三刺激值的定义、计算方法和测量方法

在色彩科学领域，三刺激值是一组关键的数字指标，它如同色彩的“身份证号码”，能够用三个具体的数值来精确描述任何一种颜色。这个概念源于人类视觉系统对色彩感知的生理特性，为我们提供了一种将主观视觉感受转化为客观数据的方法。

一、三刺激值的定义与理论基础

三刺激值本质上是描述人体视网膜对颜色感知的三种原色刺激程度的量化指标。根据杨-亥姆霍兹的三原色理论，人类眼睛的视网膜上存在三种分别对红、绿、蓝光敏感的锥体细胞，所有颜色的感知都是这三种感光细胞不同程度受到刺激后综合反应的结果。

在色度学中，三刺激值特指在颜色匹配实验中，与待测色达到视觉匹配时所需要的三种原色的数量。最初，科学家使用实际的红(R)、绿(G)、蓝(B)三种原色光进行匹配实验，记录下匹配各种颜色时所需的三原色量值，这些量值就是最初的三刺激值。

然而，研究人员发现，使用实际存在的红、绿、蓝三原色无法匹配出自然界中的所有颜色，某些颜色需要将负值的光量加到待匹配颜色一方才能实现匹配，这在实际应用中极为不便。为了解决这一难题，国际照明委员会（CIE）在1931年从理论上假设了三种并不存在于自然界的原色，分别以X、Y、Z表示，从而建立了CIE 1931 XYZ标准色度系统。

二、CIE标准色度系统的建立

CIE 1931 XYZ系统的核心创新在于采用了三种理论上的原色，它们被精心设计，使得任何实际颜色都可以用这三个理论原色的正值刺激量来表示。其中，X原色代表一种比光谱红饱和度更高的红紫，Y原色代表比520纳米光谱绿饱和度更高的绿色，而Z原色则代表比477纳米光谱蓝饱和度更高的蓝色。

这一系统是建立在大量实验基础上的。CIE组织了317位具有正常色觉的观察者，使用特定的红（700纳米）、绿（546.1纳米）、蓝（435.8纳米）三原色光，对等能光谱中从380纳米到780纳米的色光进行了系统的颜色匹配实验。通过这一实验获得的光谱三刺激值数据，成为后来XYZ系统转换的基础。

CIE 1931系统的另一个重要特点是将亮度信息主要分配给了Y刺激值。Y刺激值函数被设计成与人类视觉的明视觉光谱光视效率函数一致，因此Y值不仅代表绿色原色的数量，也表示颜色的亮度特性。这一巧妙设计使得三刺激值能够同时描述颜色的色度和明度信息。

三、三刺激值的计算与测量方法

三刺激值的计算依赖于颜色刺激的光谱分布和标准观察者的光谱响应。对于任何给定的颜色刺激，其三刺激值可以通过对光谱刺激函数与标准观察者的光谱三刺激值函数乘积进行积分计算得到。

具体而言，计算某一光源色的三刺激值时，需要知道光源的光谱功率分布，然后将每个波长的功率值乘以相应波长的标准观察者光谱三刺激值，最后在整个可见光谱范围内（通常为380-780纳米）求和。对于物体色，计算则更为复杂，需要同时考虑照明光源的光谱功率分布和物体的光谱反射（或透射）特性。

在实际测量中，有两种主要方法：重量纵坐标法和选择纵坐标法。重量纵坐标法是在可见光谱范围内按正常间隔测量物体的反射率（或透射率），结合相应波长的光源能量分布和配色函数进行计算；而选择纵坐标法则是在特别选择的波长条件下进行测量。

现代色度测量仪器，如分光光度计，能够自动完成这些计算，直接给出样品的XYZ三刺激值，大大简化了颜色测量的流程。

四、色度坐标与色度图

虽然三刺激值能够完整描述一个颜色，但XYZ三个值的绝对大小受到亮度影响，不利于单纯比较颜色的色度属性。为了解决这一问题，色度学引入了色度坐标的概念。

色度坐标是三刺激值中各原色刺激量在总刺激量中所占的比例，通常用x、y、z表示，计算公式为：x = X/(X+Y+Z)，y = Y/(X+Y+Z)，z = Z/(X+Y+Z)。由于x+y+z=1，所以只需用两个坐标（通常为x和y）即可表示一个颜色的色度特性。

将各种颜色的色度坐标绘制在二维平面图上，就形成了著名的CIE色度图，因其形状类似马蹄，常被称为“马蹄图”。色度图上的每一个点代表一种特定的颜色色度，而马蹄形边界上的点则代表最饱和的光谱色。

色度图的出现将颜色的三维表示简化为二维平面，极大方便了颜色的交流与比较。然而，1931CIE色度图的一个缺点是图上相等的几何距离并不对应于人眼感知到的相同颜色差异。为了改善这一不足，CIE后续又推出了1976UCS（均匀色度标尺）图，使色度图上的距离更符合人眼的视觉均匀性。

五、三刺激值的实际应用

三刺激值作为颜色量化的基础，在众多领域发挥着重要作用。在显示技术领域，三刺激值是校准显示器、确保颜色准确再现的基础。显示设备通过调节红、绿、蓝三色光的强度，模拟出目标颜色的三刺激值，从而实现颜色的准确显示。

在印刷与包装行业，三刺激值被用于颜色质量控制，确保印刷品颜色与设计稿的一致性。通过测量印刷品的三刺激值，可以与标准值进行比较，客观评价颜色偏差程度。

照明设计是另一个重要应用领域。设计师利用三刺激值相关参数，合理搭配光源颜色，营造出舒适的视觉环境。特别是在需要精确颜色辨别的场所，如美术馆、医院手术室等，基于三刺激值的颜色评价至关重要。

随着技术进步，三刺激值的应用已扩展到新兴技术领域，如人工智能、模式识别和遥感技术等，这些领域对颜色测量的准确性要求极高，三刺激值的准确计算成为保障测量结果可靠性的关键。