从零开始的技术美术之路(六)色彩空间

本篇参考B站视频 “技术美术百人计划”·霜狼_may ;
《Shader入门精要》·冯乐乐女神著;
《数字图像处理》-徐录平编著 科学出版社.2007

本篇主要用于自我复习,如有疑问或发现有什么错误,请多指教~


一.色彩发送

1.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;
  • 人眼接收光线后,人眼细胞产生一系列化学反应;
  • 由此把信号传入大脑,最终大脑对颜色产生认知;

2.光的要素

下图中少了折射
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3.光源

  • 定义: 光源就是产生光的物体。若没有光,我们就无法在黑暗中看到色彩,本质是一种处于特定频段的光子流,光在未进入我们眼睛前,我们对它的认知是一种波长与能量分布;
  • 在实时渲染中,我们通常把光源当成一个没有体积的点,用l来表示它的方向;
  • 在光学里,我们用辐照度(入射表面的辐射通量,单位:瓦特每平方米)来量化光;

4.波长

  • 定义:光理论上讲无限大,只是人眼可见光是局限的。
  • 太阳光在最亮时是白色,然后逐渐变黄色再变红色,蓝色光最亮也是白色,再逐渐变淡蓝再到深蓝色再到暗蓝色;
    从零开始的技术美术之路(六)色彩空间5.能量分布

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  • 定义:我们说光是一种处于特定频段的光子流,光子试穿波粒二象性的,而所有的都携带能量,能量物理学单位是焦耳(视频里是功率,但功率的定义是单位时间内做功的量)
  • 一个光可以是由多个波长组合成起来的波形。在图像处理中可以通过这种方式组成不同滤波,用来去除噪点等。
  • 也就是说我们在阐述色彩用波长就可以,为了保证能简单描述色彩,于是有了分光光度计

6.分光光度计
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  • 定义:分光光度计又称光谱仪用于将成分复杂的光,分解为光谱线,进行定性或定量分析。我们通过分光光度计对区间波长进行感应与测量,最后得知光谱分布,得知光线能量集中在550nm附近
  • 获得的结果:
    (1)拆分光线获得单一波长光;
    (2)测量单一波长光的能量

7.光的传播
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  • 包含直射光,折射光,反射光(光线追踪是用于根据权重计算光线,确定最后进入人眼的颜色的技术);

  • 光通过反射或折射后,部分能量会被物体吸收,在经过多次反射或折射都会或多或少对光的能量分布产生一定影响。简单根据能量分布图,可以得出结论:物体吸收光功率的大部分在600nm左右,即物体吸收的光是黄色与绿色的光;

  • 光由光源发出后,会与一些物体相交,结果要么散射,要么吸收。散射只改变光线的方向但不改变光线密度和颜色,吸收只改变光线密度和颜色不改变方向。散射到物体内部叫折射或透射,散射到外部则称为反射
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二.色彩接收

1.相对亮度感知
在某些阴暗的环境下,点亮一盏灯,此时人眼会觉得很亮。同时点亮1000盏灯,感觉可能只是10倍亮,亮度的认知从0——1再到1——10。
2.人眼HDR

  • 人眼可以分辨出高亮度的云彩不同层次,也可以分辨阴影中不同物体异同。但人眼无法保证两功能同时生效。视频中以摄影为例,通过调整光圈来调整曝光度,而人眼是自动曝光。人眼不能同时分辨最亮和最暗地方的细节。
  • 摄影相关补充: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,三者都会影响曝光值)
  • 人眼明暗:在明亮环境下由锥状细胞工作,阴暗环境下由杆状细胞工作,由亮到暗需要时间久,由暗到亮适应时间较短
  • 人眼视觉特性:
    (1)视觉的空间特性:人眼的空间分别能力为 1 分,灰度分辨能力大约 64 级;
    (2)视觉的时间特征,>15 帧/s,连贯的感觉
    (3)亮度适应能力
    亮度适应现象:人眼通过改变其整个灵敏度来适应非常大的光强变动范围的现象。
    主观亮度:人的视觉系统感到的亮度,是进入眼内的光强度的对数函数。
    (4)马赫带效应:人类视觉系统有趋向于过高或过低估计不同亮度区域边界值的现象。
    (5)同时对比度:人眼睛无法判断出视场中目标物的绝对亮度。因为人类视觉对亮度的主观响应与目标的背景亮度有着密切的关系。
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    (6)空间错觉与假轮廓
    人对物体形状的感知中的另外一个重要现象是错觉。
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    3.人眼感光细胞分布
    人眼简单可以把感知色彩细胞分为两类:杆状和锥状细胞。杆状负责感知亮度,锥状负责感知色彩只要有5~14个光子打到杆状细胞会产生神经信号;
    4.锥状细胞
    专门用于感知颜色,被区分为L,M,S细胞。
    三种细胞负责感知波长不一,L红色区间,M绿色区间,S蓝色区间。
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    5.人眼是光源接收者,作用是接收外部光线输入,输出神经电信号进入大脑。

6.完整微积分公式
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  • C指的是“人眼函数”输出的神经电信号;
  • S(λ)表示LMS三个感官细胞的感知分布;
  • l(λ)表示光源功率谱分布;
  • R(λ)表示反射物体的吸收功率分布;

三.色彩空间历史

1.19世纪色彩猜想
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2.1905Munsell色彩系统
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从零开始的技术美术之路(六)色彩空间3.1931年CIE的RGB Color Specification System
根据测试光,不断调整RGB直到观察者认为两者一样后再记录;
从零开始的技术美术之路(六)色彩空间归一化方式如图中右上角
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4.1931XYZ Color Specification System
从零开始的技术美术之路(六)色彩空间XYZ色彩空间模型图
从零开始的技术美术之路(六)色彩空间从零开始的技术美术之路(六)色彩空间
从零开始的技术美术之路(六)色彩空间色域马蹄图加上亮度后的三维模型
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5.色彩空间定义
至少需满足三项重要指标

  • 色域(三个基色的坐标,由此形成三角形)
  • Gamma(如何对三角形内进行切分)
  • 白点(色域三角形中心)

色域
从零开始的技术美术之路(六)色彩空间白点+色域
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Gamma+白点+色域
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gamma并非色彩空间,只是如何对色彩进行采样的一种方式;
每次对比顶点切割,会发现切割方式不同会导致每次对应色彩不一样,gamma=1即均匀切分,这样好处便于计算。
非均匀切割即gamma≠1

6.sRGB色彩空间

  • 色域:sRGB首先设定了RGB三个基色的坐标;

  • 白点:sRGB也规定了白点位置;

  • gamma:SRGB的gamma设定为≈2.2,即从外而向内切,先切细,再切粗,如下图;
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    7.关于gamma

  • 原因:(1)人眼在计算机上对于暗部细节观察多,而亮部细节观察少;(2)计算机问题,早期性能不行,gamma≈2.2情况下,可以节约资源存储亮部,更多资源存储暗部;

  • 现在PC上大部分游戏推荐线性空间原因在于(1)混合方式(2)计算方式合适

  • 色彩空间如上面所言是根据三个指标定义的,并非定死的,所以可以自定义色彩空间(几乎没人干);

  • 任何色彩空间都可以是Linear线性,也可非线性;


四.常用色彩空间,色彩模型

1.色彩模型
使用一定规则描述(排列)颜色的方法
如:RGB,CMYK,LAB,HSI

  • RGB:一类面向诸如视频监视器,彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。面向硬件设备最常用;RGB模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色,如下图所示。每个点有三个分量,分别代表该点颜色的红、绿、蓝亮度值,亮度值限定在[0,1]

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  • HSI:以彩色处理为目的的应用,如动画中彩色图形,面向彩色处理最常用;H表示色调,S表示饱和度,I表示亮度。
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  • CMYK:印刷工业和电视信号传输,CMYK模式的原色为青色(Cyan)、品红色(Magenta)、黄色(Yellow)和黑色(Black)。
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2.色彩空间
需至少满足三个指标:色域,白点,gamma
如:CIE XYZ,Adobe RGB,sRGB,Japan Color2001 Uncoated,US web Coated(后俩都是基于CMYK模型建立)
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五.色彩空间转换

从零开始的技术美术之路(六)色彩空间


从零开始的技术美术之路(六)色彩空间

色彩空间至少满足色域,白点,gamma三个指标;
人眼可见光的波长范围:400——700纳米

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