颜色基础知识

颜色基础知识

篇一：CIE 1931 色度图

从小到大，我们对色彩都要接触到三基色、三原色的概念，由此可以看出，色彩是一个三维函数，所以应该由三维空间表示。如图1就是传统色度学著作常用来表示颜色的纺锤体，图2是按人对颜色分辨能力构造的三维彩色立体。由于人类思维能力和表现能力的限制，三维的坐标系在实际应用中都暴露出了很大的局限性。

显示器的显示采用的是色光加色法，色光三原色是红、绿、蓝三种色光。国际标准照明委员会（CIE）1931年规定这三种色光的波长是：

红色光（R）：700nm

绿色光（G）：

蓝色光（B）：

自然界中各种原色都能由这三种原色光按一定比例混合而成。

在以上定义的基础上，人们定义这样的一组公式：

r=R/（R+G+B）

g=G/（R+G+B）

b=B/（R+G+B）

由于r+g+b=1, 所以只用给出 r和 g的值, 就能惟一地确定一种颜色。这样就可将光谱中的所有颜色表示在一个二维的平面内。由此便建立了1931 CIE-RGB表色系统

但是，在上面的表示方法中，r和g值会出现负数。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，在1931年CIE组织建立了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值都是正值，而x、y、z的表达方式仍类似上面的那组公式。由此衍生出的便是1931 CIE-XYZ系统（如图4），这个系统是色度学的实际应用工具，几乎关于颜色的一切测量、标准以及其他方面的延伸都以此为出发点，因而是颜色视觉研究的有力工具。

是一些典型设备在1931 CIE-XYZ系统中所能表现的色彩范围（色域）。其中，三角形框是显示器的色彩范围，灰色的多边形是彩色打印机的表现范围。

从色域图上可以看到，沿着x轴正方向红色越来越纯，绿色则沿y轴正方向变得更纯，最纯的蓝色位于靠近坐标原点的位置。所以，当显示器显示纯红色时，颜色值中的x值最大；类似地，显示绿色时y值最大；根据系统的定义，在显示蓝色时则是1-x-y的结果最大。值得一提的是，x、y值是小数，应该表示为的形式，但是，为了表达方便和节约空间，我们的文章中会省略掉“0.”，而使x、y值看起来像一组三位数。

CIE

目录

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。

颜色系统

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：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)；

定义了? 标准光源(Standard Illuminants)：用于比较颜色的光源规范；

定义了CIE 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CIE 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 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(Supplementary

Standard Observer)的定义。

1976年国际照明委员会又召开了一次具有历史意义的会议，试图解决1931的CIE系统中所存在两个问题：

1. 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；

2. 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的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CIE 1976 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CIELUV，另一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ΔE表示两种颜色之差。

CIE XYZ是国际照明委员会在1931年开发并在1964修订的CIE 颜色系统(CIE Color System)，该系统是其他颜色系统的基础。它使用相应于红、绿和蓝三种颜色作为三种基色，而所有其他颜色都从这三种颜色中导出。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。

2）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)，其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。为了匹配在 nm和 nm之间的光谱色，出现了负值，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。虽然使用正值提供的色域还是比较宽的，但像用RGB相加混色原理的CRT虽然可以显示大多数颜色，但不能显示所有的颜色。

3）CIE 1931 XYZ

CIE 1931 RGB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：

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；? 用Y值表示人眼对亮度(luminance)的响应；?

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“1931 CIE 标准观察者”的规范，实际上是用三条曲线表示的一套颜色匹配函数，因此许多文献中也称为“CIE 1931标准匹配函数”。在颜色匹配实验中，规定观察者的视野角度为2度，因此也称标准观察者的三基色刺激值(tristimulus values)曲线。

CIE 1931标准匹配函数中的横坐标表示可见光谱的波长，纵坐标表示基色X，Y和Z的相对值。三条曲线表示X，Y和Z三基色刺激

值如何组合

篇二：CIE 1931色度图

CIE

开放分类：颜色、国际组织

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：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)；

定义了标准光源(Standard Illuminants)：用于比较颜色的光源规范；?

定义了CIE 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CIE 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 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(Supplementary Standard Observer)的定义。

1976年国际照明委员会又召开了一次具有历史意义的会议，试图解决1931的CIE系统中所存在两个问题：

1. 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；

2. 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的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CIE 1976 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CIELUV，另一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ΔE表示两种颜色之差。

CIE XYZ是国际照明委员会在1931年开发并在1964修订的CIE 颜色系统(CIE Color System)，该系统是其他颜色系统的基础。它使用相应于红、绿和蓝三种颜色作为三种基色，而所有其他颜色都从这三种颜色中导出。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。

2）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)，其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。为了匹配在 nm和 nm之间的光谱色，出现了负值，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。虽然使用正值提供的色域还是比较宽的，但像用RGB相加混色原理的CRT虽然可以显示大多数颜色，但不能显示所有的颜色。

3）CIE 1931 XYZ

CIE 1931 RGB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：

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；?

用Y值表示人眼对亮度(luminance)的响应；?

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“1931 CIE 标准观察者”的规范，实际上是用三条曲线表示的一套颜色匹配函数，因此许多文献中也称为“CIE 1931标准匹配函数”。在颜色匹配实验中，规定观察者的视野角度为2度，因此也称标准观察者的三基色刺激值(tristimulus values)曲线。

CIE 1931标准匹配函数中的横坐标表示可见光谱的波长，纵坐标表示基色X，Y和Z的相对值。三条曲线表示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)，需要单位的X基色，单位的Y基色和单位的Z基色。

计算得到的数值(X，Y，Z)可以用三维图表示。图中只表示了从400 nm (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。

可以看到：

所有的坐标轴都不在这个实心锥体内；?

相应于没有光照的黑色位于坐标的原点；?

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)；?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；?

所有的可见光都在锥体上。?

4）CIE 1931 xyY

CIE XYZ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CIE xyY的颜色空间。

定义CIE xyY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(X=0, Y=0, Z=0)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, Y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, y, z称为三基色相对系数，于是配色方程可规格化为x+y+z=1。由于三个相对系数x, y, z之和恒为1，这就相当于把XYZ 颜色锥体投影到X+Y+Z=1的平面上。

由于z可以从x+y+z=1导出，因此通常不考虑z，而用另外两个系数x和y表示颜色，并绘制以x和y为坐标的二维图形。这就相当于把X+Y+Z=1平面投射到(X, Y)平面，也就是Z=0的平面，这就是CIE xyY色度图。

在CIE xyY系统中，根据颜色坐标(x, y)可确定z，但不能仅从x和y导出三种基色刺激值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

5）CIE 1931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来描述颜色。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x, y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 Chromaticity Diagram)。例如一个点在色度图上的坐标是x＝，y＝，那么它的颜色与红苹果的颜色相匹配。

CIE 1931色度图是用标称值表示的CIE色度图，x表示红色分量，y表示绿色分量。E点代表白光，它的坐标为(，)；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。

CIE色度图

?

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

?

?

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+zZ

o 图例：

?

? 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

取一个截面 x+y+z＝1

o 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：o

?

篇三：颜色基础知识

物体颜色呈现白天我们能看见五彩缤纷的颜色，但到了晚上所有的物体都变成黑色。颜色是如何呈现的？与哪些因素相关？首先，不同的物

体会有不同的颜色，所以颜色肯定与物体本身属性相关。然后，

在不同的光环境下，同一个物体会呈现不同的颜色，如下面的苹果，在灯光下和日光下颜色不同，那说明颜色的呈现于光源相关最后，不同的人看同一个物体，也会有不一样的感受，所以颜色的呈现还与人眼相关。由此可得，物体的颜色呈现与物体本身的属性、光源、人眼三个因素相关。如下图所示，光源照射在苹果上，人眼感受到苹果的颜色。

一、

光源科学上的定义，光是指所有的电磁波谱，按波长从大到小可分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，如图1所示。一般人的眼睛所能接受的光的波长在380～760nm之间。

图 1 电磁波谱太阳是人类最大的光源，太阳聚变辐射光谱的99%以上在波长～微米之间，太阳光谱分布如图2所示。这些波段受大气衰减的影响程度各不相同。可见光辐射的大部分可到达地面，大部分紫外光辐射被上层大气中的臭氧吸收，到达地面的太阳辐射能量比大气上界

小得多，可见光谱区约为40%，红外光谱区约为60%，紫外光含量极少。

图2 太

阳光谱分布不同的光源光谱分布不同，如白炽灯、蓝光、红光等不同的光源各个波长的成分含量不同。

白炽灯光谱

蓝光光谱

红光光谱

二、物体本身属性当光照射在物体上时，光会发生透射、反射、散射。当光照射到透明物体时，大部分的光穿透物体，反射和散射的光线只有小部分。当光照射都非透明物体时，光大部分被反射和散射，几乎没有光透过物体。不同的物体对各个波长的透过率、反射率、折射率等属性各不同，所以呈现出不同的颜色。透明物体的颜色由透过物体的光决定，

而非透明物体的颜色由反射和散射的光决定。比如蔚蓝的天空，是由于阳光进入大气时，波长较长的色光，如红光，透过大气射向地面；而波长短的紫、蓝、青色光，碰到大气分子、冰晶、水滴等时，发生散射现象。被散射了的紫、蓝、青色光布满天空，就使天空呈现出一片蔚蓝了。当雨后天空中充满细小的水滴，当阳光照射到这些小水滴时，不同波长的光以不同的角度散射到天空中，形成了彩虹。

三、人眼眼是由角膜、虹膜、晶状体、睫状体和玻璃体组成的光学系统，眼球结构如图所示。带有盲点和黄斑的视网膜是感光和信号处理部分，是构成人眼视觉的关键部分；视神经与大脑是信号传输和显示系统。由于波长小于300nm和波长大于1400nm的光可被角膜、前房、晶状体、玻璃体等吸收，光辐射能到达视网膜的波长范围是300～1400nm。

图5 眼睛结构外界物体反射来的光线，依次经过角膜、瞳孔、晶状体和玻璃体，并经过晶状体等的折射，最终落在视网膜上，形成一个物像。视网膜上有对光线敏感的细胞。这些细胞将图像信息通过

视神经传给大脑的一定区域，人就产生了视觉。视觉的形成过程可表示为图6所示。

图6 视觉形成

CIE色空间发展史各色空间优缺点分析

色知觉差异的定量表示是从明度、色调和彩度这三种颜色属性的差异来表示。明度差表示深浅的差异，色调差表示色相的差异（即偏红或偏蓝等），彩度差表示鲜艳度的差异。色差评定在工业和商业中非常重要，主要应用于生产中的配色和产品的颜色质量控制。 1931年，CIE（国际标准照明委员会）建立了一系列表示可见光谱的颜色空间标准。由于任何颜色都可以由RGB三原色混合而成，定义了CIE-RGB基色系统。但这一系统存在一个明显的缺点，计算颜色三刺激值时会出现负值，给大量的计算带来不便。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，因此人们可以选择任何一种想要的基色系统，以避免出现负值，并且使用方便。基于此CIE又推荐了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-XYZ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。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需按比例增加，而且色度值仅与波长(色调)和纯度有关，与总辐射能量无关，因此在计算颜色的色度时，把X,Y和Z值相对于总的辐射能量＝(X+Y+Z)进行规格化，配色方程可规格化为x+y+z=1。根据颜色坐标(x,y)可确定z，但不能仅从x和y导出三种基色刺激值X，Y和Z，还需要使用携带亮度信

息的Y值，其值与XYZ中的Y刺激值一致。从而又定义了CIE-xyY颜色空间。

图1 LAB色空间坐标 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