CIE

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顏色是一門很復雜的學科，它涉及到物理學、生物學、心理學和材料學等多種學科。顏色是人的大腦對物體的一種主觀感覺，用數學方法來描述這種感覺是一件很困難的事。現(xiàn)在已經有很多有關顏色的理論、測量技術和顏色標準，但是到目前為止，似乎還沒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，但它是一種與設備相關的顏色模型。每一種設備（包括人眼和現(xiàn)在使用的掃描儀、監(jiān)視器和打印機等）使用RGB模型時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)定義一種與設備無關的顏色模型，1931年9月國際照明委員會在英國的劍橋市召開了具有歷史意義的大會。CIE的顏色科學家們試圖在RGB模型基礎上，用數學的方法從真實的基色推導出理論的三基色，創(chuàng)建一個新的顏色系統(tǒng)，使顏料、染料和印刷等工業(yè)能夠明確指定產品的顏色。會議所取得的主要成果包含：

1、 定義了標準觀察者（Standard Observer）標準：普通人眼對顏色的響應。該標準采用想象的X,Y和Z三種基色，用顏色匹配函數（color-matching function）表示。顏色匹配實驗使用2°的視野（field of view）；

2、定義了標準光源(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相關的想象的基色系統(tǒng)，但更適用于顏色的計算；

4、定義了CIE xyY顏色空間：一個由XYZ導出的顏色空間，它把與顏色屬性相關的x和y從與明度屬性相關的亮度Y中分離開；

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

其后，國際照明委員會的專家們對該系統(tǒng)做了許多改進，包括1964年根據10°視野的實驗數據，添加了補充標準觀察者（Supplementary Standard Observer）的定義。

1976年國際照明委員會又召開了一次具有歷史意義的會議，試圖解決1931的CIE系統(tǒng)中所存在兩個問題：

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之間的關系；

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，這個問題叫做感知均勻性(perceptual uniformity）問題，也就是顏色之間數字上的差別與視覺感知不一致。

為了解決顏色空間的感知一致性問題，專家們對CIE 1931 XYZ系統(tǒng)進行了非線性變換，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。這兩個顏色空間與顏色的感知更均勻，并且給了人們評估兩種顏色近似程度的一種方法，允許使用數字量ΔE表示兩種顏色之差。

CIE XYZ是國際照明委員會在1931年開發(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。它使用相應于紅、綠和藍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出。通過相加混色或者相減混色，任何色調都可以使用不同量的基色產生。雖然大多數人可能一輩子都不直接使用這個系統(tǒng)，只有顏色科學家或者某些計算機程序中使用，但了解它對開發(fā)新的顏色系統(tǒng)、編寫或者使用與顏色相關的應用程序都是有用的。

按照三基色原理，顏色實際上也是物理量，人們對物理量就可以進行計算和度量。根據這個原理就產生了用紅、綠和藍單光譜基色匹配所有可見顏色的想法，并且做了許多實驗。1931年國際照明委員會綜合了不同實驗者的實驗結果，得到了RGB顏色匹配函數（color matching functions），其橫坐標表示光譜波長，縱坐標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準的系數，是觀察者實驗結果的平均值。為了匹配在438.1 nm和546.1 nm之間的光譜色，出現(xiàn)了負值，這就意味匹配這段里的光譜色時，混合顏色需要使用補色才能匹配。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顏色，但不能顯示所有的顏色。

CIE 1931 RGB使用紅、綠和藍三基色系統(tǒng)匹配某些可見光譜顏色時，需要使用基色的負值，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)負值，而且使用也方便。1931年國際照明委員會采用了一種新的顏色系統(tǒng)，叫做CIE XYZ系統(tǒng)。這個系統(tǒng)采用想象的X，Y和Z三種基色，它們與可見顏色不相應。CIE選擇的X，Y和Z基色具有如下性質：

1、 所有的X，Y和Z值都是正的，匹配光譜顏色時不需要一種負值的基色；

2、用Y值表示人眼對亮度（luminance）的響應；

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。

根據視覺的數學模型和顏色匹配實驗結果，國際照明委員會制定了一個稱為 “1931 CIE 標準觀察者”的規(guī)范，實際上是用三條曲線表示的一套顏色匹配函數，因此許多文獻中也稱為“CIE 1931標準匹配函數”。在顏色匹配實驗中，規(guī)定觀察者的視野角度為2度，因此也稱標準觀察者的三基色刺激值(tristimulus values）曲線。

CIE 1931標準匹配函數中的橫坐標表示可見光譜的波長，縱坐標表示基色X，Y和Z的相對值。三條曲線表示X，Y和Z三基色刺激值如何組合以產生可見光譜中的所有顏色。例如，要匹配波長為450 nm的顏色（藍/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。

計算得到的數值（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，而且所有數值都落在正XYZ象限的錐體內。

可以看到：

1、所有的坐標軸都不在這個實心錐體內；

2、 相應于沒有光照的黑色位于坐標的原點；

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

4、光譜軌跡上的波長是單一的，因此其數值表示可能達到的最大飽和度；

5、所有的可見光都在錐體上。

CIE XYZ的三基色刺激值X，Y和Z對定義顏色很有用，其缺點是使用比較復雜，而且不直觀。因此，1931年國際照明委員會為克服這個不足而定義了一個叫做CIE xyY的顏色空間。

定義CIE xyY顏色空間的根據是，對于一種給定的顏色，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，當顏色點離開原點（X=0,Y=0,Z=0）時，X:Y:Z的比值保持不變。此外，由于色度值僅與波長（色調）和純度有關，而與總的輻射能量無關，因此在計算顏色的色度時，把X,Y和Z值相對于總的輻射能量=(X+Y+Z）進行規(guī)格化，并只需考慮它們的相對比例，因此，x,y,z稱為三基色相對系數，于是配色方程可規(guī)格化為x+y+z=1。由于三個相對系數x,y,z之和恒為1，這就相當于把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導出，因此通常不考慮z，而用另外兩個系數x和y表示顏色，并繪制以x和y為坐標的二維圖形。這就相當于把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，根據顏色坐標（x,y）可確定z，但不能僅從x和y導出三種基色刺激值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直接導出的一個顏色空間，它使用亮度Y參數和顏色坐標x,y來描述顏色。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x,y用來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）。例如一個點在色度圖上的坐標是x=0.4832，y=0.3045，那么它的顏色與紅蘋果的顏色相匹配。

CIE 1931色度圖是用標稱值表示的CIE色度圖，

x表示紅色分量，y表示綠色分量。E點代表白光，它的坐標為（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，邊界上的數字表示光譜色的波長，其輪廓包含所有的感知色調。所有單色光都位于舌形曲線上，這條曲線就是單色軌跡，曲線旁標注的數字是單色（或稱光譜色）光的波長值；自然界中各種實際顏色都位于這條閉合曲線內；RGB系統(tǒng)中選用的物理三基色在色度圖的舌形曲線上。