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CIE1931色彩空间

时间:2012-10-28来源:shixinhua.com石鑫华视觉网 作者:石鑫华 点击: 999999次

CIE1931色彩空间

CIE1931色彩空间概述

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。
CIE XYZ 色彩空间是从 1920 年代后期 W. David Wright (Wright 1928) 和 John Guild (Guild 1931) 做的一系列实验中得出的。他们的实验结果合并到了 CIE RGB 色彩空间的规定中,CIE XYZ 色彩空间再从它得出。本文即阐述这两种色彩空间。

三色刺激值

人类眼睛有对于短(S)、中(M)和长(L)波长光的感受器(叫做视锥细胞),所以原则上只要三个参数便能描述颜色感觉了。在三色加色法模型中,如果某一种颜色和另一种混合了不同份量的三种原色的颜色,均使人类看上去是相同的话,我们把这三种原色的份量称作该颜色的三色刺激值。 CIE 1931 色彩空间通常会给出颜色的三色刺激值,并以X、Y和Z来表示。
色彩空间是指任何一种替每个颜色关联到三个数(或三色刺激值)的方法,CIE 1931 色彩空间就是这种色彩空间之一。但是 CIE XYZ 色彩空间是特殊的,因为它是基于人类颜色视觉的直接测定,并充当很多其他色彩空间的定义基础。
在 CIE XYZ 色彩空间中,三色刺激值并不是指人类眼睛对短、中和长波(S、M 和 L)的反应,而是一组称为 X、Y 和 Z 的值,约略对应于红色、绿色和蓝色(但要留意 X、Y 和 Z 值并不是真的看起来是红、绿和蓝色,而是从红色、绿色和蓝色导出来的参数),并使用 CIE 1931 XYZ 颜色匹配函数来计算。两个由多种不同波长的光混合而成的光源可以表现出同样的颜色,这叫做“异谱同色”(metamerism)。当两个光源对标准观察者(CIE 1931 标准色度观察者)有相同的视现颜色的时候,它们即有同样的三色刺激值,而不管生成它们的光的光谱分布如何。

CIE xy 色度图

CIE 1931 色彩空间色度图
CIE 1931 色彩空间色度图
外侧曲线边界是光谱(或单色)光轨迹,波长用纳米标记。注意描绘的颜色依赖于显示这个图象的设备的色彩空间,没有设备能有足够大色域来在所有位置上提供精确的色度表现。
 
因为人类眼睛有响应不同波长范围的三种类型的颜色传感器,所有可视颜色的完整绘图是三维的。但是颜色的概念可以分为两部分:明度和色度。例如,白色是明亮的颜色,而灰色被认为是不太亮的白色。换句话说,白色和灰色的色度是一样的,而明度不同。
CIE XYZ 色彩空间故意设计得 Y 参数是颜色的明度或亮度测量。颜色的色度接着通过两个导出参数 x 和 y 来指定,它们是所有三个三色刺激值 XY 和 Z 的函数所规范化的三个值中的两个:
2
3
4
导出的色彩空间用 x, y, Y 来指定,它叫做 CIE xyY 色彩空间并在实践中广泛用于指定颜色。
X 和 Z 三色刺激值可以从色度值 x 和 y 与 Y 三色刺激值计算回来:
5
6
上面的CIE 1931 色彩空间色度图展示了相对色度图。外侧曲线边界是光谱轨迹,波长用纳米标记。注意这个色度图是指定人类眼睛如何体验给定频谱的光的工具。它不能指定物体的颜色(或印刷墨水),因为在观察物体的时候看到的色度还依赖于光源。
数学上,x 和 y 是投影坐标,色度图的颜色占据了实投影平面的一个区域。
色度图展示了 CIE XYZ 色彩空间一些有趣性质:
  • 色度图展示了对一般人可见的所有色度。这个用颜色展示的区域叫做人类视觉的色域。在 CIE 绘图上所有可见色度的色域是用颜色展示的马蹄铁形状。色域的曲线边界叫做“光谱轨迹”并对应于单色光,波长用纳米标记。色域底下的直线边界叫做“紫线”,这些颜色尽管在色域的边界上,但没有匹配的单色光。更少饱和的颜色位于图形内部而白色位于中央。
  • 所有可见色度对应于 xy 和 z 的非负值(因此对应于 XY 和 Z 的非负值)。
  • 如果你在色度图上选择了任何两点,则位于这两点之间直线上任何颜色都可以用这两个颜色混合出来。这得出了色域的形状必定是凸形的。混合三个光源形成的所有颜色都可以在色度图内的源点形成的三角形内找到(对于多个光源也如是)。
  • 两个同等明亮颜色的等量混合一般不位于这个线段的中点。用更一般术语说,在 xy 色度图上距离不对应于两种颜色之间的差别程度。设计了其他色彩空间(特别是CIELuv 和 CIELab)来满足这个问题。
  • 给定三个真实光源,这些光源不能覆盖人类视觉的色域。几何上说,在色域中没有三个点可以形成包括整个色域的三角形,更简单的说,人类视觉的色域不是三角形。
  • 平直能量频谱的光对应于点 (x,y) = (1/3,1/3)。
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