顏色是光作用于人眼所產生的一種視覺反應，色度學中采用明度、色調和飽和度來對顏色進行描述。在顏色的定量度量過程中，許多的因素都會影響顏色度量的結果，因此，為了統(tǒng)一顏色定量的標準，CIE規(guī)定了多個用于顏色度量的色度系統(tǒng)。本文對顏色的基本特性及顏色定量表達的色度系統(tǒng)進行了介紹。

顏色的定義：

美國光學學會的色度學委員會曾經把顏色定義為：顏色是除了空間的和時間的不均勻性以外的光的一種特性，即光的輻射能刺激視網膜而引起觀察者通過視覺而獲得的景象。在我國國家標準GB5698-85中，顏色的定義為：顏色光作用于人眼引起的除形象以外的視覺特性。根據(jù)這一定義，顏色是一種物理刺激作用于人眼的視覺特性，而人的視覺特性是受大腦支配的，也是一種心理反映。所以，色彩感覺不僅與物體本來的顏色特性有關，而且還受時間、空間、外表狀態(tài)以及該物體的周圍環(huán)境的影響，同時還受各人的經歷、記憶力、看法和視覺靈敏度等各種因素的影響。

顏色的基本特性：

對于物體色（包括反射和透射物體）顏色分兩大類：非彩色和彩色。非彩色是指黑色白色和介于這兩者之間深淺不同的灰色。而彩色是指紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色。不同明度和純度的色調都屬于有彩色系。彩色是由光的波長和振幅決定的，波長決定色飽和度，振幅決定色調。

人眼觀察物體感覺受到的色感覺包括色調，彩色，和明度稱為顏色的三屬性。

色調：是指彩色彼此相互區(qū)分的特性，如紅，橙，黃，綠，青，藍，紫等所表述的顏色屬性。

飽和度：是指彩色的純潔度。它可用以估計光譜純度在整個色感覺中所占成分比例的視覺特性。

明度：是指與所觀察物體明亮程度相對應的視覺特性。它與人眼的視覺特性，照明條件和物體漫反射或漫透射光的程度有關。

顏色定量表達的色度系統(tǒng)：

1.1931CIE顏色系統(tǒng)

1931CIE顏色系統(tǒng)包括1931CIE-RGB顏色系統(tǒng)和1931CIE-XYZ顏色系統(tǒng)。

人類對自然中顏色的識別是通過人眼視網膜上的三種視錐細胞，而這三種視錐細胞最敏感的波長范圍分別對應紅、綠、藍3種顏色的波段。根據(jù)這種規(guī)律，提出三原色原理，即在理論上可見光內的所有顏色都可以由紅色R、綠色G、藍色B這3種原色匹配產生，從而得到了1931CIE-RGB顏色系統(tǒng)。該系統(tǒng)首次使用數(shù)學方法，通過確定三原色的比例系數(shù)來確定顏色，CIE通過對317位正常視覺者進行色匹配實驗，得到如圖1的色匹配函數(shù)曲線。并得到1931CIE-RGB系統(tǒng)色度圖2，不難發(fā)現(xiàn)，曲線圖與色度圖中出現(xiàn)了負數(shù)，這是因為在標準觀察者實驗的過程中，會出現(xiàn)無法通過調節(jié)右側三色的光強來匹配左側顏色的情況，為了將實驗者所觀察到的顏色與左側顏色相匹配，不得不將左側顏色進行調整，負值即補償這部分調整。

針對RGB顏色系統(tǒng)中負值的出現(xiàn)對后續(xù)使用不便及計算困難的問題，CIE對色匹配函數(shù)進行了線性變換，將所有的分量都放在正數(shù)空間，從而得到了新的一組三原色XYZ。對應的色匹配曲線如下圖1所示，并得到 1931CIE-XYZ系統(tǒng)色度圖，如圖2所示。1931CIE-XYZ顏色系統(tǒng)在計算使用上的方便，為日后量化視覺顏色、顏色測量及色差評定標準打下了基礎。

2.1964CIE顏色系統(tǒng)

1931CIE顏色系統(tǒng)表征了人眼在視場為2°時的色覺平均特性，但是在日常觀察物體時常常會超過2°的范圍，研究表明，當視場大于4°時，由于眼睛桿狀細胞的參與及視網膜中央窩黃色素的影響，顏色視覺會發(fā)生一定變化。因此CIE在1964年進行10°視場的色匹配實驗，補充規(guī)定了一組新的三刺激值作為標準，并對之前的實驗結果作了桿狀細胞參與的修正，得到新的RGB顏色系統(tǒng)。

同樣的，為消除負值帶來的不便對RGB顏色系統(tǒng)進行線性變換，得到1964CIE-XYZ顏色系統(tǒng)。對比于1931CIE-XYZ顏色系統(tǒng)，1931CIE-XYZ顏色系統(tǒng)在視網膜上中央窩以外的區(qū)域對短波光譜有更高的敏感性，提高了大視場下顏色匹配的精度和辨別色差的能力。

3.1976CIELab均勻顏色空間

1931CIE色度空間顏色分布不均勻，不容易對顏色之間的差異進行判定，無法非常直觀的判斷兩種顏色之間差異的大小。因此為了進一步改進和統(tǒng)一顏色評價的方法，CIE推薦了新的顏色空間及相關的色差公式，即 1976CIELab。1976CIELab屬于非自照明的顏色空間，與其它顏色空間相比，1976CIELab是與設備無關的顏色表示方法，在感知上是均勻一致的，能夠較好的反映物體色真實的心理感受效果。1976CIELab的出現(xiàn)統(tǒng)一了色差評價的標準，現(xiàn)已成為各顏色測量行業(yè)中檢測最終產品顏色差別一致性的定量評價標準。

1976CIELab色空間由（L）、（a）、（b）3 個要素組成，L表示照度，相當于亮度，值域范圍為0～100；a表示的顏色范圍是洋紅色至綠色，b表示的顏色范圍是黃色至藍知色，兩者值域都是+127至-128.1976CIE-Lab 空間可由1931CIEXYZ系統(tǒng)通過數(shù)學轉換得到，具體計算公式如下：

其中，在上面的公式中，X、Y、Z指的是物體的三刺激值，這三個屬性值是在海明對立坐標理論的基礎上建立起來的。Xn、Yn、Zn表示的是CIE標準照明體先照射在完全反射漫反射體上，再經其反射到人們眼中的白顏色物體的三刺激值。光源和觀察者的條件分別以D65和10°條件為佳。在不同的光源以及觀察者條件下，三刺激值是不同的。若采用D65標準照明體X0=94.811，Y0=100.00，Z0=107.304。

同時，1976CIELab還給出了色差計算公式，具體計算公式如下：

式中：△L為兩顏色間明度差，△a與△b為兩顏色之間的色度差。△E為總色差，△E越大，說明兩種顏色之間的色差越明顯，在色空間上距離越遠。