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学习链接:

  • 冯乐乐 《UnityShader入门精要》
  • 【技术美术百人计划】图形 2.1 色彩空间介绍

色彩发射器

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。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了认知感知。

光的要素

少了反射、折射

1.光源:就是产生光的物体
2.波长

光理论上讲是无限大的,只是我们人眼可见光是有局限的。
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,光在没有进入我们的眼睛前,我们对它的认知是一种波长与能量分布

3.能量分布

讲光线是一种波,那么既然是真实存在的就会有能量,能量单位就是焦耳,我们认知的光就会有不同的功率。比如一个光是由多个波长组合起来的波形
人们发明了一个叫做分光光度计的东西

4.分光光度计

我们通过分光之后对区间波长进行了感应与测量,最后得知了光谱的分布最终得知光线额能量集中在了550nm附近(上图中绿色地方)
因此我们获得了: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

棱镜分光:

5.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
光在反射、折射过程中,物体会吸收能量
结论:物体吸收光功率的大部分在600nm左右也就是说物体吸收的光是黄色和绿色的光
黑色物体:吸收了所有光
红色物体:吸收了GB,反射了R

色彩接收

  1. 相对亮度感知
  2. 人眼HDR
  3. 人眼感光细胞分布
  4. 椎状细胞
  5. 人眼本质
  6. 完整微积分公式

2.1 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。如果同时点亮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 ,再到1~10.

2.2 人眼HDR

控制曝光:改变光圈大小,亮(光圈小,曝光低)
由弹幕知:以下三个参数都会影响曝光
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

人眼
(1)既可以分辨出高亮度的云彩的不同层次区别
(2)还可以分辨出阴影中物不同物体的异同
但是人眼不能保证两个功能同时生效,太亮和太暗无法同时感知

2.3 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,
杆状细胞椎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
eg: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

2.4 椎状细胞

这种细胞专门用于感知颜色,但是他们还被区分为了L细胞,M细胞,S细胞。
这三种细胞负责感知的波长不一,如图所示,L感知红色区间,M感知绿色区间,S感知蓝色区间
L-450 M-550 L-600(大概)


2.5 人眼

光源的接收者。他的作用就是接收外部光线输入,输出神经电信号进入大脑。

2.6 微积分

色彩猜想

18**年

猜想:

  1. 人们有100多种感受颜色的细胞
  2. 人们有三种,分别是RGB三种感色细胞
  3. 人们有三种,分别是黑白,红绿,黄蓝感色细胞
    其中的2和3这两种猜想都成为了我们当下的色彩视觉模型,也称之色彩模型

1905年 Munsell色彩系统

Munsell通过很多色卡来描述色彩
没有过多应用在物理科学中,艺术家的理解与归纳
凭借自我主观意识认知与区分色彩就是HSL(色相饱和亮度)

  • 下面旋转角度的是色相,Munsell垂直的是亮度,从圆心到外部是Munsell饱和度。

1931年

叫CIE的机构在1931年建立了一套色彩系统, 希望完全客观完全物理的量化色彩。

CIE把所有可视波长的光线作为测试光挨个测试了一个遍,最终的到了三条曲线

可以把任何可见光通过图标的一个点的坐标来表示

1931年 XYZ Color Specification System

色域马蹄图,Y表示亮度

用人眼可视范围表示

问题:色彩的分布不均匀,他们的分布色彩一些地方紧一些地方又很松,举个例子这个图的偏向绿色部分就非常平滑,然后左下角部分坐标变化小,但是色彩变化就很快


三维

色彩空间

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

色域

(三个基色的坐标,由此形成三角形)
定义点,比如最绿就是图中定义的点

Gamma

  • 三角形内部几次切分
  • 向着白点方向切割,可以等距,也可以不等距
  • 它其实只是如何对色彩进行采样的一种方式
  • gamma=1的情况就是指代这样均匀的切分,这样的好处就是方便计算。而非均匀切割的方式就是gamma≠1
  • 大家知道线性的好处也就是gamma=1的时候,方便计算,计算机效率高,方便理解,但是计算机储存与显示器硬件因为早期的性能问题,采用的基本大部分都是gamma≈2.2的情况,但是我们目前大部分的机器都已经不是远古版本了,所以PC上的大部分游戏都会推荐使用线性空间,包括很多VFX人员都喜欢用Linear线性空间

sRGB

自定义空间

换一个色域、白点位置、gamma值

常用色彩模型与色彩空间

色彩模型:

使用一定规则描述(排列)颜色的方法

  • 色彩模型举例:
    RGB、CMYK、LAB

  • 色彩空间举例:​
    CIE XYZ、 Adobe RGB、 sRGB、Japan Color 2001 Uncoated、US web Coated(后两个是基于CMYK模型建立的)

色彩空间转换

作业

  1. 色彩空间的定义
  • 色彩空间: 需要至少满足三个指标:色域、白点、gamma
    1.色域:三个基色的坐标,形成的三角形包括了所有可能的颜色
    2.Gamma:对三角形进行切分,gammma= 1线性切分
    3.白点:色域三角形中间点,最亮的点
  1. 人眼可见光的范围是多少?
  • 380nm——780nm
    可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分,可见光谱没有精确的范围;一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间,但还有一些人能够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁波.

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