色彩知识:从牛顿七色光到“CIE1931”色彩空间


色差仪批发网 / 2024-07-03

在颜色感知的研究中,CIE 1931 XYZ色彩空间(也叫做CIE 1931色彩空间)是其中一个最先采用数学方式来定义的色彩空间,它由国际照明委员会(CIE)于1931年创立。本文简单介绍了“CIE1931”色彩空间产生的过程。

 

 

第一阶段:牛顿七色光

1666年,牛顿做了一个三菱镜分析白光的实验,将“彩虹”成功的还原成了一到白光,他发现白光并不是“纯洁”的光,而是由七种不同颜色的光混合而成的。

 

 

第二阶段:可见光和三基色

1801年,托马斯•杨进行了注明的杨氏双缝实验,证明了光是以波的形式传播的,不同波长的光呈现出不同的颜色,而380nm-780nm是人眼可以感知的可见光范围。

而针对人眼对颜色的感觉,这里不得不提到色彩三要素,即图3的光源、物体、观察者。

而针对人眼对于颜色的感知或者说感觉,既然是感觉,那么就一定是主观的,所以人眼对于颜色的感知是经过了大脑的处理对的。对于人眼来说,则不得不提到人眼的视觉细胞。

 

 

如上图中的标出红绿蓝三种颜色的细胞,就是人眼当中的锥状细胞,而这些细胞基本上都是在明亮的环境中才会正常工作的细胞,也成明视觉细胞。而在相对较暗的环境中,则主要是人眼当中的杆状细胞在工作,也即暗视觉细胞。针对现今汽车当中的内饰氛围灯而言,由于氛围灯本身的亮度以及它的工作环境,则是在图3中的右半部分中的虚线,即中间曲线,也就是明视觉细胞与暗视觉细胞同时工作的状态。

我们回到1802年,托马斯又提出了三基色的概念,色觉取决于眼睛里三种不同的视锥细胞,即感受长波(L)的视锥细胞,感受中波(M)的视锥细胞,感受短波(S)的视锥细胞,这三种视锥细胞通常与他们最敏感的颜色联系在一起,L可代表红色波段(560nm-580nm),M可代表绿色波段(530nm-540nm),S可代表蓝色波段(420nm-440nm),根据这三种视锥细胞的刺激比例,就可以描述出任何一种颜色的感觉。

 

 

第四阶段:三原色

1852年,德国物理学家赫姆霍兹对托马斯•杨的理论进行了改进,并重新提出了托马斯•杨的三原色视觉说(此理论在1965年前后由实验证明)。赫姆霍兹认为一切色彩都可以从红、绿、蓝三种原色色光的不同比例混合而成。

1928年,帝国理工学院的莱特(W. David Wright)采用650nm的红,530nm的绿,460nm的蓝作为三原色,并邀请了10名观察者参加了他的颜色匹配实验。1931年,伦敦国家实验室的吉尔德(John Guild)采用630nm的红,542nm的绿,460nm的蓝作为三原色,邀请了7名观察者参加了他的颜色匹配实验。图5为两位科学家的实验数据。

 

 

第四阶段:“CIE1931”色彩空间

由于莱特(W. David Wright)与吉尔德(John Guild)两位科学家使用的三原色不同导致数据无法统一,所以在1931年,国际照明委员会CIE综合了两位科学家的实验数据,并采用了700nm的红,546.1nm的绿,435.8nm的蓝作为三原色,邀请了300多名观察者重新做了颜色匹配实验,最终得到的实验数据(CIE 1931 RGB色度系统光谱三刺激值曲线图-见下图6右半部分)。

 

 

并通过上面的数据建立了CIE 1931 RGB色度系统,见图7,并从该系统中导出了仅有rg两轴的平面坐标图“CIE 1931 RGB色度图”——图6中左半部分。

 

 

虽然“CIE 1931 RGB色度系统”解决了颜色的数学定义问题,但是由于光谱的三刺激值中有负值,造成光谱轨迹曲线的坐标有很大一部分在负轴上,不便于人们对色彩的分析,所以CIE重新设计了一个新的“CIE-XYZ坐标系”,然后在不改变原始数据意义的前提下,通过坐标变换是的所有的点都集中到“CIE-XYZ坐标系”的第一象限内,即形成了“CIE 1931 XYZ标准色度系统”,并导出了对应的平面坐标图“CIE 1931 Yxy色度图”,它从数学的角度描述了人类可以看到的所有颜色,也是由自然界中可见光谱组成的最大色彩空间,由于它的形状类似马蹄,所以也叫马蹄图,如下图8。

 

 

即我们现如今广泛使用的“CIE 1931”。其中使用了坐标(x,y)描述颜色的色度(色度=色相+饱和度),使用了一个隐藏函数Y来描述颜色的亮度(Luminance)。

 

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