02 - 颜色与感知

发表于 2023-09-07 更新于 2024-04-03 分类于图形学，入门(GAMES101) ， 7-其他话题阅读次数： Waline：本文字数： 1.4k 阅读时长 ≈ 1 分钟

这篇文章会说说有关图形学中有关颜色的内容.

颜色

颜色是人的一种感知，它不是光的普遍性质。不同波长的光不是“颜色”。

牛顿通过三棱镜，发现白光是由多种颜色的光混合出来的。

光谱（Spectrum）：光线在不同波长/频率上的分布。

图形学上更关心的是可见光的光谱，波长大约在400~700nm之间.

谱功率密度（SPD，Spectra Power Distribution）：光线强度在不同波长的分布。

SPD具有线性性质，例如下面两束光的SPD可以综合起来：

人眼睛的结构如下：

和相机类比，瞳孔类似光圈，晶状体类似透镜，视网膜类似感受器。

视网膜上有感光细胞（Retinal Photoreceptor Cell）：

人眼看到的结果，也就是不同视锥细胞感知的 S，M，L 这三个值可通过 色彩三色理论（Tristimulus Theory of Color） 来计算，方法是其光谱响应曲线与光强曲线对应位置相乘再积分起来：

同色异谱：两种不同的光谱，最终得到的S，M，L值（看到的颜色）却是相同的。

我们可以用这个理论去进行颜色重建与匹配。

首先，需要了解计算机的成像系统——加色系统。定义三种原色，然后用三个系数分别乘以三种原色，将它们混合在一起得到。这样就能用去描述任意一种颜色了。注意，系数也有可能是负的。

完成颜色的重建后，就能开始颜色的匹配工作了。可以利用 CIE RGB 来进行匹配工作。

CIE组织定义了RGB的系统，和上边的加色系统差不多，它给出RGB三原光和目标测试光，它们都是单波长的，通过测试来测量多少强度的三种原色加起来与测试光相同。

它们的测试结果如下，我们要混合某种单波长的光，只需按下图取不同的r，g，b就行：

当然，现实世界的光线SPD是由很多波长组合而成，所以还要进行积分操作：

标准RGB系统（sRGB，Standardized RGB），是一种被广泛运用于各种设备的色彩系统，但是RGB所能形成的色域是有限的。

使用X，Y，Z三个值表示颜色。其中，Y也表示亮度（Luminance）。他们的匹配函数跟RGB的不一样：

有人想直观的看X，Y，Z这三个值做可视化，参数是三维的，不好搞。因此，人们将X，Y，Z归一化，引出x，y，z这三个色度（Chromaticity），固定Y，可视化x和y，就能显示出下图：

而这张图也叫做 色域（Gamut） ，即一个颜色空间所有可能表示的颜色。

不同颜色空间显示的颜色范围也不同，如下图所示：

基于感知的颜色空间（Hue-Saturation-Value），被广泛用于“拾色器”。

L为亮度、a表示红绿、b表示蓝黄，这个空间认为轴的两端都是互补色。

互补色是通过实验得到的，我们可以通过视觉暂留效果验证，比如先看一张反色的图，一段时间后换成空白，就能“看”到互补色。

用于印刷的颜色空间：

HDR，伽马校正。。。