CIE 1931 色空間
三刺激値
正常なヒトの目には3種類の錐体細胞があり、波長のピークの感度において、それぞれ短波長 (S, 420 nm–440 nm)、中波長 (M, 530 nm–540 nm)、長波長 (L, 560 nm–580 nm) を感知する錐体細胞に分類される。これらの錐体細胞によって、ヒトの中～高輝度の条件下に於ける色覚が知覚されている（非常に弱い光のもとでは色覚は感じられなくなり、替わって桿体細胞が働くことで、色は感じなくてもモノクロの視覚を感知できる）。この三刺激値はそれぞれ、3種類の異なる刺激レベルをもつ錐体細胞と対応し、原理的にはすべての色を感知することができる。 3種の錐体細胞スペクトル感度におけるスペクトルごとの総和をもとめることで、三刺激値が得られ、この三刺激値で物体の色のスペクトルを表現することができる。このS、M、L三つのパラメータによりLMS色空間と呼ばれる3次元空間を表現できる。LMS色空間はヒトの色覚を表現するために考案された複数の色空間の一つである。
色空間は、物理的に生成された色（混合光、顔料など）を、特に三刺激値のような、目の色覚を表す客観的な表現に置き換えるものである。LMS色空間のように常に錐体細胞のスペクトル感度を直接定義するようなものではない。三刺激値に基づく色空間は、3色による加法混色モデルにおける三原色の総和を概念化したものと関連づけられている。LMS色空間やXYZ色空間のような一部の色空間においては、各々の原色は現実の色としては存在せず、どんなスペクトルの光をつかっても実現させることはできない。
CIE XYZ色空間は、平均的なヒトが知覚することができるすべての色を包含している。 このため三刺激値によるCIE XYZ色空間はデバイス非依存の色表現である 。CIE XYZ色空間を標準として用いて、他の多くの色空間が定義されている。LMS色空間のスペクトル感度曲線のような等色関数を用いて（負の値を持つか持たないかに限らず）、物理的に生成された光のスペクトルを特定の三刺激値に関連付けている。
様々な異なる波長が混合された二つの光源について考える。そのような光源は同じ色として認識されることがある。これを条件等色（メタメリズム) という。そのような同じ色と知覚される光源同士においては、光源がそれぞれどんなスペクトル分布であっても、二つの光源ともに同じ三刺激値を持っている。
殆どの波長においては、錐体細胞のスペクトル感度においてS, M, Lそれぞれのカーブが相互に重なっているため、二種類あるいは三種類の錐体細胞が刺激される。このため、一つの三刺激値のみを表すことは物理的に不可能である（例として、LMS三刺激値におけるM成分がゼロでない時、L成分もS成分もゼロにはなり得ない）。さらには、LMS三刺激値において、三原色の加法混色の色空間（例えばRGB色空間）では、単波長の色は少なくとも三色のうち一色は負の値になる。これは、三原色により定義される三角形の外側に色度が位置しているためである。このような負の値をもつRGB値を避けるため、および一つの成分が知覚的明度と一致するために、このような仮想上の原色が定義され、対応する等色関数が定義されている。CIE 1931色空間において、この三刺激値がそれぞれX, Y および ZとしてXYZ色空間上に定義されている。XYZすべての組み合わせにおいては、正の値のみを持つ。X, Y, Zの単色に相当する位置である[1, 0, 0], [0, 1, 0], [0,0,1]に対応するのは、LMS表色系に於いて表現できる色の外側に位置する架空の色であり、これら架空の単色はどの波長分布の色とも一致せず、物理的には存在しない色である。
X, Y, Zの意味
ヒトは十分な光量の光源下において、異なる色の相対的な 輝度 （明度）の違いを判断する場合、同じ強さの赤または青の色よりも、緑の色をより強く感じる。 波長の違いによる明るさの感じ方を定義する光度関数は、M錐体細胞の感度にほぼ一致している。
この事実に基づき、CIEモデルではY成分が輝度であると定義している。Z成分は近似的に青の成分、あるいはS錐体細胞の感度と定義され、X成分は複数の錐体細胞の感度を混合（線形組み合わせ）したものであり、正の値をとるように選択されている。XYZの三刺激値はこのようにして、ヒトのLMS錐体細胞の感度に類似するよう定義されているが、LMS錐体細胞の感度と完全一致するものではない。便宜上Y成分を輝度と定義することで、ある与えられたYにおけるXZ平面が、その輝度におけるすべての色度値を包含することが可能となっている。
X, Y, およびZの三刺激値の成分の単位はしばしば任意に選択されるため、Y=1あるいはY=100がカラーディスプレイが表現できる最も明るい白となる。対応する白色点を表すXとZの値が標準光源であると推定できる。
CIE測色標準観察者
三刺激値は、目の中の錐体細胞の分布状況により、観察者の視野に依存し変動してしまう。この依存性を排除するため、CIEは測色標準観察者を定義し、中心窩から2度の視野角で得られるヒトの標準的な色覚を定義した。この2度という角度は、中心窩から2度以内の場所に、色を知覚する錐体細胞が分布していると考えられていることから定義されている。このCIE 1931 測色標準観察者はCIE 1931 2°測色標準観察者とも呼ばれている。余り使われていないが、より新しい測色標準観察者として、CIE 1964 10°測色標準観察者が、スタイルス、バーチ およびスペランスカヤにより定義されている。
この10°視野角での実験では、観察者は中央から2°の範囲内は無視することにより実験が行われた。このCIE 1964 測色補助標準観測者は、4度以上の視野角での利用に推奨される。これらの測色標準観察者は両方とも、380 nm ～ 780 nm の波長域で 5 nm の離散化で行った上でCIEから配布されている 。全て実験から得られたデータは補間されて計算されている。測色標準観察者は三つの等色関数により特徴づけられている。