颜色空间之CIE色度模型

article/2025/10/6 14:38:02

国际照明委员会（CIE，Commission Internationale de L'Eclairage / International）的色度模型是最早使用的模型之一。它是三维模型，其中，x和y两维定义颜色，第3维定义亮度。CIE在1976年规定了两种颜色空间。

一种是用于自照明的颜色空间，叫做CIE LUV，如下图：

CIE 1976年 LUV色度图

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另一种用于非自照明的颜色空间，叫做CIE 1976 L*a*b，或者叫做CIE LAB。CIE LAB 系统使用的坐标叫做对色坐标(opponent color coordinate)，如下图所示。CIE LAB使用b*，a*和L*坐标轴定义CIE颜色空间。其中，L*值代表光亮度，其值从0（黑色）到100（白色）。b*和a*代表色度坐标，其中a*代表红-绿轴，b*代表黄-蓝轴，它们的值从0到10。a*=b*=0表示无色，因此L*就代表从黑到白的比例系数。使用对色坐标（opponet color coordinate）的想法来自这样的概念：颜色不能同时是红和绿，或者同时是黄和蓝，但颜色可以被认为是红和黄、红和蓝、绿和黄以及绿和蓝的组合。

CIE LAB颜色空间

明度指数L*（亮度轴），表示黑白，0 为黑色， 100 为白色，0-100之间为灰色。
色品指数a*（红绿轴），正值为红色，负值为绿色。
色品指数b*（黄蓝轴），正值为黄色，负值为蓝色。
所有颜色都可以用L*a*b*这三个数值表示，试样与标样的L*a*b*之差，用ΔL*Δa*Δb*表示；ΔE*表示总色差。
ΔL*为正，说明试样比标样浅；为负，说明试样比标样深。
Δa*为正，说明试样比标样红（或少绿）；为负，说明试样比标样绿（或少红）。
Δb*为正，说明试样比标样黄（或少蓝）；为负，说明试样比标样蓝（或少黄）。

CIE Lab 欧几里得距离计算

在L*a*b* 模型中均匀改变对应于在感知颜色中的均匀改变。所以在L*a*b* 中任何两个颜色的相对感知差别，可以通过把每个颜色处理为（有三个分量：L*, a*, b* 的）三维空间中一个点来近似，并计算在它们之间的欧几里得距离。在L*a*b* 空间中的这个欧几里得距离是ΔE（经常叫做“Delta E”，更精确的是ΔE*_ab）。

使用L*a*b* 中的两个颜色 $({L_1}^*,\ {a_1}^*,\ {b_1}^*)$ 和 $({L_2}^*,\ {a_2}^*,\ {b_2}^*)$ :

$\Delta {E^*}_{ab} = \sqrt{ ({L_2}^*-{L_1}^*)^2+({a_2}^*-{a_1}^*)^2 + ({b_2}^*-{b_1}^*)^2 }\,$

一个有关的色彩空间，CIE 1976 (L*, u*, v*)色彩空间，遵从和L*a*b* 同样的原理但有不同的u* 和v* 分量表示（保持相同的L*）。

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CIE Lab续

以往，众多的色差公式给工业的实际应用打来了很大不便，因为不同的色差公式之间的数据很难或者无法互相转换，不同公式计算出来的结果之间无互比性。

为了改变这种混乱的局面，统一色差评价的标准，国际照明委员会（CIE）于1976年推荐了CIELAB均匀颜色空间极其对应的色差公式，统一了色差公式的应用，使得色差仪的应用更具有一般性、广泛性。

CIELAB均匀颜色空间是一个三维体系，其颜色的立体分布如图1所示。自从CIELAB颜色空间推出以来，根据此原理研制的色差仪在工业界得到了广泛的应用，特别是在印染颜料制造、涂料、纺织印染、油墨、塑料着色等行业的产品颜色质量控制中有着很重要的地位。

图.1 CIE LAB立体色空间

彩度a和b组成的平面表示颜色的彩度，图2为彩度坐标图，其中，+a表示红，-a表示绿，+b表示黄，-b表示蓝，并且具有非红即绿、非黄即蓝的关系。

图3是L明度值，表示颜色的明暗程度，取值范围0~100。

图.2 CIE LAB彩度坐标图

CIE xyY色度图是从XYZ直接导出的一个颜色空间，它使用亮度Y参数和颜色坐标x, y来描述颜色。xyY中的Y值与XYZ中的Y刺激值一致，表示颜色的亮度或者光亮度，颜色坐标x, y用来在二维图上指定颜色，这种色度图叫做CIE 1931色度图(CIE 1931 Chromaticity Diagram)，如下图(a)所示，图(b)为轮廓图。例如图(a)的A点在色度图上的坐标是x＝0.4832，y＝0.3045，那么它的颜色与红苹果的颜色相匹配。

CIE 1931色度图是用标称值表示的CIE色度图，x表示红色分量，y表示绿色分量。E点代表白光，它的坐标为(0.33，0.33)；环绕在颜色空间边沿的颜色是光谱色，边界代表光谱色的最大饱和度，边界上的数字表示光谱色的波长，其轮廓包含所有的感知色调。所有单色光都位于舌形曲线上，这条曲线就是单色轨迹，曲线旁标注的数字是单色(或称光谱色)光的波长值；自然界中各种实际颜色都位于这条闭合曲线内；RGB系统中选用的物理三基色在色度图的舌形曲线上。