色光三原色#

下面三把手电筒分别发出红光、绿光和蓝光。先把三束光全部打开，再关掉其中一束，看看墙上的光斑怎样变化。

红光和绿光重叠时，我们看见黄色。绿光与蓝光混出青色，蓝光与红光混出品红色。三束光一起照向中央，重叠处接近白色。

红光、绿光和蓝光可以混合出许多颜色，人们把它们叫作色光三原色。改变每一束光的亮度，墙面上的颜色也跟着改变。

每打开一把手电筒，墙面就多收到一份光。人们把这种混色方式叫作加色混合。颜料会吸收一部分光，遵循另一套混色规律。

传统的 RGB 三圆图画的也是三个互相重叠的光斑。实验里的百分比表示每把手电筒开了多亮，100% 是全亮，0% 是关闭。

RGB 色彩模型#

把三束光缩进一个屏幕像素，计算机仍然控制红、绿、蓝三份光。

屏幕把一个像素分成三个发光部分。你在正常观看距离下看不清它们，眼睛会把三份光合成一个颜色。

计算机需要把每份光的亮度写成数字。常见的 RGB 图片给每个通道留下 8 个二进制位，8 位可以组成 $2^8=256$ 个数。数值从 0 开始，范围便是 0 到 255：

1
R = 255
2
G = 180
3
B = 0

255 表示红色通道开到最大，0 表示蓝色通道关闭。手电筒实验里的 100%，在这里对应 255。

可以拖动三个数字，看看发光部分和最终颜色怎样变化。

RGB 用三个方向安排颜色：红光有多少、绿光有多少、蓝光有多少。这样一套安排数字的规则，叫作色彩模型。

RGB 很适合控制屏幕。换到挑颜色、压缩图片或比较色差时，这三个数字就不顺手了。我们可以保留眼前的颜色，换一种方式安排数字。

HSL 与 HSV 选色模型#

假设你要把橙色调得亮一点。面对 R = 232、G = 121、B = 36，应该改哪个数字？三个通道会一起影响结果，很难从数值直接判断颜色会往哪里走。

绘图软件常把颜色排成色环，再提供饱和度与明暗控制。HSL 和 HSV 都从 RGB 换算而来：

• H 记录色相，也就是颜色在色环上的位置；
• S 记录饱和度；
• HSL 用 L 调整明度，HSV 用 V 记录最大的 RGB 通道。

下面两边共享 H 与 S。分别拖动 L 和 V，比较橙色经过的颜色。

HSL 的 L 到达 100% 时，三个 RGB 通道都会走到最大，结果是白色。HSV 的 V 到达 100% 时，最大的 RGB 通道先到上限，颜色仍保留当前色相。

HSL 与 HSV 服务于选色操作。它们的 L 和 V 都不等于人眼感受到的亮度，也不适合直接测量两个颜色的视觉距离。

Y′CbCr 图像模型#

屏幕需要三份原色光，保存图片时却可以换一种拆法。

我们的眼睛容易发现轮廓变糊，对细小的颜色变化没有同样敏感。图片和视频可以多保留一些明暗细节，少存一些颜色细节：

• Y′ 记录画面的明暗；
• Cb 记录颜色偏蓝还是偏黄，Cr 记录颜色偏红还是偏青。

先把 Cb 和 Cr 的细节调到“更少”，观察房子的轮廓。再把 Y′ 的细节调到“更少”，比较屋顶和窗户。

颜色细节减少后，房子的边缘还能保持清楚。明暗细节减少后，屋顶和窗户很快变糊。JPEG 与许多视频格式会利用这项视觉特点减少数据量。

数字图片和视频使用的名称是 Y′CbCr。有些软件会把它宽泛地写成 YUV，两者的来源和定义并不相同。

光谱与眼睛看到的颜色#

RGB、HSL、HSV 和 Y′CbCr 都从屏幕上的三份数字出发。真实的光包含更多信息。

阳光、灯光和物体反射的光，往往包含许多波长。把每一段波长的强度画出来，会得到一条光谱。

屏幕只发出红、绿、蓝三种光，也能让我们看见白色。它发出的白光，与日光的光谱差别很大。

切换“连续白光”和“屏幕白光”，比较两条曲线。再切换“窄带黄光”和“红绿混合”。

两种白光的曲线不同，眼睛都把它们看成白色。窄带黄光把能量集中在黄色附近，红绿混合使用两段分开的光，眼睛看到的结果仍是黄色。

光进入眼睛后，会刺激三类视锥细胞。大脑根据三类细胞的响应产生颜色感觉。两条不同的光谱可能得到相同的视觉结果，人们把这种现象叫作同色异谱。

屏幕的 RGB 数字描述不了整条光谱。我们还需要一套共同的数字，记录标准观察者看到的匹配结果。

XYZ 标准观察模型#

研究者向观察者显示一束目标光，再请他们调节几束测试光，直到两边看起来相同。大量颜色匹配实验给出了 X、Y、Z 三个数值。

XYZ 记录标准观察条件下的视觉匹配结果。X、Y、Z 不是三盏灯，也不对应屏幕里的三个发光部分。其中 Y 与亮度相关，三个数值合在一起确定颜色。

在下面的实验中切换四种光，比较它们的光谱与 XYZ 数值。

连续白光与屏幕白光使用同一组 XYZ 数值，窄带黄光与红绿混合也使用同一组。实验用简化数据展示颜色匹配关系；真实测量还要规定观察者、照明和测量条件。

XYZ 方便不同设备和测量结果互相换算，但三个方向不适合直接操作。单独改变 X 时，明暗和颜色可能一起变化。

Lab 颜色比较模型#

Lab 在 XYZ 的基础上重新安排三个方向：

• L* 表示更暗还是更亮；
• a* 表示向绿色还是红色移动；
• b* 表示向蓝色还是黄色移动。

一次只拖动一条控制杆，观察颜色沿哪个方向变化。

L* 主要改变明暗，a* 控制绿色到红色的方向，b* 控制蓝色到黄色的方向。Lab 还让相同大小的数值变化接近相似的视觉变化，因此常用来计算色差。

这种对应关系是近似。不同颜色区域仍会出现偏差，计算时也要指定参考白色。实验使用 D65 白色作为参照。

同一种颜色，不同的色彩模型#

选一个颜色，看看它换进六种模型后得到哪些数字。

颜色没有随着模型切换。我们只是在为不同任务重新安排数字：屏幕需要原色通道，绘图软件需要顺手的选色控件，压缩算法需要分开明暗与颜色，测量工作需要共同的比较基准。

同一种颜色可以写成多组数字。先看你准备操作什么，再选对应的色彩模型：控制屏幕用 RGB，挑颜色用 HSL 或 HSV，保存图像可以使用 Y′CbCr，比较观察结果则会用到 XYZ 与 Lab。