3.2 设备的颜色表达

3.2.1 设备相关及设备无关的颜色空间

从上一节内容可知，当今的颜色设备往往以数字的方式与颜色关联，要么对颜色响应形成数字，要么在数字控制下形成颜色，构成了一种数字特性，如称为RGB设备或CMYK设备。可以认为，这种数字是设备表现颜色的特有语言。若对这些数字进行分析，应是既有共性，又有个性。

其共性体现在数值的取值范围上。数字化的量都有编码方式，在8位二进制编码下，共可表示256个数值，即从0～255取整数。例如，数码相机或扫描仪对某一个颜色形成的RGB三个数字中，8位编码下每个数字都只能在0～255间取整数值，而对借助于印刷网点面积概念的CMYK值，虽然取值范围在0～100%之间，但在这个范围内也只能表示256个数值。如此，在一定的编码位数下，设备的颜色数值都具有一定的取值范围。通常，将设备颜色数值的这个可取值范围构成的三维空间称为设备的颜色空间。如图3-5所示为RGB数字颜色空间（即RGB设备的颜色空间）。

设备颜色数字的个性十分重要。

首先看输入设备。现今，无论是数码相机还是扫描仪，所使用的感光器件多为电荷耦合器件CCD（Charge Compled Device，电荷耦合器件）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体），将光量转换为电量。有些滚筒式扫描仪使用光电倍增管，同样也是将光量转换为电量。如同每个人对同一事物的感受都有所不同一样，任何客观的物理器件也都有自己的响应特性。也就是说，相同的照射光作用于不同的数码相机、不同的扫描仪，所引起的电量信息并不一定相同。同一个色光，这个数码相机响应成了RGB=（230,20,50），而另一个数码相机则可能响应成RGB=（220, 30,55）。哪一个正确？回答是，无所谓正误，完全是个体的响应行为。扫描仪的情况也是一样。

输入设备对一个色光的响应结果客观上带有自身的特性，尽管需要把它大致调整在一定的范围内，但具体行为有所特殊。我们称这种性质为“与设备相关”。因此，输入设备的这种颜色响应值RGB称为“设备相关的颜色”，对应的空间也称为“设备相关的颜色空间”。

显示设备与输出设备的情形是一样的。

常接触电脑的人都有这样的经验：相同的数字影像文件，在不同的电脑屏幕上显示，看到的颜色并不相同。其原因就在于，相同的数字控制值RGB于不同的显示器，所激发出的红、绿、蓝色光的光量并不完全相同。实际上，激发的三色光量会与显示器所发红、绿、蓝光的具体光色，以及显示器所处的发光状态有关。这表明显示器的RGB颜色值也是“设备相关”的，进而，设备颜色空间也是“设备相关的颜色空间”。

同样，相同的RGB或CMYK值于不同输出设备输出，对应的颜色也有差异。原因是多方面的，设备的性能状态不同，所用的呈色色料可能不同，硬拷贝材料也可能不同。因此，输出设备对应的颜色数值空间仍旧是“设备相关”，其颜色空间也是“设备相关的颜色空间”。

作为对比，这里还要给出一个概念：“设备无关的颜色空间”。顾名思义，它所表示的颜色值是与设备性能无关的，对应颜色值的取值空间即为“设备无关的颜色空间”。

无疑，CIE色度值，如CIELAB、CIEXYZ具备这一特性，属于设备无关的颜色值及颜色空间。

3.2.2 sRGB颜色空间

sRGB颜色空间很特殊。从根源上讲它来源于设备，但又视为一个与设备无关的颜色空间。目前，它作为一个标准广泛用于显示、摄影等行业中。

sRGB颜色空间的提出源于CRT显示器。最初的显示器为CRT技术，随着市场的淘汰，最后几乎所有的生产商都使用统一的P-22系列荧光粉，即所有的CRT设备使用的荧光粉都具有非常相近的光谱特性。

以这种特定发光特性的红、绿、蓝光作为加色三原色，将其以不同比例的混合，即显示器显示的混合色。于是，按照色度理论，可以建立一套以该三色光谱的混色规律。

1996年，IEC TC100（国际电工技术委员会）基于通常办公环境下这类CRT显示器的色度特性，以及在非高端用户中的应用，提出（即建立）了以该三色光谱为基色的混色规律，形成了一个新的颜色空间，称为sRGB颜色空间，即标准（standard）RGB颜色空间。它是Windows系统平台默认的色彩空间，也是美国数字电视广播的标准。其三原色在D65照明体下的CIExy色品坐标值如表3-1所示。

该颜色空间的基础是通常办公环境下的CRT显示器。所以，要求显示器和环境共同满足一定的色度要求，具体指标见表3-2。

表中D65、D50分别指D65、D50标准照明体。伽马值的选择对表现中间色调有较大的影响。在PC机上sRGB使用2.2的指标，参考白点为D65照明体对应的6504K。它有很好的感知能力，可与绝大多数微机和视频设备的特性进行良好的匹配。目前，Windows采用的默认伽马值亦为2.2。所以，在Windows系统的PC机上sRGB可以与各种图形图像软件及打印输出进行匹配。

此外，值得注意的是表中“环境光的白点”要求为D50照明体，即平均日光。这一方面符合大多数情况，CRT显示器处于日光从窗口射入的办公室环境。另一方面，也与ICC设备描述文件中设定的照明体相一致，便于统一于色彩管理的标准之内。

当满足了表3-1和表3-2的色度要求后，sRGB颜色理论的重要内容就是建立显示器在数字控制下形成视觉颜色的规律了。这就是下面的RGB数字控制值与所显示色光色的CIEXYZ色度值之间的关系。

我们在“命令”显示器发光时，最直接的感觉是给它一组整数值RGB，它便在屏幕上形成一个混合色光。其内部的过程是R、G、B分别控制红、绿、蓝光通道，各自发出一定强度（与控制值大小有关）的光。定义红光通道在某个数值“命令”下所发光的亮度与该发光状态下该通道所能发出的最大光亮度之比，称为该通道此时的亮度因子，并记为r。同样，定义绿、蓝两个通道在某一数值控制下的亮度因子为g、b。三个光通道的亮度因子与对应形成的混合色光在D65照明体下的CIEXYZ色度值有如下关系：

式中的亮度因子r、g、b由对应的数字控制值R、G、B决定。

在8位编码的情况下，R、G、B取0～255整数，令：

当R′、G′、B′≤0.04045时：

而当R′、G′、B′＞0.04045时：（3-4）

值得注意的是，R′、G′、B′和r、g、b均在0～1之间取值。

由上看到，r、g、b与CIEXYZ为线性关系，RGB则不然。所以，通常也将r、g、b称为线性RGB值，而将R、G、B称为非线性RGB值。

相反，可由CIEXYZ三刺激值得到数字控制值RGB。过程如下：

当r、g、b≤0.0031308时：

而当r、g、b>0.0031308时：

于是：

由上述一系列式子可以看到，sRGB颜色空间基于通用的CRT显示器特性，并对显示器及环境作了一定要求。这种情况下，显示器在数字控制下的发光光色满足确定的较为简单的关系。

当前实际的CRT显示器所用绿、蓝荧光粉与sRGB的有十分接近的光谱特性，红的差异也不大。所以，CRT的色度特性可调整到与sRGB的十分接近。

sRGB中的RGB与CIE色度颜色有确定的对应关系，变为与设备性能无关，也成为CRT显示器之外的其他设备可遵循的标准。例如，在摄影行业，数码相机就设计成其颜色响应符合sRGB标准，以使其拍摄的场景直接到sRGB显示器上显示就能获得景物的最逼真颜色。许多软件开发商也支持这一标准，如常用的Photoshop中即加入了sRGB颜色空间。