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學方式來定義的色彩空間，它由國際照明委員會(CIE)於1931年創立。本文簡單介紹了“CIE1931”色彩空間產生的過程。

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，他發現白光並不是“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，不同波長的光呈現出不同的顏色，而380nm-780nm是人眼可以感知的可見光範圍。

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

而針對人眼對於顏色的感知或者說感覺，既然是感覺，那麽就一定是主觀的，所以人眼對於顏色的感知是經過了大腦的處理對的。對於人眼來說，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。而在相對較暗的環境中，則主要是人眼當中的杆狀細胞在工作，也即暗視覺細胞。針對現今汽車當中的內飾氛圍燈而言，由於氛圍燈本身的亮度以及它的工作環境，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。

正能量网入口最新回到1802年，托馬斯又提出了三基色的概念，色覺取決於眼睛裏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係在一起，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，並重新提出了托馬斯•楊的三原色視覺說（此理論在1965年前後由實驗證明）。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，並邀請了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據。

第四階段：“CIE1931”色彩空間

由於萊特（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據無法統一，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據，並采用了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，最終得到的實驗數據（CIE 1931 RGB色度係統光譜三刺激值曲線圖-見下圖6右半部分）。

並通過上麵的數據建立了CIE 1931 RGB色度係統，見圖7，並從該係統中導出了僅有rg兩軸的平麵坐標圖“CIE 1931 RGB色度圖”——圖6中左半部分。

雖然“CIE 1931 RGB色度係統”解決了顏色的數學定義問題，但是由於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，不便於人們對色彩的分析，所以CIE重新設計了一個新的“CIE-XYZ坐標係”，然後在不改變原始數據意義的前提下，通過坐標變換是的所有的點都集中到“CIE-XYZ坐標係”的第一象限內，即形成了“CIE 1931 XYZ標準色度係統”，並導出了對應的平麵坐標圖“CIE 1931 Yxy色度圖”，它從數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，由於它的形狀類似馬蹄，所以也叫馬蹄圖，如下圖8。

即正能量网入口最新現如今廣泛使用的“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Y來描述顏色的亮度（Luminance）。