CIE

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顏色是一門(mén)很復(fù)雜的學(xué)科，它涉及到物理學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)和材料學(xué)等多種學(xué)科。顏色是人的大腦對(duì)物體的一種主觀感覺(jué)，用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述這種感覺(jué)是一件很困難的事?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多有關(guān)顏色的理論、測(cè)量技術(shù)和顏色標(biāo)準(zhǔn)，但是到目前為止，似乎還沒(méi)有一種人類感知顏色的理論被普遍接受。

RGB模型采用物理三基色，其物理意義很清楚，但它是一種與設(shè)備相關(guān)的顏色模型。每一種設(shè)備（包括人眼和現(xiàn)在使用的掃描儀、監(jiān)視器和打印機(jī)等）使用RGB模型時(shí)都有不太相同的定義，盡管各自都工作很圓滿，而且很直觀，但不能相互通用。

為了從基色出發(fā)定義一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色模型，1931年9月國(guó)際照明委員會(huì)在英國(guó)的劍橋市召開(kāi)了具有歷史意義的大會(huì)。CIE的顏色科學(xué)家們?cè)噲D在RGB模型基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)的方法從真實(shí)的基色推導(dǎo)出理論的三基色，創(chuàng)建一個(gè)新的顏色系統(tǒng)，使顏料、染料和印刷等工業(yè)能夠明確指定產(chǎn)品的顏色。會(huì)議所取得的主要成果包含：

1、 定義了標(biāo)準(zhǔn)觀察者（Standard Observer）標(biāo)準(zhǔn)：普通人眼對(duì)顏色的響應(yīng)。該標(biāo)準(zhǔn)采用想象的X,Y和Z三種基色，用顏色匹配函數(shù)（color-matching function）表示。顏色匹配實(shí)驗(yàn)使用2°的視野（field of view）；

2、定義了標(biāo)準(zhǔn)光源(Standard Illuminants）：用于比較顏色的光源規(guī)范；

3、定義了CIE XYZ基色系統(tǒng)：與RGB相關(guān)的想象的基色系統(tǒng)，但更適用于顏色的計(jì)算；

4、定義了CIE xyY顏色空間：一個(gè)由XYZ導(dǎo)出的顏色空間，它把與顏色屬性相關(guān)的x和y從與明度屬性相關(guān)的亮度Y中分離開(kāi)；

5、定義了CIE色度圖(CIE chromaticity diagram）：容易看到顏色之間關(guān)系的一種圖。

其后，國(guó)際照明委員會(huì)的專家們對(duì)該系統(tǒng)做了許多改進(jìn)，包括1964年根據(jù)10°視野的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，添加了補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)觀察者（Supplementary Standard Observer）的定義。

1976年國(guó)際照明委員會(huì)又召開(kāi)了一次具有歷史意義的會(huì)議，試圖解決1931的CIE系統(tǒng)中所存在兩個(gè)問(wèn)題：

1、該規(guī)范使用明度和色度不容易解釋物理刺激和顏色感知響應(yīng)之間的關(guān)系；

2、 XYZ系統(tǒng)和在它的色度圖上表示的兩種顏色之間的距離與顏色觀察者感知的變化不一致，這個(gè)問(wèn)題叫做感知均勻性(perceptual uniformity）問(wèn)題，也就是顏色之間數(shù)字上的差別與視覺(jué)感知不一致。

為了解決顏色空間的感知一致性問(wèn)題，專家們對(duì)CIE 1931 XYZ系統(tǒng)進(jìn)行了非線性變換，制定了CIE 1976 L*a*b*顏色空間的規(guī)范。事實(shí)上，1976年CIE規(guī)定了兩種顏色空間，一種是用于自照明的顏色空間，叫做CIELUV，另一種是用于非自照明的顏色空間，叫做CIE 1976 L*a*b*，或者叫CIELAB。這兩個(gè)顏色空間與顏色的感知更均勻，并且給了人們?cè)u(píng)估兩種顏色近似程度的一種方法，允許使用數(shù)字量ΔE表示兩種顏色之差。

CIE XYZ是國(guó)際照明委員會(huì)在1931年開(kāi)發(fā)并在1964修訂的CIE顏色系統(tǒng)（CIE Color System），該系統(tǒng)是其他顏色系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它使用相應(yīng)于紅、綠和藍(lán)三種顏色作為三種基色，而所有其他顏色都從這三種顏色中導(dǎo)出。通過(guò)相加混色或者相減混色，任何色調(diào)都可以使用不同量的基色產(chǎn)生。雖然大多數(shù)人可能一輩子都不直接使用這個(gè)系統(tǒng)，只有顏色科學(xué)家或者某些計(jì)算機(jī)程序中使用，但了解它對(duì)開(kāi)發(fā)新的顏色系統(tǒng)、編寫(xiě)或者使用與顏色相關(guān)的應(yīng)用程序都是有用的。

按照三基色原理，顏色實(shí)際上也是物理量，人們對(duì)物理量就可以進(jìn)行計(jì)算和度量。根據(jù)這個(gè)原理就產(chǎn)生了用紅、綠和藍(lán)單光譜基色匹配所有可見(jiàn)顏色的想法，并且做了許多實(shí)驗(yàn)。1931年國(guó)際照明委員會(huì)綜合了不同實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了RGB顏色匹配函數(shù)（color matching functions），其橫坐標(biāo)表示光譜波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示用以匹配光譜各色所需要三基色刺激值，這些值是以等能量白光為標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)，是觀察者實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。為了匹配在438.1 nm和546.1 nm之間的光譜色，出現(xiàn)了負(fù)值，這就意味匹配這段里的光譜色時(shí)，混合顏色需要使用補(bǔ)色才能匹配。雖然使用正值提供的色域還是比較寬的，但像用RGB相加混色原理的CRT雖然可以顯示大多數(shù)顏色，但不能顯示所有的顏色。

CIE 1931 RGB使用紅、綠和藍(lán)三基色系統(tǒng)匹配某些可見(jiàn)光譜顏色時(shí)，需要使用基色的負(fù)值，而且使用也不方便。由于任何一種基色系統(tǒng)都可以從一種系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到另一種系統(tǒng)，因此人們可以選擇想要的任何一種基色系統(tǒng)，以避免出現(xiàn)負(fù)值，而且使用也方便。1931年國(guó)際照明委員會(huì)采用了一種新的顏色系統(tǒng)，叫做CIE XYZ系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)采用想象的X，Y和Z三種基色，它們與可見(jiàn)顏色不相應(yīng)。CIE選擇的X，Y和Z基色具有如下性質(zhì)：

1、 所有的X，Y和Z值都是正的，匹配光譜顏色時(shí)不需要一種負(fù)值的基色；

2、用Y值表示人眼對(duì)亮度（luminance）的響應(yīng)；

3、 如同RGB模型，X，Y和Z是相加基色。因此，每一種顏色都可以表示成X，Y和Z的混合。

根據(jù)視覺(jué)的數(shù)學(xué)模型和顏色匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果，國(guó)際照明委員會(huì)制定了一個(gè)稱為 “1931 CIE 標(biāo)準(zhǔn)觀察者”的規(guī)范，實(shí)際上是用三條曲線表示的一套顏色匹配函數(shù)，因此許多文獻(xiàn)中也稱為“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)匹配函數(shù)”。在顏色匹配實(shí)驗(yàn)中，規(guī)定觀察者的視野角度為2度，因此也稱標(biāo)準(zhǔn)觀察者的三基色刺激值(tristimulus values）曲線。

CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)匹配函數(shù)中的橫坐標(biāo)表示可見(jiàn)光譜的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示基色X，Y和Z的相對(duì)值。三條曲線表示X，Y和Z三基色刺激值如何組合以產(chǎn)生可見(jiàn)光譜中的所有顏色。例如，要匹配波長(zhǎng)為450 nm的顏色（藍(lán)/紫），需要0.33單位的X基色，0.04單位的Y基色和1.77單位的Z基色。

計(jì)算得到的數(shù)值（X，Y，Z）可以用三維圖表示。圖中只表示了從400 nm （紫色）到700 nm （紅色）之間的三基色刺激值，而且所有數(shù)值都落在正XYZ象限的錐體內(nèi)。

可以看到：

1、所有的坐標(biāo)軸都不在這個(gè)實(shí)心錐體內(nèi)；

2、 相應(yīng)于沒(méi)有光照的黑色位于坐標(biāo)的原點(diǎn)；

3、曲線的邊界代表純光譜色的三基色刺激值，這個(gè)邊界叫做光譜軌跡（spectral locus）；

4、光譜軌跡上的波長(zhǎng)是單一的，因此其數(shù)值表示可能達(dá)到的最大飽和度；

5、所有的可見(jiàn)光都在錐體上。

CIE XYZ的三基色刺激值X，Y和Z對(duì)定義顏色很有用，其缺點(diǎn)是使用比較復(fù)雜，而且不直觀。因此，1931年國(guó)際照明委員會(huì)為克服這個(gè)不足而定義了一個(gè)叫做CIE xyY的顏色空間。

定義CIE xyY顏色空間的根據(jù)是，對(duì)于一種給定的顏色，如果增加它的明度，每一種基色的光通量也要按比例增加，這樣才能匹配這種顏色。因此，當(dāng)顏色點(diǎn)離開(kāi)原點(diǎn)（X=0,Y=0,Z=0）時(shí)，X:Y:Z的比值保持不變。此外，由于色度值僅與波長(zhǎng)（色調(diào)）和純度有關(guān)，而與總的輻射能量無(wú)關(guān)，因此在計(jì)算顏色的色度時(shí)，把X,Y和Z值相對(duì)于總的輻射能量=(X+Y+Z）進(jìn)行規(guī)格化，并只需考慮它們的相對(duì)比例，因此，x,y,z稱為三基色相對(duì)系數(shù)，于是配色方程可規(guī)格化為x+y+z=1。由于三個(gè)相對(duì)系數(shù)x,y,z之和恒為1，這就相當(dāng)于把XYZ顏色錐體投影到X+Y+Z=1的平面上。

由于z可以從x+y+z=1導(dǎo)出，因此通常不考慮z，而用另外兩個(gè)系數(shù)x和y表示顏色，并繪制以x和y為坐標(biāo)的二維圖形。這就相當(dāng)于把X+Y+Z=1平面投射到（X,Y）平面，也就是Z=0的平面，這就是CIE xyY色度圖。

在CIE xyY系統(tǒng)中，根據(jù)顏色坐標(biāo)（x,y）可確定z，但不能僅從x和y導(dǎo)出三種基色刺激值X，Y和Z，還需要使用攜帶亮度信息的Y，其值與XYZ中的Y刺激值一致。

CIE xyY色度圖是從XYZ直接導(dǎo)出的一個(gè)顏色空間，它使用亮度Y參數(shù)和顏色坐標(biāo)x,y來(lái)描述顏色。xyY中的Y值與XYZ中的Y刺激值一致，表示顏色的亮度或者光亮度，顏色坐標(biāo)x,y用來(lái)在二維圖上指定顏色，這種色度圖叫做CIE 1931色度圖(CIE 1931 Chromaticity Diagram）。例如一個(gè)點(diǎn)在色度圖上的坐標(biāo)是x=0.4832，y=0.3045，那么它的顏色與紅蘋(píng)果的顏色相匹配。

CIE 1931色度圖是用標(biāo)稱值表示的CIE色度圖，

x表示紅色分量，y表示綠色分量。E點(diǎn)代表白光，它的坐標(biāo)為（0.33，0.33）；環(huán)繞在顏色空間邊沿的顏色是光譜色，邊界代表光譜色的最大飽和度，邊界上的數(shù)字表示光譜色的波長(zhǎng)，其輪廓包含所有的感知色調(diào)。所有單色光都位于舌形曲線上，這條曲線就是單色軌跡，曲線旁標(biāo)注的數(shù)字是單色（或稱光譜色）光的波長(zhǎng)值；自然界中各種實(shí)際顏色都位于這條閉合曲線內(nèi)；RGB系統(tǒng)中選用的物理三基色在色度圖的舌形曲線上。