技美 百人计划 2.1色彩空间

2.1色彩空间

色彩发送器

色彩的认知

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。但人眼接收到光线后,人眼的细胞产生了一系列化学反应,由此把产生的信号传入大脑,最终大脑对颜色产生一系列认知感知

光的要素

图中缺少折射光

光源

光源就是产生光的物体
如果没有光,我们就无法在黑暗中看到色彩,光的本质就是一种物理现象,光在没有进入我们眼睛前,我们对它的认知时一种波长与能量分布

波长

波长是什么?
光理论上讲是无限大的,只是我们人眼可见光是有局限的。
太阳光在最亮时时白色,然后逐渐黄色再编成红色,蓝色光最高也是白色,再逐渐变淡蓝再到蓝色再到暗黑色

能量分布


定义:我们说光是一种处于特定频段的光子流,光是具有波粒二象性的,而所有的波都携带能量,能量物理学单位是焦耳(功率是不严谨的说法,什么是功率,功率定义是单位时间内所做的功,单位是 w)
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

分光光度计


定义:分光光度计,又称光谱仪,是将成分复杂的光,分解为光谱线的科学仪器。测量范围一般包括波长范围为 380 - 780 nm 的可见光区和波长范围为 200 - 380 nm 的紫外光区。我们通过分光之后对区间波长进行了感应与测量,最后的之了光谱的分布最终的值光线额能量集中在了 550 nm 附近

得到结果:
1.混合波长组成光线,拆分光线,变成光线形成单一波长光
2.测量单一波长光的实际所含能量

光的传播直射光: 光源直射眼睛

折射光:光源穿过物体进入眼睛
反射光:光源经过物体表面反射进入眼睛
光线追踪:光线弹来弹去,然后我们根据权重确定光线最后进入眼睛中的颜色

光通过反射,折射,直射之后,在能量上发生了变化,可以明显看到,少了一部分的能量,这是因为失去的这部分能量被物体吸收了,也就是说每次光经过反射或投射都会或多或少对光的能量分布产生一些影响,可以得出结论:物体吸收光功率的大部分在600 nm 左右也就是说物体吸收的光是黄色和绿色的光

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

色彩接收器

相对亮度感知

在某些阴暗的环境下,点亮一盏灯,这时人眼就会觉得非常亮,但是同时点亮1000盏灯,反而觉得只是10倍的亮度,对亮度的认知相当于从 0~1 再从 1~10

人眼HDR

人眼既可以分辨出刚度的云彩的不同层次区别,还可分辨出阴影中物体的不同异同。但是人眼的能力并不能保证这两个功能同时生效。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

人眼感光细胞分布

人眼简单可以把感知色彩的细胞分为两大类,杆状细胞和锥状细胞,前者负责感知亮度,后者负责感知色彩,前者感光细胞对亮度特别的敏感,只要有 5~14 个光子打到杆状细胞就会产生神经信号,这也可以解释为什么闪光弹能让人致盲,一部分原因就是因为光实在太亮,直接干涉了人眼最敏感的感光细胞

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

锥状细胞

这种细胞专门用于感知颜色,但是它们还被区分为 L 细胞,M 细胞,S 细胞
这三种细胞负责感知的波长不一,L感知红色区间,M感知绿色区间,S感知蓝色区间
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

完整微积分公式

这个公式简单分成了四个部分

-C 指的是人眼这个函数输出的神经电信号
-S(λ)表示 LMS 这三个感官细胞的感知分布
-I(λ)表示光源的功率谱分布
-R(λ)表示反射物体的吸收功率分布

色彩空间历史

18xx年色彩的猜想
1905 Munsell 色彩系统

1931 CIE 1931 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

归一化参考图片右上角

1931 XYZ Color Specification System

XYZ色彩空间模型



色域马蹄图加上亮度后的三维模型

色彩空间的定义

色彩空间至少需要满足三项重要指标

1.色域(三个基色的坐标,由此形成三角形)
2.Gamma(如何多三角形内进行切分)
3.白点(色域三角形中心)

色域
白点 + 色域
整个色彩的中心

白点 + 色域 +Gamma

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

sRGB

1.色域: sRGB 首先设定了 RGN 三个基色的坐标
2.白点:sRGB 也规定了白点位置
3.Gamma:sRGB 的 Gamma设定为 ≈ 2.2 也就是说,从外而向内切,先切的很细,然后逐渐变粗

Gamama 详解

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;但是 Linear 本身并不是一个色彩空间

常用色彩空间、色彩模型

色彩模型:
使用一定规则描述(排列)颜色的方法
举例:
RGB、CMYK、LAB
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)。

色彩空间:
需要至少满足三个指标:色域、白点、Gamma
举例:
CIE XYZ, Adobe RGB , sRGB,JapanColor 2001 Uncoated,US web Coated(后两个是基于 CMYK 模型建立的)

色彩空间转换

色彩空间的定义是什么?

色彩空间至少需要满足三项重要指标

1.色域(三个基色的坐标,由此形成三角形)
2.Gamma(如何多三角形内进行切分)
3.白点(色域三角形中心)

人眼可见光的波长范围是多少?

人眼可见光的波长范围是: 400 ~ 700 nm

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