光学基础之色度——三原色及CIE标准色度系统知识介绍
色度学原理与CIE标准色度系统
颜色光匹配实验
“同色异谱”的颜色 配对：由三原色组成 的颜色的光谱组成与 被匹配的颜色光的光 谱组成可能不一致。
500nm左右，红光出 现了负值？
匹配此波长的光谱色时，需要将红色光源移至下 方目标光源处，从而上下方的光源可以做到颜色 匹配，因此在曲线图中产生负的函数。
1.2 亮度相加
• 三种不同颜色的色光：P*、Q*、R*。
颜色方程 C[C]=R[R]+G[G]+B[B]
• 可以将R*、G*、B*、C*看作是向量， [R]、[G]、[B] 、[C] 为单位向量，R、G、B、C为相应的颜色强度和色量。
• R、G、B为颜色的三刺激值 • C[C]=R[R]+G[G]-B[B]（举例：黄单色光）
r+g+b=1
• 色度坐标：三原色各自占R+G+B总量的相对比值。
b=0.0028
(Y):r=-1.7392 g=2.7671
b=-0.0279
(Z):r=-0.7431 g=0.1409
b=1.6022
➢将 X Y Z 三 角 形 转 换 为 麦 克斯韦直角三角形，即得 到目前通用的1931CIEXYZ色度图。 根据XYZ三点在r-g图中 的坐标以及色度转换矩阵， 我们可以先求出规化矩阵 [k]，从而求算出两个色度 图的色度坐标转换关系。
3 均匀颜色空间和色差公式
色差是指两个颜色在颜色 知觉上的差异，它包括明 度差、彩度差和色相差三 方面。
心理概念，表示物体表面色而 非光色，常用色相、明度、饱
和度表示
如果能够以两点的距离表示色差，就实现了数字表达。
理论上是可以的，但是有两个问题需要解决。
问题1：色差是知觉色的差异，是以人对物体颜 色的感觉为基准的。
光学基础-色度
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。
国际照明委员会色彩体系-CIE色彩系统-色彩学
国际照明委员会色彩体系-CIE色彩系统-色彩学
CIE系统是国际照明委员会(International Commission of Illumination)在1931年正式采用的国际测色标准。
是基于Young和Helmholtz的色光三原色理论，利用光学仪器测量色彩，是一种科学、准确的色彩系统。
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。
CIE标准色度学系统
CIE标准色度学系统CIE标准色度学系统，全名为国际照明委员会标准色度学系统，是一种用于量化和描述颜色的科学方法。
它是由国际照明委员会（CIE）开发和推广的，目的是建立一个统一的国际标准，以便不同地区和领域的人们能够使用相同的术语和工具来描述和测量颜色。
CIE标准色度学系统基于人类视觉系统的特性和颜色感知的原理，广泛应用于工业工程、设计、艺术和科学研究领域。
下面将详细介绍CIE标准色度学系统的基本原理和应用。
CIE标准色度学系统是基于三个基本刺激色彩：红色，绿色和蓝色。
它们被称为三刺激值，并用X、Y和Z表示。
这些基本刺激色彩可以组合成所有其他的可见光颜色。
CIE标准色度学系统通过测量和描述三刺激值的相对量来定量描述颜色。
这些相对量是通过比较样品与已知标准的颜色之间的差异来确定的。
以CIE标准光源和CIE标准观察者为基准，CIE标准色度学系统提供了一种一致和可重复的方法来测量和描述颜色。
CIE标准色度学系统的应用非常广泛。
在工业工程中，它可以用于设计和控制光照，以确保产品的颜色一致性。
例如，在汽车制造业中，使用CIE标准色度学系统可以确保一个车型的不同部件的颜色一致，这对于提高产品质量和顾客满意度非常重要。
此外，CIE标准色度学系统还可以用于指导产品的色彩设计和开发，以满足不同顾客的需求和喜好。
在设计和艺术领域，CIE标准色度学系统可以用来操纵颜色，以实现特定的视觉效果。
例如，可以使用CIE标准色度学系统来调整图像和照片的颜色平衡，并根据需要增强或减弱特定颜色的亮度和饱和度。
此外，CIE标准色度学系统还可以用于指导画家和设计师在他们的作品中使用颜色。
在科学研究领域，CIE标准色度学系统可以用来研究和理解人类视觉系统的特性和颜色感知的机制。
通过研究CIE标准色度学系统，科学家们可以更好地了解色盲和其他视觉障碍的发生机制，并开发更好的方法来诊断和治疗这些问题。
总之，CIE标准色度学系统是一种用于量化和描述颜色的标准化方法。
色度学原理与CIE标准色度学系统
色度学原理与CIE标准色度学系统一、引言色度学是一门研究颜色的科学，它涉及到物体反射、发射和感知的光的属性。
色度学的研究对于许多应用领域都具有重要意义，如图像处理、印刷、设计等。
CIE标准色度学系统作为国际上广泛应用的色度学标准，为我们提供了描述颜色的一套分析方法和标准。
二、色度学基础2.1 光的色彩与频率色彩来源于光的特性，光的色彩与其频率有直接关系。
常见的可见光波长范围在380-780纳米之间，对应的频率范围为400-790THz。
不同频率的光波经过人眼感觉，形成不同的颜色感知。
2.2 色光三基色原理色光三基色原理是指将可见光的色彩分解为三种基本色彩，通过不同的基本色彩的混合来形成各种其他颜色。
一般来说，最常用的三基色是红色、绿色和蓝色，这也是彩色显示技术的基础。
2.3 颜色感知人眼对于颜色的感知是通过视锥细胞来实现的。
根据颜色的感知级别，可以将颜色分为亮度、饱和度和色相三个属性。
亮度表示颜色的明暗程度，饱和度表示颜色的纯度，色相表示颜色的种类和类别。
三、CIE标准色度学系统3.1 CIE标准色度学系统简介CIE标准色度学系统是国际照明委员会（CIE）制定的一套描述和标准化颜色的系统。
它通过数学模型和测量标准，将各种颜色归纳成一组三刺激值，即人眼对应的红、绿、蓝三种光的感知量。
3.2 CIE XYZ色彩空间CIE XYZ色彩空间是CIE标准色度学系统的基础，它是一种线性变换的色彩空间，能够精确地表示所有可见光的颜色。
CIE XYZ色彩空间以人眼的感知为基础，通过三个轴表示红、绿、蓝三种感知的亮度值。
3.3 CIE色度图CIE色度图是CIE标准色度学系统中的一种图形表示方式，它将颜色以坐标的形式展示在一个平面内。
CIE色度图中，色度坐标表示颜色的色相和饱和度，亮度值表示颜色的亮度。
通过CIE色度图，可以直观地比较不同颜色之间的差异。
3.4 CIE L a b*色彩空间CIE L a b色彩空间是一种非线性变换的色彩空间，它将颜色表示为一组三维坐标。
CIE标准色度学系统介绍
CIE标准色度学系统介绍所谓1931CIE-XYZ系统，就是在RGB系统的基础上，用数学方法，选用三个理想的原色来代替实际的三原色，从而将CIE-RGB系统中的光谱三刺激值与色度坐标r、g、b均变为正值。
（一）、CIE-RGB系统与CIE-XYZ系统的转换关系选择三个理想的原色（三刺激值）X、Y、Z，X代表红原色,Y代表绿原色,Z代表蓝原色,这三个原色不是物理上的真实色，而是虚构的假想色。
它们在图5-27中的色度坐标分别为：从图5-27中能够看到由XYZ形成的虚线三角形将整个光谱轨迹包含在内。
因此整个光谱色变成了以XYZ三角形作为色域的域内色。
在XYZ系统中所得到的光谱三刺激值、、、与色度坐标x、y、z将完全变成正值。
经数学变换，两组颜色空间的三刺激值有下列关系：X=0.490R+0.310G+0.200BY=0.177R+0.812G+0.011B …………………………（5-8）Z= 0.010G+0.990B两组颜色空间色度坐标的相互转换关系为：x=（0.490r+0.310g+0.200b）/（0.667r+1.132g+1.200b）y=（0.117r+0.812g+0.010b）/（0.667r+1.132g+1.200b）………………(5-9)z=（0.000r+0.010g+0.990b）/（0.667r+1.132g+1.200b）这就是我们通常用来进行变换的关系式，因此，只要明白某一颜色的色度坐标r、g、b，即能够求出它们在新设想的三原色XYZ颜色空间的的色度坐标x、y、z。
通过式（5-9）的变换，对光谱色或者一切自然界的色彩而言，变换后的色度坐标均为正值，而且等能白光的色度坐标仍然是（0.33，0.33），没有改变。
表5-3是由CIE-RGB系统按表5-2中的数据，由式（5-9）计算的结果。
从表5-3中能够看到所有光谱色度坐标x(l)，y(l)，z(l)的数值均为正值。
（毫微米）x y z3800.17410.00500.82090.001450.00000.0065 3850.17400.00500.82100.00220.00010.0105 3900.17380.00490.82130.00420.00010.0201 3950.17360.00490.82150.00760.00020.0362 4000.17330.00480.82190.01430.00040.0679 4050.17300.00480.82220.02320.00060.1102 4100.17260.00480.82260.04350.00120.2074 4150.17210.00480.82310.07760.00220.3713 4200.17140.00510.82350.13440.00400.6456 4250.17030.00580.82390.21480.0073 1.0391 4300.16890.00690.82420.28390.0116 1.3856 4350.16690.00860.82450.32850.0168 1.6230 4400.16440.01090.82470.34830.0230 1.7471 4450.16110.01380.82510.34810.0298 1.7826 4500.15660.01770.82570.33620.0380 1.7721 4550.15100.02270.82630.31870.0480 1.7441 4600.14400.02970.82630.29080.0600 1.6692 4650.13550.03990.82460.25110.0739 1.5281 4700.12410.05780.81810.19540.0910 1.2876 4750.10960.08680.80360.14210.1126 1.0419 4800.09130.13270.77600.09560.13900.8130 4850.06870.20070.73060.05800.16930.6162 4900.04540.29500.65960.03200.20800.4652 4950.02350.41270.56380.01470.25860.3533 5000.00820.53840.45340.00490.32300.2720 5050.00390.65480.34130.00240.40730.2123 5100.01390.75020.23590.00930.50300.1582 5150.03890.81200.14910.02910.60820.1117 5200.07430.83380.09190.06330.71000.07826750.73270.26730.00000.06360.02320.0000 6800.73340.26660.00000.04680.01700.0000 6850.73400.26600.00000.03290.01190.0000 6900.73440.26560.00000.02270.00820.0000 6950.73460.26540.00000.01580.00570.0000 7000.73470.26530.00000.01140.00410.0000 7050.73470.26530.00000.00810.00290.0000 7100.73470.26530.00000.00580.00210.0000 7150.73470.26530.00000.00410.00150.0000 7200.73470.26530.00000.00290.00100.0000 7250.73470.26530.00000.00200.00070.0000 7300.73470.26530.00000.00140.00050.0000 7350.73470.26530.00000.00100.00040.0000 7400.73470.26530.00000.00070.00020.0000 7450.73470.26530.00000.00050.00020.0000 7500.73470.26530.00000.00030.00010.0000 7550.73470.26530.00000.00020.00010.0000 7600.73470.26530.00000.00020.00010.0000 7650.73470.26530.00000.00010.00000.0000 7700.73470.26530.00000.00010.00000.0000 7750.73470.26530.00000.00010.00000.00007800.73470.26530.00000.00000.00000.0000按5毫微米间隔求与：=21.3714；=21.3711；=21.3715为了使用方便，图5-27中的XYZ三角形，经转换变为直角三角形（图5-28），其色度坐标为x、y。
光学基础之色度-三原色及CIE标准色度系统知识介绍
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。
三原色原理基础知识
三原色原理基础知识三原色原理是指用三种颜色作为基础色，可以调配出所有其他颜色的原理。
这三种颜色分别是红色、绿色和蓝色。
在光学领域中，这三种颜色被称为RGB颜色模式，而在印刷领域中，它们被称为CMY颜色模式。
三原色原理是色彩学的基础，也是数字图像处理和印刷行业中不可或缺的重要概念。
首先，我们来了解一下RGB颜色模式。
在RGB颜色模式中，红色、绿色和蓝色是三种基本颜色，它们的不同组合可以产生各种各样的颜色。
当红色、绿色和蓝色三种颜色的光以不同的强度混合在一起时，我们就能看到不同的颜色。
例如，当红色和绿色的光以相等的强度混合时，我们会看到黄色；当红色和蓝色的光混合时，我们会看到洋红色；当绿色和蓝色的光混合时，我们会看到青色。
而当红色、绿色和蓝色的光都以相等的强度混合时，我们会看到白色。
这就是RGB颜色模式的工作原理，通过不同强度的三种基本颜色的混合，可以呈现出丰富多彩的色彩。
其次，我们来介绍一下CMY颜色模式。
在印刷领域中，使用的是CMY颜色模式，即青色、品红色和黄色。
这三种颜色是通过吸收光的方式来产生其他颜色的。
当青色、品红色和黄色的墨水以不同的比例混合在一起时，可以产生各种各样的颜色。
与RGB颜色模式相对应的是，当青色和品红色的墨水混合时，我们会看到蓝色；当青色和黄色的墨水混合时，我们会看到绿色；当品红色和黄色的墨水混合时，我们会看到红色。
而当青色、品红色和黄色的墨水都以相等的比例混合时，我们会看到黑色。
这就是CMY颜色模式的工作原理，通过不同比例的三种基本颜色的混合，可以呈现出丰富多彩的色彩。
最后，我们需要了解的是，RGB颜色模式和CMY颜色模式之间存在着互补关系。
在数字图像处理中，我们常常用RGB颜色模式来表示彩色图像，而在印刷行业中，我们则使用CMY颜色模式来进行印刷。
这是因为RGB颜色模式和CMY颜色模式是互相补充的，它们之间存在着对应关系。
通过了解三原色原理，我们可以更好地理解色彩的形成原理，也可以更好地应用于数字图像处理和印刷行业中。
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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 1786.00025.00009.00157.02524.00912.00828.01587.04185.00092.10144.00052.00888.04264.15152.04681.08966.03646.26508.51
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。
CIE1964标准色度系统的定义式如下：
⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡101010101010038878.20375154.00073588.0837182.0138972.0390202.0188273.0341427.0b g r z y x 光谱三原色值()λ10r 、10g 、10b 示于图1.5－3中，10x 、10y 、 示于图1.5－4中，而数据则列于表1.5－2 中。
图1.5－3 CIE 1964的归一化三原色值
在上述CIE 1931和CIE 1946标准色度系统中，各种颜色的允许公差如图1.5－5所示，可见在不同的颜色区域，允许的公差差别很大，这给工程应用带来很大困难。