3.2 設備的顏色表達

3.2.1 設備相關及設備無關的顏色空間

從上一節內容可知，當今的顏色設備往往以數字的方式與顏色關聯，要么對顏色響應形成數字，要么在數字控制下形成顏色，構成了一種數字特性，如稱為RGB設備或CMYK設備。可以認為，這種數字是設備表現顏色的特有語言。若對這些數字進行分析，應是既有共性，又有個性。

其共性體現在數值的取值范圍上。數字化的量都有編碼方式，在8位二進制編碼下，共可表示256個數值，即從0～255取整數。例如，數碼相機或掃描儀對某一個顏色形成的RGB三個數字中，8位編碼下每個數字都只能在0～255間取整數值，而對借助于印刷網點面積概念的CMYK值，雖然取值范圍在0～100%之間，但在這個范圍內也只能表示256個數值。如此，在一定的編碼位數下，設備的顏色數值都具有一定的取值范圍。通常，將設備顏色數值的這個可取值范圍構成的三維空間稱為設備的顏色空間。如圖3-5所示為RGB數字顏色空間（即RGB設備的顏色空間）。

設備顏色數字的個性十分重要。

首先看輸入設備。現今，無論是數碼相機還是掃描儀，所使用的感光器件多為電荷耦合器件CCD（Charge Compled Device，電荷耦合器件）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體），將光量轉換為電量。有些滾筒式掃描儀使用光電倍增管，同樣也是將光量轉換為電量。如同每個人對同一事物的感受都有所不同一樣，任何客觀的物理器件也都有自己的響應特性。也就是說，相同的照射光作用于不同的數碼相機、不同的掃描儀，所引起的電量信息并不一定相同。同一個色光，這個數碼相機響應成了RGB=（230,20,50），而另一個數碼相機則可能響應成RGB=（220, 30,55）。哪一個正確？回答是，無所謂正誤，完全是個體的響應行為。掃描儀的情況也是一樣。

輸入設備對一個色光的響應結果客觀上帶有自身的特性，盡管需要把它大致調整在一定的范圍內，但具體行為有所特殊。我們稱這種性質為“與設備相關”。因此，輸入設備的這種顏色響應值RGB稱為“設備相關的顏色”，對應的空間也稱為“設備相關的顏色空間”。

顯示設備與輸出設備的情形是一樣的。

常接觸電腦的人都有這樣的經驗：相同的數字影像文件，在不同的電腦屏幕上顯示，看到的顏色并不相同。其原因就在于，相同的數字控制值RGB于不同的顯示器，所激發出的紅、綠、藍色光的光量并不完全相同。實際上，激發的三色光量會與顯示器所發紅、綠、藍光的具體光色，以及顯示器所處的發光狀態有關。這表明顯示器的RGB顏色值也是“設備相關”的，進而，設備顏色空間也是“設備相關的顏色空間”。

同樣，相同的RGB或CMYK值于不同輸出設備輸出，對應的顏色也有差異。原因是多方面的，設備的性能狀態不同，所用的呈色色料可能不同，硬拷貝材料也可能不同。因此，輸出設備對應的顏色數值空間仍舊是“設備相關”，其顏色空間也是“設備相關的顏色空間”。

作為對比，這里還要給出一個概念：“設備無關的顏色空間”。顧名思義，它所表示的顏色值是與設備性能無關的，對應顏色值的取值空間即為“設備無關的顏色空間”。

無疑，CIE色度值，如CIELAB、CIEXYZ具備這一特性，屬于設備無關的顏色值及顏色空間。

3.2.2 sRGB顏色空間

sRGB顏色空間很特殊。從根源上講它來源于設備，但又視為一個與設備無關的顏色空間。目前，它作為一個標準廣泛用于顯示、攝影等行業中。

sRGB顏色空間的提出源于CRT顯示器。最初的顯示器為CRT技術，隨著市場的淘汰，最后幾乎所有的生產商都使用統一的P-22系列熒光粉，即所有的CRT設備使用的熒光粉都具有非常相近的光譜特性。

以這種特定發光特性的紅、綠、藍光作為加色三原色，將其以不同比例的混合，即顯示器顯示的混合色。于是，按照色度理論，可以建立一套以該三色光譜的混色規律。

1996年，IEC TC100（國際電工技術委員會）基于通常辦公環境下這類CRT顯示器的色度特性，以及在非高端用戶中的應用，提出（即建立）了以該三色光譜為基色的混色規律，形成了一個新的顏色空間，稱為sRGB顏色空間，即標準（standard）RGB顏色空間。它是Windows系統平臺默認的色彩空間，也是美國數字電視廣播的標準。其三原色在D65照明體下的CIExy色品坐標值如表3-1所示。

該顏色空間的基礎是通常辦公環境下的CRT顯示器。所以，要求顯示器和環境共同滿足一定的色度要求，具體指標見表3-2。

表中D65、D50分別指D65、D50標準照明體。伽馬值的選擇對表現中間色調有較大的影響。在PC機上sRGB使用2.2的指標，參考白點為D65照明體對應的6504K。它有很好的感知能力，可與絕大多數微機和視頻設備的特性進行良好的匹配。目前，Windows采用的默認伽馬值亦為2.2。所以，在Windows系統的PC機上sRGB可以與各種圖形圖像軟件及打印輸出進行匹配。

此外，值得注意的是表中“環境光的白點”要求為D50照明體，即平均日光。這一方面符合大多數情況，CRT顯示器處于日光從窗口射入的辦公室環境。另一方面，也與ICC設備描述文件中設定的照明體相一致，便于統一于色彩管理的標準之內。

當滿足了表3-1和表3-2的色度要求后，sRGB顏色理論的重要內容就是建立顯示器在數字控制下形成視覺顏色的規律了。這就是下面的RGB數字控制值與所顯示色光色的CIEXYZ色度值之間的關系。

我們在“命令”顯示器發光時，最直接的感覺是給它一組整數值RGB，它便在屏幕上形成一個混合色光。其內部的過程是R、G、B分別控制紅、綠、藍光通道，各自發出一定強度（與控制值大小有關）的光。定義紅光通道在某個數值“命令”下所發光的亮度與該發光狀態下該通道所能發出的最大光亮度之比，稱為該通道此時的亮度因子，并記為r。同樣，定義綠、藍兩個通道在某一數值控制下的亮度因子為g、b。三個光通道的亮度因子與對應形成的混合色光在D65照明體下的CIEXYZ色度值有如下關系：

式中的亮度因子r、g、b由對應的數字控制值R、G、B決定。

在8位編碼的情況下，R、G、B取0～255整數，令：

當R′、G′、B′≤0.04045時：

而當R′、G′、B′＞0.04045時：（3-4）

值得注意的是，R′、G′、B′和r、g、b均在0～1之間取值。

由上看到，r、g、b與CIEXYZ為線性關系，RGB則不然。所以，通常也將r、g、b稱為線性RGB值，而將R、G、B稱為非線性RGB值。

相反，可由CIEXYZ三刺激值得到數字控制值RGB。過程如下：

當r、g、b≤0.0031308時：

而當r、g、b>0.0031308時：

于是：

由上述一系列式子可以看到，sRGB顏色空間基于通用的CRT顯示器特性，并對顯示器及環境作了一定要求。這種情況下，顯示器在數字控制下的發光光色滿足確定的較為簡單的關系。

當前實際的CRT顯示器所用綠、藍熒光粉與sRGB的有十分接近的光譜特性，紅的差異也不大。所以，CRT的色度特性可調整到與sRGB的十分接近。

sRGB中的RGB與CIE色度顏色有確定的對應關系，變為與設備性能無關，也成為CRT顯示器之外的其他設備可遵循的標準。例如，在攝影行業，數碼相機就設計成其顏色響應符合sRGB標準，以使其拍攝的場景直接到sRGB顯示器上顯示就能獲得景物的最逼真顏色。許多軟件開發商也支持這一標準，如常用的Photoshop中即加入了sRGB顏色空間。