摘要：本文根據(jù)色彩的光學(xué)原理、生物學(xué)反應(yīng)特性、在顯示設(shè)備上的顯示和紙介質(zhì)上的打印輸出方式，引入色彩空間的概念，通俗地解釋了色彩在計算機(jī)顯示器上的應(yīng)用、設(shè)備相關(guān)性、在操作系統(tǒng)中的處理方式，以及圖形圖像處理中基于色彩空間和顏色模式的原理。

關(guān)鍵詞：色彩空間；圖形圖像處理；顏色管理

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）21-0089-06

彩色顯示器的出現(xiàn)，從圖像顯示、圖形處理、界面設(shè)計、打印輸出等各個方面和領(lǐng)域，影響著計算類終端設(shè)備的使用體驗。因此，在操作系統(tǒng)中，顏色管理也成了一項必須具備的功能。

色彩的顯示在原理上基本遵循三原色的理論，但在顯示、調(diào)節(jié)、輸出等各個環(huán)節(jié)，可能會通過不同的控制參數(shù)和變量來進(jìn)行，從而出現(xiàn)各種不同的色彩空間，以更精細(xì)地適應(yīng)不同的場合。

下面，筆者從色彩感受的生物學(xué)原理開始，一起探索顯示終端上色彩的空間范圍和系統(tǒng)中對顏色的管理。

色彩的生物學(xué)原理

“三原色”的色彩顯示理論，是基于光學(xué)實驗中光的色散結(jié)果得出的科學(xué)結(jié)論，但是顯示的結(jié)果和人眼看到的結(jié)果未必一致。同一顏色，動物與人看到的結(jié)果也不一定相同，因為有些動物是色盲，或者感光細(xì)胞不同。人類在早期也是紅綠色盲，后來進(jìn)化到可以分辨自然界中豐富的色彩。但是，人類眼睛視網(wǎng)膜所能感受到的色彩與顯示器中按照RGB三原色所呈現(xiàn)的效果是否能夠吻合呢？紅綠藍(lán)這三種原色的表達(dá)是否符合人眼的生物學(xué)特性？

根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，大部分人視網(wǎng)膜上有三種感光細(xì)胞（視錐細(xì)胞），稱為L型、M型、S型細(xì)胞，分別對不同波長的光線敏感。三種視錐細(xì)胞最敏感的波長分別是橙紅色（長波）、綠色（中波）、藍(lán)色（短波），這三種視錐細(xì)胞的歸一化感光曲線如下頁圖1所示。

三種視錐細(xì)胞的敏感波長，正好分別位于紅綠藍(lán)三原色的波長范圍內(nèi)，其中L型視錐細(xì)胞與M型視錐細(xì)胞的感光曲線差別很小，但已經(jīng)有了明顯的區(qū)分度，從而使人類告別了紅綠色盲，看到更加多彩的世界。

人眼看到的顏色，是光線進(jìn)入眼睛，刺激視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞（分辨顏色）和視桿細(xì)胞（分辨明暗）產(chǎn)生信號，大腦在接收信號后形成的一種感覺。顯示器上的三原色，在經(jīng)過混合之后，折射到視網(wǎng)膜，經(jīng)過三種視錐細(xì)胞轉(zhuǎn)換成電信號，通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦，大腦再根據(jù)這三種電信號的強(qiáng)弱，解讀成不同的顏色，這就是色彩經(jīng)過人眼處理的生物學(xué)原理。

根據(jù)格拉斯曼定律（Grassmann's Law），色光的混合符合加法混色原理，并且是線性相加的。如果選RGB三種單色光作為基色，先用強(qiáng)度為（r1，g1，b1）的RGB混合成顏色C1，用強(qiáng)度為（r2，g2，b2）的RGB混合成顏色C2，再把C1和C2混合得到顏色C3，效果與（r1+r2，g1+gr2，b1+b2）的RGB直接混合出C3是一樣的，視錐細(xì)胞對這個混合顏色的反應(yīng)也將是前兩個反應(yīng)的線性疊加。通過實驗，RGB三原色混合出來的顏色和連續(xù)光譜上對應(yīng)的顏色在人眼的感覺中是一樣的。

色匹配函數(shù)

在直覺上，顏色給人眼帶來的感受包括亮度（Luminance）和色度（Chromaticity），其中色度又可以進(jìn)一步用色調(diào)（Hue）和飽和度（Saturation）來描述，那么，在計算機(jī)中最直觀的調(diào)色方式就是通過色調(diào)（H）、飽和度（S）和亮度（L）來表示，即HSL顏色模式，如MSOffice軟件HSL選色器和Cinema 4D的HSV選色器。以紅色色調(diào)為例，當(dāng)HSL中飽和度（鮮艷程度）S最高時，亮度L從黑到紅再到白，HSV中V（Value）的范圍只有L的一半，從黑到紅。

在物理學(xué)上用光譜來描述光，建立光的“波長-強(qiáng)度”圖譜。光譜強(qiáng)度對應(yīng)亮度，波長對應(yīng)色調(diào)（短波為藍(lán)色，長波為紅色），形狀對應(yīng)色度，最終光譜形狀由各種波長的單色光強(qiáng)度比例決定，顏色色度由各種色相的亮度比例決定（色度與亮度相對分離），如圖2所示。

這樣比較一下，人眼直覺的亮度和色度如果直接用于計算機(jī)，就無法滿足加法運算規(guī)則，如“色調(diào)為0的紅色+色調(diào)為90的綠色”，顯然不等于色調(diào)為90的綠色。這樣不如RGB三原色靈活地進(jìn)行加法混色運算方便，但是每個波長的光需要用多少RGB的值來表示呢？

為解決這個問題，David Wright和John Guild在1928年和1931年各自獨立地進(jìn)行了一些實驗，通過三種顏色的光源進(jìn)行匹配，得到了人眼對不同顏色光的色匹配函數(shù)（Color Matching Function），其函數(shù)曲線如圖3所示。

但是在圖3中，出現(xiàn)了負(fù)值。例如，波長500nm的位置，紅色是負(fù)數(shù)，這實際上是不可能的，當(dāng)紅色是正數(shù)時，紅綠藍(lán)怎么配合都擬合不出來這個波長的顏色。但是如果把這部分紅色的負(fù)值理解為反方向，也就是把相應(yīng)量的紅色加到500nm波長的顏色上，那么混合的結(jié)果正好等于相應(yīng)綠色和藍(lán)色混合的結(jié)果。負(fù)值的意義正在這里。

負(fù)值的出現(xiàn)，在使用和計算上都很不方便，為此需要對這個匹配函數(shù)進(jìn)行線性變換，映入到一個所有分量都是非負(fù)值的空間中，如下頁圖4所示。這樣就完美實現(xiàn)了色彩空間變量的匹配。

色域與色彩空間

變換后的色彩空間就是CIE XYZ色彩空間。CIE是國際照明委員會（Commission Internationale de l'éclairage）的法語簡稱。

“色彩空間”（Color Space）又稱“色域”，是指色彩學(xué)中通過色彩模型以空間坐標(biāo)來定義的色彩范圍。我們經(jīng)常用到的色彩空間主要有RGB、CMYK、Lab等。

色彩是人的眼睛對不同頻率的光線的不同感受，是對客觀存在的主觀感知，因而有認(rèn)識差異。人類對色彩的認(rèn)識經(jīng)歷了極為漫長的過程，直到近代才逐步完善起來，但對色彩的準(zhǔn)確表述仍較為困難，造成許多概念不好理解。我們可以從線性空間的角度來理解色彩空間。

以CIE XYZ色彩空間為例，它是從CIE 1931 RGB色彩空間變換而來，變換的原因前面已經(jīng)述及。由于RGB色匹配函數(shù)中有負(fù)數(shù)部分，色度圖的坐標(biāo)相應(yīng)也出現(xiàn)負(fù)數(shù)，這樣不僅是反直覺的，而且不方便計算，需要做進(jìn)一步的數(shù)學(xué)變換，使得所有坐標(biāo)均為非負(fù)。實現(xiàn)起來較簡單的方法就是替換原來的紅（700nm）、綠（546.1nm）、藍(lán)（435.8nm）三原色，用虛擬的三個顏色XYZ作為空間的基準(zhǔn)，CIE經(jīng)過測試和計算確定了兩個色彩空間之間的轉(zhuǎn)化矩陣，如圖5所示。

在把RGB色彩空間上的每一點都進(jìn)行線性變換之后，所有負(fù)值都拉成了正值，色度圖也從扁平的馬蹄形拉成了常見的三角馬蹄形。

虛擬的XYZ三原色在色坐標(biāo)中落在可見光范圍之外，但混合之后卻可以表達(dá)出人眼所有可見的顏色，并保證每個分量都是正值。而且用Y來控制亮度，可以在光度學(xué)與色度學(xué)之間建立關(guān)聯(lián)，這是一個很方便的線性空間，與具體設(shè)備無關(guān)，這個性質(zhì)使CIE XYZ色彩空間成為各種色彩空間之間轉(zhuǎn)換的中繼站。目前，所有的色彩空間幾乎都是CIE XYZ的線性變換描述，常用的色彩空間有如下幾種。

1.RGB色彩空間

RGB是通過紅綠藍(lán)三原色來描述顏色的色彩空間，是圖像處理中最基本、最常用的面向硬件的色彩空間。RGB色彩空間的分量與亮度密切相關(guān)，只要亮度改變，3個分量都會隨之相應(yīng)改變。所以，RGB色彩空間適合于顯示系統(tǒng)，卻并不適合于圖像處理。

RGB色彩空間都可以用三個坐標(biāo)表示，但是不同的RGB色彩空間如sRGB、Apple RGB等空間里相同位置坐標(biāo)代表的顏色是不同的，色域也不一樣（如圖6）。

sRGB（standard RGB）是由微軟和惠普于1997年聯(lián)合制訂的色彩空間標(biāo)準(zhǔn)，為了適應(yīng)更多的設(shè)備，它的色域范圍非常小，是常用色彩空間中最小的，甚至不能完全覆蓋各種CMYK色彩空間的色域，不建議專業(yè)的印前用戶使用。目前，sRGB是網(wǎng)絡(luò)和多數(shù)顯示設(shè)備的標(biāo)配，能夠應(yīng)對大多數(shù)場景，色域雖然相對較窄，但在多數(shù)設(shè)備上都能提供一致的顏色表現(xiàn)。從網(wǎng)絡(luò)獲取的.png和.jpg圖片一般都是sRGB模式，在Photoshop和Illustrator中導(dǎo)出圖片時默認(rèn)也是sRGB模式。消費級顯示屏（包括手機(jī)屏幕），大多也都只支持sRGB的色彩范圍，如果是做圖像處理的顯示器或者筆記本，會對顯示器的色域有更高的要求，但同時也要看顏色的準(zhǔn)確度ΔE。

Adobe RGB是由Adobe于1998年開發(fā)的色彩空間標(biāo)準(zhǔn)，目的是盡可能在CMYK彩色印刷中利用計算機(jī)顯示器等設(shè)備的RGB顏色模式上囊括更多的顏色。Adobe RGB的色域比sRGB大很多，并且能完全覆蓋sRGB，也幾乎能完全覆蓋CMYK色彩空間。

ProPhoto RGB是柯達(dá)公司制訂的色彩空間標(biāo)準(zhǔn)，常用于高端相機(jī)，也是Adobe Lightroom的默認(rèn)色彩空間。由于ProPhoto RGB的三原色定義是在人眼識別范圍外的顏色，所以它的色域非常大，覆蓋了90%的CIE Lab的色域，甚至部分超出了CIE Lab，這也為攝影和后期提供了相當(dāng)大的處理空間。

RGB色彩空間有兩個關(guān)鍵參數(shù)，即白色和三個基底的顏色。確定好這兩個參數(shù)，從CIE XYZ空間到設(shè)備的RGB空間的轉(zhuǎn)換就確定了。例如，sRGB空間和Adobe RGB空間的區(qū)別就在于這兩個關(guān)鍵參數(shù)的定義不同。

RGB色彩空間是與設(shè)備相關(guān)的，為了讓不同設(shè)備的RGB給人眼的感覺一樣，就需要校準(zhǔn)，進(jìn)行設(shè)備無關(guān)的色彩空間（如CIE XYZ）到設(shè)備相關(guān)的色彩空間的轉(zhuǎn)換。因為這是個線性變換，所以用一個旋轉(zhuǎn)矩陣加上一個白色基準(zhǔn)點就可以確定所有變量，最后再進(jìn)行伽瑪修正。

2.CMYK色彩空間

CMYK色彩空間即印刷四分色色彩空間，是一種依靠反光的色彩模式，在彩色印刷時采用。印刷三原色為青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（Yellow），顏料混合是減色模式，混合后為深灰色，并不能產(chǎn)生黑色，所以還需要加上黑色（blacK），這就是CMYK顏色模式。CMYK的色域與sRGB很接近但并不重合，如果圖片用途是大規(guī)模印刷出版，那工作空間應(yīng)該選擇CMYK模式。如果既要印刷又要在網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)，那應(yīng)該選擇使用兩者重疊的顏色，否則會在色彩轉(zhuǎn)化時丟失顏色，出現(xiàn)屏幕顯示不正?；蛘叽蛴≥敵霾徽！?/p>

CMYK色彩空間也有很多種。例如，美國印刷業(yè)制訂的US web Coated（SWOP），是美國地區(qū)的Photoshop默認(rèn)的CMYK色彩空間；日本印刷業(yè)協(xié)會制訂的Japan Color 2001 Coated，是亞太地區(qū)Photoshop默認(rèn)的CMYK色彩空間。此外，還有Japan Color 2001 Uncoated、Japan Color 2002 Newspaper等色彩空間適用于不同的印刷紙張和工藝。

3.Lab色彩空間

Lab色彩空間一般是指CIE Lab模型，它由三個要素組成，分別是亮度（L），以及兩個顏色通道a和b。當(dāng)亮度從低到高時，a的顏色是深綠色→灰色→亮粉紅色，b的顏色是亮藍(lán)色→灰色→黃色。因此，這種顏色混合后將產(chǎn)生具有明亮效果的色彩。

Lab模式所定義的色彩最多，并且與光線和設(shè)備無關(guān)，處理速度比CMYK模式快很多，與RGB模式同樣快，在轉(zhuǎn)換成CMYK模式時色彩沒有丟失或替換，可以放心大膽地在圖像編輯中使用。當(dāng)然，最好是用Lab模式編輯圖像，再轉(zhuǎn)換為CMYK模式打印輸出。

4.HSL、HSV和HSB色彩空間

HSL和HSV都是將RGB色彩模型中的點在圓柱坐標(biāo)系中標(biāo)出的表示法。這兩種表示法比RGB基于直角坐標(biāo)系的幾何結(jié)構(gòu)更加直觀，在上文色匹配函數(shù)的內(nèi)容中已經(jīng)描述過。

HSB色彩模式是基于人眼的一種顏色模式，是普及型設(shè)計軟件中常見的色彩模式，其中H代表色相，S代表飽和度，B代表亮度。Photoshop中的拾色器和“色相飽和度”命令用的就是HSB模型。

當(dāng)然，色彩空間還有很多種，這里不再一一贅述。在色彩表達(dá)范圍上，首推Lab模式，其次是RGB模式和CMYK模式。更大的色彩空間往往不是用于顯示色彩，而是用于圖片編輯，如AdobeRGB。數(shù)碼相機(jī)可以通過感光元件捕捉到圖片并以這個模式保存，較大的色彩空間可能允許做更多的圖像修改工作而不遇到顏色邊界，編輯完成的圖像需要再轉(zhuǎn)化為色彩范圍較小的sRGB模式發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。更大色域的ProPhotoRGB包含的顏色甚至超出了人眼可見的范圍。

在網(wǎng)頁設(shè)計中，通常用六位十六進(jìn)制代碼來表達(dá)顏色，每兩位一組，分別代表紅、綠、藍(lán)三個基色通道的強(qiáng)度。例如，當(dāng)RGB全為最大值時是白色，表示為#FFFFFF，黃色表示為#FFFF00。HTML顏色代碼可表達(dá)的最大顏色數(shù)只有256×256×256=16，777，216種。

如果用CSS（層疊樣式表）在網(wǎng)頁中表示顏色，可以更加靈活，除了用147個顏色名稱值（如black、white）和“#顏色代碼”外，還支持函數(shù)方式，不僅支持RGB模型，也支持HSL模型。例如，“color：red”“rgb（255，0，0）”“hsl（0，100%，50%）”都表示紅色。

類函數(shù)rgba（）和hsla（）還加上了透明度參數(shù)a（alpha值）。rgb（255，0，0，0.5）中的4個參數(shù)分別為紅綠藍(lán)通道的十進(jìn)制值和透明度的百分值，hsla（0，100%，50%，1）中的4個參數(shù)分別為色相H、飽和度S、亮度L和透明度A。

顏色管理

色彩空間在計算機(jī)上的應(yīng)用有兩個方向：一是硬件上，顯示設(shè)備、打印和印刷設(shè)備等；二是軟件上，將色彩空間和配置方案寫在圖像文件里（ICC配置文件）。

在談到ICC配置文件之前，先看一下Windows系統(tǒng)中一個常見的圖片不能正常顯示的問題。在使用Windows照片查看器打開圖片時，有時會提示“Windows照片查看器無法顯示此圖片，因為計算機(jī)上的可用內(nèi)存可能不足，請關(guān)閉一些目前沒有使用的程序或者釋放部分硬盤空間（如果硬盤幾乎已滿），然后重試”。這時如果按照系統(tǒng)提示清理內(nèi)存和硬盤，是解決不了問題的，因為這一般并非內(nèi)存或硬盤的問題，而是由圖像中內(nèi)嵌了ICC配置文件信息，Windows照片查看器不能正確讀取造成的。

由于每個顯示設(shè)備采用的技術(shù)可能不同，所以色彩空間會有些差異。當(dāng)圖像文件的色彩空間和顯示器一樣時，數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過空間轉(zhuǎn)化即可正確顯示顏色。如果二者不一致，則計算機(jī)需要讀取圖片所在的色彩空間和顯示器的色彩空間，把數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)化后才能正常顯示。不同的RGB空間所能表示的顏色范圍是不一樣的，即使是同樣的RGB分量，在不同的RGB空間中所代表的顏色也是不一樣的。所以，在描述一個RGB顏色時，不僅需要描述它的RGB三個分量，還要說明是在哪個空間，這就是ICC文件的作用。

ICC（International Color Consortium）配置文件是國際色彩聯(lián)盟提出的，用來標(biāo)識輸入輸出設(shè)備顏色特性的數(shù)據(jù)文件。ICC配置文件可以嵌入圖像中以指明數(shù)據(jù)的色域范圍，確保用戶在不同設(shè)備上都能看到相同顏色。

如果用Photoshop查看不正常圖片的色彩配置文件類型，就會發(fā)現(xiàn)可能不是Windows照片查看器直接支持的sRGB模式。例如，蘋果手機(jī)拍攝的照片，可能是Display P3模式的色彩空間。解決的辦法就是修改系統(tǒng)的顏色管理選項。在Windows設(shè)置中搜索“顏色管理”，打開后單擊“高級”選項卡，將設(shè)備配置文件改為“Agfa：Swop Standard”即可。也可以修改注冊表文件，或者直接將下頁圖7的文本內(nèi)容保存為.reg文件，雙擊導(dǎo)入注冊表。這樣處理的結(jié)果，照片查看器可以正?？磮D了，但是卻又造成無法打印這類圖片，而恢復(fù)注冊表相應(yīng)內(nèi)容為默認(rèn)即可正常打印。

為什么打印和顯示不兼顧，看一下系統(tǒng)ICC配置文件的設(shè)置就會明白，顯示器和打印機(jī)使用了不同的ICC配置文件，如圖8所示。

用reg文件來回切換，還是不方便，可以使用“Microsoft照片”應(yīng)用程序來替代照片查看器，或者使用功能更強(qiáng)大的第三方圖片查看軟件，如iSee、ACDSee等，徹底解決圖片顯示和打印問題。

Windows系統(tǒng)支持ICC等多種顏色配置文件格式，這些配置文件描述了特定設(shè)備（如顯示器、打印機(jī)、掃描儀等）的顏色特性。不同設(shè)備可能有不同的顏色表現(xiàn)能力，顏色配置文件可以幫助系統(tǒng)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換顏色，以確保在不同設(shè)備上顯示的顏色盡可能一致。但是各軟件在相互配合時，還是會出現(xiàn)不匹配的情形。例如，廣告設(shè)計部門，其作品是要印刷輸出的，必然會在CMYK色彩空間下工作，導(dǎo)出的效果圖片常常是CMYK模式的，在屏幕上查看時會與設(shè)計效果有顏色偏差。而且，當(dāng)這樣的圖片插入圖文混排的文檔中后，編輯瀏覽狀態(tài)下顯示正常，當(dāng)導(dǎo)出為PDF文檔用于流轉(zhuǎn)時，可能會出現(xiàn)圖片變?yōu)槿诘那闆r（取決于不同的軟件和PDF生成方式，如直接導(dǎo)出、轉(zhuǎn)換格式、虛擬打印等），甚至在預(yù)覽狀態(tài)下顯示正常，打印到紙張上卻是一片黑色，這時往往需要更新打印機(jī)驅(qū)動程序，也就是由設(shè)備廠商提供解決方案。

由于sRGB是目前屏幕顯示的“事實標(biāo)準(zhǔn)”，大多數(shù)屏幕所支持的色彩空間都在sRGB內(nèi)，當(dāng)圖片主要用于網(wǎng)絡(luò)交流時，建議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到sRGB進(jìn)行保存。畢竟，相較于不能支持或嚴(yán)重失真，輕微的顏色偏差更能接受。

結(jié)語

最后需要說明的是，“色彩”是人類大腦對光線的一種主觀感覺，因為是主觀的，有時這種感覺會與實際情形有些出入，其不一樣的感覺可能是由于相鄰顏色的對比和心理影響造成的。