Games101_颜色和感知 Color and Perception_20

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1 颜色的物理基础 Physical Basis of Color

谱功率密度可以用来描述光线在不同的波长的分布 Spectral Power Distribution (SPD)，就是个频谱

谱功率密度具有线性性质，两种光一起照射的谱功率密度与两种光分别照射的谱功率密度相同

什么是颜色 What is Color?
颜色是人类感知的一种现象；它不是光的一种根本的属性 Color is a phenomenon of human perception; it is not a universal property of light
不同波长的光不是“颜色” Different wavelengths of light are not “colors”

人眼跟相机类似，瞳孔对应光圈，晶状体对应透镜，视网膜则是传感器（感光元件）

视网膜上有感光细胞
视杆细胞：棒状，数量多，只感知光的强度而非颜色 Rods are primary receptors in very low light, Perceive only shades of gray, no color
视锥细胞：锥形，数量少，用来感知颜色 Cones are primary receptors in typical light levels, Provide sensation of color

视锥细胞又被分为S, M, L三种，用来感知不同波长的光 Three types of cone cells: S, M, and L (corresponding to peak response at short, medium, and long wavelengths)

不同的人这三种细胞的比例和数量呈现很大的差异，下图是12个人这三种细胞的含量对比图

不同视锥细胞感知的结果就是其光谱响应曲线与光强曲线对应位置相乘再积分起来的结果

人看到的不是光谱，而是两种曲线积分后得到SML再叠加的结果。
那么一定存在一种现象：两种光，对应的光谱不同，但是积分出来的结果是一样的

同色异谱是指两个不同的光谱，它们最终投射到相同的 (S,M,L) 响应值
同色异谱会导致人感知到相同的颜色，其存在对于色彩再现至关重要，这个过程也叫颜色匹配 (Color Matching) 过程 These will appear to have the same color to a human The existence of metamers is critical to color reproduction
同色异谱让我们不必重现真实世界场景的全部内容 Don’t have to reproduce the full spectrum of a real world scene
一个例子：同色异谱使得只有三种颜色的像素的显示器上可以再现真实场景的感知颜色，即使他们波谱完全不同，也能被人眼感知为相同的颜色 Example: A metamer can reproduce the perceived color of a real-world scene on a display with pixels of only three colors

我们认为计算机中使用的成像系统是加色系统 Additive Color
给定三种原色 Given a set of primary lights, each with its own spectral distribution (e.g. R,G,B display pixels) $$s_R(X), s_G(X), s_B(X)$$
调整这些原色的强度，将他们混合在一起 Adjust the brightness of these lights and add them together $$R\,s_R(X) + G\,s_G(X) + B\,s_B(X)$$
利用混合三种颜色的系数来描述颜色 The color is now described by the scalar values $$R, G, B$$
加色系统任何颜色都可以通过 Color Matching Experiment 用三原色混合合成

但是有的颜色怎么都混合不出来，这时候的系数可能是负的

CIE是一个组织，它们定义了RGB的系统，与之前的加色匹配设置相同，但原色和测试光都是单波长的光，通过测试来测量多少强度的三种原色加起来与测试光相同

颜色匹配函数描述了每个 CIE RGB 原色光各自多少强度相加起来才能匹配 x 轴上给定波长的单色光 Graph plots how much of each CIE RGB primary light must be combined to match a monochromatic light of wavelength given on x-axis
- 比如波长为600的光，大概需要的比例为1.15R、0.2G、0B。
我们得到的是对应的是单一波长的光，但是现实的光线SPD是很多波长组合在一起的，所以在表示现实颜色时我们要把每一个波长都考虑进去，自然要使用积分表示

s(λ) 表示被观测光源 / 物体的光谱功率分布（Spectral Power Distribution, SPD），它是波长 λ 的函数，描述了不同波长下的光能量强度
rˉ(λ),gˉ(λ),bˉ(λ) 是 CIE RGB 颜色匹配函数（Color Matching Functions, CMFs），代表人眼对红、绿、蓝三原色的感知响应。

Standardized RGB (sRGB) 系统是一种被广泛运用于各种设备的色彩系统，但是RGB所能形成的色域是有限的(大概为CIE XYZ的一半)。 gamut is limited
这种颜色空间的匹配函数，对比之前的sRBG，没有负数段
匹配函数不是实验测出，而是人为定义的,这个系统我们使用XYZ表示颜色
由于绿色y的分布较为对称，用这三条匹配函数组合出来的 Y（类比之前的G）可以一定程度上表示亮度