【音视频基础】(五)（CIE颜色空间一之色调、明度和饱和度）【音视频基础】(五)：CIE颜色空

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在写图像的时候我们知道，像素构成了图片。那像素是什么？简单来说，它就是一个颜色点。那颜色怎么表示？或者说怎么度量？我们用眼睛感知到的颜色，又如何用数据表示出来呢？
【【音视频基础】(五)（CIE颜色空间一之色调、明度和饱和度）】接下来的几篇文章，会按照这个思路进行介绍。

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1. 颜色的几个相关术语在写图像（一）的时候，我们就知道，颜色是我们的视觉系统，对可见光的一种感知结果，感知到的颜色光波的频率决定。
而感知结果是个特别模糊的词，所以国际照明委员会（CIE，记住这个词，后面会经常出现），对这些感觉做出了定义，用颜色的三个特性，来区分颜色，那就是色调、饱和度和明度。这是颜色固有的，截然不同的三个特性。
因为制定的颜色的这三个特性，是按照主观感知结果来制定的，所以应该比较好理解。
1.1 色调

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色调表示法查看上图，色调在颜色圆上用圆周表示，圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度。看右图，它是最容易把颜色区分开的属性。它代表了视觉系统，对一个区域呈现的颜色的感觉。可以用红橙黄绿青蓝紫等词来描述。在术语上，把感知到的色调这种感觉，称为色彩。比如浅蓝、深蓝。黑、白、灰表示无色彩。就像我们常说的，没有色彩的人生。
1.2 饱和度

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半径表示法

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示例如图所示，沿半径方向的颜色，具有相同的色调和明度，但他们的饱和度不同。饱和度是用来区别颜色明暗的程度，当一种颜色掺入其他光成分越多时，就说该颜色越不饱和。完全饱和的颜色，是指没有掺入白光所呈现的颜色。
在实例中所示的七种颜色，具有相同的色调和明度，但他们的饱和度不同。左边的饱和度最浅，右边的饱和度最深。
1.3 明度

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垂直轴表示法明度是视觉系统，对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性。比如一支点燃的蜡烛，看起来要比在白炽灯下亮。这个词比较偏重感知，不过可以对比色调和饱和度来理解。色调其实可以理解成我们常说的不同的颜色，而饱和度可以理解成颜色的强度。
它的值用0-10表示，在右侧七种颜色中，它们具有相同的色调和饱和度，但是明度不同。底部的明度最小，顶部的明度最大。
因为明度的主观感觉值无法用物理设备测量，所以CIE后来定义了亮度（luminance），它表示单位面积上反射或发射的光的强度，这是一种可度量的表示方法，了解就行。
1.4 明度和饱和度区分评论说，关于颜色的饱和度和明度，看了文章之后还是分辨不清楚。恩，我事后深深的想了下，这点确实非常重要，因为明度和饱和度的区分，也是理解接下来颜色空间，以及颜色度量方法发展的关键。
所以接下来我准备用大白话，很明确的区分开颜色的这两个属性，在这里我们首先要明白，CIE制定的颜色的这三个属性，色调、饱和度、明度，他们是完全独立的三个属性，并且在描述一种颜色时，缺一不可。为啥？接下来就明白啦
1.4.1 明度如果要用一句话来描述明度，那就是天黑了和天亮了~
恩，说到这你可能豁然开朗了吧，如果还不明白，请往下看
如果此刻蓝天白云太阳高照，请朝太阳的方向看，你会发现太阳旁边的天空是白色的。然后逐渐移动你的视线，远离太阳，你会发现天空越来越蓝。如果你身怀特异功能，有一双透视眼，能看到地球另一端，那么你会发现，在太阳光线触及不到的位置，也就是地平线以下，天空慢慢变灰、变暗、然后变黑。
这一过程就是只改变明度，色调和饱和度不变时，颜色的变化。
说到这我们可能明白了，明度不就是光照嘛。没有光，我们啥都看不见。
但是生活中我们可能不会太注意，光可不仅仅是影响看的见看不见这么简单。
就像上面所说的，从没有光到极强光，颜色变化为：黑->暗黑->暗->暗原色->原色->浅原色->白
一如上图：

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饱和度垂直轴表示法所以在颜色模型里，我们通常描述明度的变化为，0到10，也就是从黑到灰到白。而且当明度为0，也就是黑色时，任何颜色都是黑色。当明度为10，也就是白色时，任何颜色都是白色。
如果你会用PS，可以新建一个图层，填充颜色为红色，然后把明度从黑移到白，来查看颜色的变化。如下图：

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6.gif 1.4.2 饱和度说完了明度，再来说饱和度应该就比较好理解了。饱和度通俗的说，可以叫纯度，或者颜色的鲜艳程度。它在半径表示法上的表现就是，从饱和度0%到饱和度为100%的过程。

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半径表示法而当饱和度为0时，我们看到的颜色，也就变成了明度的数值，也即黑白灰。
所以当固定明度为一定数值（为了能看见色彩，不能是0或10）时，饱和度从0%到100%变化的过程，直观的来看，也就是从：一定数值的灰度->灰原色->淡原色->纯原色
也即1.2节示例图：

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示例直白的来说，就是纯红，慢慢加入一定比例数值的灰色，最终变成了灰色。
教材里说完全饱和的颜色，是指没有掺入白光所呈现的颜色。这句话也是正确的，那要怎么理解呢？
首先从颜色的定义来解释，因为颜色是我们对可见光的一种感知，而可见光属于电磁波。如果我们看见的颜色，仅由一种波长的电磁波组成，那它就是完全饱和。
如果更直白一点，就是我们慢慢的加入的一定比例的灰色，其实也是一定比例的白光。
总结如果在PS上打开拾色器，可以看到下图

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PS拾色器这里最左边从下到上，是明度的变化。从右到左，是饱和度的变化。可以看到在图的下方，当明度数值比较低的时候，饱和度的变化，引起的颜色变化很小。
明度和饱和度区分的重要性要明白这点，首先得明白颜色的应用场合。其实想想也明白，我们都在什么场景下会用到颜色？如果分成两大类，一个就是显示器，另一个，就是印刷品或画画等纸质操作。
显示器就不用说了，它能很好的表现出色调、饱和度、明度等属性，并且我们的显示器，普遍都能调节亮度（明度）、饱和度，甚至对比度，所以能很好的模拟现实场景。而在纸质品上，现实场景的明暗关系，通过将明度转换成从黑到白的颜料，然后在光照下观看，也能很好模拟。
2. 颜色空间说完了上面这些，为啥又跳到颜色空间了？有这个问题得先弄清楚，为啥CIE要定义颜色的这几个属性，这就像我们在数学上，定义笛卡尔坐标系一样。在二维坐标或者三维空间中，我们定义坐标系，是为了准确的定义，或者找出其中某个点，就像给家家户户上门牌号一样。
而色调、饱和度、明度这几个属性呢，也是为了在颜色空间中，准确的找出是哪一种颜色。
但是有一点，颜色空间由于历史和科学的发展，产生了许许多多颜色空间，来描述颜色。
2.1 颜色空间和颜色模型有啥关系？它们互为同义词，说白了，它们是一个东西，只不过在不同的场合，叫法不一样而已。
颜色空间多数应用在数学场景下，通常用三维模型来表示，也就是代表三个参数的三维坐标来指定，它描述了颜色在颜色空间中的位置。而这三个参数，并没有直白的说明是什么颜色，这得取决于它的坐标。意思是你得拿着坐标，到颜色空间中找到它，才知道是啥颜色。
例如HSB/HSV（hue, saturation, brightness/value）颜色空间，它直接用色调、饱和度、明度作为坐标轴。色调用角度标定，红色为0度，青色为180度，饱和度用半径大小表示，明度用垂直轴表示。这种颜色空间，现在应该很熟悉了

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HSB/HSV颜色空间 2.2 颜色空间的分类颜色空间有设备相关和设备无关之分因为颜色的视觉效果，是基于设备和材料的。当设备和材料改变时，对应的颜色效果就会发生变化。所以我们称这样的颜色空间，为设备相关颜色空间，如RGB和CMYK颜色空间。当不同呈色模式的设备来表现同一颜色时，对应的颜色数值是不同的。
而如在HSB的基础上，建立起来的CIE Lab*颜色空间（后面会讲），直接用一组数值来模拟人类的颜色视觉，而不是使用一组所需要的数值去驱动一个特定设备来生成颜色，其色彩数值与设备无关，所以这样的颜色空间称为设备无关颜色空间。