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颜色理论之CIE颜色系统

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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。

令旦科技致力于提供表观检测解决方案,颜色是表观检测中重要的光学指标,我们分享一下CIE颜色系统相关理论知识。

1、RGB模型

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。

2、CIE-XYZ模型

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的颜色科学家们试图在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,即XYZ模型,使颜料、染料和印刷等工业能够明确产品的颜色,会议所取得的主要成果包含:

a、 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);

b、定义了标准光源用于比较颜色的光源规范;

c、定义了CIE XYZ基色系统,与RGB相关的相像的基色系统,但更适用于颜色的计算;

d、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;

e、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:

a、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;

b、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CIE-LUV,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。

CIE颜色系统虽然大多数人没有直接使用,可能只有颜色科学家或者某些计算机程序中使用,但了解CIE颜色系统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。

以上。

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