games101 七、颜色

光的谱功率密度

光的谱功率密度（Spectral Power Distribution，SPD）是指光在不同波长上的功率分布情况，通常用一个函数 \(S(\lambda)\) 来表示，其中 \(\lambda\) 是波长，单位为纳米（nm），\(S(\lambda)\) 的单位是瓦特每纳米（W/nm）。

不同光源的 SPD 曲线不同：

人的视网膜感光细胞分为视杆细胞和视锥细胞，视杆细胞负责感应灰度，视锥细胞负责感应颜色，视锥细胞又分为三种，分别对红、绿、蓝三种颜色敏感，这就是我们常说的 RGB 颜色模型。

视锥细胞并不是只能感应纯红、绿、蓝三种颜色，而是对不同波长的光有不同的敏感度，如图所示，三种视锥细胞的敏感度曲线不同：

视锥细胞的感光敏感度曲线因人而异，每个人都是不同的。

视锥细胞的感光结果用数学可以描述为光线SPD曲线和视锥细胞敏感度曲线的乘积积分：

\[ S=\int r_S(\lambda)s(\lambda)\,d\lambda \]

\[ M=\int r_M(\lambda)s(\lambda)\,d\lambda \]

\[ L=\int r_L(\lambda)s(\lambda)\,d\lambda \]

其中，\(S\)、\(M\)、\(L\) 分别表示三种视锥细胞的感光结果，\(r_S(\lambda)\)、\(r_M(\lambda)\)、\(r_L(\lambda)\) 分别表示三种视锥细胞的敏感度曲线，\(s(\lambda)\) 表示光线的 SPD 曲线。

由此可见，视锥细胞是对全波长的光都进行感光的，只是对不同波长的光有不同的敏感度。

根据前面提到的人眼感光原理，我们可以发现有可能存在这种情况，光源的 SPD 曲线不同，但人眼感受到的颜色却是一样的，这就是同色异谱现象（Metamerism）。

这就给不同颜色的人造光源提供了可能性，我们可以用不同的颜色混合得到新的颜色。

单纯的 RGB 混合并不能得到所有的颜色，有时候需要将某个颜色的光谱调整为负值才能得到某些颜色。

Standard RGB (sRGB) 是一种常用的颜色空间。

CIE XYZ 是一种基于人眼感光原理的颜色空间，Y 表示亮度，X 和 Z 表示颜色信息，将 X、Y、Z 归一化后可以得到色度表示：

\[ x = \frac{X}{X+Y+Z}\\ y = \frac{Y}{X+Y+Z}\\ z = \frac{Z}{X+Y+Z}\\ \]

HSV 是一种基于色相、饱和度、亮度的颜色空间。

CIELAB（Lab*）是一种基于人眼感光原理的颜色空间，L 表示亮度，a 和 b 表示颜色信息，a 表示红绿轴，b 表示黄蓝轴。

颜色空间能够表示的颜色范围叫做色域，不同的颜色空间有不同的色域，sRGB 的色域比 CIE XYZ 的色域小。

上面提到的颜色空间都是加色系统，不同颜色的光线混合在一起会得到更亮的颜色，最终会变成白色。

而 CMYK 是一种减色系统，不同颜色的颜料混合在一起会得到更暗的颜色，最终会变成黑色。

CMYK 颜色空间中的 C、M、Y 分别表示青色、品红色、黄色，K 表示黑色，CMY 混合会得到 K，也就是黑色。