颜色知识，RGB显色系统详解（上）

　　上一章讲完了HSB拾色器详解，今天继续分解RGB模式。

　　同理，RGB拾色器难的并不是软件界面本身，而是要理解RGB显色系统本身的原理、特点和局限性，才能心中有数，游刃有余。

1. RGB色光加法色原理

　　人眼的视网膜有两种感光细胞，可以感应颜色细节的椎体细胞（明视觉），和仅仅感应明暗的杆体细胞（暗视觉）。

　　椎体细胞又按含有的视锥色素的不同，分为三种：感红细胞，感绿细胞，感蓝细胞。

　　当两种或两种以上的色光，同时照进人的眼睛，这三种感色细胞就会受到相应的信号刺激，从而在大脑中产生一种综合的颜色感觉。

　　这种由色光混合，呈现颜色的办法，就叫做色光加法色。

 

 

　　接下来的事大家都知道了，（等量的）红色+绿色=黄色；

　　红色+蓝色=紫红色；

　　绿色+蓝色=青色；

　　红色+绿色+蓝色=白色；

　　而改变他们之间的配比，还可以得到更加丰富的色彩。

　　不要问我为什么RGB加起来就是白色的问题。。。我还想知道为什么呢摔！颜色本来就是人的一种主观感觉，科学家至今也没完全搞清楚大脑识别颜色的原理。对大脑神经元的研究仍然是一门非常非常年轻的学科。总之，颜色科学目前还是一门现象学，只知道“是什么”，还不知道“为什么”，大家不要纠结了（其实最纠结的是楼主）！

2. 典型的RGB显色系统——液晶显示器

 

　　先休息一下，欣赏一下世界名画，修拉的《大碗岛的星期天下午》。

　　为什么要放这幅画呢？因为这幅画采用的“点彩画法”，完美的展现了色光的动态混合原理：

　　人眼的分辨率是有限的，约1’。只要不同的色块，对人眼形成的视角小于1’，并列色块的颜色就会在视觉中产生混合，形成新颜色。

　　这就是现代显色系统——显示器、印刷品、打印系统——的工作原理。

对于大家现在最熟悉、最常用的液晶显示器而言，就是：

　　图像被分解为按矩阵排列的像素（pixel），每一个像素又分为3个不同颜色（RGB）的子像素（sub pixel）。

 

 

　　上图的第一行是照片，但是不是很清楚，原谅楼主的渣手艺。

　　第二行是示意图：所有的图像都是由一个个不同亮度的RGB小色块组成的。虽然是示意图，却跟楼主在显微镜下面看到的一模一样，不知道为什么楼主就是拍不出来。

　　看一下别人拍的资料：显微镜下的显示屏像素（不同屏幕）。

 

 

-------冷门知识大放送：这些一根根的黑色的线是怎么回事？

　　液晶显示器的每一个子像素，相当于一个由电信号控制的小开关。这个开关可以控制出光量的大小。如果信号强，就让通过这个开关的光多一点；信号弱，就让光出来少一点。

　　为了控制这些开关，其实液晶面板上布满了导电的走线。而这些走线容易在光照下被腐蚀，所以给走线涂上黑色的遮蔽层，保护线路用。这就是我们看到的“黑线”。

　　如果有人跟楼主一样，还用过下面这种老手机的话，你一定还记得当年的屏幕还能用肉眼看到这种黑线。随着苹果在市场上引入“视网膜屏幕”的概念，现在的手机屏幕的像素越来越高，你已经很少能看到手机屏幕上的黑线了。

 

 

　　（猜猜“视网膜屏幕”的定义是什么？对了，就是像素在人眼中的视角要小于极限分辨率1’。）

　　现在我们用的显示器都支持24位色，也就是经常说的16M色。

　　这意味着我们能在显示器上显示256×256×256×=16777216种颜色！

 

How？

　　有很多资料都解释过了这个问题，估计你们也看得腻了，楼主作为一个专业人员，今天要用全新的角度，重新阐述一下这个问题。

　　来来，祭出色彩学里的大杀器——CIE色度图！

长这个样子：

 

 

3. 大杀器——CIE色度图

　　色度图有时候我们开玩笑也叫它马蹄图，因为长得像个马蹄印。。。

　　这个东东绝对是颜色科学里面的巅峰之作、终极武器，实在是居家旅行杀人越货必备良药。但其来历又是十分的曲折，导致好多专业人士其实都没有搞明白，楼主打算回头单开一章讲它的来龙去脉。

　　学会看色度图，就像修炼内功，虽然跟武功招式不怎么沾边，但绝对是通向武林高手的必经之路。现在就别管它怎么来的，先搞明白它怎么用！

 

　　我们已经知道，颜色是光形成的。任何一种颜色，只要有光谱数据，就能用公式算出其在色度图上的坐标。也就是所有地球上能实现的颜色，都可以通过色品图的坐标标注出来，不会超过这个范围。所以在这个马蹄图的外围是一片黑暗，意思是：没有啦！

　　但是色度图是一个二维的图对不对？而色空间是一个三维空间，所以色度图是不包含明度信息的。实际上，色度图的坐标，标注的是RGB三原色之间的比例，也就是相对大小，不是绝对大小。白色和黑色对它来说坐标一样，所有低明度的颜色在色度图上都没有，这一点要注意。

　　色度图中间，是饱和度为0的消色，越靠外的颜色饱和度越高，最后终止到光谱轨迹和紫红色的谱外光轨迹为止。

　　色度图上任意两点的色光混合，新生成的色光，其坐标一定在两点之间的连线上。哪一边的信号强度大，就更靠近那一边。嗯，大概就是这样，谁劲儿大谁赢：

 

 

　　理解这几条很重要。有了色度图的帮助，原来的很多概念就能得到非常直观的呈现：

 

--三原色--

　　我们已经知道，G和B的混合色，颜色坐标在G和B的连线上。反过来说，G和B的连线上所有的颜色，都可以由G和B混合实现。

　　那么，如果再添加一个R光，就会在色度图上形成一个三角形对不对？这个三角形里的所有的颜色，都可以通过RGB三色的混合而形成。这不就是三原色加法色的原理？

 

 

　　这个三角形里的所有颜色，就是这个RGB显示系统能得到的所有颜色，也就是我们说的色域。这个三角形面积越大，能显示的颜色也就越多。因此，理论上说，RGB的坐标就应该越靠外越好，也就是RGB三原色的饱和度越高越好。

　　但由于材料物理特性的限制，饱和度提高，亮度就会相应的下降。想要亮度不下降，饱和度还要高，就得——加钱。。。所以显示器的色域是综合考虑饱和度亮度成本的一个折中方案。

　　还有一种扩大色域的方案，就是增加一个原色，从三角形变成四边形。Sharp就在的他家的电视上推出了“四色技术”，在RGB的基础上增加了黄色。从楼主在实物上看的效果上说，的确很赞，不过当然是贵╮(╯_╰)╭

　　另外，可不可以不用RGB做三原色呢？当然可以，色度图上其实可以随便选出3个不在一条直线上的点，只要能形成一个三角形，而这个三角形还可以把白色区域包含进去，就可以做三原色，比如CMY。

 

 

　　但是呢，你们可以在图上比划一下，是不是还是选RGB的覆盖的面积比较大呢？所以从早期的笨重无比的CRT电视，到等离子电视，到液晶显示屏，到彩色电子纸屏幕，所有采用色光加法色的系统，都用RGB做三原色，就是因为RGB可以实现色域的最大化。

 

--色相环--

　　在色度图里面画一个圈儿，是不是就是色相环了？

　　色相环可以视为一个简化版的色度图。

 

 

--补色--

　　连接颜色R和白色E，画一条直线，青色正好在这条直线上。那么也可以说，C和R混合，可以形成白色，所以C和R是互补色。这也就是为什么我们说色相环上相对180°的颜色是互补色的原因。

 

　　由于白色其实是一片很大的区域，而不是一个点，所以互补色其实也不是唯一的，也是一片很大区域。

PS. 白色其实是一种非常非常诡异的颜色，同样是白色，但色差却可以很大！你们平时注意观察一下，几乎没有一模一样的白！相当难搞，调色师的噩梦！回头楼主要专门八一下。

--色差--

　　这就说到了色差，大家估计也被这个问题困扰了很久。

　　先说说RGB系统自己的色差来源。RGB三原色并不是唯一的。每一种颜色其实在色度图上都不是一个点，而是一个面。所以RGB的坐标其实有无数种选法。
　　事实上，由于材料工艺的限制，每一台显示器的RGB三原色坐标值都不一样！哪怕同样的品牌，同样的工厂，同样的原料，同样的产品线，做出来的东西，都不一样！为什么呢？这个就跟种萝卜似的，没有哪两个萝卜长出来能一模一样，就是那么任性。

　　三原色都不一样，色域也就不一样了，连带着配出来的混合色当然也不一样了。

　　厂家顶多也只能尽量缩小色差，控制色差在可接受的范围之内，办法无外乎就是，加钱。。。咳咳，其实就是前期控制原料，后期统一校准什么的。但是这个也只能限于同一个品牌的情况下。不是同一个品牌的？你管的着么？

　　那么有没有行业标准？有，比如常用的行业标准NTSC。找到的图还附赠了sRGB的标准~

 

 

　　但是！现在的主流技术，色域范围一般都比NTSC的标准小。比如你们经常看到的，某某牌子的显示屏色域达到85% 啊之类的，就是指它的色域占NTSC标准的比值。只有最近这一两年，技术进步后，某些品牌的高端显示器能达到100%的NTSC色域，甚至更高。不过，目前大部分显示器连全面覆盖NTSC的标准都做不到，更别提控制色差了。

　　所以在以后的很长一段时间里，淘宝店主都会不厌其烦的告诉你，色差问题不退货！你拿他一点办法都没有╮(╯_╰)╭

　　再来说说RGB系统和CMYK系统之间的色差。

　　从色度图上可以直观的看出来，CMY和RGB的三角形，覆盖的区域就是不一样！无论怎么折腾都不可能完全一样！两者不重合的部分，从原理上讲，就是不可能不带色差的互换显示的！

所以，当你用PS做的图，不仅仅是在RGB系统（电脑、手机）上看，而且需要用CMYK系统（打印机、印刷厂）出实物的时候，就要特别注意这一点，不要使用超出CMYK色域范围的颜色。

当然，深究起来，CMYK系统和CMY色光混合色还是有区别的。CMYK系统是减法色，它和加法色最大的区别，就是减法色两色混合后的新颜色，坐标不一定在两点之间的连线上，会拐弯的~~拐~~弯~~~

（这事儿比较费口舌，一时半会儿讲不明白，先打个广告，下下一章讲CMYK系统~）

--24位色--

　　24位色，就是RGB通过不同比例配置出来的混合色。

　　让我们先从最简单的情况说起，如果RGB三原色，都只有ON/OFF两种状态，那么生成的就是2×2×2=8种颜色。

　　以R和G的混合色为例。混合色只有1:1 这一种比例，所以R和G的连线上只有一种新颜色。在色度图上的位置，就是RGB三色和白色的的连线的交点。这样的混合色也被称为中间色，因为位置在原色的中间。

 

　　进一步复杂化，如果RGB有3种状态，OFF/LOW/HIGH，那么可以生成3×3×3=27种颜色。

　　R和G的混合色，有3种比例：1:1,1:2,2:1。所以R和G的连线上有三个中间色。这些新的“点”使得色度图上生成的网络更加密集。

 

　　是不是像蜘蛛网一样╮(╯_╰)╭其实再考虑到明度的因素，这个蜘蛛网本来应该是三维的，上图是三维的蜘蛛网在二维平面的投影。但是楼主怎么也没找到CIE的三维图，就算找到了，这个二维图都画得要吐血了，三维的图楼主其实也没什么信心能画出来。。。大家将就看了~

　　RGB三原色在开和关之间能形成的中间状态越多，混合色的比例种类就越丰富，这个“蜘蛛网”也就越密，在色度图上能形成的新颜色自然就越多了。

所以，为了得到足够多的中间色，RGB系统从一开始的2位色，到4位色，到8位色，不停的向上升级，一直到24位色。

　　这个N位色的N，由RGB三种原色可以控制的状态数（以二进制的位阶计数）的总和来决定。所以24位色，也就是R、G、B这三种颜色，在计算机内部分别分配了8位数据深度，可以有2^8=256种状态。

24位，指的是每一个像素的颜色信息在计算机内存里占用的数据深度。而16M色，则是指它所能形成的颜色的总数。是同一个东西，只是描述的角度不同。

 

----24色够用了吗？

　　一般而言，人眼对色相的分辨能力在180种左右。对明度的辨别力比较高，能分辨约600种明暗层次。而不同的颜色的饱和度识别能力是不一样的，红色能识别约25级，而黄色只能识别4级。按饱和度平均识别10级算，人眼能识别的颜色数为180×600×10=1080000种。

当然不排除有些人眼力劲儿特别好的，这个数还能往上长长。

　　但总的来说，16M色对人眼的识别能力来说，足足的够用了。采用了16M色的显色系统后，原来的过度色出现“色带”问题的情况基本绝迹。这说明显色系统显示的颜色已经足够精细，完全可以实现颜色的平滑过度。现在我们看到的“色带”问题，几乎可以肯定的说是图像本身的问题，而不是显色系统的问题。

那么问题来了，我们还要32位色来干什么呢？

 

呼~好多字了~

今天就到这里，我们下次再见~