色彩与人眼

这篇“回归基础”的白皮书将讲到人眼是如何感知色彩、色域的定义以及高端显示设备中色域的发展。

色彩与人眼

显示设备的色彩由其“色域”“色深”和“动态范围”所决定。

·色域（例如广色域-WCG）决定了在给定“色彩空间”（Rec.709、Rec.2020、DCI-P3）（即色彩范围）之内能显示哪些特定色彩。

·色深（或“位深”，例如8比特、10比特、12比特）决定了在给定显示设备上能观看到多少显著的色彩差异（色调/深浅）。

·动态范围（SDR，HDR）决定了一个特定色彩的亮度范围——从其最深色彩（或色调）到最浅色彩。

为了适应不同显示设备之间的差异，亮度以一种三维方式被集成到传统的2D色域图中，从而创造出色彩容积的概念。色彩容积是所有可用色相、饱和度和亮度下所有可用色彩的集合。

作为“回归基础”的首篇文章，本文将会谈及以下话题：人眼是如何感知色彩的，以及色域的定义。我们希望这篇文章能帮你理清思路。

你是否对这个行业在色彩空间领域所取得的发展感到兴致勃勃？

色彩与人眼——色彩是什么？我们是如何看到色彩的？

色彩是一种视觉感知，由人眼探测，经过大脑解读光信息所产生。当光线照射到一个物体上，后者会吸收一部分的光，并反射余下的光。波长是被吸收还是被反射取决于物体的性质。当光线从物体上反射出来时，光会射入人眼后部的感光视网膜上。视网膜上有数百万个称为视锥细胞的特殊色素细胞。人类的视锥细胞有三种不同的光谱敏感度——S型、M型和L型视锥细胞。视锥细胞负责我们的三色视觉。

人眼可以探测到波长在380纳米至780纳米范围之内的可见光。简而言之，每种视锥细胞都专注于接收一种特定的波长。红色色相的波长更长，绿色次之，蓝色较短。所以当物体上反射出的光传到视锥细胞上时，光对它们会产生不同程度的刺激。由此产生的信号会被通过视觉神经传输至大脑中负责色彩解读的视觉皮层。

所有的色彩都是通过红、绿、蓝色相的组合创造出来的。当这些组合而成的色彩透过人眼时，色彩中的若干波长会刺激相应类型的视锥细胞，进而调动视觉网络对色彩做识别和解读。许多不同的光的波长组合可以产生相同的色彩感知。

光强是另一个影响我们如何感知色彩的重要指标。色温是对组成光的各种波长的相对强度的表达。色温通常以开尔文（K）为单位表述——色温越低，意味着光越偏红；色温越高，产生的光就越偏蓝。在这种情况下，色彩用温度表述，因为当物体加热至更高温度时会发出不同的光频。

色彩空间——我们如何测量色彩？

在显示世界中有许多映射色彩的标准，其中CIE 1976是国际信息显示协会（SID）推荐的权威显示测量标准。色度图是色彩空间映射的一种推荐方式，因为它们只测量色彩质量，没有包括其他因素（如亮度）。色彩空间是人眼所能感知到的可见光的统一显示。色彩空间将所有色彩映射至一个网格中，为色彩指定了光谱吸收的可测量数值，由此可以进行色彩和色域标准描述之间的对比。

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CIE色度图通过亮度参数和两个代表色相和饱和度的色度坐标来映射光的光谱分布。普通人可见的所有色相都包含在这个“马蹄状”的图中。“马蹄”的边界——即光谱轨迹——代表了以纳米为单位的光的波长所测量的光谱色彩最大饱和度。紫色线是连接光谱轨迹两端的直线，它代表了由紫色（360纳米）和红色（780纳米）组成的完全饱和的色彩。欠饱和的色彩位于色度图的中心，最中心是白色。色度图中白色区域的曲线展示了绝对色温，单位是开尔文。

CIE色度图

图源：Wikipedia

上面展示的CIE色度图是使用加色法混合而成的色彩组合的视觉呈现。当使用加色法三色系统时，通过混合拥有不同波长和各种亮度的光可以创造出新的色彩。这张图代表了正常人眼可见的完整色彩子集。但是，如果要描述一台设备上可用的色彩范围，显示行业会使用色域这个概念。

色域测量的是显示设备可以呈现的色彩范围。尽管正常的人类视觉的色域能完全覆盖CIE色度图，但要通过显示技术完全覆盖CIE色度图只在理论上可行。因此，色彩标准都以CIE色度图内的一个三角形来表示，确定通过混合三角形角上的原色可以呈现的色彩子集。近几年，显示色彩空间标准不断发展，色域也变得越来越大。

色域标准的发展

理解色域的覆盖范围对于评估显示技术及其生成真实色彩的性能而言至关重要。主流的显示设备使用RGB色彩模型来确定每个像素的色彩。上文的色度图展示了通过使用RGB这三种原色，我们可以覆盖大部分的色彩空间。

RGB和sRGB

RGB标准在1990年获批，通常指的是ITU-R Recommendation BT 709或Rec 709。RGB标准仅覆盖33.2%的CIE 1976 u’v’图的色度。sRGB标准于1996年创建，使用的是与Rec 709相同的原色和白点。这是用于消费级电子产品的最常见色域。这一色域范围相当有限，它仅能覆盖38.7%的CIE 1976 u’v’色度。

DCI-P3

DCI-P3色彩空间于2007年发布，使用与Rec 709和sRGB色彩空间相同的蓝色原色，但使用的是不同的绿色和红色原色。DCI-P3的红色原色是单色615纳米，绿色原色是稍微更偏黄色色相的绿色，只是饱和度更高。DCI-P3比sRGB色域大26%，能覆盖41.7%的CIE 1976色度图。

BT 2020

ITU-R Recommendation BT 2020，或简称Rec 2020，是最广的显示色域，需要单色RGB原色（467纳米、532纳米及630纳米）。这一色域范围极广——它比sRGB大72%，比DCI-P3大37%。其色彩空间能覆盖57.2%的CIE 1976色度图。

Rec 2020比色法的应用不断增长，但是，合规需要有更清晰的定义，因为在现实中无法100%达到Rec 2020色彩空间。目前，只有少数显示设备的色域能接近Rec 2020色彩空间。

量子点显示设备是能满足更高的BT 2020覆盖要求的最有前景、最真实的显示技术之一。

总结

广色域可以产生最真实的图像图像质量和最生动的色彩。

参考

1、1931年，CIE（国际照明委员会-International Commission on lllumination）确定了最初的CIE标准。在1976年的修改版本中，CIE标准采用了更偏线性的色彩空间，最大程度缩小感知色彩的差异，可进行更准确的色彩比较。

2、ITU-R Recommendations由国际电信联盟（ITU）的无线电通信部门（其前身为国际无线电咨询委员会CCIR-International Radiocommunication Consultative Committee）开发的一系列国际技术标准组成。

3、DCI全称为数字电影倡导组织，这是一个由大电影制片厂组成的合资企业。

4、半峰全宽（Full width at half maximum，FWHM）是测量光谱宽度的方法，其计算方法是：在光谱曲线上函数达到峰值的一半时，计算各点之间的差值。

重要术语

【色彩】是一种视觉感知，由人眼探测，经过大脑解读光信息所产生。

【人眼的感光波长】是人眼可以探测到波长在380纳米至780纳米范围之内的可见光。

【色温】是对组成光的各种波长的相对强度的表达。

【色彩空间】是人眼所能感知到的可见光的统一显示。

【色域】测量的是显示设备可以呈现的色彩范围。

【光谱轨迹】代表了以纳米为单位的光的波长所测量的光谱色彩最大饱和度。

【紫色线】是连接光谱轨迹两端的直线，它代表了由紫色（360纳米）和红色（780纳米）组成的完全饱和的色彩。

2023年诺贝尔化学奖得主蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫凭借其在“发现和合成量子点”方面的杰出贡献，令这些体积极小、性质由量子现象定义的微粒在纳米技术领域大放异彩。尊正在2023年底作为全球首家推出搭载QD-OLED技术系列监视器的先锋，产品也得到了广泛的认可。

尊正的XMP系列监视器，专为满足精确的HDR监看需求而设计，呈现UHD分辨率的HDR/SDR主控级监控效果。这一系列提供31.5英寸、55英寸和65英寸三种尺寸选择，每一型号均配备先进的QD-OLED面板技术，实现了业界前所未有的色彩精准度与一致性。

专业调色师Darren Mostyn评价：“（XMP310）真的很惊艳，可视角度（ 179°可视角度）挑不出毛病。”

The Finish Line 公司创始人、完成片艺术家Zeb Chadfield评价：“XMP550 真是市面上最棒的 HDR 主控级监视器，超出其他产品几条街。我很难形容终于能在不与技术限制作斗争的情况下进行工作是多么美好！”

智利的后期制作公司Filmo Estudios评价：“不胜欣喜：我们的调色师 Pamela Valenzuela 在使用新装的监视器 —— 65英寸、4K HDR、满足 Dolby Vision 尊正XMP650！”

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图源：Pamela Valenzuela

想了解更多有关色彩与色域相关知识，查看：

色彩术语指南：色域 、色彩容积、色彩亮度、色彩均匀度……

色彩空间指南：原理与实践篇(二)

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出处：Samsung Display

翻译：Katja | 盖雅翻译小组

拓展阅读：

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