色差仪常用颜色空间类型及色度值转换方法

颜色空间又称为彩色模型，就是用数字的方式来表示颜色的一种方法。色差仪是以色的学为基础研制的光电测色仪器，其内部采用的CIE规定的多个颜色空间，常见就有RGB、XYZ、LAB等，不同的颜色空间描述颜色的方式不同，有时就需要进行色度值的转换。本文对色差仪常用颜色空间类型及色度值转换方法做了介绍。

什么是颜色空间？

颜色空间又称为彩色模型，就是用数学的方式来表示颜色，使用空间坐标的方式将颜色信息映射到颜色空间的某一点，通常用三维模型表示，将颜色分为三个参数在三维坐标中进行描述，即颜色空间中的某一点就代表一种颜色。颜色空间主要分为基色颜色空间和亮色分离颜色空间两种。基色颜色空间是按三种基色的比例合成颜色，最典型的有RGB，CMY（K）和XYZ等；亮色分离颜色空间指的是用一个分量表示非色彩的感知，用另两个分量表示色彩的感知，常用的有CIELAB、YUV等。在所有的颜色空间中，CIEXYZ通常作为其它颜色空间的定义基准，它同时属于基色颜色空间和亮色分离颜色空间。目前，色差仪中常用的颜色空间有RGB、XYZ、CIELAB等，下文着重对这三种颜色空间进行阐述。

色差仪常用颜色空间类型：

1.RGB颜色空间

由三基色原理知，大多数颜色可以由红、绿、蓝三基色按照不同的比例合成。RGB颜色空间是在三基色理论上开发的相加混色颜色空间，在RGB颜色空间中，任意色光都能由R、G、B三色按比例相加合成。在RGB颜色模型如下图所示。

图中三个坐标轴分别表示为R、G、B三个颜色通道分量，国际照明委员会（CIE）将RGB每个分量都分为256级，因此每个通道分量的取值范围为0-255，共能表示256*256*256（约1600万）种颜色。在颜色空间的原点处，三基色都为0，即原点对应的是黑色（0，0，0），距离原点最远的顶点，即立方体原点的斜对角的顶点处的三原色分量为达到最高值，为白色（255，255，255）。除黑白两点所在的顶点外，立方体剩下的六个顶点，有三个顶点分别为三基色，如图中标注的红、绿、蓝，剩下的三个顶点表示的颜色是三原色中两两混合之后的颜色，为品红、青和黄。在该立方体内部，任意颜色F可以表示为坐标中的一点，调整三原色中任一系数都会改变F的坐标值，同时，改变任一颜色，三原色的三色值也会发生变化。

RGB颜色空间采用物理三原色对颜色进行表示，这种方式比较简单，但给定任意一个R、G、B值，无法准确知道所表述的颜色，并不符合人的视觉特点。而且RGB颜色空间不是一个均匀的颜色空间，即空间坐标上等距离的两点并不能表示出颜色的差异性，因此，RGB颜色空间并不适合用作色差检测。

2.XYZ颜色空间

CIEXYZ颜色空间，也称CIE1931颜色空间。CIE希望通过该颜色空间下的三个分量（X，Y，Z）能够描述人颜色视觉系统所能察觉的任意一种颜色，其中X和Z定义为颜色的色度，Y为颜色的亮度。

CIEXYZ颜色空间主要应用于分光光度计和数字颜色分析器等分析仪器，它为这一类仪器提供了待分析样本所需的透射或折射的三色光信号。虽然 CIEXYZ颜色空间在分析化学中的相关应用也颇为广泛，但是它所表示的颜色与人眼感知不太一致，导致在不同颜色对比中存在一定缺陷。因此，该颜色模型往往只是用于线性转换到其他颜色空间的过渡颜色空间。

CIEXYZ颜色空间，是在RGB系统的基础上，用数学方法，选用三个理想的原色来代替实际的三原色，从而将RGB中的色度坐标r，g，b变换为正值。由X、Y、Z在所形成的三角形将整个光谱色轨迹包含在内，如下图所示，因此整个光谱色变成了以XYZ三角形作为色域的域内色。

3.LAB颜色空间

CIELab全称CIE1976Lab颜色空间，是由国际照明学术研究机构CIE研制的一种色彩结构，其色域大于RGB色彩空间的色域，实现的颜色范围较广，即可以在颜色空间中表达任何一种颜色信息。它是与设备无关的色彩空间，是以数字化的方式描述了人眼的视觉特性，弥补了与设备相关色彩空间颜色特性不足的问题。

参数L、a、b在CIELAB色彩空间中分别表示颜色亮度、红绿色的程度和黄青色的程度。参数L的值与颜色亮度成正比例关系，取值范围0～100，L的值越大，表达的颜色越亮；a和b代表色度轴，范围是-128-127，当参数值a>0时，值越大表示的颜色就越红属于红色系，参数值a<0时，值越小表示的颜色就越绿属于绿色系；当参数值b>0时，值越大表示的颜色越黄属于黄色系，当参数值b<0时，值越小表示的颜色越青属于青色系。CIELAB色彩空间所表示的颜色与人眼视觉特性相接近，可以通过设置不同的a和b值得到精确的颜色平衡，设置不同的L值来调整亮度对比度，色彩空间如下图所示。

在CIELAB色彩空间中，可以通过计算色彩空间中两点颜色之间的几何距离，来分析判断颜色的差异度，比较方便地测量较小的色差。

色差仪不同颜色空间色度值转换方法：

1.R、G、B转换X、Y、Z值

RGB空间对应到XYZ空间的表达式如下：

2.X、Y、Z转换R、G、B值

XYZ空间对应到RGB空间的表达式如下：

3.X、Y、Z转换L、a、b值

XYZ颜色空间转换LAB颜色空间的转换式如下：

其中，X、Y、Z是物体色的三刺激值；Xn、Yn、Zn为CIE标准照明体的三刺激值，是常数值。X/Xn，Y/Yn，Z/Zn的值要求大于0.008856，若是小于0.008856，说明颜色极深，若是采用上述公式，则会引起眼色空间的畸变，误差极大。

4.R、G、B值转换L、a、b值

RBG颜色空间到LAB颜色空间的转换分成两步：

第一步，RGB颜色空间先转到XYZ颜色空间

第二步，XYZ颜色空间转换XYZ颜色空间