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光度學(xué)與色度學(xué)：CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)(一)

2011-01-25

                                                     光度學(xué)與色度學(xué)：CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)(一)
       國(guó)際照明委員會(huì) (CIE) 規(guī)定的顏色測(cè)量原理、基本數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，稱做CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)。CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)的核心內(nèi)容是用三刺激值及其派生參數(shù)來(lái)表示顏色。

       任何一種顏色都可以用三原色的量，即三刺激值來(lái)表示。選用不同的三原色，對(duì)同一顏色將有不同的三刺激值。為了統(tǒng)一顏色表示方法，CIE對(duì)三原色做了規(guī)定。

       光譜三刺激值或顏色匹配函數(shù)是用三刺激值表示顏色的極為重要的數(shù)據(jù)。對(duì)于同一組三原色，正常顏色視覺(jué)不同入測(cè)得的光譜三刺激值數(shù)據(jù)很接近，但不完全相同。為了統(tǒng)一顏色表示方法，CIE取多人測(cè)得的光譜三刺激值的平均數(shù)據(jù)做為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并稱之為標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者。

CIE對(duì)三刺激值和色品坐標(biāo)的計(jì)算方法作了規(guī)定。

對(duì)于物體色，光源、照明和觀察條件對(duì)顏色有一定影響。為了統(tǒng)一測(cè)量條件，CIE對(duì)光源、照明條件和觀察條件也做了規(guī)定。

一、CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)

         CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)，是1931年在CIE第八次會(huì)議上提出和推薦的。它包括1931CIE-RGB和1931 CIE-XYZ兩個(gè)系統(tǒng)，分別介紹如下：

（一）1931CIE-RGB 系統(tǒng)

該系統(tǒng)用波長(zhǎng)分別為7×10-7米（紅）、5.461×10-7米（綠）和4.358×10-7米（蘭）的光譜色為三原色，并且分別用（R）、（G）、（B）表示。系統(tǒng)規(guī)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的單位三刺激值的光亮度比為1.000: 4.5907:0.0601；輻亮度比為72.0962:1.3791:1.000。
系統(tǒng)的光譜三刺激值，由萊特實(shí)驗(yàn)和吉爾德（J·Guild）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算為既定三原色系統(tǒng)數(shù)據(jù)后的平均值來(lái)確定[詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)]，并定名為“1931 CIE－RGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”。簡(jiǎn)稱“1931 CIE－RGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)觀察者”。
（二）1931 CIE－XYZ系統(tǒng)
1931 CIE－RGB 系統(tǒng)可以用來(lái)標(biāo)定顏色和進(jìn)行色度計(jì)算。但是該系統(tǒng)的光譜三刺激值存在負(fù)值，這既不便于計(jì)算，也難以理解。因此CIE同時(shí)推薦了另一色度學(xué)系統(tǒng)，即1931 CIE－XYZ系統(tǒng)。
1931 CIE－XYZ系統(tǒng)選用(X)、(Y)、(Z)、為三原色。用此三原色匹配等能光譜色，三刺激值均為正值。該系統(tǒng)的 光譜三刺激值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并定名為“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”，簡(jiǎn)稱“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者”。
1931 CIE－XYZ系統(tǒng)，是在1931 CIE－RGB系統(tǒng)基礎(chǔ)上，經(jīng)重新選定三原色和數(shù)據(jù)變換而確定的。
1、三原色的確定

確定1931 CIE－XYZ 系統(tǒng)的三原色 (X)、(Y)、(Z)，遵循以下原則：

（1）用此三原色匹配等能光譜色，三刺激值不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)值；

（2）實(shí)際不存在的顏色在色品圖上所占的面積應(yīng)盡量小；

（3）用Y刺激值表示顏色的亮度，同時(shí)亦表示色度；而X和Z刺激值只表示色度，不代表亮度。這種規(guī)定給顏色標(biāo)定帶來(lái)了很大的方便。

為了實(shí)現(xiàn)（1）和（2）兩項(xiàng)要求，（X）、（Y）、（Z）三原色在1931CIE－RGB色品圖上色品點(diǎn)所形成的顏色三角形，應(yīng)包住全部光譜色色品軌跡，且使三角形內(nèi)在光譜色色品軌跡外部分占有小的比例。為了達(dá)到這一目的

①選取色品圖上光譜色色品軌跡波長(zhǎng)7×10-7～5.4×10-7米段向兩端延伸的直線作為新三原色色品點(diǎn)形成顏色三角形的(X) (Y) 邊。

②選取靠近光譜色色品軌跡上波長(zhǎng)為5.03×10-7米點(diǎn)的一條直線作為 (X) (Y) (Z) 三角形的 (Y) (Z)邊，其色品坐標(biāo)方程式為

1.45r+0.55g+1=0

為了滿足條件，取色品圖上的無(wú)亮度線作為 (X) (Y) (Z) 三角形的(X) (Z)邊。前邊講過(guò)，在1931CIE－RGB系統(tǒng)中，三刺激值相等時(shí)三原色的光亮度比為

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

如果顏色C的色品坐標(biāo)分別為r、g和b，其相對(duì)亮度L(c) 可表示為

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

若此點(diǎn)恰好在無(wú)亮度線上，即L(c) =0 ，則有

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色品圖上的無(wú)亮度線方程，也就是(X) (Y) (Z)三角形(X) (Z) 邊的方程。

式（5－58）、（5－59）和（5－60）三個(gè)方程所代表的三條直線構(gòu)成的三角形的頂點(diǎn)便是選定三原色(X)、(Y)、(Z)的色品點(diǎn)。通過(guò)解聯(lián)立方程求得的（X）、（Y）、（Z）三原色在1931CIE－RGB系統(tǒng)的色品坐標(biāo)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標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者

在1931CIE－RGB 系統(tǒng)色品圖上，新三原色(X)、(Y)和(Z)的色品點(diǎn)在偏馬蹄形光譜色色品軌跡之外，只有這樣才能保證光譜三刺激值不出現(xiàn)負(fù)值。但是在光譜色色品軌跡外的顏色，實(shí)際是不存在的。所以(X)、(Y)、(Z)三原色能夠用來(lái)表示顏色，卻不能用來(lái)進(jìn)行實(shí)際的混合匹配。因而1931 CIE－XYZ系統(tǒng)的光譜三刺激值不能通過(guò)直接匹配實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得，該系統(tǒng)的光譜三刺激值，是由1931 CIE－RGB系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和定標(biāo)而確定的。

1931 CIE－XYZ系統(tǒng)的光譜三刺激值，定名為“CIE 1931 標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”。簡(jiǎn)稱“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者”。圖5－17給出了CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線。