本文内容来自
【技术美术百人计划】图形 2.1 色彩空间介绍
观后记录
美术岗位代码或者算法一类的问题可能不太懂
本文仅用来记录学习，如果有不对的请指出谢谢
图形部分 第二章 色彩空间
一 色彩发送器
1.1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。但是人眼接收到光线后，人眼的细胞产生了一系列化学反应。由此把产生的新号传入打毛，最终大脑对颜色产生了认知感知。
1.2光源
定义：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，光的本质是一种物理现象，光在没有进入我们的眼睛前，我们对他的认知是一种波长与能量分布。
1.3波长
定义：光理论上是无限大的，只是我们人眼可见光是局限的。
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，光在没有进入我们眼睛前，我们对他的认知是一种波长与能量分布。
1.4能量分布
定义：我们讲光线是一种波，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焦耳。比如一个光是由多个波长组合起来的波形。
那么也就是说我们阐述色彩就用这个波长就可以了，但是这么做实在是太反人类了，我们无法保证能简单描述色彩。于是人们发明了一个叫做分光光度计的东西。
1.5分光光度计
定义：分光光度计就是用于描述光线的具体能量强度，记得小时候用棱镜分光，我们通过分光之后对区间波长进行的感应与测量，最后得知了光谱的分布最终得知光线的能量集中在550nm附近（图中绿色部分）
于此我们获得了：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。
1.6光的传播
回到光线的传播路径上来讨论，我们认知到光是经过不同路径才进入到们的眼睛中的。
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：光线谈来谈去，然后我们根据权重确定光线最后进入眼睛中的颜色
下图就是光通过反射之后，在能量上发生的变化，可以明显看到，少了一部分的能量，这是因为一部分的能量被物体吸收了，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。
简单通过能量分布分析下下图得出结论：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
二 光源接受者
2.1相对亮度感知
在某些阴暗环境下，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，反而觉得只是十倍的亮度，对亮度的认知相当于0~1再从1 ~10
2.2人眼HDR
人眼可以分辨出高亮度云彩的不同层次，还可以分辨出阴影中不同物体的异同。但是人眼的能力不能保证这两个功能同时生效。
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，杆状细胞与椎状细胞。
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是在太亮了，直接干涉了人眼最敏感的感光细胞。
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L细胞，M细胞,S细胞。
这三种细胞负责感知的波长不一，如下图所示，L感知红色区间，M感知绿色区间，S感知蓝色区间。
5人眼本质
光源的接收者，它的作用就是接受外部光线输入，输出神经信号进入大脑。
6完整微积分公式
这个公式分成了四个部分
- C值表示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
三 色彩空间历史
我们来通过历史的车轮来理清楚色彩空间的由来与计算公式。
3.1 1800年色彩的猜想
人们在18xx年有很多种猜测，我们来讨论其中三种
- 人们有100多种感受颜色的细胞
- 人们又三种，分别是RGB三种感色细胞
- 人们有三种，分别是黑白 红绿 黄蓝感色细胞
是不是很耳熟，现在这么多年过去了，其中2/3这两种猜想都成为了我们当下的色彩视觉我行，也称之为色彩模型。
3.2 1905色彩系统
美国艺术家Albert Henry Munsell利用自己的艺术特长，最早提出了一个色彩系统，后来在1930年优化改良。
Munsell通过很多色卡来描述色彩，下面旋转角度的是色相，Munsell垂直得是亮度，从圆心到外部是Munsell饱和度。人们凭借自我主观意识认知与区分色彩就是HSL（色相饱和亮度），这套系统没有过多的物理科学在其中，更多的是一种艺术家的理解与归纳总结规范。
这一类的模糊描述及其难以理解与难以表达，但是用了这个色彩系统之后，一个颜色就可以通过
H=1.6YR,V = 6.3,C = 3.9来描述而且也不会有任何的描述与理解偏差。
于是我们方便起见就为一些常用色彩只做了色卡，一个个色卡描述色彩就非常方便。
3.3 1931 CIE 1931 RGB Color Specification System
科学家觉得上述的色彩系统还可以，但是不够科学，于是为了一种科学的方式阐述色彩，于是一个叫CIE的机构在1931年建立了一套色彩系统，希望完全客观完全屋里的量化色彩。
色彩匹配方案
CIE把所有可视波长的光线作为测试光挨个测试了一遍，最终得到了三条曲线。
我们发现435.8~546.1nm这断波长中的红色基数强度是负数。这虽然物理正确，但是一点也没有科学的美感，于是我们进行了归一化，保证色彩在-1-1之间。
最终通过基数出RGB的基色强度在当先混色强度的所占比例
这样计算后，RGB都在-1-1之间，那么我们发现R+G+B=1，那么就可以通过其中两个已知数计算出另一个强度。
图像可视化
在对数值归一化之后，两个变量就可以代表色彩了，于是我们就通过r’ g’这两个参数画图。
于是画出了一个二维空间，x轴是r’，y轴是 g’那么我们就可以成功的在色彩科学上真正的科学的描述一个颜色
我们可以把任何可见光通过图标的一个点的坐标来表示说明。
上文中CIE1931RGB色彩系统已经不错了，但是存在负数，这在计算上非常的麻烦，比如写个乘法，得先计算是正数还是负数。
于是人们就用数学的方式做了一个新的色彩空间。所以XYZ色彩空间就是一个中转站，主要目的就是简化计算。
这里简单面树下如何转换的，因为是空间转换所以我们用矩阵的方式进行
注：这里的RGB是CIE1931RGB不是sRGB中的RGB数值。
这个XYZ矩阵也不太完美，于是人们为了计算方便又把XYZ矩阵进行了归一化。
那么最终效果就是这张大家应该会比较熟悉的图，人称色域马蹄图。
也就是人眼可见范围表示，但是我们发现图像上面好像没有亮度于是我们就在归一化的基础上，把xyz中的y单独拿出来与xy组成了yxy色彩空间 其中的y表示亮度xy表示色度
注：这里提一下 这里是yxy色彩空间 yxy是有xyz色彩空间衍生。
不足和补充
上述的XYZ色彩空间也不错，但是也有问题，就是色彩的分布不均匀，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，然后左下角部分左边变化小，但是色彩变化就很快。
3.4 色彩空间的定义
至少满足三项重要指标
- 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）
首先理解gama并不是色彩空间，亚其实只是如何对色彩进行采样的一种方式
每次对顶点切割，就会法线切割的方式不同会导致每次对性的色彩不一样，大家通常理解的gamma=1（下图一）的情况就是指代这样的均匀的切分，这样的好处就是方便计算。
而非均匀切割的方式就是gamma≠1（下图2）
我们常用的空间sRGB，那么sRGB的构成
1.色域： sRGB首先设定了RGB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
- 白点（色域三角形中心）
- 详解 ：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，但是计算机存储与显示器硬件，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缘故版本了，所以PC一生的部分游戏都会推荐是用线性空间，包括很多VFX人员都喜欢用Linear线性空间。
- 所以也可以存在sRGB D65 linear这类空间，所以任何色彩空间都可以是linear现行的，但linear本身并不是一个色彩空间。
四 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
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、Japan Color 2001 Uncoated、US web Coated（后两个是基于CMYK模型建立的）
五 色彩空间转换
RGB2HSV:
HSV2RGB:
六 作业
1色彩空间定义
满足三项指标色域gamma白点
- 色域 三基色坐标
- gamma 三角形切分方式
- 白点 色域三角形中心的点
2.人眼可见光范围
波长400-700的光