色彩知識：從牛頓七色光到“CIE1931”色彩空間

在顏色感知的研究中，CIE 1931 XYZ色彩空間(也叫做CIE 1931色彩空間)是其中一個最先采用數(shù)學方式來定義的色彩空間，它由國際照明委員會(CIE)于1931年創(chuàng)立。本文簡單介紹了“CIE1931”色彩空間產(chǎn)生的過程。

第一階段：牛頓七色光

1666年，牛頓做了一個三菱鏡分析白光的實驗，將“彩虹”成功的還原成了一到白光，他發(fā)現(xiàn)白光并不是“純潔”的光，而是由七種不同顏色的光混合而成的。

第二階段：可見光和三基色

1801年，托馬斯•楊進行了注明的楊氏雙縫實驗，證明了光是以波的形式傳播的，不同波長的光呈現(xiàn)出不同的顏色，而380nm-780nm是人眼可以感知的可見光范圍。

而針對人眼對顏色的感覺，這里不得不提到色彩三要素，即圖3的光源、物體、觀察者。

而針對人眼對于顏色的感知或者說感覺，既然是感覺，那么就一定是主觀的，所以人眼對于顏色的感知是經(jīng)過了大腦的處理對的。對于人眼來說，則不得不提到人眼的視覺細胞。

如上圖中的標出紅綠藍三種顏色的細胞，就是人眼當中的錐狀細胞，而這些細胞基本上都是在明亮的環(huán)境中才會正常工作的細胞，也成明視覺細胞。而在相對較暗的環(huán)境中，則主要是人眼當中的桿狀細胞在工作，也即暗視覺細胞。針對現(xiàn)今汽車當中的內飾氛圍燈而言，由于氛圍燈本身的亮度以及它的工作環(huán)境，則是在圖3中的右半部分中的虛線，即中間曲線，也就是明視覺細胞與暗視覺細胞同時工作的狀態(tài)。

我們回到1802年，托馬斯又提出了三基色的概念，色覺取決于眼睛里三種不同的視錐細胞，即感受長波（L）的視錐細胞，感受中波（M）的視錐細胞，感受短波（S）的視錐細胞，這三種視錐細胞通常與他們最敏感的顏色聯(lián)系在一起，L可代表紅色波段（560nm-580nm），M可代表綠色波段（530nm-540nm），S可代表藍色波段（420nm-440nm），根據(jù)這三種視錐細胞的刺激比例，就可以描述出任何一種顏色的感覺。

第四階段：三原色

1852年，德國物理學家赫姆霍茲對托馬斯•楊的理論進行了改進，并重新提出了托馬斯•楊的三原色視覺說（此理論在1965年前后由實驗證明）。赫姆霍茲認為一切色彩都可以從紅、綠、藍三種原色色光的不同比例混合而成。

1928年，帝國理工學院的萊特（W. David Wright）采用650nm的紅，530nm的綠，460nm的藍作為三原色，并邀請了10名觀察者參加了他的顏色匹配實驗。1931年，倫敦國家實驗室的吉爾德（John Guild）采用630nm的紅，542nm的綠，460nm的藍作為三原色，邀請了7名觀察者參加了他的顏色匹配實驗。圖5為兩位科學家的實驗數(shù)據(jù)。

第四階段：“CIE1931”色彩空間

由于萊特（W. David Wright）與吉爾德（John Guild）兩位科學家使用的三原色不同導致數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一，所以在1931年，國際照明委員會CIE綜合了兩位科學家的實驗數(shù)據(jù)，并采用了700nm的紅，546.1nm的綠，435.8nm的藍作為三原色，邀請了300多名觀察者重新做了顏色匹配實驗，最終得到的實驗數(shù)據(jù)（CIE 1931 RGB色度系統(tǒng)光譜三刺激值曲線圖-見下圖6右半部分）。

并通過上面的數(shù)據(jù)建立了CIE 1931 RGB色度系統(tǒng)，見圖7，并從該系統(tǒng)中導出了僅有rg兩軸的平面坐標圖“CIE 1931 RGB色度圖”——圖6中左半部分。

雖然“CIE 1931 RGB色度系統(tǒng)”解決了顏色的數(shù)學定義問題，但是由于光譜的三刺激值中有負值，造成光譜軌跡曲線的坐標有很大一部分在負軸上，不便于人們對色彩的分析，所以CIE重新設計了一個新的“CIE-XYZ坐標系”，然后在不改變原始數(shù)據(jù)意義的前提下，通過坐標變換是的所有的點都集中到“CIE-XYZ坐標系”的第一象限內，即形成了“CIE 1931 XYZ標準色度系統(tǒng)”，并導出了對應的平面坐標圖“CIE 1931 Yxy色度圖”，它從數(shù)學的角度描述了人類可以看到的所有顏色，也是由自然界中可見光譜組成的最大色彩空間，由于它的形狀類似馬蹄，所以也叫馬蹄圖，如下圖8。

即我們現(xiàn)如今廣泛使用的“CIE 1931”。其中使用了坐標（x，y）描述顏色的色度（色度=色相+飽和度），使用了一個隱藏函數(shù)Y來描述顏色的亮度（Luminance）。