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颜色是光作用于人眼所产生的一种视觉反应，色度学中采用明度、色调和饱和度来对颜色进行描述。在颜色的定量度量过程中，许多的因素都会影响颜色度量的结果，因此，为了统一颜色定量的标准，CIE规定了多个用于颜色度量的色度系统。本文对颜色的基本特性及颜色定量表达的色度系统进行了介绍。

颜色的定义：

美国光学学会的色度学委员会曾经把颜色定义为：颜色是除了空间的和时间的不均匀性以外的光的一种特性，即光的辐射能刺激视网膜而引起观察者通过视觉而获得的景象。在我国国家标准GB5698-85中，颜色的定义为：颜色光作用于人眼引起的除形象以外的视觉特性。根据这一定义，颜色是一种物理刺激作用于人眼的视觉特性，而人的视觉特性是受大脑支配的，也是一种心理反映。所以，色彩感觉不仅与物体本来的颜色特性有关，而且还受时间、空间、外表状态以及该物体的周围环境的影响，同时还受各人的经历、记忆力、看法和视觉灵敏度等各种因素的影响。

颜色的基本特性：

对于物体色（包括反射和透射物体）颜色分两大类：非彩色和彩色。非彩色是指黑色白色和介于这两者之间深浅不同的灰色。而彩色是指红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色。不同明度和纯度的色调都属于有彩色系。彩色是由光的波长和振幅决定的，波长决定色饱和度，振幅决定色调。

人眼观察物体感觉受到的色感觉包括色调，彩色，和明度称为颜色的三属性。

色调：是指彩色彼此相互区分的特性，如红，橙，黄，绿，青，蓝，紫等所表述的颜色属性。

饱和度：是指彩色的纯洁度。它可用以估计光谱纯度在整个色感觉中所占成分比例的视觉特性。

明度：是指与所观察物体明亮程度相对应的视觉特性。它与人眼的视觉特性，照明条件和物体漫反射或漫透射光的程度有关。

颜色定量表达的色度系统：

1.1931CIE颜色系统

1931CIE颜色系统包括1931CIE-RGB颜色系统和1931CIE-XYZ颜色系统。

人类对自然中颜色的识别是通过人眼视网膜上的三种视锥细胞，而这三种视锥细胞最敏感的波长范围分别对应红、绿、蓝3种颜色的波段。根据这种规律，提出三原色原理，即在理论上可见光内的所有颜色都可以由红色R、绿色G、蓝色B这3种原色匹配产生，从而得到了1931CIE-RGB颜色系统。该系统首次使用数学方法，通过确定三原色的比例系数来确定颜色，CIE通过对317位正常视觉者进行色匹配实验，得到如图1的色匹配函数曲线。并得到1931CIE-RGB系统色度图2，不难发现，曲线图与色度图中出现了负数，这是因为在标准观察者实验的过程中，会出现无法通过调节右侧三色的光强来匹配左侧颜色的情况，为了将实验者所观察到的颜色与左侧颜色相匹配，不得不将左侧颜色进行调整，负值即补偿这部分调整。

针对RGB颜色系统中负值的出现对后续使用不便及计算困难的问题，CIE对色匹配函数进行了线性变换，将所有的分量都放在正数空间，从而得到了新的一组三原色XYZ。对应的色匹配曲线如下图1所示，并得到 1931CIE-XYZ系统色度图，如图2所示。1931CIE-XYZ颜色系统在计算使用上的方便，为日后量化视觉颜色、颜色测量及色差评定标准打下了基础。

2.1964CIE颜色系统

1931CIE颜色系统表征了人眼在视场为2°时的色觉平均特性，但是在日常观察物体时常常会超过2°的范围，研究表明，当视场大于4°时，由于眼睛杆状细胞的参与及视网膜中央窝黄色素的影响，颜色视觉会发生一定变化。因此CIE在1964年进行10°视场的色匹配实验，补充规定了一组新的三刺激值作为标准，并对之前的实验结果作了杆状细胞参与的修正，得到新的RGB颜色系统。

同样的，为消除负值带来的不便对RGB颜色系统进行线性变换，得到1964CIE-XYZ颜色系统。对比于1931CIE-XYZ颜色系统，1931CIE-XYZ颜色系统在视网膜上中央窝以外的区域对短波光谱有更高的敏感性，提高了大视场下颜色匹配的精度和辨别色差的能力。

3.1976CIELab均匀颜色空间

1931CIE色度空间颜色分布不均匀，不容易对颜色之间的差异进行判定，无法非常直观的判断两种颜色之间差异的大小。因此为了进一步改进和统一颜色评价的方法，CIE推荐了新的颜色空间及相关的色差公式，即 1976CIELab。1976CIELab属于非自照明的颜色空间，与其它颜色空间相比，1976CIELab是与设备无关的颜色表示方法，在感知上是均匀一致的，能够较好的反映物体色真实的心理感受效果。1976CIELab的出现统一了色差评价的标准，现已成为各颜色测量行业中检测最终产品颜色差别一致性的定量评价标准。

1976CIELab色空间由（L）、（a）、（b）3 个要素组成，L表示照度，相当于亮度，值域范围为0～100；a表示的颜色范围是洋红色至绿色，b表示的颜色范围是黄色至蓝知色，两者值域都是+127至-128.1976CIE-Lab 空间可由1931CIEXYZ系统通过数学转换得到，具体计算公式如下：

其中，在上面的公式中，X、Y、Z指的是物体的三刺激值，这三个属性值是在海明对立坐标理论的基础上建立起来的。Xn、Yn、Zn表示的是CIE标准照明体先照射在完全反射漫反射体上，再经其反射到人们眼中的白颜色物体的三刺激值。光源和观察者的条件分别以D65和10°条件为佳。在不同的光源以及观察者条件下，三刺激值是不同的。若采用D65标准照明体X0=94.811，Y0=100.00，Z0=107.304。

同时，1976CIELab还给出了色差计算公式，具体计算公式如下：

式中：△L为两颜色间明度差，△a与△b为两颜色之间的色度差。△E为总色差，△E越大，说明两种颜色之间的色差越明显，在色空间上距离越远。