第6章颜色的度量体系.doc

第6章 颜色的度量体系第6章 颜色的度量体系问题1为什么在本教材的第2版中增加有关颜色的两章内容？答：首先是因为应用的需要。随着计算机科学与应用技术的飞速发展，人机交互技术，多媒体技术，虚拟现实技术等相关领域的研究广泛展开，它们依托的图形显示、图像处理、模式识别等技术都与颜色科学有深刻的联系。理解颜色科学对开发多媒体技术有很大帮助。例如图形、图像和电视技术都需要够比较系统和深入的颜色科学基础，在基于图像内容的检索等研究领域，颜色也是一个非常重要的特征。2什么是颜色空间？常用的颜色空间有哪些？答：颜色空间是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定和产生颜色，使颜色形象化。常用的颜色空间有RGB、CMYK、La*b*、HIS、HSV、HSB、YIQ、YUV、YCrCb等等。3各种颜色空间的特点是什么？用在什么地方？4你最了解的颜色空间是什么？你使用过或将来的研究中可能使用的颜色空间是什么？5研究颜色科学的工具书、中外文期刊、工具软件、网站、大学、研究室或者公司有那些？颜色是一门很复杂的学科，它涉及到物理学（光学属于物理学，理所当然）、生物学（用眼睛看）、心理学（颜色是人的主观感觉，各人不同）和材料学（物质）等多种学科。颜色是人的大脑对物体的一种反映，是人的一种感觉，而这种感觉又是带有极端的主观性，因此用数学方法来描述这种感觉可能是一件很困难的事。现在已经有许多有关颜色的理论、测量技术和颜色标准，但好像还没有一种人类感知颜色的理论普遍被接受，因此还需要我们继续努力探讨。由于颜色科学的历史比较长，随着科学技术的进步，度量颜色的方法也越来越多。而且也经常遇到使用多个字面上不同的术语来描述同一个颜色特性，初学者（包括笔者）在阅读这类文献时往往感到比较混乱。本章将人们对颜色的认识和度量等方面所取得的进步作一些介绍。（葛：清华的林福宗老师非常严谨，非常谦虚，非常务实。此段也让我们体会的颜色科学的深奥和困难）61颜色科学简史在1666年，23岁的Isaac Newton(16421727)就开始研究颜色。牛顿利用棱镜进行了著名的光学实验，他将太阳光分解成赤橙黄绿青篮紫的单色光，又将多种单色光合成白光，从而证明了每一种颜色和它相邻颜色之间的关系，把红色和紫色首尾相接就形成了一个圆，这个圆称为色圆(color circle)或者称为色轮(color wheel)，如图61所示。人们为纪念他所作的贡献，把这种颜色圆称为牛顿色圆(Newton color circle)。牛顿色圆为揭示红 (red，R)、绿（green，G）和蓝(blue，B)相加混色奠定了基础。牛顿发明的颜色圆是度量颜色的一种方法。牛顿颜色圆用圆周表示色调，圆的半径表示饱和度，它可方便地用来概括相加混色的性质。例如，R，G，B是相加基色，R+G=Y红+绿=黄R+B=M红+蓝=品红B+G=C蓝+绿=青R+G+B=W红+绿+蓝=白C，M，Y是相减基色W -R=C白-红=青W -G= M白-绿=品红W -B= Y白-蓝=黄 W -R-G-B=K白-红-绿-蓝=黑R，G，B的互补色是C，M，Y，图6l显示了它们之间的关系。通过实验，牛顿还揭示了一个重要的事实：白光包含所有可见光谱的波长，并用棱镜演示了这个事实。“红外热波无损检测技术在复合材料研究中的应用”国家863计划项目中采用的红外热像仪的红外波长为8微米，也可以实验3-12微米。“THz(太赫兹)电磁波段的物理、器件及应用研究” 国家自然科学基金重大项目中研究的THz辐射通常指的是波长在1mm33mm区间(300GHz10THz)的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。近十几年来超快激光技术的迅速发展，极大地促进了THz辐射的机理研究、检测技术和应用技术的发展。这一曾被称为THz空白的电磁波段领域，近几年来取得了许多进展，成为一个引人注意的前沿领域。P88。在1802年，Thomas Young(17731829)认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收器。19世纪60年代，Maxwell，JamesClerk(18311879)探索了三种基色的关系，并且认识到三种基色相加产生的色调不能覆盖整个感知色调的色域，而使用相减混色产生的色调却可以。他认识到彩色表面的色调和饱和度对眼睛的敏感度比明度低。Maxwell的工作，可被认为是现代色度学的基础。人们发现Young的看法非常重要。根据这种看法，使用三种基色相加可产生范围很宽的颜色。其后，Hermannvon Helmholtz(18211894)把这个想法用于定量研究，因此有时把他们的想法称为YoungHelmholtz理论。P88。在20世纪20年代，人们对科学家们提出的理论进行了详细的实验。实验表明，红、绿和蓝相加混色的确能够产生某个色域里的所有可见颜色，但不能产生所有的光谱色(单一波长构成的颜色)，尤其是在绿色范围里。后来已经发现，如果加入一定量的红光，所有颜色都可以呈现，并用三色激励值(tristimulusvalues)表示R，G，B基色，但必须允许红色激励值为负值。（此段解释为什么图6-10中为了产生光谱色，要加入负的红色即补色“青” 的原因。查遍近20本图像、图形和颜色的书籍，这是第1次。葛030410）。在1931年，国际照明委员会(Commission Internationale de lclairageInternational Commissiononlllumination，CIE)定义标准颜色体系时，规定所有的激励值应该为正值，并且都应该使用x和y两个颜色坐标表示所有可见的颜色。现在大家熟悉的CIE色度图 (CIEchromaticitydiagram)就是用xy平面表示的马蹄形曲线，它为大多数定量的颜色度量方法奠定了基础。长期以来，眼睛中的不同锥体对颜色的吸收性能一直是一种猜想，直到1965年前后人们才做详细的生理学实验进行验证。实验的结果验证了Thomas Young的假设，在眼睛中的确存在三种不同类型的锥体。（！，这与许多书籍中都说的不同，都说是“假说”而不是实体。葛）62描述颜色的几个术语621什么是颜色从物理学角度来说，人们认为颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的频率决定。光波是一种具有一定频率范围的电磁辐射，其波长覆盖的范围很广。电磁辐射中只有一小部分能够引起眼睛的兴奋而被感觉，其波长在380780 nm的范围里。眼睛感知到的颜色和波长之间的对应关系如图62所示。纯颜色通常使用光的波长来定义，用波长定义的颜色叫做光谱色(spectral colors)。人们已经发现，用不同波长的光进行组合时可以产生相同的颜色感觉。（这是计算机、电视机、图形学和图像处理的多领域多学科的理论和设备的最重要的基础之一。可以采用空间混色如CRT和电视，时间混色如旋转。葛）虽然人们可以通过光谱功率分布来精确地描述颜色，也就是用每一种波长的功率(占总功率的一部分)在可见光谱中的分布来描述。但因为眼睛对颜色的采样仅用相应于红、绿和蓝3种锥体细胞，因此这种描述方法就产生了很大冗余。这些锥体细胞采样得到的信号通过大脑产生不同颜色的感觉，这些感觉由国际照明委员会(CIE)作了定义，用颜色的3个特性来区分颜色。这些特性是色调，饱和度和明度，它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性。这是Photoshop 颜色拾取器，左边方框的横轴为饱和度，从左至右0-100%。纵轴为亮度，从下至上0-100%。右边的彩色竖条为色调（色相），从下至上0-359度。亮度I 白(255)色调Hue (0-359) 黑(0)色调，饱和度和亮度的关系饱和度Sat (0-255)622色调色调(hue)又称为色相（因为色调是色圆中的一个角度），指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。色调是视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉。对颜色的感觉实际上就是视觉系统对可见物体辐射或者发射的光波波长的感觉。这种感觉就是与红、绿和蓝3种颜色中的哪一种颜色相似，或者与它们组合的颜色相似。色调取决于可见光谱中的光波的频率，它是最容易把颜色区分开的一种属性（但不是唯一的，饱和度和亮度也可以改变颜色，如低亮的黄为棕色。葛）。色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛（靛：深兰色，由蓝和紫混合而成。现代汉语词典）、紫等术语来刻画。苹果是红色的，这红色便是一种色调，它与颜色明暗无关。（不同意，“红”降低亮度后为“棕”，降低饱和度后为“粉”。参看上图。葛）色调的种类很多，如果要仔细分析，可有1000万种以上，但普通颜色专业人士可辨认出的颜色大约可达300400种。黑、灰、白则为无色彩。（无色彩在实际操作中其色调值有可能为任意数，这时判断无色的标准是饱和度值为0。葛），色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫(red，orange，yellow，green，cyan，blue，indigo，violet，ROYGBIV)。在这个次序中，当人们混合相邻颜色时，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调。色调在颜色圆上用圆周表示，圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度，但它们的色调不同，如图63所示。用于描述感知色调的一个术语是色彩(colorfulness)。色彩是视觉系统对一个区域呈现的色调多少的感觉。例如，是浅蓝还是深蓝的感觉。Hue is the color reflected from or transmitted through an object. It is measured as a location on the standard color wheel, expressed as a degree between 0 and 360. In common use, hue is identified by the name of the color such as red, orange, or green.（Photoshop help）色调 是由物体反射或穿过物体的颜色。它由标准色轮上的位置进行测量，它表示为0至360度。一般应用中，色调被称为红、黄、绿等的颜色名。色调在图像分割、图像增强、颜色描述和图像识别中占有重要地位，是基于内容的图像检索的重要参数。利用色调可以识别物体、检测损伤、提取轮廓，可以加强效果或产生特殊效果，在工业、农业、国防中有大量应用。在服装业，色调的运用既是科学又是艺术。奇妙的运用可以产生柔和、典雅、高贵、和谐、优美、以及以上感觉的相近或相反的效果。黑白则容易与任何颜色相配。623饱和度饱和度(saturation)是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁性，它可用来区别颜色明暗的程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时，就说颜色愈不饱和。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色。（Photoshop采用HSB彩色模型中，图像的像素中R、G、B三基色只要出现任意的一个或二个，则饱和度为100%，第三色出现时则饱和度降低，向白色偏移。在皮革自动切割研究中，深入讨论饱和度问题，它是分割目标与背景的重要依据。葛）例如，仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。饱和度在颜色圆上用半径表示，如图所示。沿径向方向上的不同颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同。例如，在图64(b)所示的7种颜色，它们具有相同的色调和明度，但具有不同的饱和度，左边的饱和度最浅，右边的饱和度最深。在英文文献中，有一个叫做“chroma”的术语，这个术语有时也指“saturation(饱和度)”。例如在Munsell颜色制中，就是用“saturation”代替“chroma”。在中文科技术语中，“chroma”，“chromaticity”和“chrominance”都被译成“色度”色彩的浓度。在CIE文献(CIE 4525225)中，“chroma”定义为视觉的感知属性，用于衡量呈现的纯颜色的量，而不管非彩色的量。Saturation, sometimes called chroma, is the strength or purity of the color. Saturation represents the amount of gray in proportion to the hue, measured as a percentage from 0% (gray) to 100% (fully saturated). On the standard color wheel, saturation increases from the center to the edge. （Photoshop help）饱和度，有时称为色度或浓度，是颜色的浓度或纯度。饱和度表示色调中灰的比例，其测量范围是0%（灰）至100%（完全饱和）。在标准色环上，从中央到边缘饱和度不断增加。624亮度在许多中文书籍和英汉词典工具书中，brightness，lightness和luminance都被翻译成“亮度”。在英文科技文献中，这些术语是有差别的。为了反映它们所表达的不同含义，在本教材中分别用“明度”表示brightness，用“亮度”表示luminance，用“光亮度”表示lightness。 （清华的老师最严谨，如此深入讨论这几个概念的文献实在不多见。葛）l明度(brightness)根据国际照明委员会的定义，明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。虽然明度的主观感觉值目前还无法用物理设备来测量，但可以用亮度(1uminance)即辐射的能量来度量。颜色中的明度分量不同于颜色即色调(hue)，也不同于饱和度(saturation)即颜色的强度(intensity)。有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率。由于感知的明度与反射率不是成正比，而认为是一种对数关系，因此在颜色度量系统中规定一个数值范围(例如，010)来表示明度。明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色。在许多颜色系统中，明度常用垂直轴表示，如图65(a)所示。例如，在图65(b)所示的7种颜色，它们具有相同的色调和饱和度，但它们的明度不同，底部的明度最小，顶部的明度最大。Brightness is the relative lightness or darkness of the color, usually measured as a percentage from 0% (black) to 100% (white). （Photoshop help）注：Photoshop 中使用HSB。单锥形。2亮度 (intensity or 1uminance)如前所述，明度(brightness)是视觉系统对可见物体发光多少的感知属性，它和人的感知有关。由于明度很难度量，因此国际照明委员会定义了一个比较容易度量的物理量，称为亮度(1uminance)。根据国际照明委员会的定义，亮度是用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率(radiant power)，并在555 nm（绿）处达到了峰值，它的幅度与物理功率成正比。从这个意义上说，可以认为“亮度就像光的强度”。在英文科技文献中，光的强度用“intensity”表示，但在许多中文工具书和科技文献中把“intensity和“luminance都翻译成“亮度”，这是我们在阅读文献时需要注意的地方。在CIEXYZ系统中，亮度用y表示。亮度的值是可度量的，它用单位面积上反射或者发射的光的强度表示。顺便指出，明度和亮度的关系不是线性关系，它们不是同义词。此外，严格地说，亮度应该使用像烛光平方米(cdm)这样的单位来度量，但实际上是用指定的亮度即白光作参考，并把它标称化为1或者100个单位。例如，监视器用亮度为80 cdm的白光作参考，并指定y：1。注：彩色模型HSI（intensity），双锥形。3。光亮度 (1ightness)根据国际照明委员会的定义，光亮度是人的视觉系统对亮度(1uminance)的感知响应值，并用L表示。CIE把L*定义为亮度的立方根：L*116(Y/Yn)1/3一16。其中(YYn)0.008 856，Y是CIEXYZ系统中定义的亮度，Yn是参考白色光的亮度。光亮度用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于发光体，该术语用来描述反射表面或者透射表面。有人认为，对计算机显示器显示的颜色，除使用明度(brightness)之外，也可使用光亮度(1ightness)这个术语来描述，其理由是虽然监视器是发射光的物体，但显示的颜色是相对于监视器的白光而言的。注：画图 中使用HLS，双锥形625颜色空间颜色空间是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定和产生颜色，使颜色形象化。1 对于人来说，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色；（HSB）2 对于显示设备来说，人们使用红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜色；（RGB）3 对于打印或者印刷设备来说，人们使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色。（CMYK）因此，颜色空间通常用三维模型表示，空间中的颜色能够看到或者使用颜色模型产生。颜色空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描述的是颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉人们是什么颜色，其颜色要取决于使用的坐标。为说明颜色空间的概念，图66表示使用色调、饱和度和明度构造的一种颜色空间，叫做HSB(hue，saturation and brightness)颜色空间。色调用角度来标定，通常红色标为0，青色标为180；在径向方向上饱和度的深浅用离开中心线的距离表示；明度用垂直轴表示。现在，人们已经构造了各种各样的颜色空间，以适应不同的应用场合。例如，颜色空间的大小和类型有限制的颜色空间，主要用于某些设备；感觉上是线性的某些颜色空间；感觉上是非线性的颜色空间，例如，在计算机图形中使用的颜色空间。在已经使用的颜色空间中，某些颜色空间使用起来很直观，某些颜色空间很抽象，使用户很糊涂。颜色空间有设备相关和设备无关之分。设备相关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色与生成颜色的设备有关。例如，RGB颜色空间是与显示系统相关的颜色空间，计算机显示器使用RGB来显示颜色，用像素值(例如，R250，G123，B=23)生成的颜色将随显示器的亮度和对比度的改变而改变。设备无关的颜色空间是指颜色空间指定生成的颜色与生成颜色的设备无关。例如，CIE L*a*b*，颜色空间就是设备无关的颜色空间，它建筑在HSV(hue，saturation and value)颜色空间的基础上，用该空间指定的颜色无论在什么设备上生成的颜色都相同。质疑：改变CRT设置Lab图就不改变颜色？63颜色的度量体系人们对物体产生某种光的感觉，一方面取决于电磁辐射对眼睛的物理刺激，另一方面取决于眼睛的视觉特性。但对颜色的标定最终要符合人眼的视觉特性，因此，计算颜色的一些基本数据都是来自许多观察者的颜色视觉实验结果。颜色常用像色调、饱和度和明度这样的参数来刻画。自从牛顿颜色圆发明之后，发明了许多详细描述颜色和对颜色进行排列编号的方法。用色调、明度值和色度来定义和排列颜色就导致了曼塞尔系统(Munsell system)的产生；用波长、纯度和亮度映射色调、饱和度和明度就导致了Ostwald系统(Ostwald system)的出现；以及后来出现的CIE颜色系统(CIEcolorsystem)，如图67所示。亮度B 白(0-100%)色调Hue(0359o) 黑(0)色调，饱和度和亮度的关系饱和度Sat (0-100%)黄红青绿蓝品红白颜色度量体系(colorsystem)，也叫做颜色制或者叫做颜色体制，实际上就是人们组织和表示颜色的方法。由于许多中文科技文献习惯于把“colorsystem翻译成“颜色系统”，因此，本教材也采用这个名称。Windows中的颜色管理系统的设置如下：将颜色配置文件添加到监视器 打开“显示属性”对话框上的“设置”选项卡。 单击“高级”按钮，然后单击“颜色管理”选项卡。 单击“添加”，然后定位所需的新配置文件。 单击新配置文件，然后单击“添加”。 注意 单击“开始”，指向“设置”，单击“控制面板”，双击“显示”，单击“设置”选项卡，单击“高级”，然后单击“颜色管理”选项卡，也可以显示“颜色管理”选项卡。 有关“添加配置文件关联”对话框中配置文件的详细信息，请右键单击配置文件，然后单击“属性”。 如果监视器没有为其创建的配置文件，可以添加 Windows98 的默认配置文件 sRGB Color Space Profile.icm 。 到目前为止，组织和表示颜色的方法主要有两种：一种叫做颜色模型(colormodel)，另一种方法叫做编目系统(cataloging system)。颜色模型是用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义。颜色空间是颜色模型最普通的例子，RGB，HSB，CMY，CIEXYZ，CIELAB，CMYK和颜色的光谱描述方法都是颜色模型。事实上，“颜色空间”和“颜色模型”是两个同义词。编目系统是给每一种颜色分配一个唯一的名称或者一个号码。例如，Munsell颜色系统(Munsell color system)，Pantone公司开发的Pantone颜色系统，也叫Pantone颜色匹配系统(Pantone Matching System，PMS)等都是属于编目系统。Pantone是在图形艺术和印刷技术中使用的一种颜色匹配系统。该系统包含有500多种印墨颜色，每种颜色都指定了一个号码。某些计算机图形软件允许颜色使用Pantone号码，尽管计算机显示器仅能近似地显示其中的某些颜色，但软件可输出每种Pantone颜色，因此可精确地打印出所希望的颜色。64 Munsell颜色系统Albert HMunsell(18581919)是美国杰出的一位艺术家和教授，是1905年发表的著名论文ColorNotation(颜色表示法)和1915年发表的著名论文Atlas。theMunsellColorSystem(Munsell颜色制图谱)的作者。他开发了第一个广泛被接受的颜色次序制(colororder system)，人们把它称为Munsell color-order system或者叫Munsell colorsystem，对颜色作了精确的描述并用在他的教学中。Munsell颜色次序制也是其他颜色系统的基础。Munsell颜色系统是精确指定颜色和显示各种颜色之间关系的一种方法。每种颜色都有色调(hue)、明度值(value)和色度(chroma)这3种属性。Munsell对这3种属性建立了一个与视觉感知特性相一致的数值范围。Munsell颜色簿(Munsell Book of Color)显示了在这些数值范围内的一套色块，每个色块用数值表示。在合适的照明和观看条件下，任何表面的颜色都可以同这套色块进行比较，从而确定它是属于什么颜色。1905年提出并在1943年修改的Munsell颜色系统使用色调、饱和度和明度表示颜色的3种属性，如图68(b)所示。色调被分成红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)，这5种色叫做主色调(principalhues)，如图68(a)所示。在主色调之间插入红一黄、黄一绿、绿一蓝、蓝一紫，紫一红5种色调，连同5个主色调共10个色调，分别用R(Red)，YR(Yellow-Red)，Y(Yellow)，GY(Green-Yellow)，G(Green)，BG(Blue-Green)，B(Blue)，PB(Purple-Blue)，P(Purple)和RP(Red-Purple)表示，并且把它们放在等间隔的扇区上。度量颜色明暗的明度值(value)从白到黑被分成11个等级，度量颜色的饱和度或者叫纯度的色度(Chroma)被分成15等级。Munsell制中的颜色用3个符号表示，写成HVC(Hue，Value，Chroma)。例如，明亮的红色应该是5R 414，其中5R是色调，4是明度值，而14是色度。图6-8Munsell颜色系统Munsell系统引起普遍重视的原因主要是：(1)更清楚地把明度(指Munsellvalue)从色调和饱和度(指Munsellchroma)中区分开来。这样就可以用二维空间表示颜色，如色圆。(2)统一了对颜色的认识，使颜色样本之间的距离与感知的颜色差异相一致。(3)为颜色交流语言提供了一个清晰而不含糊的表示法。在Munsell颜色系统中，每一种颜色都有一个指定的位置。这个系统仍然广泛使用，但也有人认为Munsell颜色系统对图像数据不是很有用。（这句话是说由于Munsell缺乏数学工具，对数字图象处理“孟塞尔模型”发挥不了其它领域中已经发挥的作用。葛）65 OstWald颜色系统（葛，不讨论）德国化学家WilhelmOstwald(18531932)在1916年出版了TheColour Primer(颜色人门)，1918年出版了TheHarmonyofColours(颜色的融合)。Ostwald制是根据对颜色起决定作用的波长、纯度和亮度来映射色调、饱和度和明度的值。Ostwald假设色调有8种主色调组成，分别是黄色(yellow)，橙色(orange)，红色(red)，紫色(purple)，蓝色(blue)，青绿色(turquoise)，海绿色(seagreen)和叶绿色(teafgreen)，每一种再细分成3种，共24种，安排在如图69所示的色圆上。Ostwald制使用垂直轴表示亮度，从黑色、灰色到白色。这些参数的数值通过一个盘色度计(disc colorimeter)来产生，如图69(b)所示。Ostwald颜色空间中的点用C(fullcolor)，W(white)和B(black)来分别表示全色、白色和黑色，表示它们在一个圆上所占的百分比。例如，某一点的数值是30，25，45，它所表示的含义是全色占30、白色占25和黑色占45。图6-9Ostwald色圆和颜色表示法Ostwald制保留了几十年，后来逐渐被American Munsell和Swedish Natural Colour制所淘汰。其原因是Ostwald值选择的颜色在排列上不能满足饱和度比较高的染料市场的需要。66 CIE颜色系统661颜色科学史上的两次重要会议RGB模型采用物理三基色，其物理意义很清楚，但它是一种设备相关的颜色模型。每一种设备(包括人眼和现在使用的扫描仪、监视器和打印机等)使用RGB模型时都有不太相同的定义，尽管各自都工作很圆满，而且很直观，但不能通用。为了解决这个问题，国际照明委员会的颜色科学家们企图在RGB模型基础上，用数学的方法从真实的基色推导出理论的三基色，创建一个新的颜色系统，使颜料、染料和印刷等工业能够明确指定产品的颜色。1931年9月，国际照明委员会在英国的剑桥市召开了具有历史意义的大会。会议所取得的主要成果包含：(1)定义了标准观察者(Standard Observer)标准：普通人眼对颜色的响应。该标准采用想象的X，Y和Z 3种基色，用颜色匹配函数(color-matching function)表示。颜色匹配实验使用2的视野(field of view)。(2)定义了标准光源 (Standard Illuminants)：用于比较颜色的光源规范。(3)定义了CIEXYZ基色系统：与RGB相关的想象的基色系统，但更适用于颜色的计算。(4)定义了CIExyY颜色空间：一个由XYZ导出的颜色空间，它把与颜色属性相关的x和y从与明度属性相关的亮度Y中分离开。(5)定义了CIE色度图(CIE chromaticity diagram)：容易看到颜色之间关系的一种图。其后，国际照明委员会的专家们对该系统做了许多改进，包括1964年根据10视野的实验数据，添加了补充标准观察者(SupplementaryStandardObserver)的定义。1976年国际照明委员会召开了一次又具有历史意义的会议。1931的CIE系统规范使用三基色刺激值和色度图描述颜色空间，为用户提供了描述和编排颜色次序的能力，并且证明是有用的。随着科学研究的深入和技术的发展，许多人认为该系统存在两个问题：第一，该规范使用明度和色度不容易解释物理刺激和颜色感知响应之间的关系。第二，XYZ系统和在它的色度图上表示的两种颜色之间的距离与颜色观察者感知的变化不一致，这个问题叫做感知均匀性(perceptual uniformity)问题，也就是颜色之间数字上差别与视觉感知不一致。为了解决颜色空间的感知一致性问题，专家们对CIE 1931 XYZ系统进行了非线性变换，制定了CIEl976 L*a*b*颜色空间的规范。事实上，1976年CIE规定了两种颜色空间：一种是用于自照明的颜色空间，叫做CIE LUV；另二种是用于非自照明的颜色空间，叫做CIE 1976 L*a*b。，或者叫CIELAB。这两个颜色空间与颜色的感知更均匀，并且给了人们评估两种颜色近似程度的一种方法，允许使用数字量AE表示两种颜色之差。CIEXYZ是国际照明委员会在1931年开发并在1964年修订的CIE颜色系统(CIEColorSystem)，该系统是其他颜色系统的基础。它使用相应于红、绿和蓝3种颜色作为3种基色，而所有其他颜色都从这3种颜色中导出。通过相加混色或者相减混色，任何色调都可以使用不同量的基色产生。虽然大多数人可能一辈子都不直接使用这个系统，只有颜色科学家或者某些计算机程序中使用，但了解它对开发新的颜色系统、编写或者使用与颜色相关的应用程序都是有用的。662 CIE 1931 RGB按照三基色原理，颜色实际上也是物理量，人们对物理量就可以进行计算和度量。根据这个原理就产生了用红、绿和蓝单光谱基色匹配所有可见颜色的想法，并且做了许多实验。1931年国际照明委员会综合了不同实验者的实验结果，得到了RGB颜色匹配函数(color matching functions)，如图610所示。图上的横坐标表示光谱波长，纵坐标表示用以匹配光谱各色所需要的r，g和b，三基色刺激值，这些值是以等能量白光为标准的系数，是观察者实验结果的平均值。从图610中可以看到，为了匹配在438.1nm和546.1 nm之间的光谱色，r出现负值。这就意味匹配这段里的光谱色时，混合颜色需要使用补色才能匹配。（！）图610中还可以看到，使用正的r，g和b，值提供的色域还是比较宽的，但像用RGB相加混色原理的CRT则不能显示所有的颜色。国际照明委员会把红、绿和蓝3种单色光的波长分别定义为700 nm(R)、546.1 nm(G)和435.8 nm(B)。通过颜色匹配实验，用红、绿和蓝三基色光匹配成白光Kw时，所需要的红、绿和蓝基色光的光通量之比为1：4.590 7：0.0601。为便于计算，根据这个比例规定了三基色光的单位，分别用R，G和B表示：1个红基色光单位R1光瓦。.1个绿基色光单位G4.590 7光瓦。1个蓝基色光单位B0.0601光瓦。其中，l光瓦=680流明(1in)。标准白光Ew可以用每个基色单位为1的物理三基色配出：CEw1R十1G 十1B式中，CEw表示白光的颜色，“”表示“匹配”的意思，即与看到的颜色相同，“+”表示混合的意思。如果每个基色分量同时增加到k倍，配出的光仍然是标准白光CEw，只是光通量增大k倍就是。根据三基色原理，任意一种颜色C可以用下式匹配：C=rR+gG+bB式中的系数r，g，b分别为红、绿和蓝三基色的比例系数，也就是3种单位基色光的光通量的倍数。它们的大小决定颜色光C的光通量，三者之间的比例决定它的颜色。因为三基色的总光通量必须与被表示的颜色相等，因此r，g，b之和必等于1，即r+g+b1例如，某一种颜色表示为C0.06R+0.63G+0.3lB观察R，G和B三基色的比例系数可以发现，该式表示的颜色主要表现为绿色，因为绿色的成份所占的比例比较大。6.6.3CIE 1931 XYZCIEXYZ系统是国际照明委员会定义的一种颜色空间。它的坐标有时也叫做CIE刺激值(tristimulusvalues)，表示三种基色的量(用百分比表示)，它们是想象的相加基色X，Y和Z。与RGB不同，XYZ颜色系统不是设备相关的颜色系统，而是设备无关的颜色系统，是根据视觉特性和使用颜色匹配实验结果定义的颜色系统。该颜色系统规定，X，Y和Z基色都是用正数去匹配所有的颜色，并且用Y值表示人跟对亮度(1uminance)的响应。从图610中可以看到，使用红、绿和蓝三基色系统匹配某些可见光谱颜色时，需要使用基色的负值，而且使用也不方便。由于任何一种基色系统都可以从一种系统转换到另一种系统，因此人们可以选择想要的任何一种基色系统，以避免出现负值，而且使用也方便。1931年国际照明委员会根据颜色科学家贾德(Judd)的建议，采用了一种新的颜色系统，叫做CIE XYZ系统。这个系统采用想象的X，Y和Z三种基色，它们与可见颜色不相应。CIE选择的X，Y和Z基色具有如下性质：(1)所有的X，Y和Z值都是正的，匹配光谱颜色时不需要一种负值的基色。(2)用Y值表示人眼对亮度(1uminance)的响应。(3)如同RGB模型，X，Y和Z是相加基色。因此，每一种颜色都可以表示成X，Y和Z的混合。根据视觉的数学模型和颜色匹配实验结果，国际照明委员会制定了一个称为“1931CIE标准观察者(1931 CIEStandardObserver)”的规范，实际上是用3条曲线表示的一套颜色匹配函数(colormatching function)，因此许多文献中也称为CIE 1931标准匹配函数(CIE 1931 StandardColorMatchingFunctions)”。在颜色匹配实验中，规定观察者的视野角度为2，因此也称2标准观察者的三基色刺激值(tristimulusvalues)曲线。CIEl931标准匹配函数如图611所示。图中的横坐标表示可见光谱的波长，纵坐标表示X，y和Z基色的相对值。图中的x，y和z，是颜色匹配系数，3条曲线表示X，y和Z三基色刺激值如何组合以产生可见光谱中的所有颜色。例如，要匹配波长为450 nm的颜色(蓝紫)，需要0.33单位的X基色，0.04单位的y基色和1.77单位的Z基色。x，y和z，(1931 CIEX，y和Z基色)是r，g和b，(1931 CIE及，G和月基色)的线性组合。从RGB空间转换到XYZ空间时使用下式：从XYZ空间转换到RGB空间时使用下式：注意：最近几年，推出了新的转换系数，详见“第7章颜色空间变换”。与CIERGB类似，CIEXYZ也有X，Y和Z三基色刺激值的概念。这个概念建筑在两种理论基础之上；一种是人的眼睛有红、绿和蓝三种感受器；另一种是所有颜色都被看成是3种基色混合而成的。根据普通人眼的颜色匹配能力，1931年国际照明委员会定义了一个标准观察者(Standard Observer)，其视野角或者叫做视场角(viewing angle)为2。因此，X，Y和Z三基色刺激值就使用标准观察者的颜色匹配函数和实验数据进行计算。计算得到的数值(X，y，Z)可以用如图612所示的三维图表示。图612中只表示了从400nm(紫色)到700 nm(红色)之间的三基色刺激值，而且所有数值都落在正XYZ象限的锥体内。从图612中可看到：(1)所有的坐标轴都不在这个实心锥体内。(2)相应于没有光照的黑色位于坐标的原点。(3)曲线的边界代表纯光谱色的三基色刺激值，这个边界叫做光谱轨迹(spectral locus)。(4)光谱轨迹上的波长是单一的，因此其数值表示可能达到的最大饱和度。(5)所有的可见光都在锥体上。如同RGB模型，在XYZ中任何一种颜色都可用3种基色单位表示，其配色方程就变成：C：XX+YY+ZZ式中，C表示颜色，X，Y和Z为三个基色单位；X，Y和Z均为正的基色系数；合成的颜色光的色度由X，Y和Z的比值确定。当XY=Z时，合成白光EW,总的辐射能量X+Y+Z。测量光源的光谱和获得X，Y和Z 3种基色值的过程是自动完成的。一种叫做分光辐射度计(spectroradiometer)的仪器测量每个波长间隔的明度，在仪器内部存储有每个波长间隔的标准观察者匹配函数值，通过微处理机计算后可直接读出X，Y和Z三种基色值。6.6.4CIE 1931 xyY1从XYZ到xyY（略）CIEXYZ的三基色刺激值X，Y和Z对定义颜色很有用，其缺点是使用比较复杂，而且不直观。因此，1931年国际照明委员会为克服这个不足而定义了一个叫做CIExyY的颜色空间。定义CIExyY颜色空间的根据是，对于一种给定的颜色，如果增加它的明度，每一种基色的光通量也要按比例增加，这样才能匹配这种颜色。因此，当颜色点离开原点(X0，y=0，Z0)时，X：y：Z的比值保持不变。此外，由于色度值仅与波长(色调)和纯度有关，而与总的辐射能量无关，因此在计算颜色的色度时，把X，r和Z值相对于总的辐射能量(X+y+Z)进行规格化，并只需考虑它们的相对比例，因此，X=x/y*Y , Y=Y , Z=(1-x-y)/y*Yx,y，z称为三基色相对系数，于是配色方程可规格化为J+y+z1由于x,y，z 3个相对系数之和恒为1，这就相当于把XYZ颜色锥体投影到X+Y+Z1的平面上，如图613所示。由于z可以从工+z1导出，因此通常不考虑z，而用两个系数x和y表示颜色，并绘制以工和为坐标的二维图形。这就相当于把X+Y+Z1平面投射到(X，Y)平面，也就是Z0的平面，这就是CIE xyY色度图。在CIExyY系统中，根据颜色坐标(J，夕)可确定z，但不能仅从工和)导出3种基色刺激值X，y和Z，还需要使用携带亮度信息的y，其值与XYZ中的y刺激值一致，因此，XXy，y=y，Zyy2CIE 1931色度图(1)xyY色度图CIE xyY色度图是从XYZ直接导出的一个颜色空间，它使用亮度Y参数和颜色坐标 x,y来刻画颜色。xyY中的Y值与XYZ中的Y刺激值一致，表示颜色的亮度或者光亮度，颜色坐标工，用来在二维图上指定颜色，这种色度图叫做CIE 1931色度图(CIE 1931 ChromaticityDiagram)，如图614(a)所示，图614(b)是它的轮廓图。图614(a)中的A点在色度图上的坐标是x0.483 2，y0.304 5，它的颜色与红苹果的颜色相匹配。图6-14CIE 1931色度图图614CIEl931色度图是用标称值表示的CIE色度图，J表示红色分量，夕表示绿色分量。图614(b)中的正点代表白光，它的坐标为(0.33，0.33)；环绕在颜色空间边沿的颜色是光谱色，边界代表光谱色的最大饱和度，边界上的数字表示光谱色的波长，其轮廓包含所有的感知色调。所有单色光都位于舌形曲线上，这条曲线就是单色轨迹，曲线旁标注的数字是单色(或称光谱色)光的波长值；自然界中各种实际颜色都位于这条闭合曲线内；RGB系统中选用的物理三基色在色度图的舌形曲线上。(2)色度图上看色调利用CIExyY色度图可直观地表示出彩色的色调和饱和度，如图615所示。E代表等能白光，饱和度为0；舌形上谱色光的饱和度最高，都为100；标准白光E的坐标点W与谱色轨迹上波长为lamda的某点M作一连线，等能白光和M点处的单色光相混合得到的所有彩色都落在WM线上，WM线上各点的彩色均有与M点相同的色调，只是渗入白光的程度不同，这样的直线称为等色调波长线。由W点与谱色轨迹上任一点相连的直线都是等色调波长线，或称为主色调波长线，直线上任何一点的波长均与谱色轨迹上那点的单色波长相同。如M点的波长为540 nm，WM线上各彩色点的波长均为540nm。图6-15CIEl931色度图中的等色调波长线和等饱和度线在等色调波长线WM上，彩色光越靠近W点，表示白光成分越多，饱和度越低，到W点则成为白光；相反，彩色光越靠近谱色轨迹，则表示白光成分越少，饱和度越高，即颜色越纯。在各等色调线上各彩色点的饱和度，可以用W点到该点的长度与6P点到谱色点的长度之比来表示。饱和度相同的各点连线称为等饱和度线。因此，利用CIE 1931色度图上的等色调线和等饱和度线，可以从色度图上直观地看出一种彩色的色调和饱和度。(3)色度图上看色域