CIE 表色系統 為 現代電腦色彩管理系統的基礎,以下節錄以前學生時期文獻整理報告,介紹 CIE 表色系統:

 

       瞭解色彩管理,首先需瞭解色彩如何被表示和定義,一般稱色彩表示方法為表色系統。較廣為人知的表色系統有:曼賽爾表色系統、奧司華德表色系統、PCCS表色系統、NCS表色系統、CIE表色系統等,而表色系統大致可分為顯色系和混色系,其中混色系的表色系統是將色彩設定為色光,然後以其色光混色分別的比例結果來表示和定義色彩。一般色彩管理所使用的為混色系的CIE表色系統,以下介紹CIE表色系統。

        早期色彩學者發現任意色光可以由於紅光、綠光、藍光以適當比例混合而成,因此色彩學者進行如下圖的實驗,下圖下方 C 光源,為任意波長的光譜光,照在白屏上產生一個色彩,而下圖上方 R、G、B 分別表示三原色色光的紅光、綠光、藍光,以適當比例相互混合並照白屏上產生一個色彩。然後觀測者由小孔中觀測光譜光,然後分別調整三原色色光,調整直到三原色色光所混和的色彩和光譜光的色彩一致。以此匹配光譜光的任一波長所呈現的色彩,需要紅光、綠光、藍光分別為多少比例混合,其兩者所呈現的色彩是一樣的。一般稱這種過程為色彩匹配或配色。

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圖 1 色彩匹配實驗

資料來源:印刷色度學

        經由以上色彩匹配實驗可以得出下圖的配色函數圖,也因為此配色函數的建立,可以決定任一個色彩的三刺激值,這在混色系統的使用和定義上非常方便。下圖為國際照明委員會 (CIE) 於 1931 年根據自訂的實驗和相關基準,制訂了此標準配色函數。而下圖中原色光刺激值 [R] 之rˉ(λ)出現負值,表示有負的混合量,原因為某波長的光譜光,所產生的顏色太鮮豔,三原色色光不論如何混合都不能產生與光譜光相同的色彩,在色彩匹配實驗中,於光譜光的一端加入 [R] 紅色原色光混合,使光譜光的色彩鮮豔度下降,以達成兩邊色彩一致。文獻上稱此為 RGB 色度系統的配色函數。

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圖 2  RGB 光譜三刺激值( RGB 色度系統的配色函數)

資料來源:色彩工程學 理論與應用

       由於 RGB 色度系統的配色函數有負值,此負值在計算上會造成困擾,因此國際照明委員會 (CIE) 在制訂出 RGB 色度系統後,使用數學方式運算,使其 [R] 、 [G] 、 [B] 變為正值,制訂出新的原刺激值 [X] 、 [Y] 、 [Z] ,並且得到 XYZ 色度系統。下圖為 XYZ 色度系統的配色函數圖。

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圖 3  XYZ 三刺激值( XYZ 色度系統的配色函數)

資料來源:色彩工程學 理論與應用

       依上面得出的 XYZ 色度系統的配色函數,使用公式: x=X/(X+Y+Z) 和 y= Y/(X+Y+Z) ,建立出一個色度座標,此色度座標呈現在平面上稱為CIE色度圖,如下圖右方,而 x,y 數值所標出的色度座標稱為色度點,下圖左方的立體圖,其垂直 Y 座標代表著明度。下圖右方圖中馬蹄形曲線,稱做光譜軌跡,連結馬蹄形曲線的兩個開口的直線稱為純紫軌跡。在馬蹄形曲線和純紫軌跡線內的色彩,包含了人眼可視範圍之色彩。從而建立起色度圖,可用來標示任何一個色彩並給予它一個數值化的座標位置,並且因圖示化座標化,對色彩更易理解。

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圖 4 CIE色度圖

資料來源:印刷色度學

       下圖為 CIE 色度圖的麥克爾當橢圓,其中橢圓內為實驗得出色彩座標中人眼觀看並不明顯的距離範圍。為求明顯,圖中的橢圓放大十倍。由下圖可得知馬蹄形上方的位置橢圓較大,代表著此範圍中兩個色度點(兩個色彩)人眼觀看其差距是很接近的,馬蹄形左下角的區域差距較大。由此實驗可知 CIE 色度圖的色彩空間與人眼對色彩的敏感度是不一樣。

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圖 5  CIE 色度圖的麥克爾當橢圓

資料來源:色彩工程學 理論與應用

       由於 CIE 色度圖中色度點間的差距與人眼對於色彩的敏感度並不一致,因此有色彩學者以數學方法重新運算 XYZ 三刺激值,得出了一個均勻的色彩空間 L*a*b* ,此色彩空間常被使用於染色印刷等相關領域,後來國際照明委員會 (CIE) 於 1976 年推薦使用 L*a*b* 此一個較均勻的色彩空間,也因此 L*a*b* 也被稱為 CIELAB, CIELAB 色彩空間如下圖。但 CIE 所推薦的 L*a*b* 均勻的色彩空間也非完美的,尚有不均勻之處,所以陸陸續續有色彩學者提出了改善的方法,使其色彩空間的均勻性能更完美,與人眼對於色彩的敏感度一致。不過目前在印刷相關業界和色彩相關領域,多習慣使用此 CIELAB 色彩空間。另外由於 CIELAB 色彩空間與 CIE 色度圖都是以 XYZ 三刺激值經由數學方法運算得出的色彩空間,故 CIELAB 色彩空間與 CIE 色度圖彼此的座標點(色度點)是可經由公式互相轉換到彼此的空間上,除了 CIELAB 色彩空間較均勻,可被做為計算色差使用,CIELAB 色彩空間與 CIE 色度圖兩者本質上是相近,都是從 XYZ 三刺激值演變過來的色彩空間。

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圖 6  CIELAB 色彩空間

資料來源:色外貌模式在跨媒體彩色複雜影像之再現應用研究

 

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