攝影中的色彩空間原理 專欄

2021-02-20 牧夫天文

 

可以看到 L 型視錐細胞與 M 型視錐細胞的感光曲線差別很小，實際上這兩種視錐細胞起源於一次基因變異，在這之前人類可都是紅綠色盲呢，多虧這個基因變異，讓人類可以看到更加多彩的世界——這又是一個龐大的話題了，就此打住。

總之，大自然的這千千萬萬種顏色，在人類的眼裡看到，最後傳送到大腦裡的信號，就只有這三種視錐細胞的電信號而已。根據這三種電信號的強弱，大腦解讀成了不同的顏色。這就是三原色理論的生物學依據。

不僅如此，人類眼睛對光線的反應還是 線性 的。根據 格拉斯曼定律（Grassmann's Law），兩束不同顏色的光 C1 和 C2，假設某個視錐細胞對他們的反應分別是 r1 和 r2，現在將他們按照一個比例混合，得到第三種顏色 C3=αC1+βC2，那麼視錐細胞對這個混合顏色的反應也將是前兩個反應的線性疊加 r3=αr1+βr2。

格拉斯曼定律是一個實驗規律，並沒有物理或者生物學上的依據。然而這個規律大大簡化了我們對人類彩色視覺系統的建模，並且給我們使用線性代數理論分析人類彩色視覺系統提供了一個前提和基礎。

 

2 色匹配函數

 

前面已經提到，人類視網膜上有三種感知色彩的視錐細胞，所以理論上我們用三種顏色的光就可以混合出自然界中任何一種顏色來。在 20 世紀 20 年代，David Wright 和 John Guild 各自獨立地領導了一些實驗，通過三種顏色的光源進行匹配，得到了人眼對於不同顏色光的匹配函數。此後，多名科學家多次進行了類似的實驗，加深了我們對人類彩色視覺的認識。

實驗過程大致是這樣的，把一個屏幕用不透光的擋板分割成兩個區域，左邊照射某個被測試的顏色的光線，這裡記為 C （以下用大寫字母表明顏色，用小寫字母表明分量大小），右邊同時用三種顏色的光同時照射，這裡記為 R，G，B。然後，調節右邊三種顏色光源的強度，直到左右兩邊的顏色看上去一樣為止。假設這個時候三種顏色的光源強度分別為 r，g，b，那麼根據光色疊加的線性性質，我們可以寫出

C=r*R+g*G+b*B

也就是說，只要按照 (r,g,b) 的分量來混合 (R,G,B)三種顏色的光，就可以得到 C 這個顏色的光。於是在這一系列實驗裡，科學家們把左邊的顏色按著光譜順序，挨個測試了一遍，得到了純光譜色的混合疊加的數據，這就是 色匹配函數（Color Matching Function） ，並且在這個基準下定義的色彩空間，就是 CIE RGB 色彩空間。下圖是 CIE RGB 的色匹配函數曲線，數據來自 CVLR，我重新繪製。淺色的細線代表實驗中不同參與者個人的色匹配函數曲線，中間深色的粗線代表數據的平均值。

 

CIE RGB 的色匹配函數

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