入门篇-光学第三讲-CIE色度曲线演化-V1

CIE色度图: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。

CIE颜色系统颜色是一门很复杂的学科，它涉及到物理学、生物学、心理学和材料学等多种学科。

颜色是人的大脑对物体的一种主观感觉，用数学方法来描述这种感觉是一件很困难的事。

现在已经有很多有关颜色的理论、测量技术和颜色标准，但是到目前为止，似乎还没有一种人类感知颜色的理论被普遍接受。

RGB模型采用物理三基色，其物理意义很清楚，但它是一种与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，但不能相互通用。

1）简介为了从基色出发定义一种与设备无关的颜色模型，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。

CIE 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。

会议所取得的主要成果包含：λ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三种基色，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)；λ定义了标准光源(Standard Illuminants)：用于比较颜色的光源规范；定义了CIEλ XYZ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；定义了CIEλ xyY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；定义了CIE色度图(CIE chromaticityλ diagram)：容易看到颜色之间关系的一种图。

1.5 色度色度学中所应用的方法和工具，都是以目视颜色匹配定律和国际上一致采用的标准为基础的。

国际照明委员会（CIE ），通过其色度学委员会，推荐了色度学方法和基本的标准。

1.5.2 三原色三原色：（红R 、绿G 、兰B ）或（品红、绿、兰）三原色不能由其他色混合得到，三原色的波长如下：红：700nm ，绿：546.1nm ，兰：435.8nm由RGB 构成白光，得亮度比为L R =L G :L B =1:4.5907:0.0601 Lm/(s r ·m 2)色度坐标和色品坐标三原色坐标：R ，G ，B ，是三维色度坐标。

色品坐标(归一化坐标)：r=R R+G+B , g= G R+G+B ,b= B R+G+B, 并有 r+g+b=1光谱三刺激值（色匹配函数） )(λr ,)(λg ,)(λb 代表匹配一种颜色，需要R 、G 、B 的比例。

即取 )(λc = B b G g R r )()()(λλλ++，就可以匹配出所要求的)(λc 颜色.并且)(λr ,)(λg ,)(λb 是有表可查的，其规律可参见图1.5－1。

图1.5－1 色匹配函数（6）色度图及色品图三原色坐标见图1.5－2a,色品坐标见图1.5－2b,实际色谱的色品则示于图1.5－2c 中。

由图1.5－2c 可见，三原色系统的色品图中有很大部分出现负值，使用很不方便，为此，国际照明委员会建立了CIE 标准色度系统，解决了这一问题。

图1.5－2 色度及色品图1.5.4 CIE 标准色度系统设立标准光源和标准观察者,建立假想色度坐标 ),,(Z Y X ，归一化坐标),,(z y x 和色匹配函数),,(z y x ，以此来建立CIE 标准色度系统。

1） CIE1931标准色度系统这一色度系统是在观测视场为2°的情况下制订出来的。

（1）标准色度坐标的变换CIE1931标准色度系统的变换关系为：[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡B G R B G R Z Y X 5943.50565.000601.05907.40002.11302.17517.17689.299.001.000106.08124.01770.02.03100.04900.06508.5 及⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡Z Y X Z Y X B G R 1786.00025.00009.00157.02524.00912.00828.01587.04185.00092.10144.00052.00888.04264.15152.04681.08966.03646.26508.512） CIE1964标准色度系统 因为CIE1931标准色度系统的观测视场为2°，不能概括所有情况，所以又制订出CIE1964标准色度系统，它的观测视场是10°，其定义式、数据及曲线略有变化。

光学基础之⾊度-三原⾊及CIE标准⾊度系统知识介绍1.5 ⾊度⾊度学中所应⽤的⽅法和⼯具，都是以⽬视颜⾊匹配定律和国际上⼀致采⽤的标准为基础的。

国际照明委员会（CIE ），通过其⾊度学委员会，推荐了⾊度学⽅法和基本的标准。

1.5.2 三原⾊三原⾊：（红R 、绿G 、兰B ）或（品红、绿、兰）三原⾊不能由其他⾊混合得到，三原⾊的波长如下：红：700nm ，绿：546.1nm ，兰：435.8nm由RGB 构成⽩光，得亮度⽐为L R =L G :L B =1:4.5907:0.0601 Lm/(s r ·m 2)⾊度坐标和⾊品坐标三原⾊坐标：R ，G ，B ，是三维⾊度坐标。

⾊品坐标(归⼀化坐标)：r=R R+G+B , g= G R+G+B ,b= B R+G+B, 并有 r+g+b=1光谱三刺激值（⾊匹配函数） )(λr ,)(λg ,)(λb 代表匹配⼀种颜⾊，需要R 、G 、B 的⽐例。

即取 )(λc = B b G g R r )()()(λλλ++，就可以匹配出所要求的)(λc 颜⾊.并且)(λr ,)(λg ,)(λb 是有表可查的，其规律可参见图1.5－1。

图1.5－1 ⾊匹配函数（6）⾊度图及⾊品图三原⾊坐标见图1.5－2a,⾊品坐标见图1.5－2b,实际⾊谱的⾊品则⽰于图1.5－2c 中。

由图1.5－2c 可见，三原⾊系统的⾊品图中有很⼤部分出现负值，使⽤很不⽅便，为此，国际照明委员会建⽴了CIE 标准⾊度系统，解决了这⼀问题。

图1.5－2 ⾊度及⾊品图1.5.4 CIE 标准⾊度系统设⽴标准光源和标准观察者,建⽴假想⾊度坐标 ),,(Z Y X ，归⼀化坐标),,(z y x 和⾊匹配函数),,(z y x ，以此来建⽴CIE 标准⾊度系统。

1） CIE1931标准⾊度系统这⼀⾊度系统是在观测视场为2°的情况下制订出来的。

（1）标准⾊度坐标的变换CIE1931标准⾊度系统的变换关系为：[]=????=??????????B G R B G R Z Y X5943.50565.000601.05907.40002.11302.17517.17689.299.001.000106.08124.01770.02.03100.04900.06508.5 及---=????----=??????????Z Y X Z Y X B G R1786.00025.00009.00157.02524.00912.00828.01587.04185.00092.10144.00052.00888.04264.15152.04681.08966.03646.26508.51 2） CIE1964标准⾊度系统因为CIE1931标准⾊度系统的观测视场为2°，不能概括所有情况，所以⼜制订出CIE1964标准⾊度系统，它的观测视场是10°，其定义式、数据及曲线略有变化。

建筑物理姓名班级学号指导教师CIE光谱光视效率曲线光是客观存在的一种能長，而且与人的主观感受有密切联系。

在光学研究中，普遍认为人对光的感觉主要有两部分因素在起作用：一是进入人眼的光的基本物理特性，二是人的眼球的生理机制。

另外，我认为光引起的感觉与生活经验有很大的联系。

例如，本人对绿色和浅灰色比较喜好，对色彩艳丽的加工食品比较排斥；北欧国家的人，对阳光比较喜奸，像丹麦建筑师阿尔瓦•阿尔托就特别注意逹筑的采光。

本文研究不誇虑生活经验对光感觉的影响。

眼睛与视觉眼睛主要由瞳孔、水晶体、视网膜组成。

视网膜上布满了感光细胞，接受光刺激，并转换为神经冲动，神经冲动传到大脑皮层，形成视觉。

视网膜上主要存在着两种感光细胞：锥状感光细胞和杆状感光细胞。

两种感光细胞有各自的功能特性。

锥状细胞在在明亮环境下对色觉和视觉敏锐度起绝动作用。

他能分辨出物体的细部和颜色，并对环境的明暗变化作出迅速的反映，以适应新的环境，锥状细胞可分感红、感绿、感蓝细胞。

而杆状细胞在黑暗环境中对明暗感觉起决定作用，它不能分辨物体的细部和颜色，对明暗变化的反应缓慢。

因锥体、杆体细胞起作用的不同，形成了明暗视觉和间视正常人眼对亮度水平在几坎德拉每平方米以上的适应状态称为明适应，处于明适应条件下的视觉叫明视觉。

正常人眼所适应的亮度水平在百分之几坎德拉每平方米以下的视觉叫皓视觉。

处于这两者之间的视觉叫中间视觉。

明视觉是能够辨认很小的细节、颜色，并能适应亮度变化的；暗视觉只有明暗感觉而无颜色感觉，也无法分辨物件的细节，对外部变化的适应能力低；间视介于明暗视觉之间。

光光是一种以电磁波形式存在的物质，电磁波的波谱范围很广，包括无线电波、红外线、可见光谱、紫夕卜线、X射线、Y射线等，如图1一2所示。

其中，人眼可以看见的那一部分叫光，或称可见光。

其波长范围为380nm-780n m之间的电磁波，如图1一2所示。

不同波长的光所呈现的颜色各不相同，随着波长由长变短，呈现的颜色依次为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

CIE色度图∙CIE-RGB系统o标准三原色匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线。

曲线中的一部分500μm附近的r三刺激值是负数，这当然不能否定将红、绿、蓝三色混合可以得到其他颜色，但它确实表明一些颜色不能够仅仅通过将三原色混合来得到而在普通的CRT上显示。

o图例：∙CIE-XYZ系统o由于实际上不存在负的光强，1931年CIE规定了3种假想的标准原色X(红)、Y(绿)、Z(蓝)构造了CIE-XYZ系统，以便使能够得到的颜色匹配函数的三刺激值都是正值：o C=xX+yY+zZo图例：▪三刺激空间和色度图o所有颜色向量组成了x>0、y>0和z>0的三维空间第一象限锥体o取一个截面 x+y+z＝1o该截面与三个坐标平面的交线构成一个等边三角形，每一个颜色向量与该平面都有一个交点，每一个点代表一个颜色，它的空间坐标(x,y,z)表示为该颜色在标准原色下的三刺激值，称为色度值o图例：▪▪∙CIE色度图o CIE色度图的翼形轮廓线代表所有可见光波长的轨迹，即可见光谱曲线。

o沿线的数字表示该位置的可见光的主波长。

o中央的C对应于近似太阳光的标准白光，C点接近于但不等于x=y=z=1/3的点。

o红色区域位于图的右下角，绿色区域在图的顶端，蓝色区域在图的左下角，连接光谱轨迹两端点的直线称为紫色线。

∙用途o得到光谱色的互补色，只要从该颜色点过C点作一条直线，求其与对侧光谱曲线的交点，即可得到补色的波长。

D的补色为E。

o确定所选颜色的主波长和纯度。

颜色A的主波长，从标准白光点C 过A作直线与光谱曲线相交于B（A与B在C的同侧），这样颜色A可以表示为纯色光B和白光C的混合，B就定义了颜色A的主波长。

oo定义一个颜色域。

通过调整混合比例，任意两种颜色：o I和J加在一起能够产生它们连线上的颜色o再加入第三种颜色K，就产生三者（I、J和K）构成的三角形区域的颜色。

应用限制o色度图的形状表明，没有一个3个顶点均在可见光翼形区的三角形可以完全覆盖该区域。

CIE标准色度学系统
国际照明委员会(CIE)规定的颜色测量原理、基本数据和计算方法，称做CIE标准色度学系统。

CIE标准色度学的核心内容是用三刺激值及其派生参数来表示颜色。

任何一种颜色都可以用三原色的量，即三刺激值来表示。

选用不同的三原色，对同一颜色将有不同的三刺激值。

为了统一颜色表示方法，CIE 对三原色做了规定。

光谱三刺激值或颜色匹配函数是用三刺激值表示颜色的极为重要的数据。

对于同一组三原色，正常颜色视觉不同入测得的光谱三刺激值数据很接近，但不完全相同。

为了统一颜色表示方法，CIE取多人测得的光谱三刺激值的平均数据做为标准数据，并称之为标准色度观察者。

CIE对三刺激值和色品坐标的计算方法作了规定。

对于物体色，光源、照明和观察条件对颜色有一定影响。

为了统一测量条件，CIE对光源、照明条件和观察条件也做了规定。

CIE1931标准色度学系统，是1931年在CIE第八次会议上提出和推荐的。

它包括1931CIE-RGB和1931CIE-YZ两个系统，分别介绍如下：（一）1931CIE-RGB系统
该系统用波长分别为710-7米（红）、5、46110-7米（绿）和4、35810-7米（兰）的光谱色为三原色，并且分别用（R）、（G）、（B）表示。

系统规定，用上述三原色匹配等能白光（E光源）三刺激值相等。

R、G、B的单位三刺激值的光亮度比为1、000:4、5907:0。

0601；辐亮度比为72、0962:1、3791:1、000。

系统的光谱三刺激值，由莱特实验和吉尔德（J·Guild）实验数据换算为既定。

颜色和视觉CIE色度图由三色学说的原理我们知道，任何一种颜色可以通过红、绿、蓝三原色按照不同比例混合来得到。

可是，给定一种颜色，采用怎样的三原色比例才可以复现出该色，以及这种比例是否唯一，是我们需要解决的问题，只有解决了这些问题，我们才能给出一个完整的用RGB来定义颜色的方案。

CIE（国际照明委员会）选取的标准红、绿、蓝三种光的波长分别为：红颜色的匹配可以用式子表示为：其中权值r、g、b为颜色匹配中所需要的R、G、B三色光的相对量，也就是三刺激的值。

1931年，CIE给出了用等能标准三原色来匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线（图4.1.5），这样的一个系统被称为CIE-RGB系统。

图4.1.5 标准三原色匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线在上面的曲线中我们发现，曲线的一部分三刺激值是负数，这表明我们不可能靠混合红、绿、蓝三种光来匹配对应的光，而只能在给定的光上叠加曲线中负值对应的原色，来匹配另两种原色的混合。

对应于在式（4.1.1）中的权值会有负值，由于实际上不存在负的光强，而且这种计算极不方便，不易理解，人们希望找出另外一组原色，用于代替CIE-RGB系统，因此，1931年的CIE-XYZ系统利用三种假想的标准原色X（红）、Y（绿）、Z（蓝），以便使我们能够得到的颜色匹配函数的三刺激值都是正值。

类似地，该系统的光颜色匹配函数定义为如下的一个式子：在这个系统中，任何颜色都能由三个标准原色的混合（三刺激值是正的）来匹配。

这样我们就解决了用怎样的三原色比例混合来复现给定的颜色光的问题，下面我们来介绍一下得到的上述比例是否唯一的问题。

我们可以知道，用R、G、B三原色(实际上是CIE-XYZ标准原色)的单位向量可以定义一个三维颜色空间(图4.1.6)，一个颜色刺激(C)就可以表示为这个三维空间中一个以原点为起点的向量，我们把该三维向量空间称为(R、G、B)三刺激空间，该空间落在第一象限，该空间中的向量的方向由三刺激的值确定，因而向量的方向代表颜色。

光学基本概念形象解释：CIE⾊度系统与⾊彩三种⾊温的荧光灯光谱显⽰器指标光源颜⾊光源⾊温不同，光⾊也不同，带来的感觉也不相同：<3300K温暖（带红的⽩⾊）稳重、温暖3000－5000K中间（⽩⾊）爽快>5000K清凉型（带蓝的⽩⾊）冷⾊温与亮度：⾼⾊温光源照射下，如亮度不⾼则给⼈们有⼀种阴冷的⽓氛；低⾊温光源照射下，亮度过⾼会给⼈们有⼀种闷热感觉。

光⾊的对⽐：在同⼀空间使⽤两种光⾊差很⼤的光源，其对⽐将会出现层次效果，光⾊对⽐⼤时，在获得亮度层次的同时，⼜可获得光⾊的层次。

CIE⾊度系统与⾊彩⼀．光学度和⾊度学基本术语• 光通量:-----单位时间内⼈眼感受到的物体辐射功率,⽤表 ⽰单位:lm• 发光强度:-----光源在包含给定⽅向的⽴体⾓元dΩ内传输的光通量dφ与该⽴体⾓元之商.单位:cd• 光照度-----单位受照⾯积所接受的光通量，⽤E表⽰. E=dφ/dA单位:LX ,lx=lm·m-2• 亮度 -----光源表⾯⾯积元在给定⽅向的发光强度与⾯积元在垂直于该⽅向的平⾯上的正交投影⾯积之商，⽤L表⽰.L=I/dA·单位: nt=cd·m-2• ⾊温-----当某⼀种光源的⾊品与某⼀温度下⿊体的⾊品相同时,⿊体的温度就是光源⾊温,⽤TC表⽰.• ⾊刺激-----进⼊⼈眼能引起有彩⾊或⽆彩⾊感觉的可见光辐射• ⾊品坐标-----三刺激值之值与它们和之⽐⼆．眼睛的结构及其视觉特性颜⾊视觉理论由于三⾊学说和四⾊学说长期对⽴状态, 现代学者提出"阶段学说":第⼀阶段在视⽹膜内有三种独⽴的锥体感⾊物质（ＲＧＢ），它们同时有选择地吸收光谱不同波长的辐射，同时每⼀物质⼜可单独产⽣⿊和⽩的反应，在强光作⽤下产⽣⽩的反应，⽆刺激时是⿊的反应．第⼆阶段在兴奋由锥体细胞向视觉中枢的传导过程中，这三种反应⼜重新组合，最后形成三对对⽴性的神经反映，红－绿，黄－蓝，⽩－⿊图－阶段学说模型• 眼睛的结构⼈的眼睛相当于⼀个光学仪器,它的内部构造如图:巩膜脉络膜⽹膜⾓膜前室虹彩⼈眼构成⼆．眼睛的结构及其视觉特性• 眼睛视觉特性在⼈眼的组成中，视⽹膜是⼀个⼗分重要的视觉接收器。

CIE基本色度学分析通常，取光通量为1光瓦的红基色光为基准，于是要配出白光，就需要4.5907光瓦的绿光和0.0601光瓦的蓝光，而白光的光通量则为Φw =1 + 4.5907 + 0.0601=5.6508光瓦为简化计算，使用了三基色单位制，记作[R]、[G]、[B]，它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成，即MW = 1[R] + 1[G] + 1[b]符号M的含义是“可由…混合配出”。

由此可知，=1个单位[R]=1光瓦(红基色光)1个单位[G]=4.5907光瓦(绿基色光)1个单位[B]=O.0601光瓦(蓝基色光)选定上述单位以后，对于任意给出的彩色光C，其配色方程可写成C=r1[R] + g1[G] + b1[B]该色的光通量为Φc=(r1+4.5907g1+0.0601b1)光瓦=680(r1+4.5907g1+0.0601b1)流明其中，r1、g1、b1为三个色系数。

在只考虑色光色度时，起决定作用的是r1、g1、b1的相对比例，而不是其数值大小，于是可进一步规格化。

令m = r1 + g1 + b1r = r1/mg = g1/mb = b1/m显然，r+g+b=1式中，m称为色模，它代表某彩色光所含三基色单位的总量。

r、g、b称为RGB 制的色度座标或相对色系数，它们分别表示：当规定所用三基色单位总量为1 时，为配出某种给定色度的色光所需的[R]、[G]、[B]数值。

这样，C=m{r[R]+g[G]+b[B]}。

除了数学表达式以外，描述色彩的还有色度图，色度图能把选定的三基色与它们混合后得到的各种彩色之间的关系简单而方便地描述出来。

图1 表示一个以三基色顶点的等边三角形。

三角形内任意一点P到三边的距离分别为r、g、b。

若规定顶点到对应边的垂线长度为1，则不难证明关系r+g+b=1成立，因此r、 g、b就是这一色三角形的色度座标。

显然，白色色度对应于色三角形的重心，记为W，因为该点r=1/3，g=1/3，b=1/3 沿RG边表示由红色和绿色合成的彩色，此边的正中点为黄色，其色度座标为r=1/2, g=1/2, b=0.橙色在黄色与红色之间(r=3/4，g=1/4，b=O)。