色彩是什么
色彩主觀來講就是光線給人的感覺漂问，客觀的分析赖瞒，就是今天要說的東西。
光
人眼的可見光范圍大概在400-700nm左右蚤假，也就是有一定波長的電磁波栏饮，對(duì)于不同的波長由于人眼的構(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磷仰。這個(gè)波長范圍以外的光線人類無法肉眼感知袍嬉。
單色光 & 混合光
如果一束光，它所含有的光子都是同一波長的芒划，那么就成為單色光冬竟，如果恰好波長還是visible的欧穴，那么稱為光譜光民逼。比如700nm一束光人眼看起來就是大紅的光線铜涉。相對(duì)應(yīng)的蜕企，不同波長的光合在一起就是混合光瑰剃。人眼沒有三棱鏡的功能盔几，能把混合光分開伍茄，至少在人的感知范圍內(nèi)是不行的慨菱，也正是因?yàn)槿绱瞬拍苡猩实恼桌碚摬腥啵丛旌侠碚摗?/p>
紫外光 & 紅外光 & 熒光
波長低于 400nm 的紫外光UV肉眼不可見昏苏。熒光材料利用的就是紫外光：熒光材料吸收紫外光后會(huì)使紫外光波長增加（頻率減少）到可見光范圍內(nèi)再反射出去弦叶，使物體反射的光看起來比它從光源吸收的還要多俊犯，看起來亮度增加了。紙張就常用熒光粉使其看起來更白更亮伤哺。
另外還有紅外光IR燕侠，肉眼也不可見，不過咱們大多數(shù)的攝像設(shè)備有的能夠包含一些IR的范圍立莉，比如有時(shí)候?qū)χb控器拍照能看到偏紅色的光線绢彤，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)造圖蜓耻，主要分為兩個(gè)階段：通過視錐細(xì)胞的識(shí)別階段和通過視神經(jīng)的生產(chǎn)神經(jīng)信號(hào)并傳輸?shù)碾A段茫舶。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)于光的感受通過顏色分類的這些名稱表達(dá)出來的特征刹淌。這里所說的感受是通過不同波長不同頻率的刺激值來表示的饶氏，而不是指人主觀的感受讥耗。一束光線打在視網(wǎng)膜上，對(duì)人眼視錐細(xì)胞疹启、視桿細(xì)胞產(chǎn)生一定刺激值葛账，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皮仁，分別對(duì)人眼可見范圍內(nèi)的短波籍琳、中波、長波敏感贷祈，這是由三種不同蛋白質(zhì)決定的趋急，色盲患者正是因?yàn)槿狈铣蛇@些精細(xì)蛋白質(zhì)的基因。下圖中势誊，橫軸為波長呜达，縱軸為SML三種細(xì)胞對(duì)不同波長應(yīng)激的刺激值。不過確實(shí)有人天賦異稟的粟耻，會(huì)有XS或者XL的視錐細(xì)胞查近，不做討論。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)挤忙，可以用三種波長的光經(jīng)過各種不同強(qiáng)度下混合刺激人眼霜威，模擬出人眼所能感知到的其他的顏色，對(duì)人眼來講與直接看到該中波長的光線相同册烈，這就是三原色RGB原理的來源戈泼。比如，RGB基色全混合是白色赏僧。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)胞大猛，主要負(fù)責(zé)人眼的視覺成像，它又有三種細(xì)胞淀零，視桿細(xì)胞挽绩，視錐細(xì)胞，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞：
更多：對(duì)于單一光線來講趾撵，人眼能感受的波長范圍大概是400-700nm之間，人眼可區(qū)分的interval在不同的范圍也不同，從1nm-10nm都有占调，總共算下來人眼也就能看到幾百種色調(diào)Hue暂题，但是有多光線混合的時(shí)候，產(chǎn)生的Hue就多了究珊。另外薪者，實(shí)際上SML三種cone cell對(duì)不同波長的刺激峰值并不是正好的RGB原色，比如L的峰值是在570-580左右剿涮，是green-yellow區(qū)域言津。所以這個(gè)角度來講，RGB三色模型取试，并不是完全的cone cells的表示悬槽。另外一個(gè)有意思的事情是，由于ML是區(qū)域是完全重疊的瞬浓，所以不存在純正的藍(lán)色或者綠色（單色光）初婆。
生產(chǎn)信號(hào)
如上圖所示，人的視神經(jīng)只有三個(gè)通道猿棉，兩個(gè)色彩通道藍(lán)-黃和綠-紅和一個(gè)亮度通道磅叛，視神經(jīng)的帶寬是有上限的，兩個(gè)色彩會(huì)爭搶視神經(jīng)萨赁，這是Lab色彩空間的理論依據(jù)弊琴。
顏色屬性
色調(diào)Hue
又叫做色相，這是色彩的首要特征位迂，也就是我們常說的色彩赤橙黃綠青藍(lán)紫等访雪，改變一個(gè)色相給人的感覺要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于亮度详瑞、飽和度掂林。
飽和度Saturation
又被稱為彩度、色彩濃度（Chroma）坝橡，稱為色彩濃度很好理解泻帮，從色彩最大濃度到無色彩（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）的程度计寇，越集中含其顏色越少锣杂，飽和度越高。再直白點(diǎn)理解就是番宁，光子的純凈程度元莫，越純凈飽和度越高，也就是越接近單色光蝶押，越分散飽和度越低踱蠢，越接近黑白灰。
明度Brightness
顏色等效光譜各色相心理強(qiáng)度之和棋电，比如三原色RGB轉(zhuǎn)換成YUV的過程茎截，把Y看作亮度苇侵。可以從圖中看到改變一個(gè)顏色的亮度企锌，很可能會(huì)牽連到顏色光譜分布集中程度也就是飽和度榆浓，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。明度看起來是最容易理解的概念撕攒，但事實(shí)上非常之混亂：Brightness陡鹃、Lightness、Value抖坪、Luma杉适。雖然概括來說就只是顏色的明亮程度，但是明亮是指光的強(qiáng)度柳击，還是人對(duì)光的感受猿推？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？在不同的色彩體系捌肴、標(biāo)準(zhǔn)蹬叭、翻譯下會(huì)有不同的意義。
明度状知、亮度 與 輝度（Brightness, Lightness and Luma）
- 亮度：Lightness秽五、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)混亂的概念饥悴，其所指本質(zhì)上是相同的坦喘，但是在不同場合其含義會(huì)有些差異。
你可以在一些地方看到亮度 = Brightness西设，明度 = Lightness 瓣铣，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)度的程度贷揽，但是這個(gè)概念的定義很多棠笑，不同的定義慣用不同但又沒有明確界定的稱呼。實(shí)際上大部分使用亮度禽绪、明度蓖救、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)印屁， R（紅）循捺、G（綠）、B（藍(lán)）雄人，max 為 RGB 中最大值从橘，min 為RGB中最小值。其亮度/明度的定義方式常見的有：
- 平均值：取 RGB 三值的平均值, μ = (R + G + B)/3, 這最簡單而又不常用的定義法，因?yàn)槟承╊伾烁兄饋砻黠@比另一些要更亮洋满，所以最不準(zhǔn)確晶乔。
- 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
- 色覺校正值：由于人對(duì)色彩感知亮度有差異牺勾，所以除了以上比較簡單的亮度定義法正罢，還有用公式得到更接近人世界感受的定義方法。在使用色覺校正的場合驻民，常常習(xí)慣把校正后的結(jié)果稱為輝度（Luma）翻具，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回还，變亮）裆泳。
luma.png輝度（Luma）通常指經(jīng)過色覺校正后的”亮度”，在一些日文和從日文翻譯過來資料中常見這種稱呼柠硕。
后面會(huì)在色彩空間部分對(duì)比HSL和HSV的LV工禾，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）蝗柔，一般來說是RGB闻葵，這三種原色根據(jù)一定強(qiáng)度IS、IM癣丧、IL進(jìn)行混合槽畔，如果得到的結(jié)果和目標(biāo)顏色給人的感覺相同（刺激相同），那么認(rèn)為混合色與目標(biāo)色是相同的胁编。這其中的三原色如何選擇厢钧，刺激值如何測量定義，國際照明委員會(huì)CIE有一套標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)嬉橙。
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)中可見光譜的“物理”顏色與人類視覺感知的顏色聯(lián)系起來的標(biāo)準(zhǔn)早直，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)人憎夷，10個(gè)人train莽鸿，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的單色光都能通過三原色比例混合得到拾给，這種情況下，允許將目標(biāo)色添加一些強(qiáng)度的一種原色兔沃，然后用剩下的兩種原色混合進(jìn)行匹配蒋得，這里將用來“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)單色光乒疏，即橫軸波長所表示的顏色额衙，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)候窍侧，RG是0县踢，在546.1nm時(shí)，RB是0伟件，在700nm時(shí)硼啤，GB是0，在三個(gè)點(diǎn)也就代表了恰好目標(biāo)色就是三原色斧账。那個(gè)年代里435.8nm和546.1nm很容易產(chǎn)生谴返，雖然700nm的單色光很難產(chǎn)生，但是大家覺得在那個(gè)波長范圍內(nèi)人眼已經(jīng)不敏感了咧织，所以標(biāo)準(zhǔn)定出來就算大家執(zhí)行的時(shí)候有些偏差也無所謂了嗓袱，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)度习绢，上面的結(jié)論還成立嗎渠抹，再或者目標(biāo)色不是單色光的情況。這里有一個(gè)Grassmann's law闪萄，這個(gè)規(guī)則說的是逼肯，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的和桃煎。（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篮幢，CIE委員會(huì)覺得RGB值是有負(fù)值的，這樣直接數(shù)字化用起來太麻煩了为迈，他們決定搞一個(gè)新的好用的color space出來三椿，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三原色理論中葫辐，由于有三個(gè)變量搜锰，表示一個(gè)顏色就需要畫一個(gè)三維圖形，太麻煩了耿战，那么假定RGB三原色的占比和是1蛋叼，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)度信息剂陡，比如我們保留G的值狈涮，作為強(qiáng)度信息，這樣RGB中最終只包含了rg兩個(gè)變量鸭栖，這樣就又了rg色度圖歌馍，即最原始的馬蹄圖。1.圖例的E點(diǎn)就是whitepoint晕鹊，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松却。
假定人對(duì)色彩的感知是線性的暴浦，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三角形線性變換晓锻，而且要求white point還在(1/3, 1/3, 1/3)點(diǎn)歌焦。變換到正數(shù)的XYZ空間以后，根上面一樣砚哆，固定Y作為亮度值（上面固定G）独撇，即得到xyY色域圖。所以XYZ color space并不是真實(shí)自然界的色彩空間窟社。xyY色域圖有一些有意思的特征券勺，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)任意顏色灿里，全色域是一個(gè)馬蹄形关炼，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匣吊。
RGB比例rgG表示方式
1.png
2.png
rgG色域圖
xyY色域圖
WechatIMG17.jpeg
減性模型
CIE Lab 也叫做 La b* 和L10a10b10色彩空間儒拂，wikipedia中沒有找到描述CIELAB的頁面，這里貼了一個(gè)LAB的鏈接色鸳。CIE LAB是1976年CIE提出的社痛，同CIE XYZ一樣是一個(gè)設(shè)備無關(guān)的基于人生理特征的顏色系統(tǒng)，L是指亮度命雀，a是綠-紅的范圍蒜哀，b是藍(lán)-黃的范圍。這里10是指standard observer的角度吏砂。CIELAB的基礎(chǔ)不是加性三原色原理撵儿，而是視神經(jīng)的拮抗作用，它是由XYZ變換而來狐血，但是比XYZ更加符合人的感知淀歇，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)問題匈织，我們看到XYZ中的不同色彩的疏密程度是不同的浪默，有些顏色占的面積很大，比如便綠色的部分缀匕，有些很小纳决，比如藍(lán)色。在1940年左右弦追，David MacAdam提出每種色彩的閾值問題岳链，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)橢圓示意圖劲件，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）的色域圖掸哑。
Bit Depth & HDR
一個(gè)自然界的場景，想變成數(shù)字化的圖片零远，首先要經(jīng)過的的兩個(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)值化苗分，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)牵辣。有了像素大小的定義以后摔癣，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)是紅色的纬向，那么在人眼范圍內(nèi)“最多”（飽和度）是純紅色择浊，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逾条，那么隨著飽和度的下降琢岩，一直到紅色消失，中間的數(shù)值變化階梯使用多少個(gè)师脂。這就是color depth的通俗理解担孔，在常見的YUV、RGB色彩空間下吃警，通常情況下為8bits來表示糕篇，即[0-255]共256個(gè)階梯。
我們常見的視頻標(biāo)準(zhǔn)中酌心，如bt601和bt709都是規(guī)定了8bits或者10bits的規(guī)則拌消，但是我覺得實(shí)際上這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中色域本來就不大，分辨率是1080p安券，最大頻率60Hz墩崩，使用10bits前景并不好，雖然有些設(shè)備已經(jīng)開始這么做了完疫。在BT2020中規(guī)定了color depth是10bit或者12bit泰鸡，分辨率是4K 8K，刷新頻率到了120Hz壳鹤，色域也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于bt709盛龄，將來10bit的推廣應(yīng)該還是會(huì)隨著4K而來。還是很期待10bit推廣風(fēng)暴的芳誓，畢竟從16.7million色數(shù)變成餓1.07billion余舶，而且目前HEVC已經(jīng)支持了10bit編碼！
這里還有兩個(gè)概念锹淌，一個(gè)是高動(dòng)態(tài)范圍HDR匿值、寬色域WCG。
High dynamic range赂摆，顧名思義就是添加更多的動(dòng)態(tài)范圍到圖片中挟憔，人眼在對(duì)物理場景采樣的時(shí)候是有很大的“變焦”頻率的钟些，這也就是為什么在明暗對(duì)比強(qiáng)烈的場景下人眼一樣能看到各個(gè)部分的細(xì)節(jié)，對(duì)比起來相機(jī)等在拍照的時(shí)候由于變焦是固定的（或者頻率很低）绊谭，導(dǎo)致拍出來的照片只含有一個(gè)焦距上的細(xì)節(jié)政恍，這樣的照片看起來細(xì)節(jié)缺失。通過多次曝光达传，得到不同亮度不同焦距內(nèi)的細(xì)節(jié)組合來提高清晰度篙耗，就是HDR。具體到技術(shù)中有幾個(gè)過程宪赶。這里主要針對(duì)HDR video說明宗弯。
- Capture 在同一個(gè)場景同時(shí)拍攝多個(gè)視頻，用不同程度的曝光搂妻，得到的多個(gè)視頻能夠相互補(bǔ)充場景信息蒙保，這叫做HDR video。現(xiàn)在很多手機(jī)也都有了HDR的功能叽讳，其實(shí)從一定程度上追他，雙攝是一種高級(jí)的HDR。
- Display 主要是顯示設(shè)備上的支持岛蚤，比如有些電視邑狸，還有OLED屏幕等。
