光度学与色度学：CIE标准色度学系统(一)

2011-01-25

                                                     光度学与色度学：CIE标准色度学系统(一)
       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。

一、CIE1931标准色度学系统

         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1931 CIE-XYZ两个系统，分别介绍如下：

（一）1931CIE-RGB 系统

该系统用波长分别为7×10-7米（红）、5.461×10-7米（绿）和4.358×10-7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三原色系统数据后的平均值来确定[详见参考文献]，并定名为“1931 CIE－RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值”。简称“1931 CIE－RGB系统标准观察者”。
（二）1931 CIE－XYZ系统
1931 CIE－RGB 系统可以用来标定颜色和进行色度计算。但是该系统的光谱三刺激值存在负值，这既不便于计算，也难以理解。因此CIE同时推荐了另一色度学系统，即1931 CIE－XYZ系统。
1931 CIE－XYZ系统选用(X)、(Y)、(Z)、为三原色。用此三原色匹配等能光谱色，三刺激值均为正值。该系统的 光谱三刺激值已经标准化，并定名为“CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE 1931标准色度观察者”。
1931 CIE－XYZ系统，是在1931 CIE－RGB系统基础上，经重新选定三原色和数据变换而确定的。
1、三原色的确定

确定1931 CIE－XYZ 系统的三原色 (X)、(Y)、(Z)，遵循以下原则：

（1）用此三原色匹配等能光谱色，三刺激值不应出现负值；

（2）实际不存在的颜色在色品图上所占的面积应尽量小；

（3）用Y刺激值表示颜色的亮度，同时亦表示色度；而X和Z刺激值只表示色度，不代表亮度。这种规定给颜色标定带来了很大的方便。

为了实现（1）和（2）两项要求，（X）、（Y）、（Z）三原色在1931CIE－RGB色品图上色品点所形成的颜色三角形，应包住全部光谱色色品轨迹，且使三角形内在光谱色色品轨迹外部分占有小的比例。为了达到这一目的

①选取色品图上光谱色色品轨迹波长7×10-7～5.4×10-7米段向两端延伸的直线作为新三原色色品点形成颜色三角形的(X) (Y) 边。

②选取靠近光谱色色品轨迹上波长为5.03×10-7米点的一条直线作为 (X) (Y) (Z) 三角形的 (Y) (Z)边，其色品坐标方程式为

1.45r+0.55g+1=0

为了满足条件，取色品图上的无亮度线作为 (X) (Y) (Z) 三角形的(X) (Z)边。前边讲过，在1931CIE－RGB系统中，三刺激值相等时三原色的光亮度比为

L(R):L(G):L(B) =1.000:4.5907:0.0601

如果颜色C的色品坐标分别为r、g和b，其相对亮度L(c) 可表示为

L (C ) =r+4.5907g+0.0601b

若此点恰好在无亮度线上，即L(c) =0 ，则有

r+4.5907g+0.0601b=0

把b=1-r-g代入上式，得

0.9399r+4.5306g+0.0601=0

就是1931CIE－RGB色品图上的无亮度线方程，也就是(X) (Y) (Z)三角形(X) (Z) 边的方程。

式（5－58）、（5－59）和（5－60）三个方程所代表的三条直线构成的三角形的顶点便是选定三原色(X)、(Y)、(Z)的色品点。通过解联立方程求得的（X）、（Y）、（Z）三原色在1931CIE－RGB系统的色品坐标如下表所示。

　  r  g  b 
(X)  1.2750  -0.2778  0.0028 
(Y)  -1.7392  2.7671  -0.0279 
(Z)  -0.7431  0.1409  1.6022 

2、CIE1931标准色度观察者

在1931CIE－RGB 系统色品图上，新三原色(X)、(Y)和(Z)的色品点在偏马蹄形光谱色色品轨迹之外，只有这样才能保证光谱三刺激值不出现负值。但是在光谱色色品轨迹外的颜色，实际是不存在的。所以(X)、(Y)、(Z)三原色能够用来表示颜色，却不能用来进行实际的混合匹配。因而1931 CIE－XYZ系统的光谱三刺激值不能通过直接匹配实验来获得，该系统的光谱三刺激值，是由1931 CIE－RGB系统的有关数据经坐标转换和定标而确定的。

1931 CIE－XYZ系统的光谱三刺激值，定名为“CIE 1931 标准色度观察者光谱三刺激值”。简称“CIE 1931标准色度观察者”。图5－17给出了CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线。