从零开始的技术美术之路（六）色彩空间

本篇参考B站视频 “技术美术百人计划”·霜狼_may ；
《Shader入门精要》·冯乐乐女神著；
《数字图像处理》-徐录平编著科学出版社.2007

本篇主要用于自我复习，如有疑问或发现有什么错误，请多指教~

一.色彩发送

1.色彩认知

光源是出生点，光源发射出光线，光线通过直射反射折射等路径最终进入人眼；
人眼接收光线后，人眼细胞产生一系列化学反应；
由此把信号传入大脑，最终大脑对颜色产生认知；

2.光的要素

下图中少了折射

3.光源

定义：光源就是产生光的物体。若没有光，我们就无法在黑暗中看到色彩，光本质是一种处于特定频段的光子流，光在未进入我们眼睛前，我们对它的认知是一种波长与能量分布；
在实时渲染中，我们通常把光源当成一个没有体积的点，用l来表示它的方向；
在光学里，我们用辐照度（入射表面的辐射通量，单位：瓦特每平方米）来量化光；

4.波长

定义：光理论上讲无限大，只是人眼可见光是局限的。
太阳光在最亮时是白色，然后逐渐变黄色再变红色，蓝色光最亮也是白色，再逐渐变淡蓝再到深蓝色再到暗蓝色；
5.能量分布

定义：我们说光是一种处于特定频段的光子流，光子试穿波粒二象性的，而所有的波都携带能量，能量物理学单位是焦耳（视频里是功率，但功率的定义是单位时间内做功的量）。
一个光可以是由多个波长组合成起来的波形。在图像处理中可以通过这种方式组成不同滤波，用来去除噪点等。
也就是说我们在阐述色彩用波长就可以，为了保证能简单描述色彩，于是有了分光光度计；

6.分光光度计

定义：分光光度计又称光谱仪用于将成分复杂的光，分解为光谱线，进行定性或定量分析。我们通过分光光度计对区间波长进行感应与测量，最后得知光谱分布，得知光线能量集中在550nm附近
获得的结果：
（1）拆分光线获得单一波长光；
（2）测量单一波长光的能量

7.光的传播

包含直射光，折射光，反射光（光线追踪是用于根据权重计算光线，确定最后进入人眼的颜色的技术）；
光通过反射或折射后，部分能量会被物体吸收，在经过多次反射或折射都会或多或少对光的能量分布产生一定影响。简单根据能量分布图，可以得出结论：物体吸收光功率的大部分在600nm左右，即物体吸收的光是黄色与绿色的光；
光由光源发出后，会与一些物体相交，结果要么散射，要么吸收。散射只改变光线的方向但不改变光线密度和颜色，吸收只改变光线密度和颜色不改变方向。散射到物体内部叫折射或透射，散射到外部则称为反射；

二.色彩接收

1.相对亮度感知
在某些阴暗的环境下，点亮一盏灯，此时人眼会觉得很亮。同时点亮1000盏灯，感觉可能只是10倍亮，亮度的认知从0——1再到1——10。
2.人眼HDR

人眼可以分辨出高亮度的云彩不同层次，也可以分辨阴影中不同物体异同。但人眼无法保证两功能同时生效。视频中以摄影为例，通过调整光圈来调整曝光度，而人眼是自动曝光。人眼不能同时分辨最亮和最暗地方的细节。
摄影相关补充：光圈调整的是单位时间内的进光量，快门控制每一张拍摄底片的感光时间，感光度ISO是传统相机底片对光线反应的敏感程度测量值，三者都会影响曝光值）
人眼明暗：在明亮环境下由锥状细胞工作，阴暗环境下由杆状细胞工作，由亮到暗需要时间久，由暗到亮适应时间较短
人眼视觉特性：
（1）视觉的空间特性：人眼的空间分别能力为 1 分，灰度分辨能力大约 64 级；
（2）视觉的时间特征，>15 帧/s,连贯的感觉
（3）亮度适应能力
亮度适应现象：人眼通过改变其整个灵敏度来适应非常大的光强变动范围的现象。
主观亮度：人的视觉系统感到的亮度，是进入眼内的光强度的对数函数。
（4）马赫带效应：人类视觉系统有趋向于过高或过低估计不同亮度区域边界值的现象。
（5）同时对比度：人眼睛无法判断出视场中目标物的绝对亮度。因为人类视觉对亮度的主观响应与目标的背景亮度有着密切的关系。

（6）空间错觉与假轮廓
人对物体形状的感知中的另外一个重要现象是错觉。

3.人眼感光细胞分布
人眼简单可以把感知色彩细胞分为两类：杆状和锥状细胞。杆状负责感知亮度，锥状负责感知色彩只要有5~14个光子打到杆状细胞会产生神经信号；
4.锥状细胞
专门用于感知颜色，被区分为L，M，S细胞。
三种细胞负责感知波长不一，L红色区间，M绿色区间，S蓝色区间。

5.人眼是光源接收者，作用是接收外部光线输入，输出神经电信号进入大脑。

6.完整微积分公式

C指的是“人眼函数”输出的神经电信号；
S（λ）表示LMS三个感官细胞的感知分布；
l（λ）表示光源功率谱分布；
R（λ）表示反射物体的吸收功率分布；

三.色彩空间历史

1.19世纪色彩猜想

2.1905Munsell色彩系统

3.1931年CIE的RGB Color Specification System
根据测试光，不断调整RGB直到观察者认为两者一样后再记录；
归一化方式如图中右上角

4.1931XYZ Color Specification System
XYZ色彩空间模型图

色域马蹄图加上亮度后的三维模型

5.色彩空间定义
至少需满足三项重要指标

色域（三个基色的坐标，由此形成三角形）
Gamma（如何对三角形内进行切分）
白点（色域三角形中心）

色域
白点+色域

Gamma+白点+色域

gamma并非色彩空间，只是如何对色彩进行采样的一种方式；
每次对比顶点切割，会发现切割方式不同会导致每次对应色彩不一样，gamma=1即均匀切分，这样好处便于计算。
非均匀切割即gamma≠1

6.sRGB色彩空间

色域：sRGB首先设定了RGB三个基色的坐标；
白点：sRGB也规定了白点位置；
gamma：SRGB的gamma设定为≈2.2，即从外而向内切，先切细，再切粗，如下图；

7.关于gamma
原因：（1）人眼在计算机上对于暗部细节观察多，而亮部细节观察少；（2）计算机问题，早期性能不行，gamma≈2.2情况下，可以节约资源存储亮部，更多资源存储暗部；
现在PC上大部分游戏推荐线性空间原因在于（1）混合方式（2）计算方式合适
色彩空间如上面所言是根据三个指标定义的，并非定死的，所以可以自定义色彩空间（几乎没人干）；
任何色彩空间都可以是Linear线性，也可非线性；

四.常用色彩空间，色彩模型

1.色彩模型
使用一定规则描述（排列）颜色的方法
如：RGB，CMYK，LAB，HSI

RGB：一类面向诸如视频监视器，彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。面向硬件设备最常用；RGB模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色，如下图所示。每个点有三个分量，分别代表该点颜色的红、绿、蓝亮度值，亮度值限定在[0,1]

HSI：以彩色处理为目的的应用，如动画中彩色图形，面向彩色处理最常用；H表示色调，S表示饱和度，I表示亮度。
CMYK：印刷工业和电视信号传输,CMYK模式的原色为青色(Cyan)、品红色(Magenta)、黄色(Yellow)和黑色（Black)。

2.色彩空间
需至少满足三个指标：色域，白点，gamma
如：CIE XYZ，Adobe RGB，sRGB，Japan Color2001 Uncoated,US web Coated（后俩都是基于CMYK模型建立）

五.色彩空间转换

色彩空间至少满足色域，白点，gamma三个指标；
人眼可见光的波长范围：400——700纳米