深入理解color model(颜色模型)

什么是颜色

Wiki是这样说的：颜色或色彩是通过眼、脑和我们的生活经验所产生的一种对光的视觉效应。嗯，简单点说，颜色就是人对光的一种感觉，由大脑产生的一种感觉。感觉是一个很主观的东西，你怎么确定你看到的红色和我看到的是一样的呢？这个视频解释的很不错。我们需要先假设正常人对于同一种光产生的感觉基本是一致的，讨论才能继续下去。

人的视网膜上布满了感光细胞，当有光线传入人眼时，这些细胞就会将刺激转化为视神经的电信号，最终在大脑得到解释。视网膜上有两类感光细胞：视锥细胞和视杆细胞。

视锥细胞大都集中在视网膜的中央，每个视网膜大概有700万个左右。每个视锥细胞包含有一种感光色素，分别对红、绿、蓝三种光敏感。这类细胞能在较明亮的环境中提供辨别颜色和形成精细视觉的功能。

视杆细胞分散分布在视网膜上，每个视网膜大概有1亿个以上。这类细胞对光线更为敏感（敏感程度是视锥细胞的100多倍），一个光子就足以激发它的活动。视杆细胞不能感受颜色、分辨精细的空间，但在较弱的光线下可以提供对环境的分辨能力（比如夜里看到物体的黑白轮廓）。

当一束光线进入人眼后，视细胞会产生4个不同强度的信号：三种视锥细胞的信号（红绿蓝）和视感细胞的信号。这其中，只有视锥细胞产生的信号能转化为颜色的感觉。三种视锥细胞（S、M和L类型）对波长长度不同的光线会有不同的反应，每种细胞对某一段波长的光会更加敏感，如下图。这些信号的组合就是人眼能分辨的颜色总和。

三种视锥细胞（S、M和L类型）对单色光谱刺激的反应

( 横坐标为光的波长，纵坐标为产生信号的强度)

能够引起视锥细胞活动的光波长范围 :312.3nm至745.4mn（可见光）

这里有一个重要的理论：我们可以用3种精心选择的单色光来刺激视锥细胞，模拟出人眼所能感知的几乎所有的颜色（例如红绿光的混合光，和单色黄光，刺激视锥细胞产生的视神经信号是等效的），这就是三色加法模型。所以说"三原色"的原理是由生理因素造成的。

颜色的数字化

根据上面的理论，只需要选定三原色，并且对三原色进行量化，那就可以将人的颜色知觉量化为数字信号了。三色加法模型中，如果某一种颜色(C)，和另外一种三色混合色，给人的感觉相同时，这三种颜色的份量就称为该颜色(C)的三色刺激值。对于如何选定三原色、如何量化、如何确定刺激值等问题，国际上有一套标准——CIE标准色度学系统。

CIE（国际照明委员会）是位于欧洲的一个国际学术研究机构，1931年，CIE在会议上根据之前的实验成果提出了一个标准——CIE1931-RGB标准色度系统。

CIE1931-RGB系统选择了700nm(R) 546.1nm(G) 435.8nm(B) 三种波长的单色光作为三原色。之所以选这三种颜色是因为比较容易精确地产生出来（汞弧光谱滤波产生，色度稳定准确）。

CIE1931-RGB 三刺激值曲线，根据人类视觉实验结果绘制。

从上图可以看到，三个颜色的刺激值R、G、B如何构成某一种颜色：例如580nm左右(红绿线交叉点)的黄色光，可以用1:1(经过亮度换算..)的红绿两种原色混合来模拟。

CIE所做颜色匹配实验的原理图

注意上面的曲线坐标有一部分是负值，这是由颜色匹配实验产生的。如上图，有些光谱色（左边）用三原色（右边）来匹配时，无论怎样调节三原色，都不能使两个视场达到匹配，必须在光谱色（左边）添加适量的原色才行。这就是上面刺激值曲线中，红色出现一部分负值的原因。

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：

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。

根据CIE1931-RGB模型绘制的rg色度图

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。

得到的结果就是下图：

CIE1931-XYZ色度图

注意这里的颜色只是示意,事实上没有设备能完全还上面所有的自然色域

这个图有些有意思的性质：

该色度图所示意的颜色包含了一般人可见的所有颜色，即人类视觉的色域。色域的马蹄形弧线边界对应自然界中的单色光。色域下方直线的边界只能由多种单色光混合成。

在该图中任意选定两点，两点间直线上的颜色可由这两点的颜色混合成。给定三个点，三点构成的三角形内颜色可由这三个点颜色混合成。

给定三个真实光源，混合得出的色域只能是三角形（例如液晶显示器的评测结果），绝对不可能完全覆盖人类视觉色域。

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。

常见颜色模型

颜色模型就是描述用一组数值来描述颜色的数学模型。例如coding时最常见的RGB模型，就是用RGB三个数值来描述颜色。通常颜色模型分为两类：设备相关和设备无关。

设备无关的颜色模型：这类颜色模型是基于人眼对色彩感知的度量建立的数学模型，例如上面提到的CIE-RGB、CIE-XYZ颜色模型，再比如由此衍生的CIE-xyY、CIE-L*u*v、CIE-L*a*b等颜色模型。这些颜色模型主要用于计算和测量。

设备相关的颜色模型：以最长见的RGB模型为例，一组确定的RGB数值，在一个液晶屏上显示，最终会作用到三色LED的电压上。这样一组值在不同设备上解释时，得到的颜色可能并不相同。再比如CMYK模型需要依赖打印设备解释。常见的设备相关模型有：RGB、CMYK、YUV、HSL、HSB(HSV)、YCbCr等。这类颜色模型主要用于设备显示、数据传输等。

下面就对这些颜色模型一一作出解释。

CIE-RGB

正如上面写的，这个模型是由真实的人眼颜色匹配实验得出的模型，RGB分别表示那三个固定波长的光的份量。

CIE-RGB立体色域

CIE-XYZ

上面也有，就是根据CIE-RGB进行变换得到的颜色模型，XYZ分别表示三个假想色的光的份量。通常简写为XYZ颜色模型。

CIE-XYZ的立体色域

CIE-Yxy

该模型由CIE-XYZ衍生得来。其中,, Yxy中的Y表示光的亮度。这个模型投影到x-y平面上即上面的CIE1931-XYZ色度图。其中x、y分量的取值范围是[0,1]。有时该模型也被称作CIE-xyY。

CIE-xyY立体色域

CIE-L*u*v* 和 CIE-L*a*b*

CIE1931-XYZ的模型没有给出测量两个颜色差距(色差)的方法，颜色差距在色度图上也是不均匀的。因此CIE基于CIE-XYZ进行非线性压缩，设计了能在色度图上直接测量色差的均匀色度图，叫做CIE UCS色度图(1960和1976各有一版)，旨在将色彩均匀化。

CIE1976 UCS(uniform chromaticity scale) 色度图

根据CIE UCS色度图，CIE建立了CIE1976-L*u*v*颜色模型，简称CIELUV。其中L*表示亮度，u*、v*是色度坐标。L*取值范围是[0,100]，u*和v*取值范围[0,1]。

CIE-L*u*v*用于自己能发光的光源，例如显示器。

CIE-Luv立体色域图

稍后CIE又跟据CIE UCS色度图建立了CIE1976-L*a*b*颜色模型，简称CIELAB或者Lab。 L*表示亮度，a*、b*是色度坐标(a*是红/绿轴,b*是黄/蓝轴)。L*取值范围是[0,100]，a*和b*取值范围[0,1]。

CIE-L*a*b*用于表示反射、透射的物体的颜色。

CIE-L*a*b立体色域

注意，还有一个颜色模型叫做Hunter1948 L,a,b，是由HunterLab公司制作的。虽然和CIE的Lab模型有些关联，但其实现不一样。一般情况说Lab颜色模型，都是指CIE-Lab模型。

CIE-L*C*h

CIE LCH采用了和CIE L*a*b*相同的颜色空间，但用贴近人认知的方式表达色彩。其中L*表示明度(Lightness,该值定义和Lab模型一样)，C*表示饱和度(Chroma)，h°表示色调(Hue)。C*和h°即用L*a*b*中的a*b*分量换算得到。

CIE L*C*h°立体色域图(该图色域应该和L*a*b*是重合的,可以对比一下)

RGB

最常见的颜色模型，设备相关。三个数值代表R、G、B分量，取值均为[0,255]。

RGB颜色模型( 一般设备的RGB仅能表现CIE-XYZ很少一部分)

通常设备(例如笔记本的液晶显示屏)能表现的色域大概是下面这样。

OSX中ColorCync工具将普通RGB显示到Yxy立体色域中

CMYK、CMY

这个颜色模型常用于印刷出版。CMYK表示青(Cyan)品红(Magenta)黄(Yellow)黑(BlacK)四种颜料。由于颜料的特性，该模型也是与设备相关的。相对于RGB的加色混色模型，CMY是减色混色模型，颜色混在一起，亮度会降低。之所以加入黑色是因为打印时由品红、黄、青构成的黑色不够纯粹。

通常其能表现的色域很小，如下图。

OSX中ColorCync工具将普通CMYK显示到Yxy立体色域中

HSL、HSV

HSL和HSV的颜色模型比较相近，它们用来描述颜色相对于RGB等模型显得更加自然。电脑绘画时，这两个模型非常受到欢迎。

HSL和HSV中，H都表示色相(Hue)。通常该值取值范围是[0°,360°]，对应红橙黄绿青蓝紫-红这样顺序的颜色，构成一个首尾相接的色相环。色相的物理意义就是光的波长，不同波长的光呈现了不同的色相。

HSL和HSV中，S都表示饱和度(Saturation)(有时也称为色度、彩度)即色彩的纯净程度。例如龙袍的金黄色饱和度就比屎黄色高。对应到到物理意义上：即一束光可能由很多种不同波长的单色光构成，波长越多越分散，则色彩的纯净程度越低，而单色的光构成的色彩纯净度就很高。

两个颜色模型不同的就是最后一个份量。

HSL中的L表示亮度(Lightness/Luminance/Intensity)。根据缩写不同HSL有时也称作HLS或HSI(就是说HSL、HLS、HSI是一回事)。

HSV中的V表示明度(Value/Brightness)。根据缩写不同，HSV有时也被称作HSB(就是说HSV和HSB是一回事)。

至于亮度和明度的区别，可以看下面的图。一种纯色的明度是白色的明度，而纯色的亮度等于中灰色的亮度。

下面的图能更好的对比HSL和HSV的区别：在圆柱体外围是纯色(红黄绿蓝紫...)HSL中，这圈纯色位于亮度(L)等于1/2的部位，而在HSV中是在明度(Value)等于1的部位。

将上面的圆柱体裁掉无用的部分，得到的是如下的锥形，就能更明显的看出HSL和HSV的区别了。

YUV、YCbCr(YCC)、YPbPr、YDbDr、YIQ

这些颜色模型大都是用在电视系统、数位摄影等地方。其中的Y分量都表示的是明亮度(Luminance、Luma)。

YUV颜色模型中，U、V表示的是色度(Chrominance/Chroma)。YUV是欧洲电视系统所采用的颜色模型(属于PAL制式)，颜色被分为一个亮度信号和两个色差信号进行传输。

YCbCr(简称YCC)中，Cb和Cr蓝色(blue)和红色(red)的色度。YCbCr是YUV的压缩和偏移的版本。

YPbPr类似YCbCr，与之不同的是，YPbPr选用的CIE色度坐标略有不同。一般SDTV传输的色差信号被称作Cb、Cr，而HDTV传输的色差信号被称作Pb、Pr。

YDbDr也类似YCbCr，同样也是色度坐标不同。YDbDr是SECAM制式电视系统所用的颜色模型。

YIQ。。嗯也和上面的类似。。是用在了NTSC制式的的电视系统里。。

全球电视系统制式分布，PAL用YUV、SECAM用YDbDr、NTSC用YIQ

其他颜色模型

除了上面这些比较常见的颜色模型，其他的颜色模型还有LMS、RYB、RAL等等，比较小众所以懒得查了。。但这其中有一个很有意思的颜色模型：Pantone。

Pantone公司是一家专门开发和研究色彩而闻名全球的权威机构，为各个行业提供专业色彩选择和精确的交流语言。他们最知名的产品当属PANTONE色卡，提供了一系列的标准色。一套PANTONE色卡可不便宜。。如果感兴趣，可以到AppStore上看看PANTONE的作品，There's an App for that...

颜色模型之间的转换

从上面的介绍可以直到，颜色模型通常分为设备相关和设备不相关，转换的时候便有很多不同。

设备相关的颜色模型，例如RGB、CMYK，这样的模型只是规定了一个取值的范围，例如RGB每个分量取值是0-255，则该值如何呈现出光来，是需要具体设备来解释的。这样的颜色模型不会关联到人眼的刺激值的具体值，它们之间的转换相对简单。

设备不相关的颜色模型，例如XYZ、Lab，这样的模型是需要反映真实的可见颜色的，所以他们与设备无关，但是转换时相对较麻烦，需要很多条件。

为了在设备相关、设备不相关的颜色模型间互相转换，一般是以RGB和CIEXYZ作为桥梁进行的，如下图。