聊聊颜色的技术实现（一）——尝试度量“颜色”这个感觉

（本文不涉及任何工程代码，仅为公开资料文献汇总学习生成而来）

前言

近两年没冒泡了。
我先抛砖引玉提个问题，颜色是什么，人类如何度量出来了“颜色”，人类如何保证在不同的设备上展示出了相同的颜色，为了低成本的保存、传输“颜色”文件，人类做了哪些发明创造？

作为一名Android开发者，曾经在小米实习的经历让我对Android的系统架构及工作模式有了一些理解，尤其是Android的Graphics框架，所以这篇文章我打算针对Android系统的颜色展示讨论。而且「颜色」也是我现在工作的本质内容，市面上也确实没有比较系统的连贯的文章讲该topic，我还是蛮希望能够把自己所学所理解的「颜色」拿出来与感兴趣的人分享讨论，也能帮助到相关学生或者从业者知道代码背后的逻辑。共同学习🤝

内容计划从光学、色度学讲起，到颜色空间（之前看到一份资料提到“颜色管理”更合适）的由来、贯穿拍摄器、文件格式及其编码逻辑、解码、渲染上屏、Android系统如何处理颜色，屏幕如何显示。

本文不涉及代码示例，所有信息均可在公开资料文献找到。

言归正传

各个波长的光在人类生活中的呈现方式

首先，颜色是什么？
颜色是一种感觉，是人类的感觉，咱们人类眼睛有三种锥细胞，这三种锥细胞分别最善于感受红、绿、蓝（其中咱们人眼对绿色最敏感了，但是需要额外注意的是，这里提到的对某种色光敏感，不代表这种视觉锥细胞只能够感知到该中色光。也就是说，在可见光范围内的任意波长的色光，都能刺激三种视觉锥细胞，而某些特殊波长的光线能够对视觉锥细胞产生最大的刺激）。由于人眼看到的世间上所有的可见光都是通过三种神经细胞刺激共同作用出来的，比如说人眼看到了一个紫色，这个时候，人类主要是红色敏感的锥细胞和蓝色敏感的锥细胞受到刺激，促使我们大脑产生紫色的视觉，也就是说，如果我们通过某种手段将红光和蓝光合并让人眼看到，使人眼那两种细胞产生相同的刺激感，于是大脑也会产生同样的紫色视觉，而我们就实现了用人眼敏感的颜色光共同作用生产出新的颜色视觉，以此类推。这就有了红、绿、蓝三原色之说了。（事实上，对于任何一种颜色知觉都存在无穷多种光谱形式可以激发出同样的知觉，只不过通过这三种颜色的光混合作用，可以实现人眼大多数视觉效果，是一个充分不必要的关系）衍生一下，狗只有两种锥细胞，分别对中长波长（黄红）和短波长（蓝）色敏感，狗的世界的就是二原色了。

然后，如何度量颜色？
当人们发现颜色的作用机理之后，于是打算用三原色来组合出人类眼睛可以看到的其他颜色(当然这种方法无法覆盖人眼能看见的全部颜色，毕竟人眼的锥细胞也是可以感受其他的波段的光，只是相对不是那么敏感，但是可以用最有效率的方式去模拟自然界中人眼所见颜色)。所以人类有了一套规则度量颜色。具体怎么做的呢？

为了实现使用三种原色光线生成其他颜色光线的目的，CIE（国际照明委员会）在1931年组织了一项实验，通过一些观测者的观察，来确定生成不同的颜色，所需的三原色光线的强度。他们将三种波长的光：700nm（红色光），546.1nm（绿色光），435.8nm（蓝色光）作为基色。在实验过程中，首先将三种基色的光投影到白色屏幕的一侧(下图中的白屏右侧)，接着，第四束光-待测光投影到白色屏幕的另一侧（下图的白屏左侧），人眼从背景屏的圆孔看进去，调节三种基色光的强度直到观测者感受到两侧的颜色一致时，就能够确定如何使用三种基色光得到各种颜色的光。强度单位做如下规定：当三原色光配比出等能白光*时，三原色光各自的量称为一单位的红光[R]，一单位的绿光[G]与一单位的蓝光[B]。

CIE（国际照明委员会）1931年 颜色模拟实验

按一定比例混合而成的白光（接近自然白光）对应的比例为1[R]+4.5907[G]+0.0691[B]，对应强度定义为1个单位的RGB，即

• 1[R]unit=1.0000 cd/㎡
• 1[G]unit=4.5907 cd/㎡
• 1[B]unit=0.0691 cd/㎡

而使用[单位RGB]混出等能光谱色对应的数量就叫做光谱的三刺激值。
(补充一下：cd/㎡衡量亮度的[国际单位制导出单位]，也是大家常说的nit，而nit与HDR的技术紧紧相关联，这个后面再说，大家先留一个印象。）

强度（刺激值）是绝对值。维基百科中有如下一段解释：

Zero intensity for each component gives the darkest color (no light, considered theblack), and full intensity of each gives a white; the quality of this white depends on the nature of the primary light sources, but if they are properly balanced, the result is a neutral white matching the system's white point. When the intensities for all the components are the same, the result is a shade of gray, darker or lighter depending on the intensity. When the intensities are different, the result is a colorized hue, more or less saturated depending on the difference of the strongest and weakest of the intensities of the primary colors employed.

总结俩说，对人眼来说，光的频率（波长）决定了光的颜色，光的（波的振幅）能量决定了引起视觉刺激的强度。对于频率相同而能量不同的两束光，人眼感受到的色彩相同，但是色彩的明暗程度不同。即使按照上述配比混合白光，也会由于光的强度不同，给视觉带来明暗的知觉差异。对于能量相同而频率的两束光，人眼感受的亮度也是不同的，正常视力的人眼对波长约为555纳米的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。

参考文献：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/98834353
https://cloud.tencent.com/developer/article/1346167
https://en.wikipedia.org/wiki/RGB_color_model
https://fireattack.wordpress.com/2019/09/19/convert-image-to-video-using-ffmpeg/
https://www.kernel.org/doc/html/v4.9/media/uapi/v4l/pixfmt-007.html
https://www.it72.com/2032.htm
https://lists.blender.org/pipermail/bf-blender-cvs/2010-April/027334.html