【音视频基础】(六)：CIE颜色空间二之CIE-XYZ及Y的含义_cie xyz

在上篇文章中，我想应该比较清楚的解释了，什么是色调、饱和度、明度（如果还没理解，请再看一遍哈~）。并且在结尾的时候，引入了HSB颜色空间，并在设备相关和设备无关的基础上，分析了一下它和之前一直在说的，也是生活中比较熟悉的，RGB颜色空间的区别。

那么接下来呢，就开始介绍几个比较重要的颜色空间。比如：CIE XYZ、CIE xyY、CIE YUV、CIE LUV、CIE LAB， 光看名字就知道，这些颜色空间都是CIE制定的。而且按这个顺序排列，是因为它们之间的递进或者因果关系，就是这样。从XYZ的产生，到YUV，以及后面的LUV、LAB，这是一条线下来的，现在不清楚没关系，接下来，我会理清它们之间的关系，并方便读者形成知识网。

那之所以引入这几个颜色空间，或者说它们的重要性是啥呢？是因为它们已经是目前成型，并且广泛使用的颜色空间。比如YUV，做视频编码的应该都比较熟悉，它广泛的应用在电视系统、视频编码领域，这也是这个系列，后面要逐步涉猎的内容。

1、颜色度量方法的发展

为了要清楚的了解这些颜色空间，以及颜色度量方法的来龙去脉，我们还是从源头说起。

还记得在图像（一）中，我们讲过RGB相加混色和CMY相减混色嘛？CMY不敢说，RGB应该是人人都比较熟悉的颜色空间，通俗点说是常识。那么这个简单的常识，又是怎么来的呢？

最早的时候，牛顿就开始研究颜色，没错，他不仅提出了牛顿三大定律，并且还著有《光学》一书。在实验的时候，他认识到了每一种颜色，和它相邻颜色之间的关系，比如把红色和紫色首尾相连，就形成了一个色圆，也称牛顿色圆。

牛顿色圆

这就是最早的度量颜色的方法。它的圆周表示色调，半径表示饱和度。这为RGB相加混色奠定了基础。

后来有人提出，人的眼睛有红绿蓝三种基色的接收器，并且经过实验，证实RGB可以产生几乎所有的颜色。至此，颜色的物理学基础打造完毕，而它的度量体系开始慢慢建立。

颜色的度量方法

现在度量方法的建立中，从颜色到牛顿色圆，应该比较清楚了。图中下面的三个颜色体系，或者说颜色系统，不用多说，中间的CIE制是重点。而Munsell制和Ostwald制，不知道也没关系。只需要知道Munsell制，是其他颜色系统的基础。为什么这么说，因为CIE制定的色调、明度、饱和度，就是在Munsell制的基础上建立的，有兴趣的朋友可以翻阅资料看下。

好啦，现在开始重点介绍CIE颜色系统，也就是文章开头说的那一系列颜色空间。

2、从RGB到CIE XYZ颜色空间

看过上文都知道，RGB是一种设备相关的颜色空间，每一种设备使用RGB模型时，都有不太相同的定义，比如在显示器和打印机上，就不太一样，因此在使用RGB模型时，这些设备之间关于RGB的定义，并不能通用。

而且还有一点，就是我们在比较两种颜色时，经常会忽略光照的因素，如果比较两种颜色所处的光照环境不一致，那将毫无意义。

因此，在这两点的基础上，CIE制定了两条标准。

• （1）定义了XYZ颜色空间，这是一种与RGB相关的想象基色系统，更适用于颜色计算。

• （2）定义了标准光源

我想第二条应该简单明了。那么第一条又是如何来的呢？或者说，为什么要制定XYZ这样的一套颜色空间。

2.1 为什么要制定XYZ

要理解这个，得先看一张图。

CIE RGB颜色匹配曲线

这张图，是CIE拉了一帮实验者，做出的实验结果，这是一个RGB颜色匹配函数。图中的横坐标，表示光谱波长，纵坐标表示用来匹配光谱各色所需要的r、g、b值，这些值是以等能量白光为标准的系数，是观察者们实验结果的平均值。

可以看到，图中的红线，也就是r值，在438.1nm和546.1nm之间出现了负值。恩，出现负值是啥意思呢，总不至于在这一段，需要减去对应数值的红光吧？！谁都知道，合成颜色不能减去红光，但是我们却可以使用相减混色模型，也就是添加红色的补色。

可以看出，这是弊端之一，在做数学计算的时候，我们肯定是希望，坐标轴上的值尽量都为正数，对吧？！

而且还有一点，RGB里面，并没有亮度，因此如果要新制定一个颜色空间，也要加上亮度，才能做成设备无关，并且通用。

这就是制定XYZ的原因。

2.2 XYZ中的X、Y、Z都代表了什么

简单来说，X、Y、Z是对R、G、B的一种线性变换，XYZ也分别代表了RGB三基色刺激值的概念。如果这么说还不够直接，那么还有公式

RGB转换为XYZ的公式

现在明白了吧，XYZ是对RGB做了一层线性变换，变换后的颜色空间，使用X、Y、Z为三基色，并且三个值都用正数去匹配所有颜色。同样，每种颜色都可以表示成X、Y、Z的混合。如下图：

CIE XYZ颜色匹配函数

不过变换后的颜色空间，是一种与设备无关的颜色空间。大家肯定都意外，咦~我搞个系数乘一下，就变成设备无关啦。并不是这么简单，因为XYZ中的Y值，并不仅仅只包含绿色信息这么简单。

2.3 Y值的含义

此处Y值的含义非常重要，这也是接下来理解其他颜色空间的关键。

在维基百科中有这么一段（搜关键词CIE 1931 color space就可以看到，注意看英文版，中文翻译的不全），说人眼在相同光照强度的条件下，感受绿色的光谱，要比红色或者蓝色的要亮。

意思是啥呢？为了更明白，我们重新对照一下下面这张图看下

可以看到，图中绿色刺激值，几乎横跨光谱横坐标。而且蓝色在左边，红色在右边，对照横坐标这意味着什么？说明绿色是中波，蓝色是短波，红色是长波，而我们都知道比短波短，或者比长波长的电磁波，我们就看不见啦！所以抛出人眼的特性，这点也侧面说明人眼对绿色更为敏感。

所以XYZ中的Y代表了什么呢？

可以看英文解释划横线那句，CIE基于这一事实，定义Y为亮度（不说明度是因为明度代表主观感受，而亮度代表物理实际测量的光强，所以通常在颜色空间中使用亮度一词）。所以我们在看资料，或者书籍的时候，都会看到Y为亮度，就是这么来的，但是也别忘了，它在CIE的颜色空间中也包含了绿色信息。