色彩学 | 大杀器 · CIE色度图（中）

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书接上回。

上一篇《色彩学 | 大杀器·CIE色度图（上）》介绍到，科学家们寻找颜色的“原子”的努力“失败”了，但它带来了一种全新的表色法：

过去以蒙赛尔颜色系统为代表的表色法，是根据物体最后呈现出来的颜色外观来编号的，这就是所谓的“显色系统表色法”。它们的一大特征，是会根据人对颜色的心理感受（色调、明度、饱和度）来对颜色进行编号和排序。

而以CIE 1931系统为代表的，则叫做“混色系统表色法”。它主要根据三原色的混合规律来编码，颜色三属性在它这里表现得就不明显。

所以它跟蒙赛尔等其他表色系统看起来完全不是一挂的 ╮(￣▽￣)╭

虽然CIE 1931系统一眼看去，既不直观又不顺眼，但它有一个堪称“必杀技”的优点：可以精确的预测混色结果。

也就是说，如果已知两个颜色的光谱数据，就可以用很简单的办法、准确的知道他们混合后的新颜色长什么样（把两者的光谱数据直接相加，再计算三刺激值，最后得到色坐标）。

要知道，这可是之前人类从未get过的技能点~

点开这个技能点之后，色彩学的技能树就开始嗖嗖嗖往上涨长~

首先，由于颜色混合的线性规律，两个颜色混合后的新颜色，一定位于两者连线之上。

另外，我们已经知道，从380nm到780nm的光谱色在CIE 1931 RGB色度图上的轨迹长这样：

而所有人眼能识别出来的颜色，都由单色光相加而成，因此上图曲线上的任意两点画出来的线段所覆盖的范围，就是“人眼能看见的所有颜色”的区域大小。这就是人眼分辨能力的极限。

把这个区域用彩色填充出来，就长这样：

注意看，下面的这条直线，是380nm和780nm的连线。它构成了色域的另一个边界。

不过，上面边界的曲线是和单色光一一对应的，而下面边界的这条直线却没有单色光对应，而是两个光谱色的混合色轨迹。因为它是红色和蓝色的混合，所以主要是紫色的。这意味着，没有单色光形成的紫色。所有带紫的颜色，什么紫红色，品红色，都是所谓的“谱外色”。（这是不是就是紫色让人感到神秘的原因呢？）

这样一曲一直两条线一合围，就是我们通常看到的色度图的样子了：

长得像个马蹄，所以有时候也开玩笑叫它马蹄图~

笑过之后，要注意一下这个形状。它是一条凸形的曲线对不对？

所以任何两个单色光混合的新颜色，要么就正好踩在光谱轨迹上，要么就在光谱轨迹包围的面积之内，绝不会跑到外面去。

所以有的色度图就把色域以外的部分填充为黑色，意思就是“这片儿啥也没有啦”。

经过CIE的刻意设计，当XYZ三刺激值达到一个均衡状态的时候，就会形成白色。位于（x=0.3333, y=0.3333）位置的点，代表着三原色各占1/3，就是一个理想的等能白光E。

中间这一大片，都是各种不同的白色。也就是是饱和度为0的消色（可能是黑色，也可能是白色）。

其中，除了专门用于理论研究的、假想出来的等能白光E点之外，还有个非常重要的白点：C点。它的全称是CIE标准光源C，相当于中午阳光的颜色。（注意看一下上图，光源C和E的位置相隔不远，C略比E色温高一点。）

那么从色度图上，如何看颜色的三属性呢？

色相（主波长）

假设现在有一个颜色点Q。

由C通过Q作一直线至光谱轨迹，相交于S点，此时就称Q颜色的主波长为S。S的色相就是Q的色相（一个近似，不完全准确）。

纯度（饱和度）

Q离开C点（或者E点）、接近光谱轨迹的程度，称为纯度，约等于饱和度。

从图上可以看出，越靠外的颜色点，越接近饱和度最高的光谱色。所以颜色的饱和度是越靠近边界越高，越靠近白点越低。

明度

至于明度嘛。。。色度图是一个二维的图对不对？而色空间是一个三维空间，所以色度图是不包含明度信息的。

也就是说，色度图的坐标，标注的是RGB三原色之间的比例，是相对大小，不是绝对大小。白色和黑色对它来说坐标一样，所有低明度的颜色在色度图上都没有，这一点要注意。

总结一下：

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好了，现在我们有了色度图的帮助，原来的很多概念就能得到非常直观的呈现：

 

色域

我们已经知道，G和B形成的混合色，颜色坐标会在G和B的连线上。反过来说，G和B的连线上所有的颜色，都可以由G和B混合实现。

那么，如果再添加一个R光，就会在色度图上形成一个三角形对不对？这个三角形里的所有的颜色，都可以通过RGB三色的混合而形成。这不就是RGB加法色的色域吗？

这个三角形面积越大，能显示的颜色也就越多。

但是，不管如何选择RGB三原色的坐标点，都不可能覆盖整个CIE色域。这就是光谱轨迹的形状所决定的。

因此采用三原色混合色生成人眼能看到的所有颜色，从理论上来说就是不可能的。

为了让显示器达到更大的色域，只能尽量让RGB三原色的坐标越靠外越好，也就是RGB三原色的饱和度越高越好。

But，由于材料物理特性的限制，饱和度提高，亮度就会相应的下降。想要亮度不下降，就得加钱。。。所以，一个商业用的显示器，色域一定是综合考虑饱和度、亮度、成本的折中方案。

还有一种扩大色域的方案，就是增加一个原色，从三角形变成四边形。多年以前，Sharp曾经在的他家的电视上推出了“四色技术”，在RGB的基础上增加了黄色。从实物的效果看，的确很赞！除了贵没别的缺点。。。╮(╯_╰)╭

另外，可不可以不用RGB做三原色呢？

其实，也可以啦~

在色度图上另选出3个不在一条直线上的点，只要能形成一个三角形，而这个三角形还可以把白色区域包含进去，就可以做三原色。

CIE色度图的中心有一个类似椭圆的区域（用红色箭头标注），就是白色/近白色的区域。

三原色覆盖的范围，一定要大于这个区域。否则某两个原色相加，可能会出现白色，或者是混合出来的新颜色饱和度太低没法看。。。

大家可以在图上比划一下，虽然也有其他的三原色可以选用（如黑色虚线所示），但由于白色区域的形状的限制，仍然是RGB三原色覆盖的范围更有大、更有可能得到饱和度更大的混合色。

所以从早期的笨重无比的CRT电视，到等离子电视，到液晶显示屏，到彩色电子纸屏幕，所有采用色光加法色的系统，都用RGB做三原色，就是因为RGB可以实现色域的最大化。（我们平时最常见到CIE 1931色度图的时候，就是比较各种色域大小的时候，有木有？！有木有？！）

色相环

在色度图里面画一个圈儿，是不是就是色相环了？

色相环可以视为一个简化版的色度图。

补色

连接颜色R和白色E，画一条直线，青色正好在这条直线上。那么也可以说，C和R混合，可以形成白色，所以C和R是互补色。这也就是为什么我们说色相环上相对180°的颜色是互补色的原因。

要注意的是，白色其实是一片很大的区域！而不是一个点！

所以互补色其实也不是唯一的，也是一片很大区域。

冷知识

1、其实不同的观察者，对颜色的感觉是不一样的。比如年龄就会影响人对颜色的感觉。
所以颜色匹配试验的数据，是对很多人的测试数据取平均，代表了人眼的平均颜色视觉特性。
这个实际上不存在的、代表中值水平的观察者，被叫做“标准色度观察者”。

所以如果你觉得自己的颜色感觉和CIE有那么一丢丢不一样，其实是正常的~

2、颜色匹配试验，是以J.Guild、W.D.Wright为代表的科学家开创的。他们的实验里参与测试的观察者数量非常少。。。比如参与Guild实验的只有7名观察者，Wright的也只有10名。。。

看到这个样品数量我也是醉了。。。即便是这样，也得到了”惊人的准确“的数据。。。

3、之前我们说过，CIE 1931色度图诞生的几十年前，赫姆霍兹就画了这么张图：

Hypothesized graph of color mixing based on the relative intensities needed to produce white (Helmholtz 1855a, Tafel I, Figure 5).

赫姆霍兹研究对比色（单色光）生成白色的色光强度对比图（离白点越远，强度越大）

你就说像不像吧？！

关于这张图，我个人的不负责任的猜想是这样的：赫姆霍兹要用不同的光谱色匹配出白色。

首先，他把待测试的光谱色按照波长的顺序排成一条直线，并把对应的颜色点标注在相应波长的位置上。然后，在颜色点上衍生出一条线段。线段的长度和匹配白光所需的强度成正比。最后，线段的另一头接到白点上。

这样，就把光谱轨迹很自然的弯成了一个凸型的曲线。这和我们在CIE色度图上进行互补色匹配白点的规律是一致的。

所以这事儿吧，我的感慨就是，“科学共同体”真的是存在的。科学家们从不同的路线出发，时隔几十年又相遇了。（当然是我自己瞎想想了。。。因为没找到原文，找到了也看不懂。。。原文是德语的。。。）

好了，终于写完了！

这么长一篇，坚持看下来的都是勇士！

图源 | 维基百科

表情 | 银魂·伊丽莎白 ⊙_⊙

字体 | 造字工房悦黑 | 李旭科漫画体

作者 | endlessring 

来源 | 颜色的前世今生