色彩空間那點(diǎn)事

房迪時(shí)

近代醫(yī)學(xué)表明，人類獲取信息的70%-80%都是來自視覺觀感。簡單的說，色彩就是人的大腦對(duì)于光的感受。多媒體計(jì)算機(jī)的圖像處理和視頻效應(yīng)都是基于人眼視覺原理實(shí)現(xiàn)的模擬方法。因此要將離散化的數(shù)字信息中的色彩信息精確還原為連續(xù)的視覺感受就必須了解色彩技術(shù)的來龍去脈。色彩理論的源頭，目前公認(rèn)的是古希臘時(shí)亞里士多德的《關(guān)于色彩》。亞里士多德認(rèn)為：原色是黑和白，是黑暗與光明的無窮無盡的產(chǎn)物——非常近似我們中國的“陰陽”之說。后來他又認(rèn)為除了黑白之外還有另外兩個(gè)原色：來自陽光的黃色和天空的藍(lán)色。同時(shí)亞里士多德還認(rèn)為這些就是構(gòu)成世界的四大物理元素，那些看到這里暗暗發(fā)笑的二次元愛好者是不是發(fā)現(xiàn)這就是“氣水火土”的世界元素設(shè)置？

色彩還曾經(jīng)被認(rèn)為是被觀察物體的屬性。我們現(xiàn)在當(dāng)然知道色彩是由于光和人眼的解析才產(chǎn)生的。大約有1200年左右的時(shí)間，幾乎所有科學(xué)家、藝術(shù)家和思想家都堅(jiān)信亞里士多德的色彩理論，直到17世紀(jì)，偉大的科學(xué)家艾薩克·牛頓才證明光線和色彩來自太陽。那個(gè)著名的三棱鏡分色實(shí)驗(yàn)，相信很多在校生都還記得吧。

一束陽光被三棱鏡分解為不同色彩的特等色彩序列。

由此就產(chǎn)生了一種特殊的“色彩表述”工具——將色彩條首尾相連后獲得的環(huán)形色輪可以為我們解釋不同色彩間的關(guān)系。色環(huán)的核心作用還是用來展示基本色彩之間的關(guān)系。比如，自然界常見的各種顏色光，都是由紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（Blue）三種顏色光按不同比例相配而成，同樣絕大多數(shù)顏色也可以分解成紅、綠、藍(lán)三種色光，這就是色度學(xué)中最基本的原理—三原色原理。

油墨或顏料的三基色是青（Cy a n）、品紅（Magenta）和黃（Yellow），簡稱為CMY。青色對(duì)應(yīng)藍(lán)綠色；品紅對(duì)應(yīng)紫紅色。理論上說，任何一種由顏料表現(xiàn)的色彩都可以用這三種基色按不同的比例混合而成，這種色彩表示方法稱CMY色彩空間表示法。彩色打印機(jī)和彩色印刷系統(tǒng)都采用CMY色彩空間。青色，品紅，黃色分別是紅、綠、藍(lán)三色的補(bǔ)色。對(duì)于大多數(shù)人來說，接觸原色是在小學(xué)的美術(shù)課上。老師告訴我們黃色和藍(lán)色混合在一起就會(huì)產(chǎn)生綠色（我至今清楚記得里約奧運(yùn)會(huì)游泳池變綠的新聞下面，某段子手回復(fù)說：是誰尿的?。┙酉聛砭鸵宄降咨实降滓龅蕉嗑_才能達(dá)到說清楚事。

精準(zhǔn)標(biāo)定顏色有多重要？

舉個(gè)例子?！禡r. Blandings Builds His Dream House》這電影里有個(gè)奇葩的夫人，在跟室內(nèi)裝潢設(shè)計(jì)師溝通時(shí)，描述了一下她想象中的臥室的油漆色彩：“應(yīng)該是淺綠色，不像知更鳥的蛋那么藍(lán)，也不像水仙花的芽那么黃。樣品這個(gè)顏色是我能拿到的比較接近，但有點(diǎn)偏黃，所以也別讓調(diào)色的人別弄的太藍(lán)。它應(yīng)該是那種偏灰一點(diǎn)點(diǎn)的蘋果綠?！?/p>

相信很多設(shè)計(jì)師大概看到這里都會(huì)崩潰的感同身受……所以我們要引入計(jì)算機(jī)的數(shù)值來精確表述顏色。

計(jì)算機(jī)在使用發(fā)光體作為光源時(shí)，還是使用RGB作為色彩模型來制作發(fā)色設(shè)備。計(jì)算機(jī)彩色顯示器的輸入需要RGB三個(gè)彩色分量，通過三個(gè)分量的不同比例，在顯示屏幕上合成所需要的任意顏色。當(dāng)使用2的8次方來表色時(shí)，我們就能獲得28x28x28=16.7M種顏色。這就是為什么我們把好的液晶屏稱為8bit屏，同時(shí)要獲得更精確的色彩時(shí)，還可能要用上10bit甚至12bit的算法，而這個(gè)bit數(shù)就是色彩位深。電腦的屏幕和電視機(jī)、投影儀、數(shù)碼相機(jī)都是這樣生成色彩。

大部分的數(shù)碼圖像編輯軟件，例如photoshop也是使用RGB表色模式來進(jìn)行數(shù)碼色彩的分析和運(yùn)算。例如現(xiàn)在常見的通用圖像JPG格式，就明確規(guī)定使用8bit色深來表色，這時(shí)候數(shù)碼相機(jī)的RAW格式中保持下來的12～14bit色彩信息就必然會(huì)損失掉一部分了。彩色印刷或彩色打印的紙張是不能發(fā)射光線的，因而印刷機(jī)或彩色打印機(jī)就只能使用一些能夠吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或顏料。CMYK顏色模型就是這么來的。相對(duì)于RGB的加色混色模型，CMY是減色混色模型，顏色混在一起，亮度會(huì)降低。之所以加入黑色是因?yàn)榇蛴r(shí)由品紅、黃、青構(gòu)成的黑色無法實(shí)現(xiàn)真正的灰階和純黑。除了常見的RGB和CMYK色彩模型之外，還有HSL、HSV（HSB）、YUV、YCvCr等顏色模型。這些都是用于不同領(lǐng)域的色彩模型。

先看看靜態(tài)圖像領(lǐng)域的RGB和CMYK以及延伸的HSL/HSV。首先要確定的是HSL和HSV是類似的色彩模型。在大部分圖像編輯軟件中，對(duì)于色彩的描述相對(duì)RGB這類比較抽象的表色方法，HSL這樣的表色方法更為直觀和簡便。

無論是HSL或HSV中，H都表示色相（Hue）。色相可以理解為色彩相貌，也就是對(duì)顏色的概況描述——通常該值取值范圍是[0°～360°]，對(duì)應(yīng)紅-橙-黃-綠-青-藍(lán)-紫-紅這樣順序的顏色，也就是我們前面提到的色相環(huán)。色相是描述任何物體任何色彩都能使用的參數(shù)，哪怕這樣的顏色很難用語言來表述。

S在HSL和HSV中表示飽和度（Saturation）（有時(shí)也稱為色濃度、色彩度）即色彩的純凈程度，用作描述某種特定顏色的純粹程度的參數(shù)。比如畫家可能在涂抹天空的藍(lán)色時(shí)加入一些淡褐色，從而獲得藍(lán)色天空的漸變效果。而攝影師修飾照片時(shí)可以通過調(diào)準(zhǔn)飽和度獲得某種特別鮮艷的顏色或有意把某種顏色變得黯淡無光。兩種顏色模型不同的就是最后一個(gè)參數(shù)。L表示亮度（Lightness/Luminance/ Intensity），V表示明度（Value/Brightness）亮度通常指一種色彩的明亮或黯淡程度，在大部分圖像編輯軟件中，都可以認(rèn)為亮度就是黑白的變化。比如攝影師修圖時(shí)改變亮度（調(diào)準(zhǔn)曝光值）就是色亮度的典型應(yīng)用。但是如果簡單粗暴調(diào)準(zhǔn)曝光，色相細(xì)節(jié)也會(huì)發(fā)生一定程度的改變。這就是亮度和明度的區(qū)別了。純色的明度是白點(diǎn)變化，而純色的亮度是中灰色點(diǎn)變化。

動(dòng)態(tài)影像中常見的YUV模型

YUV顏色模型中，Y是亮度信號(hào)參數(shù)，U、V都是色差的參數(shù)。Y的信息和U、V獲得的信息是獨(dú)立的。這種表色方式可以保證三個(gè)信息量之間互不干擾，因此在電視廣播信號(hào)中采用YUV方式進(jìn)行編碼。例如用Y亮度信號(hào)表示圖像亮度，UV表示顏色信息就可以進(jìn)行圖像的大面積著色。我們能看到的很多視頻拍攝器材中都會(huì)提到8：2：2視頻編碼，這說明該器材使用Y：U：V=8：2：2的方式進(jìn)行色彩編碼，Y亮度信號(hào)使用8bit色渲染1個(gè)像素點(diǎn)獲得256級(jí)亮度，而UV色度信號(hào)對(duì)每4個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行8bit色渲染獲得同樣的256級(jí)亮度，畫面的顆粒感會(huì)較重，但是可以節(jié)省出更多的存儲(chǔ)器空間。這樣的編碼方式會(huì)帶來畫質(zhì)上的損失，但并不是所有人都能迅速觀察到動(dòng)態(tài)變化的視頻中這種不明顯的畫質(zhì)損失，因此視頻圖像壓縮技術(shù)中經(jīng)常使用這樣的方案。典型的生活案例就是有些在線電影是1080p清晰度，但實(shí)際上文件大小只有不到2 G B，而有些720p的網(wǎng)絡(luò)視頻都有4-5GB的大小，就是因?yàn)槭褂昧瞬煌膲嚎s采樣。RGB、CMYK、HSL和YUV之間只是同一物理量之間的不同表述方案，所以互相之間完全可以通過數(shù)學(xué)計(jì)算的方法進(jìn)行彼此間的換算。比如在RGB和CMY的換算中，RGB為原色而CMY為補(bǔ)色，兩個(gè)空間剛好互補(bǔ)。在攝影攝像的調(diào)色過程中，“紅色+青色=綠色+品紅=藍(lán)色+黃色=白色”這一口訣很多人都會(huì)用，但其中的原理就是基于加色和減色空間的互補(bǔ)原理。

色彩技術(shù)中常見的色彩空間

RGB色彩模式中的標(biāo)準(zhǔn)色彩空間，攝影師們用到最多的就是sRGB和AdobeRGB。sRGB是微軟和惠普聯(lián)合提出的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)定義色彩空間，s就是standard的縮寫，也就是系統(tǒng)中經(jīng)常看到的sRGB（IEC 61966-2-1）。建立這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的初衷是由于當(dāng)時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)帶寬還不夠，需要盡量縮減圖像文件的大小，以便在網(wǎng)上快速傳遞圖像的同時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的色彩映射。不同的文件格式都能使用或添加sRGB的標(biāo)記用來指定使用這樣的色彩空間。正是由于微軟的操作系統(tǒng)普及的原因，sRGB在所有windows操作系統(tǒng)中都被當(dāng)作默認(rèn)的色彩空間。在windows系統(tǒng)中，控制面板中有個(gè)“顏色管理”的圖標(biāo)，雙擊打開后看到的選項(xiàng)卡就能看到各類設(shè)備所匹配的色彩空間。

但sRGB在實(shí)際使用中還是有一定的局限性。最大的問題就是各種打印輸出設(shè)備所能呈現(xiàn)的顏色空間和sRGB對(duì)比起來區(qū)別很大。比如常用的某種噴墨印刷機(jī)和sRGB的色彩空間對(duì)比就是這樣。

sRGB雖然能覆蓋大部分未來要印刷出來的顏色，但有時(shí)候某些特定的印刷顏色在sRGB中也無法呈現(xiàn)。這就是為什么很多人都發(fā)現(xiàn)網(wǎng)上下載的照片打印出來跟屏幕上還是不一樣的根本原因。Adobe公司作為業(yè)界大佬，責(zé)任感很強(qiáng)，為了解決這個(gè)問題自告奮勇搞出了AdobeRGB這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。比起sRGB來AdobeRGB顯然能覆蓋更多的色彩范圍。不過這樣一來對(duì)制造顯示器屏幕面板的廠商也就提高了入行要求，畢竟sRGB設(shè)備更容易造，但能符合AdobeRGB標(biāo)準(zhǔn)的顯示器顯然要貴上一大截。

當(dāng)年作為Photoshop的開發(fā)人員，托馬斯·諾爾（Thomas Knoll）決定根據(jù)他在SMPTE 240M標(biāo)準(zhǔn)文件中找到的規(guī)格來建立AdobeRGB標(biāo)準(zhǔn)。隨著Photoshop 5.0的發(fā)布，該配置文件包含在此后所有的Adobe軟件中。雖然廣大用戶喜歡更廣泛的色彩，但是實(shí)際上這些狂熱的Photoshop用戶并不喜歡這種“看起來很美”的工作環(huán)境。更糟糕的是，很多工業(yè)圖像處理軟件在復(fù)制紅色主色度坐標(biāo)時(shí)出錯(cuò)，導(dǎo)致SMPTE色準(zhǔn)更加不準(zhǔn)確。Adobe曾經(jīng)嘗試了許多策略來修正配置文件，例如糾正紅色偏差導(dǎo)致的色飽和問題，改變白點(diǎn)使其與CIE標(biāo)準(zhǔn)光源D50相匹配，但所有的調(diào)整都使得CMYK轉(zhuǎn)換比以前更糟糕。所以對(duì)于沒有打印輸出的用戶來說，sRGB是比較靠譜的選擇。

聽起來sRGB已經(jīng)挺美好了，但事實(shí)不是這樣……因?yàn)樯蕵?biāo)準(zhǔn)不等于設(shè)備色域。工廠里制造的顯示器實(shí)際是不能夠完美達(dá)到或符合sRGB標(biāo)準(zhǔn)的，那么顯示器的色彩偏差多少就只能靠校色設(shè)備和軟件來匹配色彩標(biāo)準(zhǔn)，以此達(dá)到最近似色彩標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)。那么就要用到校色儀給設(shè)備做校色，才能保證顯示器的色彩接近理想的色彩空間標(biāo)準(zhǔn)。

CMYK領(lǐng)域就更復(fù)雜一些了。因?yàn)椴煌瑥S商制造的設(shè)備，采用的打印介質(zhì)（紙、布料、皮革）和墨水都區(qū)別很大，所以嚴(yán)格意義上說，是沒法讓不同的打印機(jī)達(dá)到輸出效果一致的。

比如photoshop軟件里，日本用的Japan Color 2001 Coated標(biāo)準(zhǔn)就跟歐洲用的Coated FOGRA39（ISO 12647-2：2004）標(biāo)準(zhǔn)差別很大。如果再加入北美常用的US web Coated（SWOP）v2標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)比，情況就會(huì)更復(fù)雜。所以并不是打印前在photoshop里把圖像轉(zhuǎn)換成CMYK模式就算預(yù)覽了印刷效果。

針對(duì)打印輸出圖片領(lǐng)域，每個(gè)廠商都提供了自己的打印色彩曲線。方便用戶在使用自己的設(shè)備或紙張時(shí)調(diào)用。

如果有必要的時(shí)候，對(duì)打印色彩精度要求比較高的用戶還會(huì)自己制作打印機(jī)的特性化色彩曲線文件。

而視頻領(lǐng)域的相關(guān)色彩標(biāo)準(zhǔn)要求更為嚴(yán)格。因?yàn)橐曨l行業(yè)的專業(yè)要求更高，這類最終產(chǎn)品往往是用來上廣電播放的，一旦最終效果跟預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)差異太大必定不能通過審核。

舉例來說目前最常見的REC-709色彩標(biāo)準(zhǔn)是目前絕大多數(shù)視頻格式都要遵循的標(biāo)準(zhǔn)。但REC-709在顯示器、監(jiān)視器以及投影儀上出現(xiàn)的時(shí)候，其實(shí)是執(zhí)行了sRGB的色彩空間而白點(diǎn)色溫并不是sRGB中規(guī)定的6500k（開爾文溫標(biāo)），但REC-709標(biāo)準(zhǔn)除了色彩空間之外，還包括很多別的技術(shù)指標(biāo)，比如白點(diǎn)色溫、gamma光度值、色深、幀速率以及線材無線電信號(hào)等一系列規(guī)范。近幾年隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，蘋果公司在自己的設(shè)備上開始使用比sRGB色域更廣的液晶面板。iPhone7和7P的系統(tǒng)就采用了蘋果自己的Display P3標(biāo)準(zhǔn)。

但Display P3并不是大部分專業(yè)視頻領(lǐng)域人士所熟知的DCI-P3標(biāo)準(zhǔn)。Display P3的白點(diǎn)色溫是6500k，而DCI-P3是5500k；Display P3的gamma是2.2，而DCI-P3的gamma是2.6——這樣一來導(dǎo)致的結(jié)果就是Display P3設(shè)備上看到的白色更冷，色彩反差稍低，而DCI-P3的圖像風(fēng)格稍微偏黃反差較大。如果iPhone7（包括現(xiàn)在的8和X）拍攝的照片在沒有經(jīng)過色彩管理的sRGB設(shè)備和軟件呈現(xiàn)處理的時(shí)候，很可能顏色都會(huì)感覺更黯淡，有種發(fā)灰的感覺。在視頻中，DCI-P3色彩標(biāo)準(zhǔn)顯然比REC-709呈現(xiàn)的色彩更豐富。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要用于播放設(shè)備如高清數(shù)字電影和HDTV等領(lǐng)域，現(xiàn)在也被電影行業(yè)廣泛采用。實(shí)際上電影行業(yè)已經(jīng)開始推廣和普及更加科幻化的BT2020色彩標(biāo)準(zhǔn)了。

很多Hi-Fi影音發(fā)燒友都會(huì)用各種通過杜比認(rèn)證的設(shè)備觀看高清或藍(lán)光電影。而雄心勃勃的杜比視覺已經(jīng)發(fā)布了新一代的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。比如：杜比視覺要求顯示設(shè)備峰值亮度達(dá)到10000尼特（nit），事實(shí)上現(xiàn)在最高端的電視面板也只有4000尼特亮度。同時(shí)杜比視覺要求視頻信號(hào)源使用BT.2020色彩空間，目前來說有這個(gè)能力做到比較理想的設(shè)備在行業(yè)中都是比較超前的旗艦級(jí)別產(chǎn)品。

對(duì)于今時(shí)今日的藝術(shù)家和科學(xué)家們來說，計(jì)算機(jī)技術(shù)和設(shè)備制造技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)揭示了非常多的科技和藝術(shù)間的微妙聯(lián)系。誠然在任何學(xué)校的教育課程中，色彩學(xué)都不是必修課。色彩技術(shù)仍然是用來表達(dá)自身對(duì)于視覺世界的主觀感受的工具。作為普通用戶，通過一兩篇文章來了解和學(xué)習(xí)數(shù)碼影像中的色彩知識(shí)顯然也過于簡慢了。希望這篇文章能啟發(fā)您對(duì)色彩認(rèn)知的熱情，更進(jìn)一步去嘗試了解我們?nèi)祟惖降资侨绾瓮ㄟ^一條窄窄的電磁波光譜進(jìn)行溝通。正如保羅·塞尚所說：“色彩是我們的大腦和宇宙相遇的地方。”