第一节 CIE1931—RGB表色系统

一、颜色匹配实验

根据格拉斯曼颜色混合定律，外貌相同的颜色可以相互代替，相互代替的颜色可以通过颜色匹配实验来找到。把两个颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫作颜色的匹配。进行颜色匹配实验时，须经过颜色光相加混合的方法，改变原色光的明度、色相、饱和度三个特性，使两者达到匹配。

近代进行色度学研究所进行的颜色匹配实验，常常采用下面的方式。

图2-1 颜色光匹配实验

将不同颜色的光，照射在白色屏幕的同一个位置上，光线经过屏幕的反射而达到混合，混合后的光线作用于人的视网膜，便产生一个新的颜色。在实验室内，投射一个白光或其他颜色的灯光到白色屏幕的一侧，把红、绿、蓝三种颜色的灯光投射到白色屏幕的另一侧，如图2-1所示，红、绿、蓝三种颜色灯光即三原色光，调节三原色灯光的强度比例，便产生各种各样的颜色，适当调节三种灯光的强度比例，还可以得到无彩色的白光。

通过颜色匹配实验发现，红、绿、蓝三种原色并不是唯一的，只要满足三原色中的任何一个，都不能由其余两个相加混合得到即可，就是说，只要三个原色光是相互独立的，就可以作为三原色进行颜色匹配。实验证明，红、绿、蓝三原色是产生颜色范围最广的三原色组合。

需要说明的是，在上述颜色匹配实验中，由三原色组成的颜色的光谱组成与匹配颜色的光谱组成可能很不一致。例如，由红、绿、蓝三种原色光混合得到的白光与连续光谱的白光在感觉上是等效的，但它们的光谱组成却不一样，在色度学中，把这一类颜色匹配，称为“同色异谱”的颜色匹配。这种现象在纺织品染整加工的颜色配色中，是非常普遍存在的现象。

还应指出的是，当颜色刺激作用于视网膜非常邻近的部位以及频繁交替作用于视网膜的同一部位时，都会产生混色效果。

二、RGB表色系统的提出

根据前面的颜色匹配实验我们发现，如果把三原色按适当比例相加混合时，即可以仿制出任何一种色彩，并且与原来的标准色样对人的眼睛能引起相同的视觉效果。

为了建立统一的颜色度量参数，在积累了大量实验材料的基础上，国际照明委员会选定了三色系统的一组三原色为：

红（R）：波长为700.0nm的可见光谱长波末端；

绿（G）：波长为546.1nm的水银光谱；

蓝（B）：波长为435.8nm的水银光谱。

通过上面讲到的光谱光视效率函数可以知道，人的眼睛对上述三原色的光谱灵敏度是不一样的，也就是说，对于具有相同能量的上述三原色，人眼睛感觉到的明度是不同的，从光谱光视效率函数表可以知道，红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色的明视觉光谱光视效率函数值为：

（R）：0.00410（G）：0.98433（B）：0.01777

如果将上述三原色的光通量F_R、F_G、F_B按如下比例混合，即可得到与等能白光E相匹配的白光。

F_R∶F_G∶F_B=1∶4.5907∶0.0601

但应当注意，由上述三原色混合得到的白光，虽然对人眼睛引起的颜色视觉效果与等能白光相同，但是两种白光，在本质上并不相同。因为等能白光E为连续光谱，并且其辐射能量在任何一个波长下均相等。而由三原色混合得到的白光，则是不连续光谱。

由加法定律可知，把Φ_R=1lm、Φ_G=4.5907lm，Φ_B=0.0601lm的光混合，所得等能白光的亮度为：

为了计算简单起见，把上述混合后得到等能白光E的三原色红、绿、蓝的不同数量，分别作为其单位量来处理，于是此白光的光通量可以由式（2-2）表示：

由此扩展，就可以得到如下颜色方程，即把前面的颜色匹配实验以数学方程式的形式表示：

其中，C_λ为某一待匹配的颜色的明度，R、G、B分别表示三原色混色时的数量，表示匹配某种颜色时，各需要多少个单位量的红、绿、蓝原色，R、G、B三个数值完全决定了匹配后所得混合光的颜色（性质）和光通量（数量），而且，只要选定了原色，匹配某一颜色时，R、G、B的值就是唯一的。在色度学中，通常把R、G、B称为三刺激值。这样，我们就实现了把颜色以三个参数，即三刺激值来表示的愿望。

颜色方程式（2-3）中的R（R）、G（G）、B（B），常常被称为颜色分量。即红色分量、绿色分量和蓝色分量。式中三原色对应的明度值称三原色明度系数。

从前面的颜色匹配实验可知，它也表示用三原色匹配等能白光时所需要的各原色的明度比例。

从上述计算可知，其基本的依据是明度相加定律，即几个颜色组成的混合光的总明度，等于各颜色光分明度的总和。

三、色度坐标

以三刺激值表示颜色，它所构成的是一个抽象的三维空间，每个颜色，在这一颜色空间中，都对应着唯一一个坐标点。在实际应用中，尽管我们知道了某一颜色的三刺激值，但是，在抽象的三维颜色空间中，仍然很不容易了解颜色的具体性质，因而有时就显得不太方便。有时我们了解颜色的性质，不一定非要知道颜色的绝对明度。有时只要知道三原色的相对值就可以了。因此，人们通过R、G、B三刺激值，引入了一个新的相对系数。

这些新的参数把原来的三刺激值R、G、B转换成了与其相关的相对值，也把原来三维空间的直角坐标改变成了二维的平面直角坐标，很显然：

因此，只要知道了这三个值中的两个，通过计算就很容易知道第三个值。我们选r对g作图，则可以得到图2-2。图2-2在色度学中，通常叫作r—g色度图。r、g值则称之为色度坐标。

图2-2 r—g色度图

图2-2中的舌形曲线，为光谱色在色度图中的轨迹，通常称为光谱轨迹。连接光谱轨迹两端的直线，代表一系列的紫色，因而称之为纯紫轨迹。自然界中存在的所有颜色都在光谱轨迹和纯紫轨迹的包围之中。从前面介绍的内容可知，等能光谱E的色度坐标应该是：r=g=1/3。三种原色光在r—g色度图中的色度坐标为：（R）（1，0），（G）（0，1），（B）（0，0）。在色度图中，以（R）、（G）、（B）为顶点，可以得到一个三角形，这个三角形内的所有颜色在以红、绿、蓝三种原色光进行颜色匹配时，三刺激值R、G、B都是正值。也就是说，三角形中的各个点所代表的颜色，都可以由三种原色光：700.0nm、546.1nm、435.8nm相加得到。而这个三角形以外的各个点所代表的颜色，用上述三种原色光进行颜色匹配时，则R、G、B中至少有一个是负值，就是说必须把三种原色光中的某一种，投射到标准光的半面视场中，才能够达到匹配，否则，无论如何调配三种原色光的比例，也不可能达到匹配。

四、CIE1931—RGB表色系统

当有光作用于人的眼睛时，就会产生颜色视觉。因此，我们可以说物体的颜色既取决于外界的物理刺激，又取决于人眼睛的视觉特性。从光谱光视效率函数可以知道，相同能量、不同波长的物理刺激会产生不同的颜色视觉。为了使颜色测量与人眼睛观察的结果相一致，首先应该确定三种原色光与人眼睛视觉特性之间的关系。在这方面，莱特（W.D.Wright）和吉尔德（J.Guild）做了大量工作。他们选择700.0nm、546.1nm和435.8nm三种光作为原色光，选若干视力正常的人对等能光谱逐一波长进行颜色匹配，从而得到了等能光谱色每一波长的三刺激值、、。CIE（国际照明委员会）根据他们的实验结果，于1931年推荐了CIE1931—RGB表色系统标准色度观察者光谱三刺激值（表2-1）。以此代表人眼睛的平均颜色视觉特性，为颜色度量确定了尺度，这是进行颜色计算的基础。图2-3就是根据国际照明委员会推荐的“CIE1931—RGB表色系统标准色度观察者光谱三刺激值”绘制的曲线。

图2-3 CIE1931—RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值曲线

CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值、、和光谱色色度坐标r（λ）、g（λ）、b（λ）之间的关系为：

表2-1 CIE1931—RGB标准色度观察者光谱三刺激值

续表