顏色是光作用于人眼所產生的一種視覺反應，色度學中采用明度、色調和飽和度來對顏色進行描述。在顏色的定量度量過程中，許多的因素都會影響顏色度量的結果，因此，為了統一顏色定量的標準，CIE規定了多個用于顏色度量的色度系統。本文對顏色的基本特性及顏色定量表達的色度系統進行了介紹。

顏色的定義：

美國光學學會的色度學委員會曾經把顏色定義為：顏色是除了空間的和時間的不均勻性以外的光的一種特性，即光的輻射能刺激視網膜而引起觀察者通過視覺而獲得的景象。在我國國家標準GB5698-85中，顏色的定義為：顏色光作用于人眼引起的除形象以外的視覺特性。根據這一定義，顏色是一種物理刺激作用于人眼的視覺特性，而人的視覺特性是受大腦支配的，也是一種心理反映。所以，色彩感覺不僅與物體本來的顏色特性有關，而且還受時間、空間、外表狀態以及該物體的周圍環境的影響，同時還受各人的經歷、記憶力、看法和視覺靈敏度等各種因素的影響。

顏色的基本特性：

對于物體色（包括反射和透射物體）顏色分兩大類：非彩色和彩色。非彩色是指黑色白色和介于這兩者之間深淺不同的灰色。而彩色是指紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色。不同明度和純度的色調都屬于有彩色系。彩色是由光的波長和振幅決定的，波長決定色飽和度，振幅決定色調。

人眼觀察物體感覺受到的色感覺包括色調，彩色，和明度稱為顏色的三屬性。

色調：是指彩色彼此相互區分的特性，如紅，橙，黃，綠，青，藍，紫等所表述的顏色屬性。

飽和度：是指彩色的純潔度。它可用以估計光譜純度在整個色感覺中所占成分比例的視覺特性。

明度：是指與所觀察物體明亮程度相對應的視覺特性。它與人眼的視覺特性，照明條件和物體漫反射或漫透射光的程度有關。

顏色定量表達的色度系統：

1.1931CIE顏色系統

1931CIE顏色系統包括1931CIE-RGB顏色系統和1931CIE-XYZ顏色系統。

人類對自然中顏色的識別是通過人眼視網膜上的三種視錐細胞，而這三種視錐細胞最敏感的波長范圍分別對應紅、綠、藍3種顏色的波段。根據這種規律，提出三原色原理，即在理論上可見光內的所有顏色都可以由紅色R、綠色G、藍色B這3種原色匹配產生，從而得到了1931CIE-RGB顏色系統。該系統首次使用數學方法，通過確定三原色的比例系數來確定顏色，CIE通過對317位正常視覺者進行色匹配實驗，得到如圖1的色匹配函數曲線。并得到1931CIE-RGB系統色度圖2，不難發現，曲線圖與色度圖中出現了負數，這是因為在標準觀察者實驗的過程中，會出現無法通過調節右側三色的光強來匹配左側顏色的情況，為了將實驗者所觀察到的顏色與左側顏色相匹配，不得不將左側顏色進行調整，負值即補償這部分調整。

針對RGB顏色系統中負值的出現對后續使用不便及計算困難的問題，CIE對色匹配函數進行了線性變換，將所有的分量都放在正數空間，從而得到了新的一組三原色XYZ。對應的色匹配曲線如下圖1所示，并得到 1931CIE-XYZ系統色度圖，如圖2所示。1931CIE-XYZ顏色系統在計算使用上的方便，為日后量化視覺顏色、顏色測量及色差評定標準打下了基礎。

2.1964CIE顏色系統

1931CIE顏色系統表征了人眼在視場為2°時的色覺平均特性，但是在日常觀察物體時常常會超過2°的范圍，研究表明，當視場大于4°時，由于眼睛桿狀細胞的參與及視網膜中央窩黃色素的影響，顏色視覺會發生一定變化。因此CIE在1964年進行10°視場的色匹配實驗，補充規定了一組新的三刺激值作為標準，并對之前的實驗結果作了桿狀細胞參與的修正，得到新的RGB顏色系統。

同樣的，為消除負值帶來的不便對RGB顏色系統進行線性變換，得到1964CIE-XYZ顏色系統。對比于1931CIE-XYZ顏色系統，1931CIE-XYZ顏色系統在視網膜上中央窩以外的區域對短波光譜有更高的敏感性，提高了大視場下顏色匹配的精度和辨別色差的能力。

3.1976CIELab均勻顏色空間

1931CIE色度空間顏色分布不均勻，不容易對顏色之間的差異進行判定，無法非常直觀的判斷兩種顏色之間差異的大小。因此為了進一步改進和統一顏色評價的方法，CIE推薦了新的顏色空間及相關的色差公式，即 1976CIELab。1976CIELab屬于非自照明的顏色空間，與其它顏色空間相比，1976CIELab是與設備無關的顏色表示方法，在感知上是均勻一致的，能夠較好的反映物體色真實的心理感受效果。1976CIELab的出現統一了色差評價的標準，現已成為各顏色測量行業中檢測最終產品顏色差別一致性的定量評價標準。

1976CIELab色空間由（L）、（a）、（b）3 個要素組成，L表示照度，相當于亮度，值域范圍為0～100；a表示的顏色范圍是洋紅色至綠色，b表示的顏色范圍是黃色至藍知色，兩者值域都是+127至-128.1976CIE-Lab 空間可由1931CIEXYZ系統通過數學轉換得到，具體計算公式如下：

其中，在上面的公式中，X、Y、Z指的是物體的三刺激值，這三個屬性值是在海明對立坐標理論的基礎上建立起來的。Xn、Yn、Zn表示的是CIE標準照明體先照射在完全反射漫反射體上，再經其反射到人們眼中的白顏色物體的三刺激值。光源和觀察者的條件分別以D65和10°條件為佳。在不同的光源以及觀察者條件下，三刺激值是不同的。若采用D65標準照明體X0=94.811，Y0=100.00，Z0=107.304。

同時，1976CIELab還給出了色差計算公式，具體計算公式如下：

式中：△L為兩顏色間明度差，△a與△b為兩顏色之間的色度差。△E為總色差，△E越大，說明兩種顏色之間的色差越明顯，在色空間上距離越遠。