从人眼到色彩空间

人眼

下图是人眼球的解剖图样，我们首先了解下其中重要的部分以及其功能：

• Cornea（角膜）：作用相当于照相机中的镜头，为眼睛提供大部分的屈光力，这样照射到角膜上的光线才会改变方向进入我们的眼球。
• Anterior Chamer（前房）：
• Iris（虹膜）和 Pupil（瞳孔）：虹膜的作用就是通过其扩张、收缩来调节瞳孔的大小，虹膜中心的圆形开口就是瞳孔，虹膜的目的是调节进入瞳孔的光量，其功能类似于照相机中的光圈，瞳孔变大进入的光量大，瞳孔缩小则进入的光量小。人类瞳孔在强光下直径大约1.5毫米，在暗淡光线中扩大到8毫米左右。但是瞳孔的扩大或者缩小需要一定的反应时间，在用闪光灯照相的时候，瞳孔来不及及时关闭，闪光照亮眼底血管丰富的视网膜，形成红眼现象。具有“防红眼”功能的相机是预闪一次光，使瞳孔在正式闪光的时候已经达到收缩状态。
• Lens（晶状体）：是除了角膜以外的，另一个眼球的主要屈光结构，也是唯一有调节能力的屈光间质。
• Retina（视网膜）：视网膜的主要功能是将人眼接收到的光信号转化为神经信号，这一过程主要由视网膜上的视杆细胞（rod cell）和视椎细胞（cone cell）完成，一般人眼中有90×106个视杆细胞，6.5×106个视椎细胞。视杆细胞的主要功能是在弱光情况下为人类提供黑白视觉（在夜晚，主要就是视杆细胞作用），并且它主要分布在视网膜的外围，为我们提供外围视觉（peripheral vision）。视椎细胞（包含三种不同类型，分别用于感受红、绿、蓝光）则主要为我们提供所接受到光的颜色信息（也能感光，但是比视杆细胞弱很多），并且它主要工作于强光情况下。用于感受红、绿、蓝光的视椎细胞分别占视椎细胞的65%、33%和2%。不用于视杆细胞，视椎细胞则主要分布在视网膜的中央窝附近，其数目在中央窝周边迅速减少。因为视椎细胞对外界光信号变化的反应时间很块，因此相对于视杆细胞，它能够获取图像的更多细节和变化。
• Optica Nerve（视觉神经）：将视网膜上的信号传递到大脑，因为视觉神经占据了视网膜上一部分空间，所以某些区域没有视网膜细胞，进而形成了人眼的盲点。
• Fovea（中央窝）：Fovea是拉丁语，意思是凹陷。中央窝是眼睛感光最灵敏的地方，也是我们视觉最清晰的地方。每当人注视某项物体时，眼球常常会不自觉转动，让光线尽量聚焦在中央窝。

刚刚说道视椎细胞对三种颜色光进行响应，它们的响应曲线如下：

其中，横坐标为光波长，纵坐标为响应，整个波长范围从312.3nm至745.4nm，这个范围就是我们所谓的可见光范围，因为这个范围之外，视椎细胞没有响应，也就是啥也看不见。我们仔细看上图，会发现，三条曲线（S: short, M: middle, L: long）的最大响应处对应的光谱颜色其实并不是我们“想象”中的蓝、绿、红，L曲线的最大响应处对应的明明就是黄光嘛。其实，任何在可见光波长范围内的光进入眼睛都会激发这视椎细胞的响应，只是响应大小不同而已。人眼感知色彩时，需要利用这些响应值进行颇为复杂的Opponent process，而不是我们所认为的仅仅利用响应值的绝对值进行感知（至少我一直是这么想的）。

总之呢，我们所看到的颜色就是我们大脑接收到光线，然后经过视椎细胞的响应，再经过Opponent process，最后将处理结果传到大脑分析得出。但是人眼的这个处理过程很容易被“愚弄”，如果我们精心选择三种单色光来刺激视椎细胞，最后的响应和某一种频率的光对视椎细胞的刺激响应是一样，那么大脑就告诉我们，我们看到的就是“那个”颜色。也就是说，输入眼睛的光和我们大脑“看到”的光是本来是不一样的，只是我们的大脑觉得它们一样了而已。

色彩空间

建立色彩空间的目的是什么呢？如果某个人说，我想要看某某颜色，那么我们如何给他呈现这种颜色呢？根据上面所述的人眼特点，我们选定三种颜色，然后以某种方式混合这三种颜色，使混合的结果被人眼看到后产生的神经信号与看到这种颜色是一致的。如果我们选定了三种颜色分别是x,y,z，那么我们可以认为混合的方式是：

f(x,y,z)=ax+by+cz

这里一组特殊的a，b和c系数就唯一的确定了我们像看到的某一种颜色，而所有的a，b和c系数取值就构成了我们想要看到的所有色彩，而所有的a，b和c系数就构成了这一色彩空间。

最早的色彩空间是CIE-1931-RGB空间，为了找到这一系列的a，b和c系数，CIE进行了一系列的实验。CIE首先选定700nm（R），546.1nm(G) 和435.8nm(B)三种波长的单色光作为三原色。之所以选这三种颜色是因为比较容易精确地产生出来（汞弧光谱滤波产生，色度稳定准确）。为了确定上述的a，b和c系数，CIE进行了如下实验：

• 观察者所视屏幕被分为两边，其中一边是某波长光所呈现的颜色，另一半用三原色光合成
• 三原色光的色度皆不变，但是亮度可变
• 不断调整三原色亮度，直到对观察者而言，两边的颜色一样
• 某些波长的颜色怎么调整三原色的亮度都调不出来，所以实验者就在屏幕两边都加上红色，直到看起来一致，这些两边都加的红色，被认为是负值，所以最终得到的曲线中红色系数存在负数。

他们最终得到了的曲线长这个样子：

从上图看出，对任意波长的可见光，可以用对应的三个系数来对应。如果a，b和c系数的值进行了归一化（采用三原色后，我们认为是r、g、b），也就是:

r+g+b=1

这样，只要知道其中两个参数即可得到颜色，那么我们将r和g当中横轴坐标就可以得到如下色域图：

这个色域图包含了人类可以看见的所有颜色以及与之对应的RGB值，但是R轴很多部分出现再负半轴，显得很别扭，那么进行一个线性变换就可以将其整个移动到正半轴来了，如下图：

这样横轴和纵轴就变成了某颜色X和Y了，所以这个空间叫做CIE 1931 XYZ色彩空间。