光学知识科普小剧场 | 如何从彩虹到“CIE1931”

1CIE1931的由来

在颜色感知的研究中，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1928年W. David Wright(莱特)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。

2CIE RGB色彩空间

那么CIE RGB色彩空间又是什么呢？它的由来又是何处呢？

1666年，牛顿做了一个三菱镜分析白光的实验，将“彩虹”成功的还原成了一到白光，他发现白光并不是“纯洁”的光，而是由七种不同颜色的光混合而成的。

1801年，托马斯•杨进行了注明的杨氏双缝实验，证明了光是以波的形式传播的，不同波长的光呈现出不同的颜色，而380nm-780nm是人眼可以感知的可见光范围。

而针对人眼对颜色的感觉，这里不得不提到色彩三要素，即图3的光源、物体、观察者。

而针对人眼对于颜色的感知或者说感觉，既然是感觉，那么就一定是主观的，所以人眼对于颜色的感知是经过了大脑的处理对的。对于人眼来说，则不得不提到人眼的视觉细胞。

如上图中的标出红绿蓝三种颜色的细胞，就是人眼当中的锥状细胞，而这些细胞基本上都是在明亮的环境中才会正常工作的细胞，也成明视觉细胞。而在相对较暗的环境中，则主要是人眼当中的杆状细胞在工作，也即暗视觉细胞。针对现今汽车当中的内饰氛围灯而言，由于氛围灯本身的亮度以及它的工作环境，则是在图3中的右半部分中的虚线，即中间曲线，也就是明视觉细胞与暗视觉细胞同时工作的状态。

我们回到1802年，托马斯又提出了三基色的概念，色觉取决于眼睛里三种不同的视锥细胞，即感受长波（L）的视锥细胞，感受中波（M）的视锥细胞，感受短波（S）的视锥细胞，这三种视锥细胞通常与他们最敏感的颜色联系在一起，L可代表红色波段（560nm-580nm），M可代表绿色波段（530nm-540nm），S可代表蓝色波段（420nm-440nm），根据这三种视锥细胞的刺激比例，就可以描述出任何一种颜色的感觉。

1852年，德国物理学家赫姆霍兹对托马斯•杨的理论进行了改进，并重新提出了托马斯•杨的三原色视觉说（此理论在1965年前后由实验证明）。赫姆霍兹认为一切色彩都可以从红、绿、蓝三种原色色光的不同比例混合而成。

1928年，帝国理工学院的莱特（W. David Wright）采用650nm的红，530nm的绿，460nm的蓝作为三原色，并邀请了10名观察者参加了他的颜色匹配实验。1931年，伦敦国家实验室的吉尔德（John Guild）采用630nm的红，542nm的绿，460nm的蓝作为三原色，邀请了7名观察者参加了他的颜色匹配实验。图5为两位科学家的实验数据。

由于莱特（W. David Wright）与吉尔德（John Guild）两位科学家使用的三原色不同导致数据无法统一，所以在1931年，国际照明委员会CIE综合了两位科学家的实验数据，并采用了700nm的红，546.1nm的绿，435.8nm的蓝作为三原色，邀请了300多名观察者重新做了颜色匹配实验，最终得到的实验数据（CIE 1931 RGB色度系统光谱三刺激值曲线图-见下图6右半部分）。

并通过上面的数据建立了CIE 1931 RGB色度系统，见图7，并从该系统中导出了仅有rg两轴的平面坐标图“CIE 1931 RGB色度图”——图6中左半部分。

虽然“CIE 1931 RGB色度系统”解决了颜色的数学定义问题，但是由于光谱的三刺激值中有负值，造成光谱轨迹曲线的坐标有很大一部分在负轴上，不便于人们对色彩的分析，所以CIE重新设计了一个新的“CIE-XYZ坐标系”，然后在不改变原始数据意义的前提下，通过坐标变换是的所有的点都集中到“CIE-XYZ坐标系”的第一象限内，即形成了“CIE 1931 XYZ标准色度系统”，并导出了对应的平面坐标图“CIE 1931 Yxy色度图”，它从数学的角度描述了人类可以看到的所有颜色，也是由自然界中可见光谱组成的最大色彩空间，由于它的形状类似马蹄，所以也叫马蹄图，如下图8。

即我们现如今广泛使用的“CIE 1931”。其中使用了坐标（x，y）描述颜色的色度（色度=色相+饱和度），使用了一个隐藏函数Y来描述颜色的亮度（Luminance）。