色彩是什么
色彩主觀來(lái)講就是光線給人的感覺(jué)，客觀的分析，就是今天要說(shuō)的東西。
光
人眼的可見(jiàn)光范圍大概在400-700nm左右，也就是有一定波長(zhǎng)的電磁波，對(duì)于不同的波長(zhǎng)由于人眼的構(gòu)造能產(chǎn)生不同的神經(jīng)信號(hào)，傳到大腦interprete一下就是colors。這個(gè)波長(zhǎng)范圍以外的光線人類無(wú)法肉眼感知。
單色光 & 混合光
如果一束光，它所含有的光子都是同一波長(zhǎng)的，那么就成為單色光，如果恰好波長(zhǎng)還是visible的，那么稱為光譜光。比如700nm一束光人眼看起來(lái)就是大紅的光線。相對(duì)應(yīng)的，不同波長(zhǎng)的光合在一起就是混合光。人眼沒(méi)有三棱鏡的功能，能把混合光分開(kāi)，至少在人的感知范圍內(nèi)是不行的，也正是因?yàn)槿绱瞬拍苡猩实恼桌碚摚丛旌侠碚摗?/p>
紫外光 & 紅外光 & 熒光
波長(zhǎng)低于 400nm 的紫外光UV肉眼不可見(jiàn)。熒光材料利用的就是紫外光：熒光材料吸收紫外光后會(huì)使紫外光波長(zhǎng)增加（頻率減少）到可見(jiàn)光范圍內(nèi)再反射出去，使物體反射的光看起來(lái)比它從光源吸收的還要多，看起來(lái)亮度增加了。紙張就常用熒光粉使其看起來(lái)更白更亮。
另外還有紅外光IR，肉眼也不可見(jiàn)，不過(guò)咱們大多數(shù)的攝像設(shè)備有的能夠包含一些IR的范圍，比如有時(shí)候?qū)χb控器拍照能看到偏紅色的光線，但是拍照紅顏不是因?yàn)檫@個(gè)原因。
人眼原理
上圖是眼睛識(shí)別光線色彩的構(gòu)造圖，主要分為兩個(gè)階段：通過(guò)視錐細(xì)胞的識(shí)別階段和通過(guò)視神經(jīng)的生產(chǎn)神經(jīng)信號(hào)并傳輸?shù)碾A段。這兩個(gè)階段分別是三原色和四原色的生物學(xué)基礎(chǔ)。
識(shí)別階段
WikiPedia:Color (American English) or colour (Commonwealth English) is the characteristic of human visual perception described through color categories, with names such as red, blue, yellow, green, orange, or purple.
WikiPedia中顏色定義是：人眼的對(duì)于光的感受通過(guò)顏色分類的這些名稱表達(dá)出來(lái)的特征。這里所說(shuō)的感受是通過(guò)不同波長(zhǎng)不同頻率的刺激值來(lái)表示的，而不是指人主觀的感受。一束光線打在視網(wǎng)膜上，對(duì)人眼視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞產(chǎn)生一定刺激值，轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。視錐細(xì)胞又分為三種：S-cones, M-cones and L-cones，分別對(duì)人眼可見(jiàn)范圍內(nèi)的短波、中波、長(zhǎng)波敏感，這是由三種不同蛋白質(zhì)決定的，色盲患者正是因?yàn)槿狈铣蛇@些精細(xì)蛋白質(zhì)的基因。下圖中，橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為SML三種細(xì)胞對(duì)不同波長(zhǎng)應(yīng)激的刺激值。不過(guò)確實(shí)有人天賦異稟的，會(huì)有XS或者XL的視錐細(xì)胞，不做討論。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以用三種波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)各種不同強(qiáng)度下混合刺激人眼，模擬出人眼所能感知到的其他的顏色，對(duì)人眼來(lái)講與直接看到該中波長(zhǎng)的光線相同，這就是三原色RGB原理的來(lái)源。比如，RGB基色全混合是白色。具體可以去看wikipedia中color vision
人眼的retina中有一大堆的Photoreceptor cell感光細(xì)胞，主要負(fù)責(zé)人眼的視覺(jué)成像，它又有三種細(xì)胞，視桿細(xì)胞，視錐細(xì)胞，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞：
更多：對(duì)于單一光線來(lái)講，人眼能感受的波長(zhǎng)范圍大概是400-700nm之間，人眼可區(qū)分的interval在不同的范圍也不同，從1nm-10nm都有，總共算下來(lái)人眼也就能看到幾百種色調(diào)Hue，但是有多光線混合的時(shí)候，產(chǎn)生的Hue就多了。另外，實(shí)際上SML三種cone cell對(duì)不同波長(zhǎng)的刺激峰值并不是正好的RGB原色，比如L的峰值是在570-580左右，是green-yellow區(qū)域。所以這個(gè)角度來(lái)講，RGB三色模型，并不是完全的cone cells的表示。另外一個(gè)有意思的事情是，由于ML是區(qū)域是完全重疊的，所以不存在純正的藍(lán)色或者綠色（單色光）。
生產(chǎn)信號(hào)
如上圖所示，人的視神經(jīng)只有三個(gè)通道，兩個(gè)色彩通道藍(lán)-黃和綠-紅和一個(gè)亮度通道，視神經(jīng)的帶寬是有上限的，兩個(gè)色彩會(huì)爭(zhēng)搶視神經(jīng)，這是Lab色彩空間的理論依據(jù)。
顏色屬性
色調(diào)Hue
又叫做色相，這是色彩的首要特征，也就是我們常說(shuō)的色彩赤橙黃綠青藍(lán)紫等，改變一個(gè)色相給人的感覺(jué)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于亮度、飽和度。
飽和度Saturation
又被稱為彩度、色彩濃度（Chroma），稱為色彩濃度很好理解，從色彩最大濃度到無(wú)色彩（黑白或灰）的程度。
確切定義為顏色等效光譜分布集中于波峰（色相）的程度，越集中含其顏色越少，飽和度越高。再直白點(diǎn)理解就是，光子的純凈程度，越純凈飽和度越高，也就是越接近單色光，越分散飽和度越低，越接近黑白灰。
明度Brightness
顏色等效光譜各色相心理強(qiáng)度之和，比如三原色RGB轉(zhuǎn)換成YUV的過(guò)程，把Y看作亮度?？梢詮膱D中看到改變一個(gè)顏色的亮度，很可能會(huì)牽連到顏色光譜分布集中程度也就是飽和度，實(shí)際上不同的色彩體系對(duì)飽和度和明度的拆分是不同的。明度看起來(lái)是最容易理解的概念，但事實(shí)上非常之混亂：Brightness、Lightness、Value、Luma。雖然概括來(lái)說(shuō)就只是顏色的明亮程度，但是明亮是指光的強(qiáng)度，還是人對(duì)光的感受？范圍是從黑到白還是從黑到顏色能維持最大飽和度的亮度？在不同的色彩體系、標(biāo)準(zhǔn)、翻譯下會(huì)有不同的意義。
明度、亮度 與 輝度（Brightness, Lightness and Luma）
- 亮度：Lightness、Luminance
- 相對(duì)亮度：Relative luminance
- 明度：Brightness、Value
- 輝度：Luma
這是三個(gè)使用的相當(dāng)混亂的概念，其所指本質(zhì)上是相同的，但是在不同場(chǎng)合其含義會(huì)有些差異。
你可以在一些地方看到亮度 = Brightness，明度 = Lightness ，另一些地方可能恰好相反，而其實(shí)際上他們指的可能都是同一個(gè)概念：人對(duì)發(fā)光體或反光體光感受強(qiáng)度的程度，但是這個(gè)概念的定義很多，不同的定義慣用不同但又沒(méi)有明確界定的稱呼。實(shí)際上大部分使用亮度、明度、輝度的人根本不知道其中的差別。
以 RGB 色彩空間為標(biāo)準(zhǔn)， R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)），max 為 RGB 中最大值，min 為RGB中最小值。其亮度/明度的定義方式常見(jiàn)的有：
- 平均值：取 RGB 三值的平均值, μ = (R + G + B)/3, 這最簡(jiǎn)單而又不常用的定義法，因?yàn)槟承╊伾烁兄饋?lái)明顯比另一些要更亮，所以最不準(zhǔn)確。
- 跨度平均值：取 RGB 中最大值與最小值的平均值, μ = (max + min)/2, HSL 色彩空間的 L : Lightness/亮度 的定義就是跨度平均值。
- 最大值：取 RGB 中最大值, μ = max, HSB（也被稱為 HSV）色彩空間里的 B : Brightness(HSV 的 V : Value)/明度 的定義就是 RGB 最大值
- 色覺(jué)校正值：由于人對(duì)色彩感知亮度有差異，所以除了以上比較簡(jiǎn)單的亮度定義法，還有用公式得到更接近人世界感受的定義方法。在使用色覺(jué)校正的場(chǎng)合，常常習(xí)慣把校正后的結(jié)果稱為輝度（Luma），比如視頻領(lǐng)域在ecoding的時(shí)候常做的gamma compression（使用encoding gamma，基本小于1，變亮）。
luma.png輝度（Luma）通常指經(jīng)過(guò)色覺(jué)校正后的”亮度”，在一些日文和從日文翻譯過(guò)來(lái)資料中常見(jiàn)這種稱呼。
后面會(huì)在色彩空間部分對(duì)比HSL和HSV的LV，即亮度和明度……
CIE color spaces
加性模型
根據(jù)加性顏色模型（Additive color model），選定三種原色（primary color），一般來(lái)說(shuō)是RGB，這三種原色根據(jù)一定強(qiáng)度IS、IM、IL進(jìn)行混合，如果得到的結(jié)果和目標(biāo)顏色給人的感覺(jué)相同（刺激相同），那么認(rèn)為混合色與目標(biāo)色是相同的。這其中的三原色如何選擇，刺激值如何測(cè)量定義，國(guó)際照明委員會(huì)CIE有一套標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)。
CIE根據(jù)一大堆“人體實(shí)驗(yàn)”結(jié)果在1931年提出了第一個(gè)定量的將電磁學(xué)中可見(jiàn)光譜的“物理”顏色與人類視覺(jué)感知的顏色聯(lián)系起來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)，包含了CIE 1931 RGB color space和CIE 1931 XYZ color space。
CIE RGB color space 根據(jù)Wright和Guild對(duì)一群人（好像就是17個(gè)人，10個(gè)人train，7個(gè)人test）在1920年的顏色匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并不是所有的人眼可見(jiàn)的單色光都能通過(guò)三原色比例混合得到，這種情況下，允許將目標(biāo)色添加一些強(qiáng)度的一種原色，然后用剩下的兩種原色混合進(jìn)行匹配，這里將用來(lái)“污染”目標(biāo)色的原色強(qiáng)度計(jì)為負(fù)值。下圖color mathing functions給出了對(duì)于一個(gè)單色光，即橫軸波長(zhǎng)所表示的顏色，所需要的三原色的強(qiáng)度（縱軸）。這里Wirght使用的三原色是700 nm (red), 546.1 nm (green), 435.8 nm (blue)，在435.8nm的時(shí)候，RG是0，在546.1nm時(shí)，RB是0，在700nm時(shí)，GB是0，在三個(gè)點(diǎn)也就代表了恰好目標(biāo)色就是三原色。那個(gè)年代里435.8nm和546.1nm很容易產(chǎn)生，雖然700nm的單色光很難產(chǎn)生，但是大家覺(jué)得在那個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)人眼已經(jīng)不敏感了，所以標(biāo)準(zhǔn)定出來(lái)就算大家執(zhí)行的時(shí)候有些偏差也無(wú)所謂了，所以R還是選擇了700nm。
可能大家都會(huì)奇怪如果用不同的三原色或者不同的三原色強(qiáng)度，上面的結(jié)論還成立嗎，再或者目標(biāo)色不是單色光的情況。這里有一個(gè)Grassmann's law，這個(gè)規(guī)則說(shuō)的是，如果一個(gè)顏色3是由另外的兩個(gè)顏色12混合而成的，那么用三原色來(lái)混合得到3所各需要的值就等于用三原色分別得到12所需要的RGB的和。（這個(gè)規(guī)則是基于normalized RGB color matching functions中的微積分公式的）
CIE 1931 rgb color mathing functions
CIE 1931 xyz color mathing functions
CIE XYZ color space，CIE委員會(huì)覺(jué)得RGB值是有負(fù)值的，這樣直接數(shù)字化用起來(lái)太麻煩了，他們決定搞一個(gè)新的好用的color space出來(lái)，就是的當(dāng)前我們的色彩標(biāo)準(zhǔn)XYZ色度學(xué)系統(tǒng)。在上面講的RGB三原色理論中，由于有三個(gè)變量，表示一個(gè)顏色就需要畫一個(gè)三維圖形，太麻煩了，那么假定RGB三原色的占比和是1，那么只有兩個(gè)變量是獨(dú)立分布的，這里就暫時(shí)丟掉了強(qiáng)度信息，比如我們保留G的值，作為強(qiáng)度信息，這樣RGB中最終只包含了rg兩個(gè)變量，這樣就又了rg色度圖，即最原始的馬蹄圖。1.圖例的E點(diǎn)就是whitepoint，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)是(1/3,1/3) 2.馬蹄形的一圈就是單色光光譜軌跡 3.(0,1)blue (1,0)red表示的r+g=1也就是這條線段上b都是0。
假定人對(duì)色彩的感知是線性的，那么對(duì)rg色域圖線性變換到正數(shù)第一象限內(nèi)，即把包含全域color的CrCgCb三角形線性變換，而且要求white point還在(1/3, 1/3, 1/3)點(diǎn)。變換到正數(shù)的XYZ空間以后，根上面一樣，固定Y作為亮度值（上面固定G），即得到xyY色域圖。所以XYZ color space并不是真實(shí)自然界的色彩空間。xyY色域圖有一些有意思的特征，比如途中兩點(diǎn)可以混合出連線上的任意顏色，三點(diǎn)可以表示三角形內(nèi)任意顏色，全色域是一個(gè)馬蹄形，所以不存任意三點(diǎn)能覆蓋人眼全色域，也可以理解為不存在物理設(shè)備能完全還原自然色域。
RGB比例rgG表示方式
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rgG色域圖
xyY色域圖
WechatIMG17.jpeg
減性模型
CIE Lab 也叫做 La b* 和L10a10b10色彩空間，wikipedia中沒(méi)有找到描述CIELAB的頁(yè)面，這里貼了一個(gè)LAB的鏈接。CIE LAB是1976年CIE提出的，同CIE XYZ一樣是一個(gè)設(shè)備無(wú)關(guān)的基于人生理特征的顏色系統(tǒng)，L是指亮度，a是綠-紅的范圍，b是藍(lán)-黃的范圍。這里10是指standard observer的角度。CIELAB的基礎(chǔ)不是加性三原色原理，而是視神經(jīng)的拮抗作用，它是由XYZ變換而來(lái)，但是比XYZ更加符合人的感知，亮度和色度分離的更準(zhǔn)確。
其實(shí)CIE Lab色彩空間還涉及到一個(gè)問(wèn)題，我們看到XYZ中的不同色彩的疏密程度是不同的，有些顏色占的面積很大，比如便綠色的部分，有些很小，比如藍(lán)色。在1940年左右，David MacAdam提出每種色彩的閾值問(wèn)題，即每種色彩人們能感知到的變化范圍不同，畫了個(gè)馬克亞當(dāng)橢圓示意圖，根據(jù)這個(gè)馬克亞當(dāng)示意圖讓色彩更均勻一些久成了Luv（Lab類似）的色域圖。
Bit Depth & HDR
一個(gè)自然界的場(chǎng)景，想變成數(shù)字化的圖片，首先要經(jīng)過(guò)的的兩個(gè)步驟就是將連續(xù)的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行采樣sampling和數(shù)值化，sampling決定了圖片的分辨率，即單位尺度內(nèi)的單位像素的個(gè)數(shù)。有了像素大小的定義以后，我們需要把這個(gè)位置的一維的連續(xù)信號(hào)根據(jù)強(qiáng)弱進(jìn)行數(shù)值化。比如一束光線最強(qiáng)是紅色的，那么在人眼范圍內(nèi)“最多”（飽和度）是純紅色，如何定義這個(gè)純紅色和一個(gè)其他的顏色的數(shù)值呢。比如我們規(guī)定紅光單色光的值是255，那么隨著飽和度的下降，一直到紅色消失，中間的數(shù)值變化階梯使用多少個(gè)。這就是color depth的通俗理解，在常見(jiàn)的YUV、RGB色彩空間下，通常情況下為8bits來(lái)表示，即[0-255]共256個(gè)階梯。
我們常見(jiàn)的視頻標(biāo)準(zhǔn)中，如bt601和bt709都是規(guī)定了8bits或者10bits的規(guī)則，但是我覺(jué)得實(shí)際上這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中色域本來(lái)就不大，分辨率是1080p，最大頻率60Hz，使用10bits前景并不好，雖然有些設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始這么做了。在BT2020中規(guī)定了color depth是10bit或者12bit，分辨率是4K 8K，刷新頻率到了120Hz，色域也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于bt709，將來(lái)10bit的推廣應(yīng)該還是會(huì)隨著4K而來(lái)。還是很期待10bit推廣風(fēng)暴的，畢竟從16.7million色數(shù)變成餓1.07billion，而且目前HEVC已經(jīng)支持了10bit編碼！
這里還有兩個(gè)概念，一個(gè)是高動(dòng)態(tài)范圍HDR、寬色域WCG。
High dynamic range，顧名思義就是添加更多的動(dòng)態(tài)范圍到圖片中，人眼在對(duì)物理場(chǎng)景采樣的時(shí)候是有很大的“變焦”頻率的，這也就是為什么在明暗對(duì)比強(qiáng)烈的場(chǎng)景下人眼一樣能看到各個(gè)部分的細(xì)節(jié)，對(duì)比起來(lái)相機(jī)等在拍照的時(shí)候由于變焦是固定的（或者頻率很低），導(dǎo)致拍出來(lái)的照片只含有一個(gè)焦距上的細(xì)節(jié)，這樣的照片看起來(lái)細(xì)節(jié)缺失。通過(guò)多次曝光，得到不同亮度不同焦距內(nèi)的細(xì)節(jié)組合來(lái)提高清晰度，就是HDR。具體到技術(shù)中有幾個(gè)過(guò)程。這里主要針對(duì)HDR video說(shuō)明。
- Capture 在同一個(gè)場(chǎng)景同時(shí)拍攝多個(gè)視頻，用不同程度的曝光，得到的多個(gè)視頻能夠相互補(bǔ)充場(chǎng)景信息，這叫做HDR video?，F(xiàn)在很多手機(jī)也都有了HDR的功能，其實(shí)從一定程度上，雙攝是一種高級(jí)的HDR。
- Display 主要是顯示設(shè)備上的支持，比如有些電視，還有OLED屏幕等。
