CIE颜色标准

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发表于 2008-9-11 08:55 | 只看该作者
[知识] CIE 标准 CIE 是什么 CIE1931 CIE 颜色系统 CIE 标准, CIE 是什么, CIE1931, CIE 颜色系统 CIE （国际发光照明委员会）：原文为Commission Internationale de L'Eclairage （法）或International Commission on Illumination （英）。

这个委员会创建的目的是要建立一套界定和测量色彩的技术标准。

可回溯到1930年，CIE 标准一直沿用到数字视频时代，其中包括白光标准（D65）和阴极射线管（CRT ）内表面红、绿、蓝三种磷光理论上的理想颜色。

CIE 的总部位于奥地利维也纳。

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发表于 2008-9-11 08:58 | 只看该作者
CIE1931色彩空间
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在颜色感知的研究中，色彩空间的第一个数学定义就是CIE 1931 XYZ 色彩空间(也叫做CIE
1931 色彩空间)，由国际照明委员会(CIE)于1931年创立。

CIE XYZ 色彩空间是从1920 年代后期W. David Wright (Wright 1928) 和John Guild (Guild
1931) 做的一系列实验中得出的。

他们的实验结果并合并入了CIE RGB 色彩空间的规定中，CIE
XYZ
目录[隐藏]
1 三色刺激值
2 CIE xy 色度图
3 CIE XYZ 色彩空间定义
3.1 实验结果— CIE RGB 色彩空间3.2 Grassmann 定律
3.3 从Wright–Guild 数据构造CIE XYZ 色彩空间
4 问题和解决
5 引用
6 参见
7 外部链接
[编辑] 三色刺激值人类眼睛有对于短(S)、中(M)和长(L)波长光的感受器(叫做锥状细胞)。

所以在
原理上，三个参数描述了颜色感觉。

对每个颜色关联上三个数(或三色刺激值)的任何特定方法都
叫做一个色彩空间；CIE 1931 色彩空间是这种色彩空间之一。

但是CIE XYZ 色彩空间是特殊的，
因为它基于人类颜色视觉的直接测定，并充当定义很多其他色彩空间的基础。

在CIE XYZ 色彩空间中，三色刺激值不是人类眼睛的S、M 和L 刺激，而是叫做X、Y 和Z
的一组三色刺激值，它们分别粗略的是红色、绿色和蓝色，并使用CIE 1931 XYZ 颜色匹配函数
来计算。

由不同的各种波长光混合而成的两个光源可以表现出同样的颜色。

这叫做metamerism。

当两个光源对标准观察者(CIE 1931 标准色度观察者)有相同的视现颜色的时候，它们有同样的三
色刺激值，而不管生成它们的是何种光的频谱分布。

[编辑] CIE xy 色度图
CIE 1931 色彩空间色度图。

外侧曲线边界是光谱(或单色)光轨迹，波长用纳米标记。

注意描绘的颜色依赖于显示这个图象的设备的色彩空间，没有设备能有足够大色域来在所有位置上提供精确的色度表现。

因为人类眼睛有响应不同波长范围的三种类型的颜色传感器，所有可视颜色的完整绘图是三维的。

但是颜色的概念可以分为两部分: 明度和色度。

例如，白色是明亮的颜色，而灰色被认为是不太亮的白色。

换句话说，白色和灰色的色度是一样的，而明度不同。

CIE XYZ 色彩空间故意设计得Y 参数是颜色的明度或亮度的测量。

颜色的色度接着通过两个导出参数x 和y 来指定，它们是所有三个三色刺激值X、Y 和Z 的函数所规范化的三个值中的两个:
导出的色彩空间用x, y, Y 来指定，它叫做CIE xyY 色彩空间并在实践中广泛用于指定颜色。

X 和Z 三色刺激值可以从色度值x 和y 与Y 三色刺激值计算回来:
右侧的图象展示了相对色度图。

外侧曲线边界是光谱轨迹，波长用纳米标记。

注意这个色度图是指定人类眼睛如何体验给定频谱的光的工具。

它不能指定物体的牙色(或印刷墨水)，因为在观察物体的时候看到的色度还依赖于光源。

数学上，x 和y 是投影坐标，色度图的颜色占据了实投影平面的一个区域。

色度图展示了CIE XYZ 色彩空间一些有趣性质:
色度图展示了对一般人可见的所有色度。

这个用颜色展示的区域叫做人类视觉的色域。

在CIE 绘图上所有可见色度的色域是用颜色展示的马蹄铁形状。

色域的曲线边界叫做“光谱轨迹”并对应于单色光，波长用纳米标记。

色域底下的直线边界叫做“紫线”，这些颜色尽管在色域的边界上，但没有匹配的单色光。

更少饱和的颜色位于图形内部而白色位于中央。

所有可见色度对应于x、y 和z 的非负值(因此对应于X、Y 和Z 的非负值)。

如果你在色度图上选择了任何两点，则位于这两点之间直线上任何颜色都可以用这两个颜色混合
出来。

这得出了色域的形状必定是凸形的。

混合三个光源形成的所有颜色都可以在色度图内的源点形成的三角形内找到(对于多个光源也如是)。

两个同等明亮颜色的等量混合一般不位于这个线段的中点。

用更一般术语说，在xy 色度图上距离不对应于两种颜色之间的差别程度。

设计了其他色彩空间(特别是CIELuv 和CIELab)来满足这个问题。

给定三个真实光源，这些光源不能覆盖人类视觉的色域。

几何上说，在色域中没有三个点可以形成包括整个色域的三角形，更简单的说，人类视觉的色域不是三角形。

平直能量频谱的光对应于点(x,y) = (1/3,1/3)。

[编辑] CIE XYZ 色彩空间定义
[编辑] 实验结果— CIE RGB 色彩空间CIE RGB 色彩空间是RGB 色彩空间之一，以单色(单一波长)原色的特定集合著称。

在1920 年代，W. David Wright (Wright 1928) 和John Guild (Guild 1931) 独立进行了一系列人类视觉实验，提供了CIE XYZ 色彩空间规定的基础。

CIE RGB 原色的色域和原色在CIE 1931 xy 色度图上的位置。

实验使用2 度视角的圆形屏幕。

屏幕的一半投影上测试颜色，另一半投影上观察者可调整的颜色。

可调整的颜色是三种原色的混合，它们每个都有固定的色度，但有可调整的明度。

观察者改变三种原色光的明度直到观察到混合的颜色匹配了测试颜色。

不是所有颜色都可使用这种技术匹配。

当没有匹配的时候，可变数量的一种原色被增加的测试颜色上，用余下两种原色混合与它匹配。

对于这种情况，增加到测试颜色上原色的数量被认为是负值。

通过这种方式，可以覆盖完整的人类颜色感知。

当测试颜色是单色的时候，可以把使用的每种原色的数量绘制为测试颜色的波长的函数。

这三个函数叫做这个特定实验的“颜色匹配函数”。

CIE 1931 RGB 颜色匹配函数。

颜色匹配函数是匹配水平刻度标示的波长的单色测试颜色所需要的原色数量。

尽管Wright 和Guild 的实验使用了各种强度的各种原色，和一些不同的观察者，所有他们的结果都被总结为标准CIE RGB 颜色匹配函数, 和，它们是通过使用标准波长为700 nm(红色)、546.1 nm(绿色)和435.8 nm(蓝色)的三种单色原色获得的。

颜色匹配函数是匹配单色测验颜色所需要的原色的数量。

这些函数展示于右侧的(CIE 1931)绘图中。

注意和
在435.8nm 处为零，和在546.1nm 处为零，而和在700 nm 处为零，因为在这些情况下测试颜色是原色之一。

选择波长546.1 nm 和435.8 nm 的原色是因为它们是容易再生的水银蒸气放电的色线。

1931 年选择的700 nm 波长难于再生为单色光束，选择它是因为眼睛的颜色感知在这个波长相当不变化，所以在这个原色波长上的小误差将对结果有很小的影响。

经过CIE 的特别委员会的深思熟虑之后确定了颜色匹配函数和原色(Fairman 1997)。

在图的短波和长波的侧的取舍点某种程度上是随意选择的；人类眼睛实际上能看到波长直到810 nm 的光，但是敏感度要数千倍低于绿色光。

定义的这些颜色匹配函数叫做“1931 CIE 标准观察者”。

注意胜过指定每种原色的明度，这种曲线通常规范化为在其下有固定的面积。

这个面积按如下规定而固定为特定值
结果的规范化颜色匹配函数经常对源照
度按r:g:b 比率1:4.5907:0.0601 缩放、和为源辐射功率按比率72.0962:1.3791:1 缩放来重新生成真正的颜色匹配函数。

通过提议标准化原色，CIE 建立了客观颜色表示法的一个国际系统。

给定这些缩放了颜色匹配函数，带有频谱功率分布I(λ) 的一个颜色的RGB 三色刺激值给出为:
这些都是内积，并可以被认为是无限维频谱到三维颜色的投影。

[编辑] Grassmann 定律你可能会问:“为什么可以使用不同原色和它们的不同实际使用强度来总结Wright 和Guild 的结果?”还可能问: “要匹配的测试颜色不是单色会怎样?”。

对这两个问题的答案在于人类色彩感知的(几乎)线性。

这种线性被表达为Grassmann 定律。

CIE RGB 空间可以被用来以常规方式定义色度: 色度坐标是r 和g:
[编辑] 从Wright–Guild 数据构造CIE XYZ 色彩空间在使用CIE RGB 颜色匹配函数开发了人类视觉的RGB 模型之后，特殊委员会的成员希望开发出与CIE RGB 色彩空间有关的另一个色彩空间。

它假定Grassmann 定律成立，这个新空间通过线性变换而有关于CIE RGB 空间。

新空
间将以三个新颜色匹配函数来定义: 、和。

带有频谱功率分布I(λ) 的颜色的对应的XYZ 三色刺激值为给出为:
在CIE rg 色度图中展示规定CIE XYZ 色彩空间的三角形构造。

三角形Cb-Cg-Cr 就是在CIE xy 色度空间中的xy=(0,0),(0,1),(1,0) 三角形。

连接Cb 和Cr 的直线是alychne。

注意光谱轨迹通过rg=(0,0) 于435.8 nm，通过rg=(0,1) 于546.1 nm，通过rg=(1,0) 于700 nm。

还有，均等能量点(E) 位于rg=xy=(1/3,1/3)。

选择这个新色彩空间是因为它有如下性质:
新颜色匹配函数在所有地方都大于等于零。

在1931 年，计算是凭借手工或滑尺进行的，正值的规定有用于计算简化。

颜色匹配函数精确的等于“CIE 标准适应光观察者”(CIE 1926)的适应光发光效率函数V(λ)。

它是描述感知明度对波长的变换的亮度函数。

亮度函数可以构造为RGB 颜色匹配函数的线性组合的事实是没有任何方式来保证的，但是被认为几乎是真实的，因为人类视觉的几乎线性本质。

还有，这个要求的主要原因是计算简单。

对于恒定能量白点，要求为x = y = z = 1/3。

由于色度定义和要求x 和y 为正值的优势，可以在三角形[1,0], [0,0], [0,1] 内见到所有颜色的色域。

在实践中必须把色域完全的充入这个空间中。

可以在650 nm 处被设置为零而仍保持在实验误差范围内。

为了计算简单规定可以这样做。

用几何术语说，选择新色彩空间等于在rg 色度空间中选择一个新三角形。

在右侧的图形中，rg 色
度坐标展示在两个黑色轴上，还有1931 标准观察者的色域。

展示为上述要求所确定的是红色CIE xy 色度轴。

要求XYZ 坐标非负意味着Cr, Cg, Cb 形成的三角形必须包围标准观察者的整
个色域。

连接Cr 和Cb 的直线由函数等于亮度函数的要求来确定，它叫做alychne。

函数在650 nm 处为零的要求意味着连接Cg 和Cr 的直线必须是Kr 区域内的色域的切线。

这定义了点Cr 的位置。

均等能量点定义自x = y = 1/3 的要求对连接Cb 和Cg 的直线做了限制，最后，色域充入空间的要求对此线作了第二个限制，它要非常靠近在绿色区域的色域，这规定了Cg 和Cb 的位置。

上面描述的变换是从CIE RGB 空间到XYZ 空间的线性变换。

CIE 特殊委员会确定了标准变换如下:
在380 nm 到780 nm 之间的(间隔 5 nm) CIE 1931 标准色度观察者XYZ 函数
要求 3 确定了XYZ 颜色匹配函数的积分必须相等，可通过要求2 确定的适应光发光效率函数的积分得到它。

必须注意到制表的敏感度曲线有一定量的任意性在其中。

单独的X、Y 和Z 敏感度曲线可以按合理的精度测量。

但是整体的光度曲线(它事实上是这个三个曲线的加权和)是主观的，因为它涉及到问测试人两个光源是否有同样的明度，即使它们是完全不同的颜色。

同样的，X、Y 和Z 的曲线的相对大小(magnitude)也是任意的。

你也可以定义有两倍幅值的X 敏感度曲线的有效色彩空间。

这个新色彩空间将有不同的形状。

CIE 1931 和1964 XYZ 色彩空间的敏感度曲线被缩放为有相同的曲线下面积。

[编辑] 问题和解决
1924 发光效率函数V(λ) (CIE 1926)严重的低估了在460 nm 波长下的敏感度。

Judd (1951) 和V os (1978) 提议了一个修改版本的发光效率函数，这也给出了一组新的XYZ 颜色匹配函数。

参见Stiles 与Burch (1955)。

CIE 1964 标准观察者颜色匹配函数是为10 度视角定义的。

它们是从Stiles 与Burch (1959)，和Speranskaya (1959) 的工作得出的。

1931 标准观察者视角是2 度。

对于10 度实验，指导观察者忽略中心2 度斑点。

推荐对多于4 度视角使用1964 增补标准观察者。

CIE 1931 色彩空间的一个问题是它没有给出估量颜色差别的直接方式。

希望在色度图上距离能对应于在两个颜色之间的差别程度。

测量两个颜色之间的差别的想法是D.L. MacAdam 开发的并总结于MacAdam 椭圆的概念中。

基于MacAdam 的工作，在1960 年开发了CIE L*u*v* 色彩空间，它后来被CIE L*a*b* 色彩空间所替代，二者都设计为在颜色空间中相等的距离对应于相等
的MacAdam 所测量的颜色差别。

尽管它们比CIE 1931 系统有明显的改进，它们没有完全免除
扭曲。

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