计算机色彩知识调研（一）：色域

1. 什么是色域

在计算机图形学中，色域是指一个技术系统能够产生的颜色的范围总和，是颜色空间的某个完全的子集。

 

2. 人眼的色域

就目前而言，人眼的色域比大多数设备的标准色域要宽广得多。（其实也很好理解，人眼都看不到的颜色，设备要显示它干嘛呢？）

所以，通常会用人眼的色域作为基准，将人为定制的“色域标准”都被摆在上面表示。那么，人眼的色域是怎么表示的呢？

国际照明委员会（CIE）在1931年画了个图：

图1 CIE 1931 xy色度图

 

在图1中，x表示红色分量，y表示绿色分量，蓝色分量可以用（1-x-y）推算得出；中间的E点代表白光，它的坐标为（0.333, 0.333）。环绕在颜色空间边沿的颜色是光谱色（或称光谱色），边界代表光谱色的最大饱和度，边界上的数字表示光谱色的波长。所有单色光都位于舌形曲线上，这条曲线就是单色轨迹，曲线旁标注的数字是单色光的波长值；自然界中各种人眼可见的颜色都位于这条闭合曲线内。

后来，CIE的专家们为了解决颜色空间的感知一致性问题，对CIE 1931 xy系统进行了非线性变换，与1976年推出了两种颜色空间，用于自照明颜色空间的CIE 1976 u’v’和用于非自照明颜色空间的CIE 1976 a*b*；这两个颜色空间与颜色的感知更均匀，并且给了人们评估两种颜色近似程度的一种方法，允许使用数字量ΔE表示两种颜色之差。具体如图2所示，这几种图之间可以自由地进行相互转换。

图2 CIE 三种坐标系的对比

 

尽管如此，目前业内使用最为广泛的还是CIE 1931年的这一款。

 

3. 色彩标准的演进史

图3 主要的色彩标准出现的时间轴

 

20世纪50年代以来，计算机与显示设备制造技术飞速发展。色彩的旧标准还未及衰落，新标准就匆匆登上了历史的舞台；加之色彩在不同的使用领域各有其要求，人为制定的色彩标准用“混乱”二字形容并不为过。

这里要注意一下，色彩标准通常包含了多项规定，色域只是其中的一项。

 

3.1 模拟电视色彩标准

在模拟电视当道的时代，NTSC、PAL和SECAM三大制式称雄一时。

北美、日本采用NTSC （美国国家电视系统委员会），常被人提到的“NTSC 色域”也称“NTSC1953色域”，也就是NTSC在1953年制定的这一彩色电视色域标准。

我国和欧洲的模拟电视则采用PAL标准，其色域和SECAM 一样，都是 EBU（欧洲广播联盟）色域。

图4 NTSC(100%)标准和sRGB标准（Rec.709/HDTV）的色域对比

（100% sRGB ≈ 72% NTSC）

 

 

3.2 高清电视、PC机、专业图像处理色彩标准

高清电视，一般指HDTV，HDTV是High Definition Television的简称，其称呼源自于DTV（Digital Television）“数字电视”技术。HDTV技术和DTV技术都是采用数字信号，而HDTV技术则属于DTV的最高标准，拥有最佳的视频、音频效果。HDTV使用的色域标准是Rec.709。

到了PC机时代，就不得不提微软，色彩标准的制定也不例外。

此时期最重要的色彩标准，sRGB（standard Red Green Blue）就是由微软主导制定的。sRGB代表了标准的红、绿、蓝，即CRT显示器、LCD面板、投影机、打印机以及其他设备中色彩再现所使用的三个基本色素。

1996年，微软联合惠普、三菱、爱普生等厂商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，绝大多数的数码相机、数码摄像机、扫描仪、打印及投影成像设备等，都支持了sRGB标准；唯独没有全面普及的就是显示器。直到如今，这一标准仍然是互联网媒体内容的绝对主流。

除sRGB标准之外，在1998年，以开发Photoshop软件而闻名的美国公司Adobe推出了AdobeRGB色彩标准；它拥有比sRGB更为宽广的色彩空间，提供了比sRGB更宽广的色彩范围，能够覆盖CMYK色域，一般用于印刷出版、图片处理等领域，可选择性采用，印刷产品的显示效果更佳。

 

图5 AdobeRGB、sRGB和CMYK的色域对比

 

从图5中可以看出，AdobeRGB色域比sRGB色域在绿色区域内有明显的扩大，也就是说，AdobeRGB在青绿色色系上的显示能力有所提升。

到了这里，也许有人会问，为什么sRGB和AdobeRGB色彩空间标准的色域会有这样的差别？ 它们的标准有什么不同的地方？

简单来说，不同RGB色彩空间标准的色域不同，是因为其定义的纯色位置不同。RGB表示红、绿、蓝色，但是，具体的纯红色、纯绿色、纯蓝色到底是什么色呢？这就必须要有个标准来界定什么颜色才是纯色。

sRGB认为，在CIE 1931中，纯红色位于[0.6400, 0.3300]、纯绿色位于[0.3000, 0.6000]、纯蓝色位于[0.1500, 0.0600]、白色是位于[0.3127,0.3290]的D65。

而AdobeRGB则认为，纯红色位于[0.6400, 0.3300]、纯绿色位于[0.2100, 0.7100]、纯蓝色位于[0.1500, 0.0600]、白色是位于[0.3127,0.3290]的D65。

这里也就可以理解，之所以AdobeRGB的色域在青绿色色系上的显示效果比sRGB有所提升，是因为这二者对纯绿色的定义有所不同。

 

3.3 数字影院、超高清电视色彩标准

进入21世纪后，处理设备、显示设备的性能进一步提升，人们对于色彩、图片细腻度的要求也在不断提高。

米高梅、迪士尼、华纳、环球、20世纪福斯和索尼影业等多家美国影业巨头于2002年联合成立了数字电影联合组织[Digital Cinema Initiatives]，旨在推动建立美国数字电影行业的色彩技术标准。该组织于2005年推出了DCI-P3这一广色域标准，这一标准也是目前数字电影回放设备的色彩标准之一。

图6  DCI P3、AdobeRGB、sRGB的色域（CIE 1931色度图）

 

Rec 2020（ITU-R BT.2020）是为超高清（4K,8K）电视所定的色彩空间标准，它的第一个版本于2012年8月23日在国际电信联盟（ITU）网站上发布，此后又发布了两个版本。Rec 2020是目前显示设备中最大的色彩空间，覆盖了CIE 1931的75.8%，而Rec 709（sRGB）的色域仅覆盖了CIE 1931的33.3%。Rec 2020的RGB色域参数如图7所示：（数据来源 wikipedia.org）

图7  Rec 2020的色域参数

 

Rec 2020与Rec 709（sRGB）的色域对比（CIE 1931色度图）如图7所示：

图8  Rec 2020与Rec 709的色域（CIE 1931色度图）

 

4. 什么是广色域

“广色域”一词一般常被用来作为显示器产品的卖点之一。

色域，是体现一款显示器色彩表现能力的关键要素，而广色域，则说明该显示器能够显示的色彩范围广，色彩表现力更强。广色域是显示器（屏）能够被称为“好”的关键要素之一。

众所周知，液晶显示器的面板本身并不发光，而是必须透过背光的光线才能够显示画面。无论是台式LCD、还是笔记本屏幕主要使用的背光源CCFT(Cold Cathode Fluorescent Tube，冷阴极荧光灯)，因为它们在萤光材质上的限制，红光呈现能力偏弱，加上所搭配的彩色滤光片的混色效果较差，最终呈现的色域占比不佳，导致主流的LCD监视器或电视在色域呈现能力上不足，色域范围只有NTSC标准的65%～75%左右。所以，一般来说，能够达到72% NTSC色域（≈100% sRBG色域）的显示器就可以被称为显示能力“好”的显示器了。

目前市场上的主流显示屏中，1000元左右的台式显示器一般就已经能达到72% NTSC色域显示了；而笔记本屏幕显示性能则相对较差，还存有大量的45% NTSC色域的“差屏”。

如果严格按照显示器的行业标准，只有达到了92% NTSC的显示器才能被称为专业级广色域显示器。而在实际生活中，各家厂商为了宣传噱头，约定俗成的标准是80% NTSC左右的屏幕即可被称为广色域显示器；更有甚者，还会以达到72% NTSC / 99% sRGB来作为广色域宣传。