百人计划学习 图形 2.1 色彩空间介绍

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学习链接：

• 冯乐乐 《UnityShader入门精要》
• 【技术美术百人计划】图形 2.1 色彩空间介绍

色彩发射器

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。由此把产生的信号传入大脑，最终大脑对颜色产生了认知感知。

光的要素

少了反射、折射

1.光源：就是产生光的物体

2.波长

光理论上讲是无限大的，只是我们人眼可见光是有局限的。
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，光在没有进入我们的眼睛前，我们对它的认知是一种波长与能量分布。

3.能量分布

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功率。比如一个光是由多个波长组合起来的波形
人们发明了一个叫做分光光度计的东西

4.分光光度计

我们通过分光之后对区间波长进行了感应与测量，最后得知了光谱的分布最终得知光线额能量集中在了550nm附近（上图中绿色地方）
因此我们获得了：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

棱镜分光：

5.光的传播

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：光线弹来弹去，然后我们根据权重确定光线最后进入眼睛中的颜色
光在反射、折射过程中，物体会吸收能量
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
黑色物体：吸收了所有光
红色物体：吸收了GB，反射了R

色彩接收

1. 相对亮度感知
2. 人眼HDR
3. 人眼感光细胞分布
4. 椎状细胞
5. 人眼本质
6. 完整微积分公式

2.1 相对亮度感知

在某些阴暗的环境下，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10倍的亮度，对亮度的认知相当于从0-1 ，再到1~10.

2.2 人眼HDR

控制曝光：改变光圈大小，亮(光圈小，曝光低)
由弹幕知：以下三个参数都会影响曝光
光圈调整的是单位时间内的进光量
快门控制每一张拍摄底片的感光时间
感光度ISO是传统相机底片对光线反应的敏感程度测量值

人眼
(1)既可以分辨出高亮度的云彩的不同层次区别
(2)还可以分辨出阴影中物不同物体的异同
但是人眼不能保证两个功能同时生效，太亮和太暗无法同时感知

2.3 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的敏感，只要有5~14个光子打到杆状细胞就会产生神经信号
eg: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实在太亮，直接干涉了人眼最敏感的感光细胞

2.4 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了L细胞，M细胞，S细胞。
这三种细胞负责感知的波长不一，如图所示，L感知红色区间，M感知绿色区间，S感知蓝色区间
L-450 M-550 L-600(大概)

2.5 人眼

光源的接收者。他的作用就是接收外部光线输入，输出神经电信号进入大脑。

2.6 微积分

色彩猜想

18**年

猜想：

1. 人们有100多种感受颜色的细胞
2. 人们有三种，分别是RGB三种感色细胞
3. 人们有三种，分别是黑白，红绿，黄蓝感色细胞
   其中的2和3这两种猜想都成为了我们当下的色彩视觉模型，也称之色彩模型

1905年 Munsell色彩系统

Munsell通过很多色卡来描述色彩
没有过多应用在物理科学中，艺术家的理解与归纳
凭借自我主观意识认知与区分色彩就是HSL(色相饱和亮度)

• 下面旋转角度的是色相，Munsell垂直的是亮度，从圆心到外部是Munsell饱和度。
  

1931年

叫CIE的机构在1931年建立了一套色彩系统， 希望完全客观完全物理的量化色彩。

CIE把所有可视波长的光线作为测试光挨个测试了一个遍，最终的到了三条曲线

可以把任何可见光通过图标的一个点的坐标来表示

1931年 XYZ Color Specification System

色域马蹄图，Y表示亮度

用人眼可视范围表示

问题：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，然后左下角部分坐标变化小，但是色彩变化就很快

三维

色彩空间

1. 色域 （三个基色的坐标，由此形成三角形）
2. Gamma （如何对三角形内进行切分）
3. 白点 （色域三角形中心中间点)

色域

（三个基色的坐标，由此形成三角形）
定义点，比如最绿就是图中定义的点

Gamma

• 三角形内部几次切分
• 向着白点方向切割，可以等距，也可以不等距
• 它其实只是如何对色彩进行采样的一种方式
• gamma=1的情况就是指代这样均匀的切分，这样的好处就是方便计算。而非均匀切割的方式就是gamma≠1
• 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，但是计算机储存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远古版本了，所以PC上的大部分游戏都会推荐使用线性空间，包括很多VFX人员都喜欢用Linear线性空间。

sRGB

自定义空间

换一个色域、白点位置、gamma值

常用色彩模型与色彩空间

色彩模型：

使用一定规则描述（排列）颜色的方法

• 色彩模型举例：
  RGB、CMYK、LAB

• 色彩空间举例：​
  CIE XYZ、 Adobe RGB、 sRGB、Japan Color 2001 Uncoated、US web Coated（后两个是基于CMYK模型建立的)
  

色彩空间转换

作业

1. 色彩空间的定义

• 色彩空间： 需要至少满足三个指标：色域、白点、gamma
  1.色域：三个基色的坐标，形成的三角形包括了所有可能的颜色
  2.Gamma：对三角形进行切分，gammma= 1线性切分
  3.白点：色域三角形中间点，最亮的点

2. 人眼可见光的范围是多少？

• 380nm——780nm
  可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分,可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间,但还有一些人能够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁波.