【音视频基础】(五)：CIE颜色空间一之色调、明度和饱和度
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在写图像的时候我们知道，像素构成了图片。那像素是什么？简单来说，它就是一个颜色点。那颜色怎么表示？或者说怎么度量？我们用眼睛感知到的颜色，又如何用数据表示出来呢？
接下来的几篇文章，会按照这个思路进行介绍。
1. 颜色的几个相关术语
在写图像（一）的时候，我们就知道，颜色是我们的视觉系统，对可见光的一种感知结果，感知到的颜色光波的频率决定。
而感知结果是个特别模糊的词，所以国际照明委员会（CIE，记住这个词，后面会经常出现），对这些感觉做出了定义，用颜色的三个特性，来区分颜色，那就是色调、饱和度和明度。这是颜色固有的，截然不同的三个特性。
因为制定的颜色的这三个特性，是按照主观感知结果来制定的，所以应该比较好理解。
1.1 色调
查看上图，色调在颜色圆上用圆周表示，圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度。看右图，它是最容易把颜色区分开的属性。它代表了视觉系统，对一个区域呈现的颜色的感觉。可以用红橙黄绿青蓝紫等词来描述。在术语上，把感知到的色调这种感觉，称为色彩。比如浅蓝、深蓝。黑、白、灰表示无色彩。就像我们常说的，没有色彩的人生。
1.2 饱和度
如图所示，沿半径方向的颜色，具有相同的色调和明度，但他们的饱和度不同。饱和度是用来区别颜色明暗的程度，当一种颜色掺入其他光成分越多时，就说该颜色越不饱和。完全饱和的颜色，是指没有掺入白光所呈现的颜色。
在实例中所示的七种颜色，具有相同的色调和明度，但他们的饱和度不同。左边的饱和度最浅，右边的饱和度最深。
1.3 明度
明度是视觉系统，对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性。比如一支点燃的蜡烛，看起来要比在白炽灯下亮。这个词比较偏重感知，不过可以对比色调和饱和度来理解。色调其实可以理解成我们常说的不同的颜色，而饱和度可以理解成颜色的强度。
它的值用0-10表示，在右侧七种颜色中，它们具有相同的色调和饱和度，但是明度不同。底部的明度最小，顶部的明度最大。
因为明度的主观感觉值无法用物理设备测量，所以CIE后来定义了亮度（luminance），它表示单位面积上反射或发射的光的强度，这是一种可度量的表示方法，了解就行。
1.4 明度和饱和度区分
评论说，关于颜色的饱和度和明度，看了文章之后还是分辨不清楚。恩，我事后深深的想了下，这点确实非常重要，因为明度和饱和度的区分，也是理解接下来颜色空间，以及颜色度量方法发展的关键。
所以接下来我准备用大白话，很明确的区分开颜色的这两个属性，在这里我们首先要明白，CIE制定的颜色的这三个属性，色调、饱和度、明度，他们是完全独立的三个属性，并且在描述一种颜色时，缺一不可。为啥？接下来就明白啦
1.4.1 明度
如果要用一句话来描述明度，那就是天黑了和天亮了~
恩，说到这你可能豁然开朗了吧，如果还不明白，请往下看
如果此刻蓝天白云太阳高照，请朝太阳的方向看，你会发现太阳旁边的天空是白色的。然后逐渐移动你的视线，远离太阳，你会发现天空越来越蓝。如果你身怀特异功能，有一双透视眼，能看到地球另一端，那么你会发现，在太阳光线触及不到的位置，也就是地平线以下，天空慢慢变灰、变暗、然后变黑。
这一过程就是只改变明度，色调和饱和度不变时，颜色的变化。
说到这我们可能明白了，明度不就是光照嘛。没有光，我们啥都看不见。
但是生活中我们可能不会太注意，光可不仅仅是影响看的见看不见这么简单。
就像上面所说的，从没有光到极强光，颜色变化为：黑->暗黑->暗->暗原色->原色->浅原色->白
一如上图：
所以在颜色模型里，我们通常描述明度的变化为，0到10，也就是从黑到灰到白。而且当明度为0，也就是黑色时，任何颜色都是黑色。当明度为10，也就是白色时，任何颜色都是白色。
如果你会用PS，可以新建一个图层，填充颜色为红色，然后把明度从黑移到白，来查看颜色的变化。如下图：
1.4.2 饱和度
说完了明度，再来说饱和度应该就比较好理解了。饱和度通俗的说，可以叫纯度，或者颜色的鲜艳程度。它在半径表示法上的表现就是，从饱和度0%到饱和度为100%的过程。
而当饱和度为0时，我们看到的颜色，也就变成了明度的数值，也即黑白灰。
所以当固定明度为一定数值（为了能看见色彩，不能是0或10）时，饱和度从0%到100%变化的过程，直观的来看，也就是从：一定数值的灰度->灰原色->淡原色->纯原色
也即1.2节示例图：
直白的来说，就是纯红，慢慢加入一定比例数值的灰色，最终变成了灰色。
教材里说完全饱和的颜色，是指没有掺入白光所呈现的颜色。这句话也是正确的，那要怎么理解呢？
首先从颜色的定义来解释，因为颜色是我们对可见光的一种感知，而可见光属于电磁波。如果我们看见的颜色，仅由一种波长的电磁波组成，那它就是完全饱和。
如果更直白一点，就是我们慢慢的加入的一定比例的灰色，其实也是一定比例的白光。
总结
如果在PS上打开拾色器，可以看到下图
这里最左边从下到上，是明度的变化。从右到左，是饱和度的变化。可以看到在图的下方，当明度数值比较低的时候，饱和度的变化，引起的颜色变化很小。
明度和饱和度区分的重要性
要明白这点，首先得明白颜色的应用场合。其实想想也明白，我们都在什么场景下会用到颜色？如果分成两大类，一个就是显示器，另一个，就是印刷品或画画等纸质操作。
显示器就不用说了，它能很好的表现出色调、饱和度、明度等属性，并且我们的显示器，普遍都能调节亮度（明度）、饱和度，甚至对比度，所以能很好的模拟现实场景。而在纸质品上，现实场景的明暗关系，通过将明度转换成从黑到白的颜料，然后在光照下观看，也能很好模拟。
2. 颜色空间
说完了上面这些，为啥又跳到颜色空间了？有这个问题得先弄清楚，为啥CIE要定义颜色的这几个属性，这就像我们在数学上，定义笛卡尔坐标系一样。在二维坐标或者三维空间中，我们定义坐标系，是为了准确的定义，或者找出其中某个点，就像给家家户户上门牌号一样。
而色调、饱和度、明度这几个属性呢，也是为了在颜色空间中，准确的找出是哪一种颜色。
但是有一点，颜色空间由于历史和科学的发展，产生了许许多多颜色空间，来描述颜色。
2.1 颜色空间和颜色模型有啥关系？
它们互为同义词，说白了，它们是一个东西，只不过在不同的场合，叫法不一样而已。
颜色空间多数应用在数学场景下，通常用三维模型来表示，也就是代表三个参数的三维坐标来指定，它描述了颜色在颜色空间中的位置。而这三个参数，并没有直白的说明是什么颜色，这得取决于它的坐标。意思是你得拿着坐标，到颜色空间中找到它，才知道是啥颜色。
例如HSB/HSV（hue, saturation, brightness/value）颜色空间，它直接用色调、饱和度、明度作为坐标轴。色调用角度标定，红色为0度，青色为180度，饱和度用半径大小表示，明度用垂直轴表示。这种颜色空间，现在应该很熟悉了
2.2 颜色空间的分类
颜色空间有设备相关和设备无关之分
因为颜色的视觉效果，是基于设备和材料的。当设备和材料改变时，对应的颜色效果就会发生变化。所以我们称这样的颜色空间，为设备相关颜色空间，如RGB和CMYK颜色空间。当不同呈色模式的设备来表现同一颜色时，对应的颜色数值是不同的。
而如在HSB的基础上，建立起来的CIE L*a*b*颜色空间（后面会讲），直接用一组数值来模拟人类的颜色视觉，而不是使用一组所需要的数值去驱动一个特定设备来生成颜色，其色彩数值与设备无关，所以这样的颜色空间称为设备无关颜色空间。