色彩（顏色）空間原理（上）

RGB色彩空間轉(zhuǎn)換

我最近在進(jìn)行色彩科學(xué)方面的工作，當(dāng)您要正確使用數(shù)字色彩值時(shí)，從一種色彩空間轉(zhuǎn)移到另一種色彩空間成為一種常見操作。通常，我們只是將數(shù)字顏色視為RGB值，但是有許多方法可以用數(shù)字方式描述顏色。只需打開PhotoShop的拾色器，您就可以選擇除標(biāo)準(zhǔn)RGB之外的其他顏色作為HSV，Lab或CMYK值。如果您對PhotoShop有所了解，您甚至可以嘗試使用“顏色設(shè)置”，它具有更多選項(xiàng)，包括您的圖像將使用哪個(gè)RGB版本。我將重點(diǎn)關(guān)注多個(gè)RGB空間的概念。

根據(jù)您最終的到來方式，可能有多種類型的RGB可能會(huì)令人驚訝，因此，我將盡力介紹一些背景信息，并引入一個(gè)稱為XYZ的色彩空間。然后，我們將逐步講解在所有這些RGB變體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)方法，并討論為什么您甚至考慮這樣做。最后，我將介紹一些用于實(shí)現(xiàn)色彩空間轉(zhuǎn)換的示例代碼。

多個(gè)RGB空間

當(dāng)您告訴像素使用RGB組件進(jìn)行繪制時(shí)，您將為輸出到該像素的紅色，綠色和藍(lán)色原色光指定強(qiáng)度值。當(dāng)顯示器混合這些燈時(shí)，您將獲得所需的顏色。問題在于那里有多種類型的顯示器，并且主光源可能不盡相同。允許的指示燈將相似，但是一臺(tái)顯示器上的紅色主顯示器可能與另一臺(tái)顯示器上的紅色主顯示器不完全匹配。例如，舊的CRT電視的原色與新的高清LCD電視不匹配。當(dāng)原色燈不匹配時(shí)，具有相同RGB成分的顏色也將不匹配，因?yàn)樗鼘⒉煌脑嗉印?/p>

RGB空間的原光可產(chǎn)生的顏色范圍稱為其色域，必須注意的是，當(dāng)兩個(gè)空間的色域不同時(shí)，將存在一個(gè)空間可以產(chǎn)生而另一空間不能產(chǎn)生的顏色。

對于許多應(yīng)用程序來說，整個(gè)概念實(shí)際上并不需要擔(dān)心。只要您的紅色看起來偏紅而您的綠色看起來偏綠，一切都很好。當(dāng)顏色精度很重要時(shí)，或者如果您想成為某種顏色的納粹，則需要從一種顏色空間轉(zhuǎn)換為另一種顏色空間。一種用途是將在LCD監(jiān)視器上繪制的紋理轉(zhuǎn)換為匹配的（或盡可能接近匹配的）顏色值，以在CRT電視上顯示。

XYZ色彩空間和色度

到目前為止，我們已經(jīng)將顏色描述為RGB顏色空間的紅色，綠色和藍(lán)色原色的組合。為了將一種顏色空間與另一種顏色空間進(jìn)行比較，擁有可在其中定義任何可見顏色的標(biāo)準(zhǔn)化通用空間將很有用。幸運(yùn)的是，在這些事情上有權(quán)威可以幫助我們。該委員會(huì)國際照明（法國國際照明委員會(huì)和通常縮寫為CIE）位于奧地利。

為了以通用方式定義不同的RGB顏色空間，我們將使用CIE 1931 XYZ顏色空間。XYZ空間是圍繞能夠描述人類可見的所有顏色而設(shè)計(jì)的。我之所以提到“人類視覺”，是因?yàn)椴煌奈锓N實(shí)際上可以查看光譜的不同部分。例如，有些鳥實(shí)際上可以看見紫外線，但不會(huì)太嫉妒，因?yàn)樗鼈円惨虼藭?huì)給眼睛帶來更多有害輻射。在繼續(xù)之前，我想指出關(guān)于XYZ空間的一些事實(shí)。

所有人類可見的顏色均具有正的X，Y和Z值。這意味著在進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換時(shí)，我們只關(guān)心XYZ空間的一個(gè)八度。
XYZ顏色的Y值表示人眼感知到的顏色的相對亮度（因?yàn)樗械难劬Χ加悬c(diǎn)不同，這實(shí)際上是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的近似值）。Y值較高的顏色被認(rèn)為更亮，而Y值相等的顏色被認(rèn)為具有相同的亮度。
只有正八分圓的一部分甚至對應(yīng)于可見光（或與此有關(guān)的任何光）表示的實(shí)際顏色。換句話說，某些XYZ值在現(xiàn)實(shí)世界中沒有對應(yīng)值。只要我們表現(xiàn)并保持在這個(gè)可見的子空間中（即，不只是開始將顏色定義為XYZ隨機(jī)值），我們就不會(huì)遇到任何問題。
三維彩色圖可能會(huì)有些混亂，因此幸運(yùn)的是，我們CIE的朋友給了我們另一個(gè)描述顏色的工具，即二維xy 色度空間。色度是對顏色的描述，忽略了它的亮度。因?yàn)榭梢詫㈩伾ㄒ坏囟x為亮度，色調(diào)和彩色的組合，所以我們也可以說色度是色調(diào)和彩色的組合。例如，說一種顏色是飽和紅色將描述色度，而明亮的飽和紅色將描述亮度和色度。

那么我們?nèi)绾卧跀?shù)學(xué)上指定色度呢？我們可以使用CIE 1931 xyY顏色空間。從這里開始要當(dāng)心，因?yàn)槲覍⑹褂眯懙膞，y和z表示一組值，使用大寫的X，Y和Z表示另一組值。不要為此怪我-這一切都是在奧地利決定的。

我們將按照X，Y和Z定義三個(gè)值x，y和z，如下所示（最后是一些數(shù)學(xué)運(yùn)算！）。

因?yàn)槲覀兛梢詮膞和y得出z，所以實(shí)際上只需要指定x和y即可描述唯一的xyz值。如果給定xy值為（0.2，0.3），則我們知道z值為0.5。盡管這似乎有些武斷，但它所做的是創(chuàng)建了一個(gè)二維xy空間，我們可以輕松地在二維表面上繪制圖形。

您可能已經(jīng)注意到，我將此空間列為CIE 1931 xyY顏色空間，而不是xy或xyz顏色空間。這里的理由是我們需要X，Y或Z來重新創(chuàng)建原始顏色。使用xyz值，我們丟失了一些信息。它們可以在二維中唯一表示的事實(shí)應(yīng)該預(yù)示著一些陰暗現(xiàn)象正在逐漸消失。盡管可以將任何原始XYZ分量與xy一起使用以重新計(jì)算原始顏色，但我們使用Y分量是因?yàn)樗硎竟舛?#xff0c;我們也可以使用該數(shù)字代替X或Z，但這并不表示任何含義。太容易理解了。

現(xiàn)在我們可以在二維空間中描述顏色（不包括亮度），現(xiàn)在是拍攝照片的理想時(shí)間。

我之前提到過，XYZ空間中只有一部分對應(yīng)于人類可見的顏色。此圖中顯示的區(qū)域是該可見范圍的xy表示。您的顯示器無法顯示所有可見的色度（除非您在我寫了這么久之后才讀了這么長時(shí)間，太棒了！）。這就是為什么我不用費(fèi)心在這張圖像上放很多顏色的原因。您所看到的微妙顏色是將所有可見色度壓縮到RGB空間中的一種方式，但是即使如此，這也有點(diǎn)小問題，我不會(huì)將顯示的色度視為任何科學(xué)依據(jù)。

不用太偏離軌道，如果您熟悉線性代數(shù)或3D數(shù)學(xué)，您可能會(huì)想知道我們在空間上實(shí)際正在看什么（畢竟，這些都是從某個(gè)3D XYZ空間開始的）。創(chuàng)建xyz值時(shí)，我們實(shí)質(zhì)上是將XYZ空間透視投影到包含點(diǎn)（1,0,0），（0,1,0），（0,0,1）的XYZ平面上。這樣，XYZ空間的正八分圓都以這三個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建的三角形結(jié)束。我們的xy色度圖是此三維三角形沿Z軸的正交視圖。

定義RGB顏色空間

現(xiàn)在我們熟悉了XYZ空間和xy色度坐標(biāo)，我們可以開始使用它們來定義RGB顏色空間。此定義由紅色基色，綠色基色，藍(lán)色基色和白色點(diǎn)的xy色度值以及一個(gè)伽瑪校正曲線組成。我將使用sRGB我下面的示例中的色彩空間。sRGB是Internet的標(biāo)準(zhǔn)顏色空間，因此您的瀏覽器應(yīng)該可以很好地顯示它。這實(shí)際上提出了一個(gè)有趣的示例，說明可以在其中使用色彩空間轉(zhuǎn)換。如果假定互聯(lián)網(wǎng)都使用sRGB顏色編碼，并且您要制作一些具有不同顯示基色的新手機(jī)，則在瀏覽Web時(shí)，最好將sRGB空間映射到手機(jī)的RGB空間。

紅色，綠色和藍(lán)色原色

為顯示器的每個(gè)主要部分提供了色度坐標(biāo)。對于sRGB空間，它們?nèi)缦?#xff1a;

如果您回想起以前，顏色空間的色域是可以由該空間表示的顏色子集。現(xiàn)在，我們可以在色度圖上繪制sRGB色域。將列出的色度坐標(biāo)與該圖進(jìn)行比較，您會(huì)發(fā)現(xiàn)它們與三角形sRGB色域的角相匹配。

作為互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)色彩空間（可能非常接近顯示器的色彩空間），只能在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建該三角形內(nèi)的色度。我還專門渲染了這張圖像，以準(zhǔn)確表示那些色度，前提是您的顯示器已正確校準(zhǔn)（可能不是-我的當(dāng)然不是）。

我第一次看到這些圖表中的一個(gè)時(shí)，我有點(diǎn)擔(dān)心，因?yàn)榭雌饋砦覀兊娘@示器似乎無法接近綠色。只需查看三角形左上角所有無法顯示的可見顏色即可！幸運(yùn)的是，事實(shí)證明事情并沒有看起來那么糟。xy和XYZ空間相對于我們對顏色的感知方式都有所拉伸和傾斜。您會(huì)注意到一堆小點(diǎn)以舌形彎曲在圖表周圍。這些點(diǎn)表示以5納米的間隔分開的波長的可見光譜。它的細(xì)節(jié)離我們的目標(biāo)有些偏離，但是知道它們具有一定的線性間距可以幫助我們看到圖中的變形。點(diǎn)從紅光傳播到綠光，并以藍(lán)光結(jié)束。如你看到的，間距在綠色附近延伸，而在藍(lán)色和紅色附近則非常壓縮。本質(zhì)上，綠色的錯(cuò)誤并不像該圖所示那樣嚴(yán)重。

白點(diǎn)

乍一看可能有點(diǎn)奇怪，但是白點(diǎn)用于指定白色。可能有人會(huì)期望白色實(shí)際上是白色，但這僅是一半。我說這是“半正確的”，因?yàn)閺哪撤N意義上說，一種顏色可能看起來是白色的，而實(shí)際上它實(shí)際上具有某種顏色。人類的視覺系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的野獸，它將或多或少地根據(jù)視野選擇將什么顏色感知為白色。這種應(yīng)該視為白色的顏色稱為白點(diǎn)。

例如，普通的白熾燈泡發(fā)出橘紅色的光，而中午的太陽光則更接近中性白色。無論顏色如何變化，在陽光下在燈泡下或外面看時(shí)，您都會(huì)將白紙感知為白色。當(dāng)然，您可能會(huì)在某種程度上意識(shí)到色相的變化，但要點(diǎn)是您不會(huì)感到困惑，因?yàn)楫?dāng)您在燈泡下時(shí)，所有紙張都會(huì)變紅。在攝影中，了解這種感知效果實(shí)際上很重要。顏色校正通常應(yīng)用于照片，以便將在其上捕獲圖像的白點(diǎn)轉(zhuǎn)換為將在其上觀看圖像的白點(diǎn)。

對于sRGB，白點(diǎn)具有色度坐標(biāo)（0.3127，0.3290）。此白點(diǎn)也稱為D65 ，它是對中午陽光產(chǎn)生的白色的估計(jì)。讓我們將其映射在色度圖上。

伽瑪校正曲線

伽馬校正曲線用于將像素亮度從線性標(biāo)度轉(zhuǎn)換為指數(shù)標(biāo)度。在對最終像素值進(jìn)行編碼時(shí)，該曲線用于將線性亮度伽瑪壓縮為伽瑪校正值。解碼像素值時(shí)，將使用反曲線將值伽馬擴(kuò)展回線性單位。

我們無法以線性比例感知顏色的亮度，因此這種伽瑪壓縮實(shí)際上有助于我們在每個(gè)像素有限的位數(shù)中存儲(chǔ)更多有用的信息。線性亮度和顏色的感知亮度（也稱為明度）之間的非線性關(guān)系如下所示。

如果我們要以線性刻度存儲(chǔ)圖像值，則值的單個(gè)步長將對應(yīng)于刻度低端的亮度大步長，而對應(yīng)于刻度高端的小亮度步長。結(jié)果，我們將在深色中失去很多亮度保真度。

現(xiàn)在，讓我們使用sRGB伽瑪校正曲線查看亮度。

現(xiàn)在，我們在所有值上都獲得了一致的亮度步驟，從而使我們可以在整個(gè)范圍內(nèi)以更高的保真度編碼亮度。盡管此圖像確實(shí)顯示出線性亮度（人類感知），但應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，我們不再使用線性亮度（物理）。

這個(gè)概念是較舊的3D視頻游戲中出現(xiàn)許多照明錯(cuò)誤的根源（實(shí)際上，許多新游戲仍然存在問題）。由于硬件限制和性能問題，某些視頻游戲僅在對其紋理進(jìn)行編碼的非線性RGB空間中執(zhí)行照明。這導(dǎo)致添加了燈光，從而產(chǎn)生比預(yù)期更明亮的效果。在上圖中很容易看到這一點(diǎn)。如果您在每個(gè)比例尺中定位具有（128,128,128）灰色的像素，您將看到它在線性亮度圖像中大約占22％，在經(jīng)過伽瑪校正的圖像中大約占50％。現(xiàn)在，假設(shè)您要在此亮度下添加兩個(gè)燈光。在線性比例尺中，您將使22％翻倍，從而將44％放入具有正確值（178,178,178）的線性圖像中。

除了對亮度進(jìn)行編碼的好處之外，還選擇了伽瑪曲線來匹配顯示設(shè)備的物理輸出屬性。例如，CRT監(jiān)視器的電子槍具有非線性輸出，并且必須提供經(jīng)過伽瑪校正的輸入，以便創(chuàng)建適當(dāng)?shù)膶?shí)際亮度。

總結(jié)

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