色彩和图像的基础知识

色彩的物理原理

我们小时候都学过，物体会反射太阳光，太阳光进入人眼之后，人可以看到各种物体。

牛顿最早做过三棱镜分解太阳光的实验，太阳光可以分解为七种颜色，各色光因其所形成的折射角不同而彼此分离，就像彩虹一样。后来人们通过实验证明，七色光中的橙色光，黄色光，青色光，紫色光还可以继续分解，而红（R，Red）绿（G，Green）蓝（B，Blue）三种色光无法被分解，故称为三原色光。另外，白光就是由等量的三原色光混合而成的。

RGB 色彩模式与显示器原理

**RGB 是光的三原色，RGB 三种色光经过混合，便可以呈现各种颜色的光。**显示器就是利用这种原理进行成像的。显示器上有很多发光的像素点，假设一部手机屏幕的分辨率是1280×720，说明水平方向有720个像素点，垂直方向有1280个像素点，所以整个手机屏幕就有1280×720个像素点（这也是分辨率的含义）。每个像素点都由三个子像素点组成（如下图所示），每个子像素点发出不同强度的RGB色光，混合之后便可以形成各种颜色的光线，这些光线照射到人眼中，就成为了人们看到的图像。
各种显示器
使用 RGB 三原色光表示色彩的方法被称为 RGB 色彩模式。

CMYK 色彩模式

上面我们说到，RGB 是光的三原色，可用于显示器的显示。实际生活中，除了显示器，我们还需要在印刷品上显示颜色，此时肯定没法使用 RGB 色彩模式了，因为纸张不会发光，只能反射光。

印刷行业使用 CMYK 色彩模式，其中 CMY 分别表示青色（Cyan，也叫天蓝色），品红色（Magenta，也叫洋红色），黄色（Yellow），K 表示黑色。CMY 可以称为颜料的三原色。CMY 三种颜色按照不同的量混合，便可以形成各种颜色，如果等量混合则可以产生一种类似黑色的颜色，但不是纯黑色，使用三种颜料调配黑色太浪费了，所以引入了单独的黑色（K）。

CMYK 色彩模式根据不同颜色的百分比值进行混合，可以产生不同的颜色，四种颜色的混合量从 0% 到 100%。由于 CMYK 色彩模式和计算机图像处理关系不大，我们不再做过多的介绍。

像素和分辨率

上面我们提到了像素这个概念，在显示器上，像素是最小的显示单位，一个像素同一时间只能显示一种颜色。

说到像素就不得不提分辨率，分辨率指的则是横向和纵向的像素个数，当我们说显示器分辨率是 1920 * 1080 时，指的就是这块显示器横向有 1920 个像素，纵向有 1080 个像素。

而在计算机图像中，像素是图像的最小单位，是纯色的方格。我们说一幅图片的分辨率是 480*800，则是指这幅图片横向有480个像素，纵向有800个像素。

而屏幕或图像的宽高比（Aspect Ratio）则是横向像素数除以纵向的像素数。

位图与矢量图

说到像素，又不得不提位图。位图（Bitmap）也叫点阵图，是由像素点组成的图像。我们在电脑，手机上看到的图片基本上都是位图。位图都是由像素点组成的，当一幅位图不断地被放大，我们会发现位图逐渐失真了，最终会看到一个个纯色的方块，这就是像素被放大后的样子。

与位图相对应的是矢量图，矢量图是由数学公式描述的，比如抛物线，椭圆，贝塞尔曲线等等。矢量图不会因为放大或缩小而失真，因为它本质上是数学公式，和像素以及分辨率无关。但是要注意，由于屏幕本身是由像素点构成的，所以如果屏幕本身的像素点极大，在展示矢量图时，可能会有锯齿现象，但是这和矢量图无关，是屏幕的问题。

常见的矢量图软件有 CorelDRAW，Illustrator，以及 Flash 动画软件。

色域（色彩空间）

人眼能看到多少种颜色？或者说世界上有多少种颜色？这个是无法计算的，可以说是无数种，因为RGB三色光混合时，可以有无数种混合方式。

但是显示器不可能显示出世界上所有的颜色。前面我们讲显示器的原理时，RGB 三种子像素可以发出不同强度的色光，这个强度是有范围的。现在常见的显示设备，RGB 发光强度都被分为 256 级，即 0 -255，如果三者发光强度都是 0，则显示器不发光，是黑色；如果三者发光强度都是 255，则显示器显示白光。其实任意等量的RGB光混合后都是白光，但是由于显示器本身为黑色，所以看上去是不同程度的灰色。另外，将自然界的三原色光分为256个级别，这本身包含了一个采样和量化的过程，这里不再赘述。

那么显示器能够显示的所有颜色数量则是：256 * 256 * 256 = 16777216，一千六百多万种颜色，可以说是非常庞大了，人眼甚至无法分辨绝大多数相近颜色的区别。如果我们提升显示器元器件的发光强度级别，是否就可以显示更多颜色了呢？理论上确实是这样，但是没有必要，现有的RGB色彩模式能够显示的颜色已经足够了。

但是到底什么颜色是红色，什么颜色是绿色，蓝色？显示器应该怎样显示纯粹的红绿蓝？这也是问题，因此有了微软/惠普的 sRGB 和 Adobe 公司的 Adobe RGB 等色彩标准，二者在RGB的标准定义上有所不同，这里不细讲了。另一方面，由于不同的显示器的性能，工艺，规格不同，很多显示器并不能呈现理论上所有的颜色。在同样的发光等级下发出的光，不同显示器显现的颜色也略微不同，好的显示器颜色饱满艳丽，接近真实感受，差的显示器颜色昏暗，不真实。衡量显示器好坏的一个方面就是看它对不同的颜色标准的支持程度（100% sRGB，90% Aodbe RGB等等）。

那么接下来介绍一个概念：色域。一个技术系统能够产生的颜色的总和，被称为色域，也叫色彩空间（Color Space）。

RGB 显示技术的色域就是 16777216，（这种说法并不严谨，准确来说色域并不是数值，而是范围，RGB 只是色彩模式，sRGB 和 Adobe RGB 才能被称为色域，且二者色域不同），已经非常庞大了，对于人眼来说是足够了。然而即使一台显示器能够100%呈现RGB色彩模式下的所有颜色，由于RGB色彩模式本身的限制，仍不能表示世界上的所有颜色。

LAB 色彩模式

为此，人们发明了另一种色彩模式：Lab色彩模式。Lab色彩模式是由国际照明委员会（CIE，International Commission on Illumination）于1976年公布的一种色彩模式。Lab 描述的是颜色的显示方式，而不是设备（如显示器、打印机等）生成颜色所需的特定色的数量，所以 Lab 被视为与设备无关的颜色模型。 Lab颜色模型由三个要素组成，一个要素是亮度（L），a 和b是两个颜色值。a包括的颜色是从深绿色到灰色再到亮粉红色（高亮度值）；b是从亮蓝色到灰色再到黄色。

关于Lab的详细解释如下（可以跳过不看）：

人在看物体时，首先看到的是明暗，次之是色彩。Lab 模式就是这样的，一个反映明暗的明度通道（L 通道）和两个颜色通道（a、b 通道）。 L 通道就是明度通道，其中有暗区、中间调及高光区之分。L 通道可以用来调整照片的亮度，而且当对它进行调整时，图像的颜色是不会发生变化的。
a 通道显示的颜色范围是：深绿色-50%灰（中性灰）-亮粉红色。在这个通道的灰度图中，暗调部分，即小于"50%灰"（色阶值为128）表示绿色。而且在灰度图中颜色越暗，即越低于"50%灰"，绿色的饱和度就越高；颜色灰度值越接近"50%灰"，绿色的饱和度就越低。同时，亮调部分，即大于"50%灰"（色阶值为128）表示红色。颜色越亮，红色饱和度越高，反之，越接近"50%灰"，红色的饱和度越低。
b 通道显示的颜色范围是：蓝色—50%灰（中性灰）—黄色，在这个通道的灰度图中，暗调部分，即小于"50%灰"（色阶值为128）表示蓝色。而且在灰度图中颜色越暗，即越低于"50%灰"，蓝色的饱和度就越高；颜色灰度值越接近"50%灰"，蓝色的饱和度就越低。同时，亮调部分，即大于"50%灰"（色阶值为128）表示黄色。颜色越亮，黄色饱和度越高，反之，越接近"50%灰"，黄色的饱和度越低。
当对a、b 颜色通道进行调整时，图像只会有相应的色彩变化，而不影响图像的明暗。

Lab 色彩模式有相应的数学模型，如下图所示
Lab数学模型
由于在数学模型中，三个分量值都是连续的，所以Lab色彩模式理论上可以表示自然界所有颜色，所以它的色域也是最广的，RGB，CMYK 等色域都被包含在 Lab 色域中，如下图所示：
在这里插入图片描述
但是，无论采用哪种色彩模式，最终呈现在显示器上的颜色，都是 RGB 色彩模式。Lab 虽然理论上支持所有颜色，但是在计算机中，会对取值进行量化，L 的取值为范围为0到100，a 和 b 的取值范围为 -128 到 +127。这样算起来，似乎还不如 RGB 表示的色彩多。

那是否可以说 Lab 没什么意义了呢？其实并不是这样的，在数学模型中，任何 RGB 颜色都可以表示为不同的 Lab 颜色，只是为了人们使用方便，对数值进行了量化处理。另外，Lab 更多的意义在于，由于它的色域最大，在色彩管理系统中可使用 Lab 作为色彩标准，将颜色从一个色域转换到另一个色域。

视觉感受与 HSB 色彩模式

人类更习惯这样去描述一个颜色：它是什么颜色？是鲜艳还是暗淡？而 RGB 色彩模型是通过不同量的 RGB 色光来描述一个颜色的，对人类来说很不直观，难以理解。

因此，人们又发明了一种色彩模式：HSB 色彩模式，也叫 HSV 色彩模式（二者一样，只是叫法不同）。其中，H（hue）表示色相（色度），S（saturation）表示饱和度（纯度），B（Brightness）表示明度。色相，饱和度，明度可被称为色彩的三要素，这是基于光学和色彩心理学给出的三个特性。

HSB 色彩模式以人类对颜色的视觉感受为基础，描述了颜色的三种基本特性（也有相应的数学模型以及和 RGB 的转换方法，这里不再给出）。在计算机中，HSB 色彩模式将颜色三要素进行量化，色相以角度（0°-360°）表示，饱和度和明度以百分比值（0%-100%）表示。由于 HSB 最符合人眼的视觉感觉，这种色彩模式在CG绘画中非常常见，在一些绘图软件中，你会看到如下的调色盘：
HSB调色盘
这就是基于 HSB 色彩模式的调色盘，选取颜色时，使用这样的调色盘，要比修改 RGB 值直观得多。