色域基本知识

1      概述

本文主要讲了色域图是的由来，以及常见几种色域，都是基本知识，红色字体部分是重点。后面“三刺激值出现负值的原因分析”可看可不看。

色域是对一种颜色进行编码的方法，也指一个技术系统能够产生的颜色的总和。

2      三刺激原理

可见光的波长范围大致在390nm到700nm之间，但人类只能在几nm这个尺度上感受到这些光的区别，也就是说，对于纯色光（只含一种波长的光），人类大概只能识别100种。

基于此，有人提出了人眼中有100种感受不同波长光的光感受体，也有人认为有6到7种不同的光感受体。但最被认可的是三刺激理论。三刺激理论认为，人眼中含有三种不同的光感受体。这种猜想后来被证实，确实存在三种不同的视锥细胞，分别能够感应红、绿、蓝三种光的刺激。下图是三种细胞对不同波长光的响应曲线，分别在420nm、534nm、564nm达到高峰（冈萨雷斯版教材中给出的值是445/535/575）。

注意，这三种波长的光不是真正对应到蓝色、绿色、红色。所以，严格的说，这三种受体分别应该称为长波、中波、短波光感受体。

图 1 人眼对光的感知

3      颜色匹配试验

下图描述了经典的颜色匹配实验，左侧是白板，在下方发射单一波长的纯色光，上方可以发射三种不同波长的光，并可以调整它们的强度，人眼透过狭缝去观察上下两块板的颜色是否相同。这三种色光通常是700 nm（红色）、546.1 nm（绿色）和435.8 nm（蓝色）三种光。

图 2 颜色匹配试验

当人们用上述规定的红、绿、蓝三种“原色光”去匹配等能光谱色的时候，却发现大量的光谱色无法能得到匹配。原因是用光的三原色混合出来的颜色其饱和度低于“光谱色”颜色的饱和度，其颜色浅淡无法达到匹配的程度。

为了把可见的单色光都用三色光匹配出来，人们想出了这样一个办法：将红色发光器移到下方，在光谱色上加入某种原色使其产生出一定数量的白色，来降低光谱色的饱和度以获得匹配。比如，对光谱色中的紫色进行匹配。紫色应该是红、蓝两种颜色的混合色，但实际上用“红原色光”与“蓝原色光”进行混合，其混合色的饱和度比光谱色的饱和度低。于是就在光谱色的一方加入一定数量的“绿原色光”便可以使双方达到匹配。

人们用这样的办法变相的来获得“光谱三刺激值”，因此，在某些频段，红色光出现了负值（绿色、蓝色也有负值，具体见表格）。

图 3 三刺激值曲线

图 4 1931 CIE-RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值(波长nm)

4      XYZ空间

通过颜色匹配试验，我们得到了上面的表格，需要用色度图的形式表现出来。如果要根据三个刺激值R、G、B来表现可视颜色，绘制的可视图形需要是三维的。为了能在二维平面上表现颜色空间，这里需要做一些转换。颜色的概念可以分为两部分：亮度（光的振幅，即明暗程度）、色度（光的波长组合，即具体某种颜色）。我们将光的亮度(Y)变量分离出来，之后用比例来表示三色刺激值： 

r=R/(R+G+B)

g=G/(R+G+B)

b=B/(R+G+B)

这样就能得出r+g+b=1。由此可见，色度坐标r、g、b中只有两个变量是独立的。这样我们就把刺激值R、G、B转换成r、g、Y(亮度)三个值，把r、g两个值绘制到二维空间得到的图就是色域图。

图 5 以rg为坐标轴的色域图

上图中，马蹄形曲线就表示单色的光谱（即光谱轨迹）。例如540nm的单色光，可以看到由r=0、g=1、b=(1-r-g)=0三个原色的分量组成。再例如380-540nm波段的单色光，由于颜色匹配实验结果中红色存在负值的原因，该段色域落在了r轴的负区间内。自然界中，人眼可分辨的颜色，都落在光谱曲线包围的范围内。

CIE1931-RGB标准是根据实验结果制定的，出现的负值在计算和转换时非常不便。CIE假定人对色彩的感知是线性的，因此对上面的r-g色域图进行了线性变换，将可见光色域变换到正数区域内。CIE在CIE1931-RGB色域中选择了一个三角形，该三角形覆盖了所有可见色域，之后将该三角形进行如下的线性变换，将可见色域变换到(0,0)(0,1)(1,0)的正数区域内。即假想出三原色X、Y、Z，它们不存在于自然界中，但更方便计算。

即

在XYZ空间下的三刺激曲线如下。

图 6 XYZ空间下三刺激曲线

将x、y的值在xy坐标系中画出就得到xy色度图。

图 7 XYZ空间下色域

这就是CIE1931-XYZ标准色度学系统。该系统是国际上色度计算、颜色测量和颜色表征的统一标准，是几乎所有测色仪器的设计与制造依据。

上图中红、绿、蓝点分别表示三原色，连接这三点得出的三角形即为由三原色混合所得颜色的范围，三角形外的颜色均不能由三原色混合产生。而普通显示器因为技术原因，并不能发出纯正的单色光，故而所围成的三角形更小，显示的颜色更少。

注意这里的颜色只是示意,事实上没有显示设备能完全还上面所有的自然色域。

这个图的性质：

（1）所有的坐标轴都不在这个实心锥体内；

（2） 相应于没有光照的黑色位于坐标的原点；

（3）该色度图包含了一般人可见的所有颜色，即人类视觉的色域；

（4）色域的马蹄形弧线边界对应自然界中的单色光；

（5）色域下方直线的边界只能由多种单色光混合成；

（6）在该图中，任意选定两点，其连线上的颜色可由这两点的颜色混合成，给定三个点，其构成的三角形内颜色可由这三个点颜色混合成；

（7）给定三个真实光源，混合得出的色域只能是三角形（显示器因为技术原因，并不能发出纯正的单色光，故而所围成的三角形更小，显示的颜色更少），绝对不可能完全覆盖人类视觉色域；

（8）NTSC(National TelevisionSystems Committee)中标准红*** 坐标为(0.67，0.33)，标准绿*** 坐标为(0.21，0.71)，标准蓝*** 坐标为(0.14，0.08)。纯正的白光色坐标为(0.33，0.33)。

5      常见色域空间

NTSC色域：NTSC标准下的颜色的总和。NTSC是美国电视标准委员会缩写。

sRGB (standard RGB)：微软联合HP、三菱、爱普生等厂商1997年联合开发的通用色彩标准，受微软强大用户群体的影响力的威慑，绝大多数的数码图像采集设备厂商都已经全线支持sRGB标准，如：数码相机、数码摄像机、扫描仪、显示器等都能看到sRGB的选项。而且几乎所有的打印、投影等成像设备也都支持了sRGB标准。唯独没有全面普及的就是显示器，现在只有部分高端显示器品牌或者一些品牌的高端型号才支持sRGB标准。

Adobe RGB色彩空间：由Adobe Systems于1998年开发的色彩空间，让显示器在RGB模式下展现更多色彩。其作用就是让显示器在RGB模式下展现更多的色彩。是高性能显示器的一个评价标准。AdobeRGB的开发目的是为了尽可能在CMYK彩色印刷中利用计算机显示器等设备的RGB颜色模式上囊括更多的颜色。AdobeRGB色彩空间粗略包括了50%的Lab色彩空间中的可视色彩，主要在青绿色（cyan-green）色系上有所提升。AdobeRGB 的色彩空间覆盖了CIE 1931标准的52.1%。白点对应的是D65。

注：CMYK是区别于RGB的色彩模型，原色为青色（C）、洋红色（M）、黄色（Y）和黑色（K），采用减色法，多用于出版和印刷业。

这三个色域标准是在不同的时代发展起来的，在CIE 1931标准之后，电视开始发展起来，于是美国国家电视系统委员会制定NTSC色域，规定了彩色电视的色彩标准。随后由于数字设备的快速发展，sRGB色域被制定出来，主要针对数字显示领域，而Adobe色域多应用于打印出版行业，是后起之秀。

由于电视的受众面更加的宽广，所以有很多厂商喜欢用NTSC色域来描述广色域，但是由于这个标准过于的久远，很难把握如今的用户色彩需求，所以用NTSC色域来描述广色域并不合适。一般来说，覆盖100% sRGB色域和100%的Adobe色域是更加准确的描述广色域的方法，当然NTSC也可以作为一个参考（常见但并没有那么重要）。

图 8 不同色域空间对比

手机上显示如果达到100%的NTSC色域，就会容易产生颜色过于饱和的感觉，也就是偏色。iphone6采用100%sRGB色域是比较符合颜色在手机屏幕上的预期设定的，所以颜色看起来接近真实效果。

NTSC色域比sRGB色域空间广的多，它们之间的换算公式为100%SRGB=72%NTSC，这并不是指100%SRGB与72%NTSC的色域空间能够完全重合，它们只是面积相同而已。NTSC与Adobe RGB的换算公式为100%Adobe RGB=95%NTSC。所谓广色域就是指超过72%NTSC色域的所有其它色域。

通常采用AdobeRGB这一标准的显示器通常都是色彩能力极强的高端显示器，例如优派VG2450这样的显示器。这使得Adobe RGB色彩空间在印刷等领域具有更明显的优势。不过需要注意的一点是，虽然Adobe RGB是高性能显示器的一个重要评判标准，但对于显示器来说并非单一AdobeRGB数值越高越高显示器效果越好，因为当显示器Adobe RGB越高而色位和sRGB标准没有相应提高的话，如明基Ez2450L的AdobeRGB标准为95%，但色位缺仅有6bit，sRGB也只达到了100%，这样画面反而会出现色彩过渡不均匀，画面有撕裂感以及偏色等问题。推荐的AdobeRGB和色位的匹配表如下：

6      “光谱三刺激值”出现负值的原因分析

注：当人们用规定的红、绿、蓝三种“原色光”（R700 nm、G546.1 nm、B435.8 nm）去匹配等能光谱色的时候，在三刺激曲线上出现了负值的情况。通俗的说，是因为绿原色光在人眼看来不仅会产生绿色，还会混有蓝色或（和）红色分量。

下面来分析一下，表中的“光谱三刺激值”为什么会出现负值。我们分析这个问题时，所使用的理论是“三通道视觉结构模型”。

“三通道视觉结构模型”认为：明视觉有RGB三个信号通道。当外界光信号经过视网膜转成视信号之后，通过这些通道时便可以使视觉产生出红、绿、蓝三种原色（这里所说的视觉中的三种原色与光的三种原色并非是一致的。视觉中的三原色是纯粹的原色，光的三原色是混合色，并且是视觉原色的混合色）。视觉中的三个视信号通道对外界来的信号存在着不同的衰减。其衰减情况取决于外界色光的波长。因此，当外界某一波长的色光照射到视网膜上之后，所产生的视信号可能只通过一个通道（即，使视觉能产生出一种原色），也可能通过两个或三个通道（使视觉产生出两种或三种原色）。到底能出现那一种情况，要取决于外界色光的波长。下面我们来分析一下，在这个“光谱三刺激值表”中为什么会出现负值的现象。

首先，我们来看一下700nm处光谱色的匹配情况。从“表”中可以看出，要想匹配700nm的光谱色，只需要亮度为0.00410的“红原色光”就可以了。并不需要“绿原色光”和“蓝原色光”的参与。不需要“绿原色光”和“蓝原色光”的参与这件事，对于现在流行的光原色理论来讲，似乎是一种理所当然的事情（如果说需要它们来参的话，倒是一件难以理解的事情）。

但是，“三通道视觉结构模型”的理论是个非正统的理论。它认为，光谱色并非就是“单色”，光的三原色也并非就是“单色”。现在700nm光谱色可以由“红原色光”进行匹配，不需要“绿原色光”和“蓝原色光”的参与。但并不能说明700nm处的光谱色就是一种“纯红色”或者说“红原色光”的颜色也是一种“纯红色”。因为，如果在700nm处的光谱色中含有蓝、绿成分，而“红原色光”中也含有“等量的”蓝、绿成分的话，二者同样可以获得匹配。仅仅依据“红原色光”能与光谱色进行匹配，就认为700nm处的光谱色以及“红原色光”的颜色就是一种最简单颜色（“单色”），其证据是不充足的。

下面，我们再从700nm往下看。首先是700nm到780nm这一段。这一段一直都是用“红原色光”来匹配的，完全不用蓝、绿两种色光。既然，700nm到780nm这段光的波长是“变化的”，而红原色光的波长是“固定的”。并且它们二者一直能匹配到一起，那只有一种可能，那就是它们都只含有红色，不含蓝和绿（如果要是含有蓝色和绿色，在波长“变化”的过程中，蓝、绿二色的数量决不可能维持不变，因此也就不可能获得匹配）。结论1：1931年国际照明委员会（CIE）所规定的“红原色光”（700nm的光），对于视觉的作用只能产生红色感，不会引发出含蓝、绿色感。也就是说，700nm的“红原色光”只含有红色，不含蓝、绿。

我们再从700nm往上看。要匹配685nm的光谱色，需要红、绿两种色光来匹配（理论上讲，这里应该是“橙色”的起点）。

再往上看，到了655nm处，蓝色光的值出现了0.00001的负值。这个意思是说，要想能对655nm的光谱色进行匹配，必须要在光谱色这一边加入0.00001的蓝色光，这样才能同“红原色光”与“绿原色光”的混合色光进行匹配。这种负值的出现显然是由于：“红原色光”或者“绿原色光”中多出了“蓝色”所致。那么，这些“蓝色”是从哪里来的呢？我们已经论证过了，1931（CIE）所规定的“红原色光”中是不含有蓝、绿成分的。可见，多出来的这部分“蓝色”肯定来自于“绿原色光”。用“三通道视觉结构模型”的理论来讲，“绿原色光”在视觉系统中所产生的视信号，不仅经过了绿通道使视觉产生了“绿色”，同时它也经过了蓝通道使视觉产生了“蓝色”。

现在的问题是，这里多出来的0.00001的蓝色，是不是都来自于“绿原色光”？按“三通道视觉结构模型”的理论，光谱色也并非就是单色。这多出来的0.00001的蓝色，严谨一点讲，它应该是“绿原色光”中所含有的蓝色与685nm的光谱色中所含有蓝色的“差值”。是这个差值导致了655nm的光谱色无法与光的三原色进行匹配。这就是为什么在655nm处r值出现负值的基本原理。这一原理一直可以推广到550nm处。

既然685nm处的r值出现了负值，是由于“绿原色光”中含有的“蓝色”成分造成的。那么，从660nm到680nm同样也有“绿原色光”参与匹配，为什么这里就没有出现负值呢？对于这个问题是这样的：从“光谱三刺激值表”上可以看出r的值是随着光谱波长的增加而减少，到了655nm 处时就已经少到了－0.00001。显然，再往下去（即波长再增加）这个“表”的显示位数已经显示不出更小的数值了。因此，这个“表”的负值就只能写到－0.00001。按理讲，虽然从660nm到680nm这一段，的值已经不足－0.00001了。但是，这一段r值在理论上讲，它毕竟还是“负”的。所以，在“表”中，660nm到680nm这一段的（65）为什么光谱三刺激值会出现负值的写成0.00000，而没有负号是不合理的，不科学的。

另一方面，从“表”里可以看出，b出现负值的区域截止在545nm到550nm处。这个位置有什么特殊？这个位置就是“绿原色光”波长（546.1nm）所在的位置。只不过是这个“表”给出的波长间距太大，对于546.1nm的位置，它表示不出来而已。

再往上看，从545nm到440nm这一段的r出现了负值。440nm这个位置有什么特殊呢？440nm与435nm 之间正是“蓝原色光”（435.8nm）所在的位置。可以说，545nm到440nm这段光谱，应该是“蓝”、“绿”混合色。而在这一段里面r出现了负值，显然是由于“绿原色光”与“蓝原色光”中存在着红色成分造成的。对于r所出现的负值，严谨一点讲，应该是“绿原色光”与“蓝原色光”所含的红色与光谱色中所含红色的“差”。

再往上看，435nm 到380nm这一段g出现了负值。这一段是紫色段。这一段应该是红色与蓝色的混合色段。g出现了负值，显然是由于“蓝原色光”里面含有“绿色”造成的。因为，对于“红原色光”来讲，我们已经论证过了，在“红原色光”中是不含“绿色”成分的。因此，这个绿色的来源显然就是“蓝原色光”里面多出来的。是它造成了匹配上障碍。对于g这个值，与上述同理：它应该是“蓝原色光”中所含的绿色与光谱色中所含绿色的“差值”。

参考链接：

（1）https://www.zhihu.com/question/19697338；

（2）http://blog.sina.com.cn/s/blog_53ed66d101015i7i.html。