笔记06 图形 2.1 色彩空间介绍

图形 2.1 色彩空间介绍

设计岗位的悲催：有一种美叫我觉得不行，你再改一版
玄学：你的衣服颜色真漂亮、这个天空颜色真清澈、这个色彩不够透、你懂不懂我想要的，我要的是五颜六色的黑…

本质论：学习需要透过现象本身，看本质。
色彩科学：我们来讨论物理，讨论科学

一、色彩发送器

色彩：光源是出生点，光源发射出光线，光线通过直射反射折射等路径最终进入人眼。但人眼接收到光线后，人眼的细胞产生了一系列化学反应。由此把产生的信号传入大脑，最终大脑对颜色产生了认知感知。

1.1 光的要素

1.2 光源

定义：光源就是产生光的物体。
如果没有光，我们就无法在黑暗中看到色彩，光的本质就是一种物理现象，光在没有进入我们的眼睛前，我们对它的认知是一种波长与能量分布。

1.3 波长

定义：光理论上讲是无限大的，只是我们人眼可见光是由局限的。
如果没有光，我们就无法在黑暗中看到色彩，光的本质就是一种物理现象，光在没有进入我们的眼睛前，我们对它的认知是一种波长与能量分布。

1.4 能量分布

定义：我们讲光线是一种波，那么既然是真实存在的就会有能量，能量单位就是功率，我们认知的光就会有不同的功率。比如一个光是由多个波长组合起来的波形

那么也就是说我们阐述色彩就用这个波长就可以了，但是这么做实在是太反人类了，我们无法保证能简单描述色彩。于是人们发明了一个叫做分光光度计的东西。

1.5 分光光度计

定义：分光光度计就是用于描述光线的具体能量强度，记得小时候用棱镜分光吗。我们通过分光之后对区间波长进行了感应与测量，最后得知了光谱的分布最终得知光线额能量集中在了550nm附近 （上图中绿色地方）

于此我们获得了：1.混合波长组成光线，拆分光线变成光线形成单一波长光2.测量单一波长光的实际所含能量

1.6.1 光的传播

回到光线的传播路径上来讨论，我们认知到光是经过了不同路径才进入我们的眼睛中的。

直射光：光源直射眼睛
折射光：光源穿过物体进入眼睛
反射光：光源经过物体表面反射进入眼睛
光线追踪：光线弹来弹去，然后我们根据权重确定光线最后进入眼睛中的颜色

二、色彩接收者

人眼本身设计的涉及到的东西太复杂我这里只会简单讨论一下人眼的一些接收色彩特性。

2.1 相对亮度感知

在某些阴暗的环境下，点亮一盏灯，这时人眼就会觉得非常亮。如果同时点亮1000盏灯，反而觉得只是10倍的亮度，对亮度的认知相当于从0~1再从1~10。

• 非线性

2.2 人眼HDR

人眼既可以分辨出高亮度的云彩的不同层次区别，还可以分辨出阴影中物不同物体的异同。
但是人眼的能力并不能保证这两个功能同时生效。(改变光圈大小控制曝光)
人眼是个变化莫测的存在，它可能会随着不同的环境，感知到不同的色彩，体验到不同的明暗效果，甚至可能会随着盯着某一个点时间流逝而变化颜色。

2.3 人眼感光细胞分布

人眼简单可以把感知色彩的细胞分为两大类，杆状细胞与椎状细胞
前者负责感知亮度，后者负责感知色彩，前者感光细胞对亮度特别的敏感，只要有5~14个光子打到杆状细胞就会产生神经信号，这也可以解释为什么闪光弹能让人致盲，一部分原因就是因为光实在太亮，直接干涉了人眼最敏感的感光细胞

2.4 椎状细胞

这种细胞专门用于感知颜色，但是他们还被区分为了L细胞，M细胞，S细胞。
这三种细胞负责感知的波长不一，L感知红色区间，M感知绿色区间，S感知蓝色区间。

2.5 人眼本质

光源的接收者。作用就是接收外部光线输入，输出神经电信号进入大脑。

2.6 完整微积分公式

$$C=\int^{max}_{min}S(\lambda)\cdot I(\lambda)\cdot R(\lambda)d\lambda$$

• C 是人眼这个函数输出的神经电信号
• $S(\lambda)$ 表示 LMS 这三个感官细胞的感知分布
• $I(\lambda)$ 表示光源的功率谱分布
• $R(\lambda)$ 表示反射物体的吸收功率分布

三、色彩空间历史

19世纪 色彩的猜想

1.人们有100多种感受颜色的细胞
2.人们有三种，分别是RGB三种感色细胞
3.人们有三种，分别是黑白，红绿，黄蓝感色细胞
现在这么多年过去了，其中的2和3这两种猜想都成为了我们当下的色彩视觉模型，也称之色彩模型

1905 Munsell 色彩系统

美国艺术家 Albert Henry Munsell 利用自己的艺术特长，最早提出了一个色彩系统，后来在1930年被优化改良。
Munsell通过很多色卡来描述色彩，下面旋转角度的是色相，Munsell垂直的是亮度，从圆心到外部是Munsell饱和度。人们凭借自我主观意识认知与区分色彩就是HSL（色相 饱和 亮度）这套系统没有过多的物理科学在其中，更多的是一种艺术家的理解与归纳总结规范。

这一类模糊的描述及其难以理解与难以表达。但是用了这个色彩系统之后，一个颜色可以通过：H=1.6YR,V=6.3,C=3.9 来描述，而且也不会有任何的描述与理解偏差。
于是我们方便起见就为一些常用色彩制作了色卡，一个个色卡描述色彩就非常方便。

1931 CIE 1931 RGB Color Specification System

科学家们觉得上述的色彩系统还可以，但是不够科学，于是为了以一种科学的方式阐述色彩，于是一个叫CIE的机构在1931年建立了一套色彩系统，希望完全客观完全物理的量化色彩。CIE 把所有可视波长的光线作为测试光挨个测试了一个遍，最终的到了三条曲线。
我们发现435.8~546.1nm这段波长中的红色基色强度是负数。这虽然物理正确，但是一点也没有科学的美感。我们进行了归一化，保证色彩在-1~1之间。

归一化不是为了解决负数，而是为了去量纲化、得到比例坐标。
真正消除负数的是 RGB → XYZ 的线性变换。

最终通过计算出rgb的基色的强度在当前混色强度的所占比例。这样计算后，r’g’b’都是在-1~1之间，那么我们发现r’+g’+b’=1那么就可以通过其中两个已知数计算出另一个的强度

图像可视化

在对数值归一化之后，两个变量就可以代表色彩了，于是我们就通过rg这两个参数画图
于是画出了一个二维空间，x轴是r’，y轴是g’那么我们就可以成功的在色彩科学上真正科学的描述一个颜色
我们可以把任何可见光通过图标的一个点的坐标来表示说明。

1931 XYZ Color Specification System

“颜色分量有负数”在实际应用中太不方便了（比如工程师没法直接拿负数去调色），于是在 1931 年同时推出了另一个系统：CIE 1931 XYZ 颜色空间。
对 RGB 系统的三刺激值做一个线性变换：

$$\begin{bmatrix} X \\ Y \\ Z \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2.7689 & 1.7517 & 1.1302 \\ 1.0000 & 4.5907 & 0.0601 \\ 0.0000 & 0.0565 & 5.5943 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}$$

（为了计算方便，对 xyz 矩阵进行归一化）

$$\begin{aligned} & x=\frac{X}{X+Y+Z}\\ & y=\frac{Y}{X+Y+Z}\\ & z=\frac{Z}{X+Y+Z}=1-x-y \end{aligned}$$

那么最终效果就是这张大家应该会比较熟悉的图。外侧曲线边界是光谱（单色光）轨迹，波长的单位是纳米。

人称色域马蹄图，也就是人眼可见范围表示。
但是图像上面没有亮度，于是在归一化的基础上，把XYZ中的Y单独拿出来与xy一起组成了Yxy色彩空间，其中的Y表示亮度，xy表示色度。(xy是上面归一化得到的)
注：Yxy色彩空间是由XYZ色彩空间衍生

不足

色彩的分布不均匀，一些地方紧一些地方又很松，偏向绿色部分就非常平滑，然后左下角部分坐标变化小，但是色彩变化很快。

色彩空间的定义

色彩空间至少需要满足三项重要指标
1.色域 (三个基色的坐标，由此形成三角形)
2.Gamma（如何对三角形内进行切分）
3.白点（色域三角形中心）

Gamma

Gamma 并不是色彩空间，它其实只是如何对色彩进行采样的一种方式
每次对比顶点切割，就会发现切割的方式不同会导致每次对应的色彩不一样，大家通常理解的 Gamma=1的情况就是指代这样均匀的切分，这样的好处就是方便计算。而非均匀切割的方式就是gamma≠1

线性（gamma=1）的时候，方便计算，计算机效率高，方便理解。
早期的计算机储存与显示器硬件因为性能问题，采用的基本大部分都是gamma=2.2。我们目前大部分的机器都已经不是远古版本了，所以PC上的大部分游戏都会推荐使用线性空间，包括很多VFX人员都喜欢用Linear线性空间。

我们可以根据色彩空间的定义确定，它们是由三个指标制作而成，但不是定死的，换一个色域换一个白点位置，换一个gamma值其实就是一个新的色彩空间了，我们可以也成为换头兄弟臭鼬。（不过一般用不到）

常用空间 sRGB

1.色域：sRGB首先设定了RGB三个基色的坐标
2.白点：sRGB也规定了白点位置
3.gamma：sRGB的gamma设定约为 2.2，也就是说
从外而向内切，先切的很细，然后逐渐变粗

四、常用色彩空间、色彩模型

色彩模型

使用一定规则描述（排列）颜色的方法
举例：RGB、CMYK、LAB

色彩空间

需要至少满足三个指标：色域、白点、gamma
举例： CIE XYZ、Adobe RGB、sRGB、Japan Color 2001 Uncoated、USwebCoated（后两个是基于CMYK模型建立的）

五、色彩空间转换

(抄代码)

作业

Q1：色彩空间的定义是什么？
A2：色域、白点、gamma。

Q2：人眼可见光范围是多少？
A2：波长在 380纳米（nm）至 750纳米或780纳米 之间的电磁波。CIE RGB/XYZ。

补充内容

色域对比

sRGB色域范围最低，DCI-P3色域比sRGB大了25%
图片来自 https://www.cnblogs.com/ybqjymy/p/16643969.html
电脑正确映射需要有正确的色彩配置文件。

gamma矫正

2.2 是测量出来的，复合大多数人的灰阶感知。有的游戏中 gamma 值可以由用户自己微调

HDR (High Dynamic Range)

HDR 显示器的峰值亮度通常在1000尼特以上, 同时保持非常高的对比度, 远高于 SDR 显示器。

色彩空间转换

用SDR显示器观看HDR视频时，需要转换，否则画面整体昏暗。