且傾向于向飽和度高方向偏移。如人們膚色的記憶色，傾向于向紅方向偏移，樹葉色向綠色方向偏移。顯然與cie中的r方法不同。事實上是對ra的修正，這個修正包括二個方面：第一，在參考光源的照明下定義rf=90，只有在假想的“完美光源”照明下，才有rf=100。第二，選擇10塊標準色板，即除了原來1～8號標準色板外，還加上l3號l4號二塊色板，相應于皮膚色和樹葉色。這時，“完美光源”就是指在它的照射下，能把10塊標準色板的顏色向喜愛方向偏移的光源。由此可見，對每塊標準色板來說，相應的“完美光源”的色坐標是各不相同的，可以由實驗確定。這也說明了這樣的“完美光源”只能是假想的。rf的計標方法與ra相似，但有二點不同：(1)對于每塊標準色板，參考光源的色坐標都需要調整，即根據實驗確定的“完美光源”色坐標。然后，在待測光源照明時，每塊色板的色差是與其相應的“完美光源”相比較后得到。(2)在計算rf時，取l0塊色板的色差平均值，但是每塊色板的權重不同。l3號色板是膚色，權重是35％、2號是15％、14號是15％、其余是每塊5％。這里特別強調了膚色的重要性。所以待測光源的可以高于參考光源rf=90，但小于100。
（4）、顏色偏愛指數（cpi）
顏色偏愛指數cpi（color preference index）利用上節提出的喜愛色概念，定義在d65光源照明下，顏色偏愛指數cpi=100。于是待測光源的cp1可以這樣得到：在待測光源照射下，計算8塊標準色板的色坐標與最喜愛色的色坐標之差，并求其矢量和的平均值（△e）cpi=156—7.18（△e）以上計算都是在cie的uv色度系統中進行。雖然cpi與rf都利用了最喜愛色這一概念，但兩者有很大差別： (1) 在計算rf時，用1-8號和l3、l4共l0塊標準色板，而cp1只用1-8塊標準色板。(2) 計算rf時，色差（△e）取實驗值的l/5，而cpi取原始實驗值。(3) 計算rf時，各塊色板的權重不同，而cpi取相同權重。(4)根據定義 rf的最大值為100，而cpi的最大值為156。
最后要指出提出，與cpi兩個指數的研究人員，都用實驗確定喜愛色，而在實驗中采用的是日光照明。現在有證據表明喜愛色與光源的相關色溫有關。所以在使用rf和cpi來恒量顯色性時，僅僅適用高色溫的光源。
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