颜色和色差怎么理解？颜色描述空间和色差计算公式有哪些？

颜色和色差怎么理解？在颜色科学和颜色测量领域，颜色可用颜色三要素来描述，即色调、明度和饱和度。而色差是指两个颜色在彩度差、明度差和色相差上的综合表现。本文对颜色描述的颜色空间类型及色差计算的色差公式做了介绍，感兴趣的朋友可以了解一下！

颜色和色差怎么理解？

颜色是人眼对可见光的视觉感知响应，通常认为可见光的波长范围在380nm～780nm之间，不同波长的可见光辐射会带给人眼不同的视觉感受。人眼之所以能够看到自然界中的物体呈现出不同的颜色外貌，主要原因是物体对光具有选择性吸收和反射的结果，当采用不同光源照射同一物体时，由于光源的光谱能量分布不同会导致物体呈现出不同的颜色。

在颜色科学和颜色测量领域，颜色可用颜色三要素来描述，即色调、明度和饱和度。色调又称色相，是不同颜色的相貌称谓，是颜色的首要特征，有了它就可以准确的区别红、黄、蓝、绿等各种颜色。明度又称亮度，反映的是人眼对于光源和物体表面明暗程度的感觉，主要由光线的强弱决定，同一色调中的浅蓝、天空蓝、深海蓝就是明度变化的效果。饱和度又称彩度、纯度，主要取决于这一色调发射光的单一程度，其反映了颜色纯度的强弱，纯度越高，颜色感觉越明确、鲜艳，纯度越低，颜色感觉则越含糊、浑浊。当我们从科学的角度描述一种颜色时，这三种属性需同时出现，不能分离。

色差是指物体和比较对象之间的颜色差异，一般是非发光体在排除照明条件、环境、观察距离等差异之后，与标准对象之间的颜色差异。定量表示这种差异时，需利用色调、明度和饱和度这三种颜色属性的差异来表述，其在工业生产配色环节以及产品颜色质量控制方面发挥着重要作用。现代色差评定是建立在能够预测目视色差的色差方程基础之上的，相关色差公式由国际照明委员会通过大量颜色视觉判断和色差比较心理实验数据得出，可采用仪器或计算机测量计算，实现较为精确的数字化表达。

颜色描述空间的类型：

为了更客观、准确地测量和评价颜色的差别，CIE于1976年正式推荐了两个改进的均匀颜色空间，即CIE1976L*u*v*颜色空间和CIE1976L*a*b*颜色空间。

1.CIE颜色空间1976L*u*v*

国际照明委员会改进了原有的CIE1964U*V*W*颜色空间，提出采用以下的L*、u*、v*作为三维直角坐标的颜色空间，称为CIELUV颜色空间。它主要用于如电视工业等加混色（additive mixture）的表示和评价。在该空间中，L*为明度，u*、v*表示颜色的色品坐标，其计算公式为：

其中：

上式中，u'、v'和u'n、v'n分别是颜色样品和CIE标准照明体的CIE1976UCS图色品坐标。上式中，X、Y、Z为颜色样品的三刺激值；Xn、Xn、Zn为CIE标准照明体照射到完全漫反射体上，然后反射到观察者眼中的三刺激值，为了计算方便，调节Yn=100。

2.CIE颜色空间CIE1976L*a*b*

CIE在1976年推荐用于加混色的CIELUV颜色空间的同时，还推荐了主要用于纺织、印染等表面色料工业减混色（subtractive mixture）表示和评价的CIE1976L*a*b*颜色空间，也称为CIELAB颜色空间。作为该空间三维直角坐标的明度L*和色品坐标的a*、b*的计算公式：

上式中，X、Y、Z为颜色样品的三刺激值，Xn、Xn、Zn为CIE标准照明体照射到完全漫反射体上再反射到观察者眼中的三刺激值（Yn=100）。

CIE1976L*a*b*均匀颜色空间是CIE1931XYZ标准色度学系统的非线性变换。它将XYZ直角坐标颜色空间转换为柱面极坐标，将三刺激值XYZ转换成与眼睛视觉相一致的明度L*和色度a*、b*，其中a*、b*与色调、饱和度的感觉相一致，如下图所示。

明度的计算公式如下：

色度的计算公式如下：

上式中，X、Y、Z分别为CIE1931标准色度学系统的三刺激值。Xn、Xn、Zn为观察样品时使用的照明光源所对应的标准照明体三刺激值，通常使用D65为标准照明体。

上面L、a、b计算公式适用于颜色不太暗的情况，即满足X/Xn、Y/Yn和Z/Zn分别大于0.008856的条件。虽然大多数颜色测量场合均能满足这个条件，但是当颜色测量环境比较暗的时候，这个公式就会出现问题。这时，这个公式可以采用它的更广泛形式：

上式f（X/Xn）和（Y/Yn）为分段函数，以0.008856为临界点，在中、亮色调区分别为立方根函数。

色差计算公式：

通常，测色仪器是模拟人眼对颜色感应的光学测量仪器，这些仪器对颜色进行物理测量后，其数据应能预测人眼所看到的情况，这时若想计算色差还需要有合适的色差计算公式用来预测目视色差[36]，色差公式的研究已有近百年的历史，长期以来，各国颜色科学研究人员为了提出与人眼视觉感官和心理感受相一致的色差公式，做出了大量尝试和努力，到目前为止已有数十个色差公式被提出，并且应用于不同领域的各个方面，其中颜色质量控制是色差公式使用最频繁的领域。为了减少色差公式的使用乱象，1976年国际照明委员会正式推荐CIELUV和CIELAB两个均匀颜色空间，此后基于这两个颜色空间的色差公式得到了广泛应用，尤其是CIELAB色差公式。

CIELAB色差公式是基于近似均匀的三维颜色空间建立的，由直角坐标L*、a*、b*构成，国际照明委员会推荐使用。该色差公式建立在CIELAB颜色空间之上，L*、a*、b*的值由下式确定：

上式中，X、Y、Z表示被测物体在标准色度系统（CIE1931或 CIE1964）中的三刺激值。Xn、Yn、Zn表示白物体色的三刺激值。

彩度和色调角的计算公式如式下：

其颜色属性差异可以用△L*、△a*、△b*、△C*ab和△H*ab表示，总色差使用三维空间中两种颜色坐标之间的欧几里得距离表示，如下所示：

另外一种使用△L*、△C*ab和△H*ab计算总色差的公式如下所示：

上面两个公式计算出的△E*ab是等价的。