第三章 CIE色度学体系。

光谱轨迹
CIE1931-RGB系统色品图及(R)、(G)、(B)向(X)、(Y)、(Z)的转换
注意：出现了负的三刺激值与色品坐标值 加入待匹配色一侧视场的原色数量为负值。
CIE1931-RGB系统的光谱三刺激值 r , g , b 是由实验获得的，代表了视觉的光谱特性，本 来可以用于色度计算，但由于光谱三刺激值与 色品坐标都出现了负值，计算起来不方便，又 不易理解，因此，1931年CIE讨论推荐了一个 新的国际通用色度系统—CIE1931-XYZ系统。
三刺激值单位的确定：
选某一特定波长的红、 绿、蓝三原色去进行混 合，直到三原色光以适 当比例匹配标准白光， 我们将此时的三原色数 量均定为一个单位(R)、 (G) 、(B)。 即匹配标准白光时三 原色的数量R、G、B( 三刺激值)相等， R=G=B=1。
三、光谱三刺激值
（spectral tristimulus values）
• 这一系统称为“CIE1964补充标准色度系统”，也叫作 10°视场X10Y10Z10色度系统。 •CIE1964补充标准色度系统三刺激值记作X10，Y10， Z10。
在色度测量与计算中要根据观察视场的大小 选择CIE1964或CIE1931标准色度观察者数据来 代表人眼的平均颜色视觉特性。
三刺激值
• 选择三原色：
700nm(R)、546.1nm(G)、435.8nm(B) • 确定三原色单位：
将相加匹配出等能白光(E光源)时三原色 各自的数量定为三原色的单位。即从色彩角度， 三原色等量（R=G=B=1)混合得到白光。
白光色品r=g=b=1/(1+1+1)=0.33
三原色单位亮度比：Lr:Lg:Lb=1.000:4.5907:0.0601
CIE1931-RGB系统标准色度观察者 光谱三刺激值曲线
0.4 b(λ)
r(λ)
三 刺 0.2 激 值
g(λ)
λ(nm)
光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系式
r g b
r （ ） r （ ） g （ ） b （ ） g （ ） r （ ） g （ ） b （ ） b （ ） r （ ） g （ ） b （ ）
G
C
R
B
二、颜色匹配方程
C (C ) R( R) G(G ) B( B)
“≡”表示颜色相互匹配 C(C)代表该颜色的矢量 C代表矢量的长度 ，(C)代表矢量的方向； (R) 、(G) 、(B)代表三原色，是三个坐标轴方向 上的单位矢量， R、G、B是三刺激值，为代数量，是(R) 、(G) 、(B)三 个坐标轴方向的分量。
x y 1.1302 1.6387r 0 .6215g 6 .7846 3 .0157r 0 .3857g 0 .0601 0 .9399r 4 .5306g 6 .7846 3 .0157r 0 .3857g
光谱三刺激值
r , g , b
φ(λ)——颜色刺激的光谱分布 k——归化常数
——计算所用的波长间隔
四、色品坐标和色品图
三原色各自在R+G+B总量中的相对比 例叫做色品坐标，用符号r，g，b来表示。
（chromaticity coordinates）
色品坐标与 三刺激值关系式
r=R/(R+G+B)
g=G/(R+G+B) b=B/(R+G+B)=1-r-g
观察者 观察者
波长（ｎｍ）
CIE色品图
3.3 CIE色度计算方法
颜色视觉产生过程四要素作用已 经量化，可以计算颜色了！ 光源—— S 物体—— 或 人眼+大脑—— x , y , z 或
x10 , y10 , z10
Yxy立体图
3.2.3CIE1964补充标准色度系统
（CIE 1964 supplementary standard colorimetric system） 在大面积视物观察条件下(>4°)，由于杆体 细胞的参与以及没有了中央凹黄色素的影响， 颜色视觉会发生一定的变化。主要表现为饱和 度的降低及颜色视场出现不均匀的现象。实验 表明：人眼用小视场观察颜色时，颜色差异辨 别力较低。当观察视场从2°增大到10°时， 颜色匹配的精度也随之提高。但视场再进一步 增大，颜色匹配精度的提高就不大了。
三原色可以任意选取，只要三原色中任何一种原色 不能由其余两种原色相混合得到就可以。
颜色匹配实验中，当与待测色达到色 匹配时所需要的三原色的数量，称为三 刺激值，记作R、G、B。
通过颜色匹配实验获取表示颜色的 三刺激值，这就是CIE标准色度系统的 基本出发点。
颜色空间
一种颜色与一组R、 G、B值相对应，R、G、 B值相同的颜色，颜色感 觉(外貌)必定相同。
Ｙ——亮度因数
CIE1931标准色度系统的三刺激值以X、Y、 Z表示，三种原色由于选择时的考虑，只有Y值 既代表色品又代表亮度，又称为亮度因数，而X、 Z只代表色品，与亮度无关。
所以 y(λ)函数曲线与明视觉光谱光视效率 V(λ)一致，即 y(λ)= V(λ)。
Yxy表色方法
在使用数字描述 颜色时，常采用 Yxy 表色方法，即采用色 品坐标 x，y 表示颜色 的色度特征，用亮度 因数 Y 表示颜色的亮 度特征，这样该颜色 的外貌就能完全唯一 地确定下来。
第三章 CIE色度学体系
颜色是光作用于人眼后所形成的神经反应， 不是单纯的物理量，想要将颜色感觉定量描述很 不容易，它与照明条件、观察条件、视觉生理、 视觉心理、文化习俗、经验习惯等等均有关系， 长久以来，科学家们一直在探索将颜色感觉以确 定唯一的一组数据准确表达的方法。
CIE标准色度系统
（CIE standard colorimetric system）
CIE1931 色品图
色品图可用来表 示所有颜色的色度特 性。色品图中心为白 点（非彩色点），光 谱轨迹上的点代表不 同波长的光谱色，是 饱和度最高的颜色， 越接近色品图中心 （白点），颜色的饱 和度越低。围绕色品 图中心不同的角度， 颜色的色调不同。
颜色光谱由来
CIE1931标准色度观察者的数据适用于2°视场 的中央视觉观察条件(视场范围1°-4°)，以此代 表人的平均颜色视觉特性。
白屏 红
2°
绿
蓝
匹配人类视觉 响应
观察者
2°
2°
等能光谱色 等能白光 挡屏
2°
颜色视觉特性
2°视场下用上述选定三原色匹配等能光谱色的 R、G、B三刺激值，用光谱三刺激值 r , g , b 来表示 ，这一组函数叫做“CIE1931-RGB系统标 准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE1931RGB系统标准色度观察者”。以此来代表人眼2° 视场的平均颜色视觉特性。

S(λ)
z(λ) y(λ)
x(λ)
3.3.1三刺激值与色品坐标的计算
光源或物体的颜色是由进入眼睛的不同波长 的光混合而成的感觉。我们把进入眼睛的光能量 随波长的分布称为颜色刺激函数 。
照明体或光源 （自发光体） S 透明物体 （透射物体） 非透明物体（反射物体）
3.2.2. CIE1931标准色度系统
（CIE standard colorimetric system）
1931年CIE在RGB系统的基础上，改用三个 假想的原色X、Y、Z建立了一个新的色度系统。
G 1.1302B X 2.7689R 1.7517 G 0.0601B Y 1.0000R 4.5907 Z 0.0565 G 5.5943B
匹配等能光谱中各单色光所需的三原色数 量称为光谱三刺激值，又称为颜色匹配函数， 用符号ｒ，ｇ，ｂ 表示。 （读作r bar……） 或 r ( ), g( ), b ( ) 单色光的颜色方程：
C( )(C) r ( )(R) g ( )(G) b ( )(B)
[380nm,780nm]
任意颜色刺激的三刺激值
任意色光都是由单色光组成的，可以 理解为都是混合色光，那么如果各单色光 的光谱三刺激值预先测得，根据混色原理 就能计算出该色光的三刺激值来。
R k ( )r ( ) G k ( ) g ( ) B k ( )b ( )
在综合了一些颜色科学家的研究和实 验基础上，国际照明委员会(CIE)规定了一 套标准色度系统，称为CIE标准色度系统 这一系统是近代色度学的基本组成部分， 是色度计算的基础，也是彩色复制的理论 基础之一。
CIE标准色度学系统特点： 1.是一种混色系统，以颜色匹配实验 为出发点建立起来的。 2.用组成每种颜色的三原色数量来定 量表达颜色。 3.不是用颜色的三个色貌特征明度、 色调、彩度（饱和度）的大小为度 量来表示颜色。
x , y , z
称为“CIE1931标准色度观察者光谱刺激值” 简称“CIE1931标准色度观察者”
这一系统叫做“CIE1931标准色度系统” 或“CIE1931-XYZ”系统。
z(λ) 1.5
三 刺 激 值
பைடு நூலகம்
1.0
y(λ)
x(λ)
0.5
400
500
600
700
λ(nm)
CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线图
为了适应大视场颜色测量的需要，
• CIE在1964年又规定了一组“CIE1964补充标准色度观 察者光谱三刺激值”， x10 , y10 , z10 简称为“CIE1964补充标准色度观察者”， （CIE 1964 supplementary standard colorimetric observer）
S
S
而人眼对不同波长的颜色刺激感觉强 度不同，只有φ (λ)与该波长的CIE光谱三 刺激值的乘积才是由这个波长的颜色刺激所 引起的颜色感觉。根据颜色相加原理，总的 颜色感觉应是各波长颜色感觉的总和。因此， 三刺激值的计算公式为：
色品图（Chromaticity diagram）
以色品坐 标r，g表示 的平面图称 为色品图
标准白光(W)
R 1 r 0.33 R G B 111 G 1 g 0.33 R G B 111 B b 1 r g 0.33 RG B
3.1颜色匹配（colour matching） 3.1.1 颜色匹配实验
把两种颜色调节到视觉上相同或相等 的过程叫作颜色匹配。
颜 色 匹 配 实 验
3.1.2 三刺激值和颜色匹配方程
一、三刺激值（tristimulus values）
在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意颜 色的三种颜色叫做三原色 。 primary color 原色 通常加色混色中使用红、绿、蓝三种颜色光 为三原色是为了得到最多的混合色。因为视网膜 上的锥体细胞只含有红、绿、蓝三种感色物质。
X k x d X 10 k10 x10 d Y10 k10 y10 d Y k y d Z k z d Z10 k10 z10 d
λ范围取380-780nm
在实际计算中，用求和来近似积分，求 和的表达式为：
3.2 CIE标准色度系统
现代色度学采用CIE所规定的一系列颜色测 量原理、条件、数据和计算方法，称为CIE标准 色度系统。这一色度系统以两组基本颜色视觉 实验数据为基础：
•CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值
（1°-4°视场）
•CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值
（>4°视场）
3.2.1 CIE1931-RGB系统