色彩理论 - 色彩空间变换

色彩理论 - 色彩空间变换

色彩理论是理解视觉感知和数字图像处理的基础。本文将带你深入了解色彩感知的基本原理，以及从LMS空间到CIE-XYZ、RGB等各种色彩空间的转换关系。通过这篇文章，你将掌握色彩空间转换的核心概念，为从事设计、摄影、影视制作等相关领域的工作奠定坚实的基础。

光谱与色彩感知

一句话来讲，色彩就是不同波形分布的光被人眼接收后产生的不同感知。人眼有三种视锥细胞，分别响应不同波长范围。根据三种视锥细胞的刺激比例，便能描述任一种颜色的感觉，此称为LMS空间。

CIE-XYZ 与 CIE-RGB

由于LMS空间的数据难以测量，1931年，Wright和Guild通过直接测量受试者对不同光谱的色彩感知获得了颜色匹配函数 (Color Matching Functions)。颜色匹配函数获得的过程本质上是通过叠加R、G、B三种光谱光来匹配任意光谱的光。即：

C = rR + gG + bB

其中C为任意光谱的光，R、G、B为三种光谱,rgb为色值。

但是通过这种方式获得的颜色匹配函数会存在负值，为了解决这个问题，CIE提出了XYZ空间。XYZ空间是通过对颜色匹配函数进行线性变换得到的，使得所有的颜色匹配函数都是正值以方便计算。变换矩阵如下：

RGB 空间

在计算机图形学领域，RGB色彩模型最为便利，一方面它与人类视觉系统的原理类似，另一方面它与显示设备的工作方式相符。

任何基于RGB颜色模型的加色色彩空间都属于RGB空间。RGB由红绿蓝三原色的色度来定义，借此可以定义出相应的色三角，生成其他颜色。

一个完整的RGB空间定义还需要给出白点的色度以及Gamma校正曲线。详细介绍可以查阅维基百科。

sRGB 空间

由于生产工艺差距，相同的RGB值在不同设备上显示的颜色可能会有所不同。这会使得相同的数字产品在不同显示设备上呈现出不同的颜色，不利于数字产品的标准化生产和分发。

为了解决这个问题，设备厂商们协商制定了一些标准色彩空间，如sRGB、Adobe RGB、DCI-P3等。

其中sRGB是最为广泛使用的标准色彩空间，它的全称是standard RGB。

sRGB空间的白色值为CIE-D65，它的XYZ值为[0.9505,1.0000,1.0890]。sRGB空间的Gamma校正曲线是一个分段的非线性函数，如下：

gamma(C)={12.92C,C≤0.00313081.055C1/2.4−0.055,C>0.0031308

其他 RGB 空间

更完整的表格可以查阅Color space eploying the RGB color model。