CIE 1931色彩空间

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1920年代后期W. David Wright（Wright 1928）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。本文即阐述这两种色彩空间。
三色刺激值.
人类眼睛有对于短（S, 420-440nm）、中（M, 530-540nm）和长（L, 560-580nm）波长的光感受器（称为视锥细胞，需要注意的是，人类尚有一单色的夜视光感测器---视杆细胞---其最敏感的感知频谱范围约在490-495nm）。因此，根据三种视锥细胞的刺激比例，便能描述任一种颜色的感觉，此称为LMS空间。
色彩空间指的是用一种客观的方式叙述颜色在人眼上的感觉，通常需要三色刺激值。更精确地说，首先先定义三种主要颜色（primary color），再利用颜色叠加模型，即可叙述各种颜色。需要注意的是，三种主要颜色未必需要是真正的颜色（也就是该种颜色无法真的被创造出来）。
在三色加色法模型中，如果某一种颜色和另一种混合了不同份量的三种原色的颜色，均使人类看上去是相同的话，我们把这三种原色的份量称作该颜色的三色刺激值。CIE 1931色彩空间通常会给出颜色的三色刺激值，并以X、Y和Z来表示。
色彩空间是指任何一种替每个颜色关联到三个数（或三色刺激值）的方法，CIE 1931色彩空间就是这种色彩空间之一。但是CIE XYZ色彩空间是特殊的，因为它是基于人类颜色视觉的直接测定，并充当很多其他色彩空间的定义基础。
在CIE XYZ色彩空间中，三色刺激值并不是指人类眼睛对短、中和长波（S、M和L）的反应，而是一组称为X、Y和Z的值，约略对应于红色、绿色和蓝色（但要留意X、Y和Z值并不是真的看起来是红、绿和蓝色，而是从红色、绿色和蓝色导出来的参数），并使用CIE 1931 XYZ颜色匹配函数来计算。两个由多种不同波长的光混合而成的光源可以表现出同样的颜色，这叫做「同色异谱」（metamerism）。当两个光源对标准观察者（CIE 1931标准色度观察者）有相同的视现颜色的时候，它们即有同样的三色刺激值，而不管生成它们的光的光谱分布如何。
CIE "xy"色度图.
因为人类眼睛有响应不同波长范围的三种类型的颜色传感器，所有可视颜色的完整绘图是三维的。但是颜色的概念可以分为两部分：明度和色度。例如，白色是明亮的颜色，而灰色被认为是不太亮的白色。换句话说，白色和灰色的色度是一样的，而明度不同。
CIE Yxy色彩空间故意设计得"Y"参数是颜色的明度或亮度的测量。颜色的色度接着通过两个导出参数"x"和"y"来指定，它们是所有三个三色刺激值"X"、"Y"和"Z"的函数所规范化的三个值中的两个：
导出的色彩空间用x, y, Y来指定，它叫做CIE xyY色彩空间并在实践中广泛用于指定颜色。
"X"和"Z"三色刺激值可以从色度值"x"和"y"与"Y"三色刺激值计算回来：
右侧的图象展示了相对色度图。外侧曲线边界是光谱轨迹，波长用纳米标记。注意这个色度图是指定人类眼睛如何体验给定频谱的光的工具。它不能指定物体的颜色（或印刷墨水），因为在观察物体的时候看到的色度还依赖于光源。
数学上，"x"和"y"是投影坐标，色度图的颜色占据了实投影平面的一个区域。
色度图展示了CIE XYZ色彩空间一些有趣性质：
CIE XYZ色彩空间定义.
实验结果— CIE RGB色彩空间.
CIE RGB色彩空间是RGB色彩空间之一，以单色（单一波长）原色的特定集合著称。
在1920年代，W. David Wright（Wright 1928）和John Guild（Guild 1931）独立进行了一系列人类视觉实验，提供了CIE XYZ色彩空间规定的基础。
实验使用2度视角的圆形屏幕。屏幕的一半投影上测试颜色，另一半投影上观察者可调整的颜色。可调整的颜色是三种原色的混合，它们每个都有固定的色度，但有可调整的明度。
观察者改变三种原色光的明度直到观察到混合的颜色匹配了测试颜色。不是所有颜色都可使用这种技术匹配。当没有匹配的时候，可变数量的一种原色被增加到测试颜色上，用余下两种原色混合与它匹配。对于这种情况，增加到测试颜色上原色的数量被认为是负值。通过这种方式，可以覆盖完整的人类颜色感知。当测试颜色是单色的时候，可以把使用的每种原色的数量绘制为测试颜色的波长的函数。这三个函数叫做这个特定实验的“颜色匹配函数”。
尽管Wright和Guild的实验使用了各种强度的各种原色，和一些不同的观察者，所有他们的结果都被总结为标准CIE RGB颜色匹配函数formula_6, formula_7和formula_8，它们是通过使用标准波长为700 nm（红色）、546.1 nm（绿色）和435.8 nm（蓝色）的三种单色原色获得的。颜色匹配函数是匹配单色测验颜色所需要的原色的数量。这些函数展示于右侧的（CIE 1931）绘图中。注意formula_6和formula_7在435.8nm处为零，formula_6和formula_8在546.1nm处为零，而formula_7和formula_8在700 nm处为零，因为在这些情况下测试颜色是原色之一。选择波长546.1 nm和435.8 nm的原色是因为它们是容易再生的水银蒸气放电的色线。1931年选择的700 nm波长难于再生为单色光束，选择它是因为眼睛的颜色感知在这个波长相当不变化，所以在这个原色波长上的小误差将对结果有很小的影响。
经过CIE的特别委员会的深思熟虑之后确定了颜色匹配函数和原色（Fairman 1997）。在图的短波和长波的侧的取舍点某种程度上是随意选择的；人类眼睛实际上能看到波长直到810 nm的光，但是敏感度要数千倍低于绿色光。定义的这些颜色匹配函数叫做“1931 CIE标准观察者”。注意: 不是指定每种原色的明度，而是将这种曲线常规标准化为在其下有固定的面积。这个面积按如下规定而固定为特定值
结果的规范化颜色匹配函数经常对源照度按r:g:b比率1:4.5907:0.0601缩放、和为源辐射功率按比率72.0962:1.3791:1缩放来重新生成真正的颜色匹配函数。通过提议标准化原色，CIE建立了客观颜色表示法的一个国际系统。
给定这些缩放了颜色匹配函数，带有频谱功率分布formula_16的一个颜色的RGB 三色刺激值给出为：
这些都是内积，并可以被认为是无限维频谱到三维颜色的投影。
格拉斯曼定律.
你可能会问：“为什么可以使用不同原色和它们的不同实际使用强度来总结Wright和Guild的结果？”还可能问：“要匹配的测试颜色不是单色会怎样？”。对这两个问题的答案在于人类色彩感知的（几乎）线性。这种线性被表达为格拉斯曼定律。
CIE RGB空间可以被用来以常规方式定义色度：色度坐标是"r"和"g":
从Wright–Guild数据构造CIE XYZ色彩空间.
在使用CIE RGB颜色匹配函数开发了人类视觉的RGB模型之后，特别委员会的成员希望开发出与CIE RGB色彩空间有关的另一个色彩空间。它假定Grassmann定律成立，这个新空间通过线性变换而有关于CIE RGB空间。新空间将以三个新颜色匹配函数来定义：formula_22、formula_23和formula_24。带有频谱功率分布I(λ)的颜色的对应的XYZ 三色刺激值为给出为：
选择这个新色彩空间是因为它有如下性质：
用几何术语说，选择新色彩空间等于在"rg"色度空间中选择一个新三角形。在右侧的图形中，"rg"色度坐标展示在两个黑色轴上，还有1931标准观察者的色域。展示为上述要求所确定的是红色CIE "xy"色度轴。要求XYZ坐标非负意味着Cr, Cg, Cb形成的三角形必须包围标准观察者的整个色域。连接Cr和Cb的直线由formula_23函数等于亮度函数的要求来确定，它叫做alychne。formula_24函数在650 nm处为零的要求意味着连接Cg和Cr的直线必须是Kr区域内的色域的切线。这定义了点Cr的位置。均等能量点定义自"x" = "y" = 1/3的要求对连接Cb和Cg的直线做了限制，最后，色域充入空间的要求对此线作了第二个限制，它要非常靠近在绿色区域的色域，这规定了Cg和Cb的位置。上面描述的变换是从CIE RGB空间到XYZ空间的线性变换。CIE特殊委员会确定了标准变换如下：
要求3确定了XYZ颜色匹配函数的积分必须相等，可通过要求2确定的适应光发光效率函数的积分得到它。必须注意到制表的敏感度曲线有一定量的任意性在其中。单独的"X"、"Y"和"Z"敏感度曲线可以按合理的精度测量。但是整体的光度曲线（它事实上是这个三个曲线的加权和）是主观的，因为它涉及到问测试人两个光源是否有同样的明度，即使它们是完全不同的颜色。同样的，X、"Y"和Z的曲线的相对大小（magnitude）也是任意的。你也可以定义有两倍幅值的"X"敏感度曲线的有效色彩空间。这个新色彩空间将有不同的形状。CIE 1931和1964 XYZ色彩空间的敏感度曲线被缩放为有相同的曲线下面积。