喚起你對(duì)色彩的認(rèn)知

談?wù)勆士臻g那些事

對(duì)于色彩，或許就是從你呱呱墜地到睜開眼看到這個(gè)世界的第一眼開始的。而近代醫(yī)學(xué)表明，人類獲取信息的70% -80%都是來自視覺觀感。簡單地說，色彩就是人的大腦對(duì)于光的感受。當(dāng)然，這是人類通過肉眼對(duì)于色彩的一種感官。對(duì)于計(jì)算機(jī)來說又是怎樣的呢？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。而這，也是本文要探索的。

色彩的演變

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《矣于色彩》。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)物一一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)笑的二二欠元愛好者是不是發(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一一一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”工具一一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)顏色也可以分解成坌工、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（Cyan）、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。

了解了色彩的基本構(gòu)成和基本原理之后，接下來就要弄清楚色彩的精確性，什么樣的顏色才是準(zhǔn)確的？這對(duì)于每個(gè)人分辨色彩都是非常重要的-那么到底色彩要做到多精確？

精準(zhǔn)標(biāo)定顏色的重要性

我想很多人都會(huì)遇到一個(gè)情況，那就是無法準(zhǔn)確地描述每個(gè)顏色。舉個(gè)例子.《Mr. BlandingsBuilds His Dream House》這部電影里有個(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—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)色的人別弄得太藍(lán)。它應(yīng)該是那種偏灰一點(diǎn)點(diǎn)的蘋果綠?！薄嘈藕芏嘣O(shè)計(jì)師大概看到這里都會(huì)崩潰。

為了避免出現(xiàn)這種情況，這就需要我們要引入計(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。同時(shí)，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。

HSL和HSV色彩模型（二級(jí)標(biāo)題）

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。

什么是色相？

無論是HSL或HSV中-H都表示色相（Hue）o色相可以理解為色彩相貌，也就是對(duì)顏色的概況描述一一通常該值取值范圍是[0度-360度]，對(duì)應(yīng)紅一橙一黃一綠一青一藍(lán)一紫一紅這樣順序的顏色，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。

HSL和HSV的不同

這兩種顏色模型不同的就是最后一個(gè)參數(shù)oL表示亮度（Lightness/Luminance/lntensity），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YUV模型

再說說動(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)，UV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2GB，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。

傳統(tǒng)顯示屏的色彩標(biāo)準(zhǔn)

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)?？吹降膕RGB（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。

sRGB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。

不過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)比差異非常大。

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。

AdobeRGB色彩空間

Adobe公司作為業(yè)界大佬，責(zé)任感很強(qiáng)，為了解決這個(gè)問題自告奮勇推出了AdobeRGB標(biāo)準(zhǔn)。相比sRGB.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。

PhotoshopRGB色彩空間

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)。

為印刷而生的CMYK

CMYK應(yīng)用于印刷、打印行業(yè)更多一些，它相對(duì)來說也更為復(fù)雜。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（IS0 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。

視頻的色彩標(biāo)準(zhǔn)

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。

DCI-P3和Display P3

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DisplayP3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，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）拍攝的視頻和照片在沒有經(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BT.2020色彩標(biāo)準(zhǔn)了。

BT.2020

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。

寫在最后：

對(duì)于當(dāng)今的藝術(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)知的熱情一更進(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。”