计算机色彩知识调研(一):色域

1 色域

1.1 什么是色域

在计算机图形学中,色域是指一个技术系统能够产生的颜色的范围总和,是颜色空间的某个完全的子集。

1.2 人眼的色域

就目前而言,人眼的色域比大多数设备的标准色域要宽广得多。(其实也很好理解,人眼都看不到的颜色,设备要显示它干嘛呢?)

所以,通常会用人眼的色域作为基准,将人为定制的“色域标准”都被摆在上面表示。那么,人眼的色域是怎么表示的呢?

国际照明委员会(CIE)在1931年画了个图:

图1 CIE 1931 xy色度图.png

在图1中,x表示红色分量,y表示绿色分量,蓝色分量可以用(1-x-y)推算得出;中间的E点代表白光,它的坐标为(0.333, 0.333)。环绕在颜色空间边沿的颜色是光谱色(或称光谱色),边界代表光谱色的最大饱和度,边界上的数字表示光谱色的波长。所有单色光都位于舌形曲线上,这条曲线就是单色轨迹,曲线旁标注的数字是单色光的波长值;自然界中各种人眼可见的颜色都位于这条闭合曲线内。

后来,CIE的专家们为了解决颜色空间的感知一致性问题,对CIE 1931 xy系统进行了非线性变换,与1976年推出了两种颜色空间,用于自照明颜色空间的CIE 1976 u’v’和用于非自照明颜色空间的CIE 1976 ab;这两个颜色空间与颜色的感知更均匀,并且给了人们评估两种颜色近似程度的一种方法,允许使用数字量ΔE表示两种颜色之差。具体如图2所示,这几种图之间可以自由地进行相互转换。

图2 CIE 三种坐标系的对比.png

尽管如此,目前业内使用最为广泛的还是CIE 1931年的这一款。

1.3 色彩标准的演进史

图3 主要的色彩标准出现的时间轴.png

20世纪50年代以来,计算机与显示设备制造技术飞速发展。色彩的旧标准还未及衰落,新标准就匆匆登上了历史的舞台;加之色彩在不同的使用领域各有其要求,人为制定的色彩标准用“混乱”二字形容并不为过。

这里要注意一下,色彩标准通常包含了多项规定,色域只是其中的一项。

1.3.1 模拟电视色彩标准

在模拟电视当道的时代,NTSC、PAL和SECAM三大制式称雄一时。

北美、日本采用NTSC (美国国家电视系统委员会),常被人提到的“NTSC 色域”也称“NTSC1953色域”,也就是NTSC在1953年制定的这一彩色电视色域标准。

我国和欧洲的模拟电视则采用PAL标准,其色域和SECAM 一样,都是 EBU(欧洲广播联盟)色域。

图4 NTSC(100%)标准和sRGB标准(Rec.709/HDTV)的色域对比.png

(100% sRGB ≈ 72% NTSC)

1.3.2 高清电视、PC机、专业图像处理色彩标准

高清电视,一般指HDTV,HDTV是High Definition Television的简称,其称呼源自于DTV(Digital Television)“数字电视”技术。HDTV技术和DTV技术都是采用数字信号,而HDTV技术则属于DTV的最高标准,拥有最佳的视频、音频效果。HDTV****使用的色域标准是Rec.709

到了PC机时代,就不得不提微软,色彩标准的制定也不例外。

此时期最重要的色彩标准,sRGB(standard Red Green Blue)就是由微软主导制定的。sRGB代表了标准的红、绿、蓝,即CRT显示器、LCD面板、投影机、打印机以及其他设备中色彩再现所使用的三个基本色素。

1996年,微软联合惠普、三菱、爱普生等厂商联合开发的通用色彩标准,受微软强大用户群体的影响力的威慑,绝大多数的数码图像采集设备厂商都已经全线支持sRGB标准,绝大多数的数码相机、数码摄像机、扫描仪、打印及投影成像设备等,都支持了sRGB标准;唯独没有全面普及的就是显示器。直到如今,这一标准仍然是互联网媒体内容的绝对主流。

除sRGB标准之外,在1998年,以开发Photoshop软件而闻名的美国公司Adobe推出了AdobeRGB色彩标准;它拥有比sRGB更为宽广的色彩空间,提供了比sRGB更宽广的色彩范围,能够覆盖CMYK色域,一般用于印刷出版、图片处理等领域,可选择性采用,印刷产品的显示效果更佳。

图5 AdobeRGB、sRGB和CMYK的色域对比.png

从图5中可以看出,AdobeRGB色域比sRGB色域在绿色区域内有明显的扩大,也就是说,AdobeRGB在青绿色色系上的显示能力有所提升。

到了这里,也许有人会问,为什么sRGB和AdobeRGB色彩空间标准的色域会有这样的差别? 它们的标准有什么不同的地方?

简单来说,不同RGB色彩空间标准的色域不同,是因为其定义的纯色位置不同。RGB表示红、绿、蓝色,但是,具体的纯红色、纯绿色、纯蓝色到底是什么色呢?这就必须要有个标准来界定什么颜色才是纯色。

sRGB认为,在CIE 1931中,纯红色位于[0.6400, 0.3300]、纯绿色位于[0.3000, 0.6000]、纯蓝色位于[0.1500, 0.0600]、白色是位于[0.3127,0.3290]的D65。

而AdobeRGB则认为,纯红色位于[0.6400, 0.3300]、纯绿色位于[0.2100, 0.7100]、纯蓝色位于[0.1500, 0.0600]、白色是位于[0.3127,0.3290]的D65。

这里也就可以理解,之所以AdobeRGB的色域在青绿色色系上的显示效果比sRGB有所提升,是因为这二者对纯绿色的定义有所不同。

1.3.3 数字影院、超高清电视色彩标准

进入21世纪后,处理设备、显示设备的性能进一步提升,人们对于色彩、图片细腻度的要求也在不断提高。

米高梅、迪士尼、华纳、环球、20世纪福斯和索尼影业等多家美国影业巨头于2002年联合成立了数字电影联合组织[Digital Cinema Initiatives],旨在推动建立美国数字电影行业的色彩技术标准。该组织于2005年推出了DCI-P3这一广色域标准,这一标准也是目前数字电影回放设备的色彩标准之一。

图6 DCI P3、AdobeRGB、sRGB的色域(CIE 1931色度图).png

Rec 2020(ITU-R BT.2020)是为超高清(4K,8K)电视所定的色彩空间标准,它的第一个版本于2012年8月23日在国际电信联盟(ITU)网站上发布,此后又发布了两个版本。Rec 2020是目前显示设备中最大的色彩空间,覆盖了CIE 1931的75.8%,而Rec 709(sRGB)的色域仅覆盖了CIE 1931的33.3%。Rec 2020的RGB色域参数如图7所示:(数据来源 wikipedia.org)

图7 Rec 2020的色域参数.png

Rec 2020与Rec 709(sRGB)的色域对比(CIE 1931色度图)如图7所示:

图8 Rec 2020与Rec 709的色域(CIE 1931色度图).png

1.4 什么是广色域

“广色域”一词一般常被用来作为显示器产品的卖点之一。

色域,是体现一款显示器色彩表现能力的关键要素,而广色域,则说明该显示器能够显示的色彩范围广,色彩表现力更强。广色域是显示器(屏)能够被称为“好”的关键要素之一。

众所周知,液晶显示器的面板本身并不发光,而是必须透过背光的光线才能够显示画面。无论是台式LCD、还是笔记本屏幕主要使用的背光源CCFT(Cold Cathode Fluorescent Tube,冷阴极荧光灯),因为它们在萤光材质上的限制,红光呈现能力偏弱,加上所搭配的彩色滤光片的混色效果较差,最终呈现的色域占比不佳,导致主流的LCD监视器或电视在色域呈现能力上不足,色域范围只有NTSC标准的65%~75%左右。所以,一般来说,能够达到72% NTSC色域(≈100% sRBG色域)的显示器就可以被称为显示能力“好”的显示器了。

目前市场上的主流显示屏中,1000元左右的台式显示器一般就已经能达到72% NTSC色域显示了;而笔记本屏幕显示性能则相对较差,还存有大量的45% NTSC色域的“差屏”。

如果严格按照显示器的行业标准,只有达到了92% NTSC的显示器才能被称为专业级广色域显示器。而在实际生活中,各家厂商为了宣传噱头,约定俗成的标准是80% NTSC左右的屏幕即可被称为广色域显示器;更有甚者,还会以达到72% NTSC / 99% sRGB来作为广色域宣传。

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