國際照明委員會(CIE)於1931年推薦的標准色度觀察者光譜三刺激值函數及相應的色品圖、標准照明體與標准光源作為CIE標准色度系統,至今仍在許多方面得到廣泛的應用,使人們可以在統一的基准下進行顏色的計量測試和比較分析,並具有了學術和生產交流的色彩專用語言,促進了顏色科學和相關產業的進步和發展。但是,在CIE1931標准色度系統的實際應用中發現了一些不足之處,尤其是色品圖的不均勻性即各色區中顏色感知差異的容限大小不等,這在實用中產生了較大的問題。此外,工業應用中還常常需要比較和評價不同亮度等級的顏色,而這些問題的出現推動了均勻顏色空間以及顏色差異計算方法的研究。
一、均勻色品圖
定量地表示顏色感知差別的量稱為色差(color difference) ,可是用CIE-xy色品圖上的距離來求出的色差卻是不均勻的。如圖3-1所示的CIE色品圖上有兩組處於不同色區的顏色對,其中第一對顏色1和2在藍色區,第二對顏色3和4在綠色區,並且假定在該色品圖上1和2之間的距離與3和4之間的距離相等,這時按常規思維因距離相等就應認為感知上的顏色差異也相同,但實際上隨着在色品圖上所處的位置不同其,感知有相當的差別。可見,對於相同的色距離有時出現較大的感知上的差異,有時又呈現出難以分辨的很小的感知差別,這顯然是很不合理的,無法滿足工業應用的需求。為了定量地表示色差,需要對人眼的顏色分辨能力進行測試和分析。顏色是三維量,包括明度和色品(如色調、彩度或飽和度等),因此對顏色分辨力的研究有必要分別從：1、光亮度分辨力2、波長和色純度的分辨力3、色品的分辨力這幾個方面來探討。
對此在學術界麥克亞當等人的實驗數據驗證下，CIE先后推出了CIE1960 UCS（2°和10°視場）、CIE1976 UCS的 （相對）均勻色品圖。
二、均勻明度標尺
上面介紹的均勻色品圖只涉及顏色的色品,包括色調和飽和度,因而還需要研究顏色的第三維特性即明度的均勻性問題。明度表示顏色的明亮程度,大體上與三刺激值中的Y相對應。物體色的Y也稱為亮度因數,即在規定的光照條件下和給定的方向上,物體表面的亮度與同一光照下完全漫反射體的亮度之比。但是,對於視覺相同的明度等級其所對應的Y值卻是非等間隔的,反之亦然,即如將Y作10,20,30,….變化時,對應的明度也不是均勻增加的。因此,為使明度變得均勻而將亮度因數Y進行修正后的標尺稱為均勻明度標尺(uniform lightness scale, ULS)。孟塞爾顏色系統提供了很好的均勻明度標尺,這是因為孟塞爾顏色系統的明度即孟塞爾明度值V在視覺上是均勻的。孟塞爾顏色系統將明度值V分為0~10共十一個等級,其中0為理想黑色,10為理想白色,並且V值越大表示視知覺的明亮度越高。由孟塞爾色卡的亮度因數Y向孟塞爾明度值V的轉換式為：Y=1.2219V - 0.23111V2 + 0.23951V3—0.021009V4+0.0008404V5。可見,兩者之間存在明顯的非線性關系,其對應的關系曲線如下圖所示,圖中曲線上的數字為各點的Y值。由圖可知,在黑色附近非線性尤其明顯,所以在黑色中色就會明顯變白。
由Y值向均勻明度標尺的變換除了上述的孟塞爾明度值函數以外,還有其他多種轉換方法,如平方根公式、CIE明度指數函數、德國DIN系統明度標尺等。
三、均勻顏色空間
上面討論的均勻色品圖中並未涉及有關顏色的明度均勻性,即使采用(u',v', Y)代替(x, y, Y),色品坐標的均勻性提高了,但明度的均勻性沒有變化。因此,應考慮將均勻色品標尺和均勻明度標尺組合起來,形成一個均勻的三維空間,稱之為均勻顏色空間(uniform color space),同時,把在均勻顏色空間中對應於明度的坐標稱為明度指數(psychometriclightness).
3.1、CIE1964均勻顏色空間
國際照明委員會基於威澤斯基(Wyszecki)提出的利用CIE1960 UCS圖的均勻顏色空間,於1964年推薦了CIE1964 W*U*V顏色空間。該系統采用三個參數即明度指數W*、色品指數U*和V*來表示顏色,並由此組合的三維坐標形成了顏色的立體空間,它們的計算公式為：
式中,u、v是顏色樣品的CIE1960色品坐標,而un、vn是照明光源的色品坐標。可見,明度指數W*與刺激值Y有關,並且明度指數標尺在知覺上是均勻的,即每一個單位量的差別代表相等的知覺差異,因而它更准確地表達了顏色明度的變化;色品指數U*和V*的計算式是基於CIE1960 UCS圖的u、v色品坐標,同時又考慮了明度指數W*對色品坐標的影響,故當明度指數W*增大或減小時色品指數也隨之增大或減小。
在該均勻顏色空間中,兩個顏色(U1* ,V1* ,W1* )和(U2* ,V2* ,W2*)之間的色差為：
， 式中的色差ΔE=1時稱為1個NBS色差單位。NBS ( National Bureau of Standard)色差單位原是由1942年亨特的均勻顏色空間推導出的色差公式所決定的,而CIE1964均勻顏色空間的色差公式推導出的色差單位正好與它的單位一致。不同的色差公式導出的色差單位不同,故在計算色差時必須注明是按何種色差公式計算的。對於有色產品的色差允許范圍,應根據具體情況分別設定,如塗料的顏色稍有差別就比較明顯,故色差可以定為小於1個NBS單位,紡織品通常定為小於2個NBS單位,而彩色電視可以取4～5個NBS色差單位。
3.2、CIE1976 L*u*v*均勻顏色空間
國際照明委員會改進了原有的CIE1964 W*U*V*顏色空間,提出采用L*、u*、v*作為三維直角坐標的CIE1976 L*u*v*顏色空間,也稱為CIELUV顏色空間,它主要用於如電視工業等加混色(additive mixture)的表示和評價。在該空間中,L*為明度,u*、v*表示顏色的色品坐標,其計算公式為：
式中,u、v是顏色樣品的CIE1976色品坐標,而un、vn是照明光源的色品坐標。
3.3、CIE1976 L*a*b*均勻顏色空間
國際照明委員會改進了原有的CIE1964 W*U*V*顏色空間,提出采用L*、u*、v*作為三維直角坐標的CIE1976 L*u*v*顏色空間,也稱為CIELUV顏色空間,它主要用於如電視工業等加混色(additive mixture)的表示和評價。在該空間中,L*為明度,u*、v*表示顏色的色品坐標,其計算公式為：
式中,X、Y、Z為顏色樣品的三刺激值,Xn、Yn、Zn為CIE標准照明體照射在完全漫反射體上,然后反射到觀察者眼中的三刺激值,其中Yn=100。
四、色差及其的評價
4.1、色差與心理相關量
在CIELUV和CIELAB顏色空間中,以兩個被比較顏色點的歐氏距離表示色差,同時還各有一組與心理量近似對應的感知屬性,即明度、彩度、色調角及色調差。下面分別具體介紹這些顏色評價參數,並以下標"uv"和"ab"來區分CIELUV和CIELAB顏色空間。
色差：
明度：
彩度：
色調角：
色調差：
4.2、色差的視覺判斷
對於兩個顏色之間差別的視覺判斷主要有兩種直觀的評價,即可感知性(perceptibility)和可接受性(acceptability),可感知性是指觀察者能夠看到顏色的差別或能夠判斷兩個顏色樣品之間色差的大小的視覺屬性,而可接受性則表示觀察者是否認為可以接受被觀察顏色差別的視覺判斷。但是,目視比較和判斷具有較大的主觀性和易變性,在工業生產中不宜直接作為顏色質量的評價依據。因此,儀器測色顯得尤為重要,但是物理測量的數據應該能預測觀察者所看到的情況,並需要有合適的色差公式使之計算出來的色差能夠預測目視色差。可見,為了實現色差的符合視覺判斷的客觀評價,需要建立能夠預測可感知性判斷的色差方程,而色差方程的建立是基於大量的顏色視覺判斷和色差比較心理物理實驗數據之上的,同時還要考慮顏色刺激的時間與空間特性和視覺實驗的觀察條件等因素。
4.3、色差公式
理想的色差評價模型應基於真正視覺感知均勻的顏色空間，其預測的色差應與目視判斷具有良好的一致性，而且可以采用統一的色差寬容度來進行顏色質量控制,即對所有顏色產品能用相同的色差容限來判定其合格與否,而與標准色樣在顏色空間中所處的位置或所屬的色區無關。這是色差研究的最終目標,是一項十分困難和艱巨的任務。長期以來,各國的顏色科學工作者已在這一領域投入了大量的精力,做了很多的工作,至今已提出幾十個色差公式,其中一些公式已被CIE階段性地推薦為評價標准。
縱觀色差評價研究的發展,以CIE1976均勻顏色空間為界,現有的色差公式大致可以分為1976年以前發表的早期色差公式，如：瑞利立方根色差公式、FMC-I公式、FMC-II公式、ANLAB公式以及亨特Lab公式等。1976年以來發表的近期色差公式有：ECM色差公式、JPC79色差公式、CMC（l:c）色差公式、BFD（l:c）色差公式、CIELAB色差公式的加權式、CIE94以及CIEDE2000色差公式等。
五、一維顏色標尺
顏色是三維量,包括明度、色調、彩度或飽和度,但其中任何一個標尺又可用來描述有色物體的單一性能,如從無色經過黃色到橙色或紅色的物體着色成分的變化就可以用色調標尺來表示。這種一維的顏色標尺在有些情況下具有特定應用意義,如白布、白塑料等白色的物體,可以用白度標尺來描述和評價其白色的程度;當將白色物體長期置於陽光下曝曬時,白色會逐漸變黃,這時可用黃度來描述這種稍帶有黃色的白色物體,而白色物體經過一段時間后變黃的程度則可用變黃度表示。
5.1、黃度標尺
在幾乎全是白色的樣品中,往往會有黃色的出現,令人不悅,因此人們投入大量的精力來建立均勻黃度標尺。美國ASTM (American Society of Testing Materials)標准采納了以CIE1931標准色度觀察者和CIE標准照明體的色度參數為基礎而得到的黃度標尺,該標尺只與看起來是黃色或藍色的視覺感知有關,其中視覺藍色的情況下其黃度指數為負數,並且它們,都不能用來描述視覺上偏紅或偏綠的顏色。由標准照明體C和CIE1931標准色度觀察者獲得顏色樣品的三刺激值X、Y、Z,以此可以進一步計算出樣品的黃度指數YI,即
白色的樣品在特定的條件下隨時間逐漸變黃的程度通常采用変黃度指數ΔYI來描述,它可由樣品變黃前的黃度YI0和變黃后的黃度YI計算出來:
5.2、白度標尺
白色是在人們的日常生活中十分普遍的一種顏色,也是相關工業產品如紡織品、紙張、塗料、塑料制品等的一個大類,具有重要的意義。在熒光增白劑出現以前,白度的提高是通過對材質進行漂白並加點藍或通過優選和純化材質來達到。通常,接近完全漫射體的氧化鎂和硫酸鋇可以認為是理想的白色,而某些材料在添加了熒光增白劑以后,其白度可超過完全漫射體，這給白度的評價增加了復雜性。
與紅、綠、黃、藍等其他顏色一樣、白色也可以用CIE標准色度系統進行數字化描述。有色品圖上,白色只占有沿着570mm和470nm為主波長下很狹窄的區域,在顏色空間中,白色都處於圍繞無彩明度軸上端的范圍,沿着無彩軸向下增加其灰度則白色將逐漸變為灰色,而沿着彩度增加的徑向其白色將漸變為各種彩色。常見的白度公式有：單波段白度公式、多波段白度公式、以明度L和色純度表示的白度公式、與色彩概念有關的白度公式、CIE白度公式等，這里不做詳細闡述，感興趣的可自行查閱。
六、同色異譜顏色及其評價
由格拉斯曼顏色混合定律可知,兩種光譜分布不同的光刺激其顏色外貌可能完全相匹配,這種情況就稱為同色異譜(metamerism)現象。在工業生產實踐中,特別是如印染、印刷、油漆、繪畫、彩色攝影、彩色電視等行業中,經常會遇到同色異譜現象,所以這是在顏色科學中的一個重要問題。
在某種確定的照明與測量條件下,非熒光性的材料所顯示的顏色主要取決於材料本身的光度特性,所以當兩種非熒光性材料的光度特性完全一致時,它們在同樣的照明和觀察條件下具有相同的顏色,這是毫無疑問的。但是,如果這兩種非熒光性材料的光度特性不完全一致,,那么它們必須在某一特定的照明和觀察條件下才有可能具有相同的顏色外貌。因此,當兩種顏色樣品的光譜反射比或光譜透射比不同(異譜),而在特定的照明和觀察條件下其顏色外貌又能相互匹配(同色)的兩種顏色刺激就稱為同色異譜顏色或同色異譜色對(metameric pair)。
通常,同色異譜顏色的三刺激值分別相等,即
式中,Ψ1(λ)和Ψ2(λ)表示兩個不同的顏色刺激。一般討論的同色異譜顏色常常是指在同樣的照明和觀察條件(包括照明體的相對光譜功率分布、觀察者的色匹配函數以及觀察視場等)下兩個具有不同光度特性的顏色具有同樣的顏色外貌。這時,如果改變照明體或者觀察者,那么顏色的匹配就會被破壞或稱為失配,因此CIE對因條件變化所產生的同色異譜色的失配推薦了改變照明體光譜分布和改變觀察者色匹配函數的評價方法。
同色異譜顏色在工業領域中具有重要的應用意義。在實際生產中,常常需要復現某種顏色,如紡織印染的顏色匹配是最典型的例子之一,這時要求再現的顏色樣品在某個選定的照明體下與標准色樣的顏色外貌相同,可是在具體的顏色復現過程中很難做到復制色樣與標樣的配方和染料特性完全相同,更不用說是異質媒介的顏色復制了,所以在這樣的情形下就需要對這兩種顏色樣品進行同色異譜程度的評價。此外，同色異譜顏色的分析和評價內容這里不做贅述，可自行學習。
七、光源顯色性的評價
對光源顏色特性的評價主要有兩個方面的內容:一方面是人眼直接觀察光源時所看到的顏色,其評價方法與物體色類似,可以通過計算其三刺激值和相關色溫來捕述光源本身的顏色；另一方面就是物體在光源照明下所呈現的顏色效果,研究照明光源對物體顏色的影響及其評價方法,即光源的顯色性問題。
人們通常習慣地把物體在日光下所呈現的顏色認為是其真實顏色。同時,由於白熾燈的,發光特性與黑體比較接近,所以在它的照明下人眼也能感受到物體的真實顏色。但是,很多人工光源的特性並不完全與日光或白熾燈的特性相同,而且它們還各具有不同的色溫,所以在應用人工光源照明時,需要一種檢驗方法來評價采用人工光源與日光或白熾燈照明同一種物體時的差別及其程度。
7.1、光源顯色性
通常把照明光源對物體色外貌所產生的影響稱為顯色(color rendering) ,而將光源固有的顯色特性稱為顯色性(color rendering property)。光源的光譜分布決定了光源的顯色性,具有連續光譜分布的光源均有較好的顯色性,如日光、白熾燈等。另外,由特定的色光組成的混合光源也能有很好的顯色性,如波長為450nm(藍),540nm(綠)和610nm(橙)的光譜輻射對提高光源的顯色性具有特殊的效果,所以采用這三種色光以適當的比例混合所產生的白光與連續光譜的日光或白熾燈具有同樣優良的顯色性。此外,光源的色溫和顯色性之間沒有必然的聯系,因為具有不同光譜分布的光源可能有相同的色溫,但是其顯色性可能差別很大。光源的顯色性影響人眼所觀察的物體顏色,顯色性好的光源照明下物體顏色的失真就小,所以與物體表面色相關的工業領域如紡織、印染、塗料、印刷、彩色攝影、彩色電視等必須考慮光源顯色性對顏色復制及其評價的影響。為了比較光源顯色性的優劣,有必要建立定量的評價方法。顯色性的評價方法大體上可分為兩種,即基於光譜分布之差的方法和基於作為標准的物體色(試驗色)外貌之差別的方法。目前,在光源顯色性評價上多采用后一種方法,本節也將說明作為試驗色方法代表的CIE於1974年推薦的光源顯色性評價方法。對光源顯色性進行定量的評價是光源制造工業評價光源質量的一個重要方面,還可為提高照明質量、改進光源的特性提供必要的技術參數。
關於光源顯色性的計算這里不做介紹，一般來說光源顯色性越高越好。