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色彩管理中的颜色空间的相互转换
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在彩色图像复制过程中,要做到从扫描、显示、输出到印刷的颜色统一性,就必须实行标准化、规范化、数据化的色彩管理。色彩管理包括:1.输入设备间的颜色匹配;2.原稿颜色与显示器颜色之间的匹配;3.输出设备间的颜色匹配;4.显示器颜色与印刷品颜色之间的匹配;5.原稿与印刷品之间的颜色匹配。色彩管理就是要解决各种设备间的颜色转换匹配问题。我们都知道,对一个颜色的度量可以有多种方法,而每一种方法都是放在一个被称之为颜色空间的坐标系当中来进行度量的。自20世纪初开始,颜色度量空间的研究和定义有了更加完善的发展。至今,随着计算机技术的发展和普及,色彩空间及其相互转化和管理的技术日趋成熟,为再现我们这个丰富多彩的世界提供了完备的技术基础。
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色彩管理中的颜色空间的相互转换
经典印刷发布时间: 2008-9-27 14:32:28
在彩色图像复制过程中,要做到从扫描、显示、输出到印刷的颜色统一性,就必须实行标准化、规范
化、数据化的色彩管理。色彩管理包括:1.输入设备间的颜色匹配;2.原稿颜色与显示器颜色之间的匹
配;3.输出设备间的颜色匹配;4.显示器颜色与印刷品颜色之间的匹配;5.原稿与印刷品之间的颜色
匹配。色彩管理就是要解决各种设备间的颜色转换匹配问题。我们都知道,对一个颜色的度量可以有多种
方法,而每一种方法都是放在一个被称之为颜色空间的坐标系当中来进行度量的。自 20 世纪初开始,颜
色度量空间的研究和定义有了更加完善的发展。至今,随着计算机技术的发展和普及,色彩空间及其相互
转化和管理的技术日趋成熟,为再现我们这个丰富多彩的世界提供了完备的技术基础。
颜色空间分类如上图:在印前处理中,一般地,先从原稿(一般为连续调的自然稿)转换到 RGB 空
间以完成分色,再经 RGB 空间转换到与设备无关的标准空间 XYZ 或 LAB,然后再完成标准空间向
RGB(如 CRT)或 CMYK 空间(印刷)的转换,最后进行输出。下面就分别介绍色彩管理中经常使用的
颜色空间。
一、RGB 颜色空间
颜色混合的基本定律表明:自然界任何一种颜色均可用红、绿、蓝三种原色光混合匹配产生,这在几
何上能够以 R、G、B3 个互相垂直的轴所构成的空间坐标系统来表示,称为 RGB 三刺激空间,或 RGB 色
空间。对于任何一种颜色,都可以以一定比例的红光、绿光和蓝光匹配得到。
RGB 系统在彩色处理系统中,是不可缺少的表色系统。出现于许多场合,常常用于:1.显示器,它
使用送来的 R、G、B 数值来驱动 R、G、B 电子枪发射电子,并分别激发荧光屏上的 R、G、B3 种颜色的
荧光粉发出不同亮度的光线,并通过相加混合产生各种颜色;2.扫描仪,它是通过吸收原稿经反射或透
射而发送来的光线中的 R、G、B 成分,并用它来表示原稿的颜色。
众所周知,不同的扫描仪扫描同一幅图像,会得到不同色彩的图像数据;不同型号的显示器显示
同一幅图像,也会有不同的色彩显示结果。因此我们将 RGB 色彩空间称为与设备相关的色彩空间。这里
所说的 RGB 空间与 CIE 1931 RGB 真实三原色表色系统空间是不同的,后者是与设备无关的。
二、Ycc 颜色空间
在进行图像扫描时,我们除了使用扫描仪外,还有一种重要的扫描输入设备 PhotoCd,由于 PhotoCd
在存储图像的时候要经过一种模式压缩,所以 PhotoCd 采用了 Ycc 颜色空间,此空间将亮度作由它的主要
组件,具有两个单独的颜色通道,采用 Ycc 颜色空间来保存图像,可以节约存储空间,从 RGB 颜色空间
转换到 Ycc 颜色空间的转换公式如下:
三、1931 CIEXYZ 色彩空间
1931 年,国际照明委员会(CIE)在进行了大量正常人视觉测量和统计之后,建立了“标准色度观察
者”,从而奠定了现代 CIE 标准色度学的定量基础。
由于“标准色度观察者”用来标定光谱色时出现负刺激值,计算不便,也不易理解,因此 1931 年 CIE 在
RGB 系统基础上,改用三个假想的原色 X、Y、Z 建立了一个新的色度系统。将它匹配等能光谱的三刺激
值,定名为“CIE1931 标准色度观察者光谱三刺激值”,简称为“CIE1931 标准色度观察者”。这一系统叫做
“CIE1931 标准色度系统”或称为“2°视场 XYZ 色度系统”。
CIEXYZ 颜色空间稍加变换就可得到 Yxy 色彩空间,其中 Y 取三刺激值中 Y 的值,表示亮度,x、y
反映颜色的色度特性。定义如下:
在色彩管理中,选择与设备无关的颜色空间是十分重要的,与设备无关的颜色空间由国际照明委员会
(CIE)制定,包括 CIEXYZ 和 CIELAB 两个标准。它们包含了人眼所能辨别的全部颜色。而且,CIEYxy
测色制的建立给定量的确定颜色创造了条件。但是,在这一空间中,两种不同颜色之间的距离值并不能正
确地反映人们色彩感觉差别的大小,也就是说在 CIEYxy 色厦图中,在不同的位置不同方向上颜色的宽容
1
量是不同的,这就是 Yxy 颜色空间的不均匀性。这一缺陷的存在,使得在 Yxy 及 XYZ 空间不能直观地评
价颜色。
四、CIELAB 均匀颜色空间
鉴于 CIEXYZ 颜色空间的不均匀性,国际照明委员会又向世界各国推荐了几个国际通用的均匀颜色空
间和色差公式,CIELAB 色空间就是其中之一 CIELAB 空间是 CIEXYZ 空间的一种非线性变换空间,其计
算公式如下:
CIELAB 这一匀色空间的优点是:当颜色的色差大于视觉的识别阈值(恰可察觉)而又小于孟塞尔系
统中相邻两极的色差值时,能较好地反映物体色的心理感受效果。而且,CIELAB 表色直观,能直观的评
价颜色。又因为 CIELAB 是与设备无关的色彩空间,在色彩管理中,利用此特性,可沟通和推算出原稿色、
屏幕色和印刷色在色空间的对应关系,达到颜色在视觉上的一致,实现不同设备之间的色彩转换。 ;
五、CMYK 颜色空间
印刷工业是通过青(C)、品(M)、黄(Y)三原色油墨的不同网点面积率的叠印来表现丰富多彩
的颜色和阶调的,这便是三原色的 CMY 颜色空间。实际印刷中,一般采用青(C)、品(M)、黄
(Y)、黑(BK)四色印刷,在印刷的中间调至暗调增加黑版。 ;
CMYK 颜色空间是和设备或者是印刷过程相关的,则工艺方法、油墨的特性、纸张的特性等,不同
的条件有不同的印刷结果。所以 CMYK 颜色空间称为与设备有关的表色空间。而且,CMYK 具有多值性,
也就是说对同一种具有相同绝对色度的颜色,在相同的印刷过程前提下,可以用分种 CMYK 数字组合来
表示和印刷出来。这种特性给颜色管理带来了很多麻烦,同样也给控制带来了很多的灵活性。
在印刷过程中,必然要经过一个分色的过程,所谓分色就是将计算机中使用的 RGB 颜色转换成印刷
使用的 CMYK 颜色。在转换过程中存在着两个复杂的问题,其一是这两个颜色空间在表现颜色的范围上
不完全一样,RGB 的色域较大而 CMYK 则较小,因此就要进行色域压缩;其二是这两个颜色都是和具体
的设备相关的,颜色本身没有绝对性。因此就需要通过一个与设备无关的颜色空间来进行转换,即可以通
过以上介绍的 XYZ 或 LAB 色空间来进行转换。
以上几种颜色空间是在色彩管理中最常见的颜色转换空间,因此对它们以及它们之间的关系的理解是
非常重要的
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【二】颜色通常用三个相对独立的属性来描述,三个独立变量综合作用,自然就构成一个
空间坐标,这就是颜色空间。而颜色可以由不同的角度,用三个一组的不 同属性加以描述,
就产生了不同的颜色空间。但被描述的颜色对象本身是客观的,不同颜色空间只是从不同
的角度去衡量同一个对象。
颜色空 间按照基本结构可以分两大类,基色颜色空间和色、亮分离颜色空间。前者的典型
是 RGB,还包括 CMY、CMYK、CIE XYZ 等。后者包括 YCC/YUV、Lab、以及一批“色
相类颜色空间”。CIE XYZ 是定义一切颜色空间的基准,很奇妙的是,它即属于基色颜色空
间,也属于色、亮分离颜色空间,是贯穿两者的枢纽。我们主要要讨论的是色、亮分离颜
色空间中的 子类型“色相类颜色空间”,它是把颜色分成一个表亮属性,和两个表色属性,
其中有一个表色属性是色相。而色相以外的两个属性可以选用不同的变量来定义,而 色相
的概念不变,因此就构成一族共同使用色相属性,另加表亮属性和表色属性各一个组成的
颜色空间。它们是颜色空间中的一个家族。暂且统称为 HSB 颜色空间(但后面要详细划
分)。
因为不同颜色空间描述的相同的客观对象,所以它们之间必然存在数量的相互转换关系,
但是需要十分明 确,RGB 和 HSV 空间,虽然在教材中狐狸糊涂的把他们纠缠在一起,但
它们实质上是概念完全不同的颜色空间,它们的共同点是比较常用,也比较容易直观理解
但这是表面的联 系。
只有以 R、G、B 为变量的直角坐标空间才称为 RGB 颜色空间,在 RGB 空间中,三个独
立属性变量性质对等,相互加减运算有意义,任何涉及色相、饱和度等等为基本颜色属性
的,还有跟“色轮”一类概念直接关联的、用角度表示颜色 的等等,都是 HSB 颜色空间,绝
没有混淆的余地。在 HSB 颜色空间中,三个颜色属性性质不同,你不可能把色相和饱和度
加在一起,就好比时间不能与面积相加,恐龙不能与蚂蚁杂交。
我们还记得传 统教材是通过色轮上几个基色和二级色与色轮角度位置的对应关系在两个颜
色空间之间偷换概念的,但存在对应关系与两者相等是完全不同的概念。有常识的人都知
道,人民币和美圆有兑换关系,但人民币是中国人民银行发祥的,美刀是美国联邦储备银
行发行的,各属各自的金融体系。能兑换并不等于人民币就是美刀。RGB 与 HSB 颜色空
间与此同理。
zhangwei5009 朋友提的是个好问题,说明已经清楚的意识到 RGB 与 HSB 颜色空间实质上
的区别,也明确了两者之间必然存在客观的转换规律,并思考和探询两者之间的定量转换
关系。提出这样问题的学习者不太多(我记得 zhangwei5009 很早就在短消息里提过类似问
题),传统 PhotoShop 教材中除了千篇一律的重复六个基色、补色点以外,很少有教材在
这个问题上有明确说法。
【三】颜色空间中没一个坐标点对应一种颜色,颜 色空间要求颜色与空间坐标一一对应,
即不能某一个点对应多种颜色,也不应该一种颜色对应多个坐标点。不过在 PhotoShop 这
样一个实用工具中,在特殊情况下存在多个坐标点对应实质上相同颜色的现象,这是因为
某些颜色空间的形状十分离奇古怪,为使用方便性考虑,做了一些权宜让 步,把奇异的颜
3
色空间形状虚拟为规矩的形状。这是一种程序设计技巧,因为这里主要偏重颜色理论讨论
这种应用技巧搁置不谈(但我们点明有此一说,而不是假 装它不存在)。
关于颜色空间的宏观概念暂且打住,还是具体来看主要讨论的“色相类颜色空间”。前面已
经概述过,色相类颜色空间由色相 属性、另一个表色属性(通常称为“饱和度”即颜色纯
度)和一个表亮属性构成,基本上它的三个属性是通过 RGB 空间的属性,即三个基色色
阶值来定义的。色相的定义总是恒定,而另两个属性则有多种定义方式。
也就是说,把颜色这样一个综合概念拆分 成色相和非色相两部分独立属性,这是固定的步
骤,再把非色相属性拆分成另外两个独立属性,——有各种各样的拆分方式,因此构成一
个家族,每种方式都是这个 家族中的一个成员。那么具体到 PhotoShop 中的 HSB 颜色模
式,使用是色相和哪两种属性呢,如果问题能这么问,那就谢天谢地了。PhotoShop 中对
于饱和度属性与表亮属性的使用,与“色相类颜色空间”家族的庞杂关系同样混乱不堪,涉
及 PhotoShop 中表示饱和度的有三种(或者说“两种半”)不同的“饱和度”属性,而表亮属性
则有至少有六种,其中一部分相互结合并与色相属性组合,——据我目前所知—— 构成了
至少三种实质上不同的“HSB 模式”也就是“HSB 颜色空间”。
具体说,取色器和“信息”调板上的“HSB”属于理论上“色相类颜色空间”中称为“HSB/HSV”的
颜色空间;
“色相/饱和度”命令中的,是另外一种通常称为“HSL/HLS”的颜色空间,它的饱和度与“亮”
属性的定义与上面差别颇大;“色相”、“饱和度”等图 层混合模式中涉及的,又是另一种“色
相类颜色空间”,这种组合没有通用名字,可能是 Adobe 系列软件自行定义和专用的颜色空
间。
因为“HSB”这个名称已经给了第一种专用,为区别期间,以后统称“色相类颜色空间”我们改
用“HS*”来表示。理论上的 HS* 颜色空间还有更多种变化,比较大的差别产生在表亮属性
的定义,这不仅是 PhotoShop 中令人头疼的概念,也是整个颜色理论中乱如一团麻的概念。
不仅六种以上的“亮”概念没有固定的术语将它们严格区分,而且它们表示发亮的数值也相
互出入很 大,例如两种颜色在某种“亮度”意义下认为亮度相等,而换一种“亮度”概念来看 ,
他们的亮度可能相差九倍。
【四】所以表面看 PhotoShop 的颜色概念精密和谐,实际上,在 PhotoShop 内部它们比迷
宫还乱。但是 Adobe 根本就不希望你知道这些,同时也没有提供适合精确描述这些空间特
性的基本概念。
我们说“PhotoShop 是根据精密的光学理论设计的”,这话没错,这些东西也不是 PhotoShop
搞怪而是“精密的光学理论”就是如此,它的确有精密的部分,但我们也不要隐瞒它糟糕的
令人无所适从的部分。那么是科学有问题么?科学家是糊涂蛋、睁眼瞎 么?也不是。关键
的原因是颜色这种东西太紧密的涉及到人的主观感觉,如果不是为了将就我们的感官和心
理,那么光的强度用能流密度表示,颜色用光谱成分表 示,这种客观的光学理论完美无缺。
就是因为要适应人类视觉这种特性古怪、翻覆无常、莫名其妙的感光设备,并且以人为本
为人服务,颜色理论才搞得一塌糊涂。
人类心理对于颜色感知的主观影响不说了,就说眼睛这种感光器官,它有非常非常宽广的
感光范围,可感受的光能强度跨越十四个数量级以上,远远大于任何人造 的感光设备,但
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