【光學課堂】色彩和光的知識04-新色差公式（CIE 2000）

發布時間：2023-11-01

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色彩和光的知識04

CIE Lab（L*a*b*色空間）通過使用一個均勻的色空間來表示顏色，在該色空間中，亮度L*及色度a*和b*均被認為是均勻變化的。雖然色差的計算公式是基于人眼對色彩的視覺感官來定義的，但是對于一些色彩的評估，人眼的敏感度和ΔE*ab之間還是有些差異的，這是因為人眼對色差的辨別能力及范圍與CIE Lab定義的ΔE*ab和Δa*b*是有著很大的差異的。

有些顏色即使是不一樣的，人眼也很難察覺。在色度圖中這些顏色所在的區域，我們稱之為人眼的色差辨別臨界區。

右圖為CIE Lab色空間的a*b*色度圖的一部分。圖上的白色橢圓是人眼對飽和度及色調這兩個色彩指數的辨別臨界區。換句話說，人眼無法辨別出同一橢圓內的顏色色差。

我們仔細的分析下這些白色的橢圓，不難看出人眼對CIE Lab色度圖（L*a*b*色空間）色差辨別能力有如下四個特征：

1) 人眼對飽和度高的色彩的敏感度較弱，因而，對這類色彩的色差辨別能力較差。（飽和度依賴性較高。）低飽和度時的色彩，其白色橢圓變得接近于圓形，隨著飽和度的增加，圓形在飽和度方向上漸漸拉長，在色調方向上漸漸變窄。這就表示雖然顏色的色差相對已經較大了，但人眼對飽和度較高的色彩的分辨能力卻在減弱。

2) 色調不同，人眼對色調方向上的色差敏感度也不一樣。我們看一下圖中的橢圓A和橢圓B，A在色調為120度的位置（黃綠色）而B在色調為180度的位置（綠色），雖然兩個位置的飽和度近似，但A橢圓在色調方向上更寬，而B相對較窄。這就表示與A點位置相比，人眼對B點的色調敏感度更高一些。

3) 在亮度方向上的色差敏感度也會隨著亮度的不同而發生變化。
遺憾的是，由于亮度軸是正交于所示平面圖，因此我們無法從圖中看到在亮度方向上色差敏感度的變化趨勢。但是，科學得出這樣的結論：在亮度為50左右的地方，人眼的色差敏感度達到很高，不論是沿著更高或者更低的亮度變化，敏感度都是逐步遞減的。

4) 在藍色區域內，人眼的分辨能力在方向上會有所改變。
從圖中我們可以看到，藍色區域的白色橢圓的主軸不像其他顏色一樣是從中心沿飽和度方向擴展。

這就引起了使用色差計測量與人眼視覺評估之間存在的差異。
從右圖中可以看到，用紅色圓圈表示的在CIE Lab（L*a*b*色空間）中評估色差的常用指數ΔE*ab，在各個飽和度及色調的條件下定義色差的方法都是一個圓圈。另外一個色差常用指數，在圖中用藍色矩形表示的Δa*b*，其在色度圖中定義色差的方法都是矩形，不論哪種定義方法、哪種形狀，都是與人眼的色差辨別臨界區（白色橢圓）有區別的。
因此，在我們評估同樣的兩種顏色的色差時，人眼與色差計計算結果有矛盾和差異的主要原因就在于判斷方法和定義形狀上的差異。

備注：此處使用的表示人眼色差辨別臨界區的白色橢圓圖片摘自由M.R. Luo, G. Cui和B. Rigg所撰寫的名為“The Development of the CIE 2000 Colour-Difference Formula: CIEDE2000”的論文中的Figure 1（圖1），該論文發表于2001年10月出版的第5期（第26卷）COLOR Research and Application（色彩研究與應用）刊物的第341頁，圖片的使用已獲得該期刊及作者的支持和同意。John Wiley & Sons, Inc享有期刊第341頁上Figure 1（圖1）的版權。

由于人眼與色差計在色度圖中不同位置的色彩評估方法和形狀上的差異，引起了許多色彩評定時測量數據與目測結論不匹配的問題，CIE 2000色差計算公式的提出，就是為了解決這個難題。
CIE 2000色差公式并不是創建了一個新的人眼辨別臨界區均勻的色空間，而是重新定義了色差計算方法，使得在整個CIE Lab（Lab色空間）中，色差計算值與人眼評估更為接近。新的色差公式在原色差計算公式基礎上，另外特別引用了三個新的重量系數SL，SC和Sh，分別表示了在亮度ΔL、飽和度ΔC和色調ΔH方向上的差異程度。顯然，這三個重量系數與亮度L、飽和度C及色調角h有關系。因此，新計算公式綜合了在CIE Lab（Lab色空間）中人眼的辨別臨界區的特征，并為與人眼評估密切相關的三個參數：1）飽和度、2）色調及3）亮度獨立設置了修正系數。有關特定計算公式的詳細介紹，請參閱“色彩術語”。

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