首先要明確概念：色彩是什么？
關(guān)注了我們很久的粉絲應(yīng)該都比較清楚我們以往的測試和點(diǎn)評相對來說強(qiáng)調(diào)的都是明度方向的信噪比和分辨率，對于色彩還原和色度感知這個事情則相對來說談得比較少。不過談得少并不是因?yàn)槲覀儾辉谝膺@個（實(shí)際上大家應(yīng)該也都明白色彩表現(xiàn)是影像系統(tǒng)非常重要的一部分，尤其對于被微信壓圖摧殘到身心俱疲的朋友圈攝影大師們），而是色彩科學(xué)本身就是一個復(fù)雜的多變量系統(tǒng)，很難通過簡單的測試來蓋棺定論的給一個結(jié)論。今天我們要做的就是系統(tǒng)的討論一下這件事情，讓大家了解一下色彩這個事情究竟復(fù)雜在哪，為什么拿相機(jī)拍出來的跟你眼睛看到的總是有差異，標(biāo)板色卡還原得好并不能代表實(shí)拍場景也能還原好，等等。
要討論一個東西第一件要明確的就是它的定義或者概念。要問色彩是什么，可能有一些物理學(xué)基礎(chǔ)的人就會脫口而出：色彩是人對不同頻率電磁波的視覺感受。
（嚴(yán)格來說應(yīng)該按頻率算，介質(zhì)的折射率會影響波長——但是泡在水里的紅色物體并不會變藍(lán)。不過一般討論這個問題的時候都默認(rèn)是同種介質(zhì)，λ=1/f，用波長和用頻率嚴(yán)格來說指的都是單個光子的能量，下同）
這句話怎么講呢，沒有錯，但是只說對了一部分。
上面這句話如果拆開來看實(shí)際上包含了兩個命題，一個是“相同頻率與頻率分布的光在人眼看來是相同的顏色”，這個沒什么問題，同樣波長的單色激光在同一個人眼里看來確實(shí)都會是同一個樣子的（或者說光子是全同玻色子無法區(qū)分）。但另一個命題“不同頻率與頻率分布的光在人眼看來是不同的顏色”，這個可就不一定成立了。
乍一看可能很多人會感覺很奇怪，波長都不一樣了為什么人眼看起來還可能是同一種顏色呢？這個問題理解起來其實(shí)也很簡單，人眼所見的絕大部分光都是非單一頻率的復(fù)色光，人眼看到的是2，但這里邊的2可能是1+1，也可能是0.5+1+0.5，也可能是0.5+0.5+0.7+0.3……千變?nèi)f化，無數(shù)組合。
最根本的原因還是在于人眼和人耳對于入射信號頻率的感知方式完全不同，人耳是連續(xù)取樣的，聲音不同的振動頻率會引起聽覺毛細(xì)胞的不同信號，進(jìn)而被大腦感受和區(qū)分。而人眼的色覺細(xì)胞是有基底的，只有有限種頻率可以觸發(fā)響應(yīng)——準(zhǔn)確的來說，是三種。
絕大部分人類都有三種視覺色素，其中感受短波（藍(lán)光）的感受器是從遠(yuǎn)古時代海洋祖先那里繼承來的，紅綠色的感受器同源，所以人類紅綠色盲一般成對出現(xiàn)。當(dāng)然，我們今天講的是大部分人的色覺感受，暫時先不考慮色盲以及四色視覺這種極為特殊的情況。
所以很簡單，假設(shè)入射到你眼里的是一個575nm波長的黃色光光子，根據(jù)上面的圖可以查到此時人眼對它的響應(yīng)是[X,Y,Z]=[0.95,0.95,0]，然后大腦就會判斷你看到的是黃色物體。但是反過來，假設(shè)我們接受的是同時射入感光細(xì)胞的一個525nm綠色光子和一個625nm紅色光子呢？我們將得到的響應(yīng)是[X,Y,Z]=[0.6,0.6,0]，你只會看到一個黯淡一點(diǎn)的黃色物體，而不是區(qū)分出它原來有紅有綠。
是的，三原色是根據(jù)人眼視覺特性演化而來的一個人為規(guī)定，而不是什么自然真理。
用線性代數(shù)的語言來說，假設(shè)380nm~780nm之間每隔1nm就進(jìn)行采樣的話我們得到的是一個400維空間，而人眼只有三種色覺感受器，我們看到的是400維空間在三維空間中的投影。想象一個三維物體對二維平面的投影，只看正投影的話，最簡單的一個圓錐、一個圓柱和一個球的底面二維正投影都是一個圓，換句話說，就是降維投影必然會存在多對一映射，最終產(chǎn)生信息損失。
這種因?yàn)槿搜凵炔蓸犹匦远鴮?dǎo)致無法區(qū)分具體的顏色是由什么樣的光產(chǎn)生的現(xiàn)象叫作同色異譜——是的，我們這一整節(jié)都在介紹這個概念，因?yàn)檫@個概念幾乎是所有色彩理論和色彩問題的基礎(chǔ)，了解這個概念之后，我們接下來就可以回答一些大家對于色彩還原、色彩管理的常見疑問了。
顯色性是怎么一回事？
接下來我們就嘗試?yán)猛愖V這個概念以及一些其它的物理原理與邏輯來說明一些我們在攝影當(dāng)中碰到的關(guān)于色彩的一些問題。
上來第一個問題我們先聊一些簡單的，比如現(xiàn)在大家去買LED攝影燈甚至不攝影的普通燈都會看到商家在宣傳一個概念叫顯色性，那么這個東西究竟是怎么一回事呢？
從同色異譜這個角度出發(fā)就很容易了解到這么一件事——白色LED燈發(fā)出來的在我們眼里看來是白光，太陽發(fā)射的光在我們眼里看來也是白光，但這兩種白光，可以完全不是同樣的東西。
太陽光譜
某款LED燈的光譜
很顯然這兩種光源雖然看起來似乎都是白色，但完全是不同的東西。普通的物體在反射低能光子的時候又不會產(chǎn)生任何改變光子頻率的效應(yīng)（高能X射線或者γ射線的光子倒是會與物體的電子或者原子核發(fā)生碰撞散射而改變頻率但是很顯然這件事與我們今天討論的可見波段無關(guān)），只能是有什么反射什么，缺失的顏色就顯示不好或者干脆顯示不出來。
而且不光是可能不同，接下來我們會發(fā)現(xiàn)LED的發(fā)色與太陽的光譜必然是不同的——太陽的光譜來自于外層大氣（光球）被內(nèi)部核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量加熱到5800K之后產(chǎn)生的黑體輻射（沒錯，別看太陽那么亮它也是個黑體），等離子氣體的黑體輻射來自于其中自由電子海里的電子碰撞減速時釋放的動能轉(zhuǎn)化成的光子，動能可以是連續(xù)的，光子的能量分布自然也是連續(xù)的（量子力學(xué)說的是光子本身的能量是分立的這兩個事情不矛盾）。然后我們在地球上進(jìn)化的人類把這種混合光譜叫作白光——實(shí)際上如果只看能量分布的話，它分布的峰值在綠色，我們的太陽是一顆綠色的恒星。
（所以這也是另一個有趣問題的答案：為什么天上的星星有紅橙黃藍(lán)白色的，就是沒有綠色的？答案是綠色的星星在你眼里看來就是白色的）
中間這條黑色的曲線就是不同溫度的黑體輻射混合譜在你眼里看起來的顏色
人類所制造的光源里靠高溫物體的黑體輻射發(fā)光的基本上也只有白熾燈，所以你到現(xiàn)在都還可以看到很多對色彩要求極高的拍攝里依然在用鎢絲燈之類的光源。LED、CCFL之類的這些光源發(fā)射的光子都來自于熒光粉的原子內(nèi)部電子的能級躍遷，而大家都知道核外電子能級是分立的，發(fā)射的光譜也只能是有限的幾個頻率。通過混合使用不同的熒光粉來補(bǔ)色可以提高光譜的豐富程度進(jìn)而提高顯色性，但終究達(dá)不到黑體輻射光源那樣完美的連續(xù)譜——所以人們定義太陽光的顯色性Ra=100，人工LED的顯色性都用太陽去標(biāo)定，光譜越接近太陽光，則在這個光源照明之下所能呈現(xiàn)的色彩越豐富。
為什么都用灰卡校正白平衡了，拍出來的顏色還是不一樣？
一句話式的答案就是你校正的是白平衡，不是色平衡，只對白色校準(zhǔn)，其它顏色的還原還是各不相同這種事情太正常了。
接下來還是詳細(xì)的說一說這個事。實(shí)際上白平衡雖然保證不了色彩還原的絕對準(zhǔn)確，但對于一個成像系統(tǒng)哪怕人眼來說也是極為必要的。人眼在漫長的進(jìn)化過程當(dāng)中學(xué)會了適應(yīng)不同的光源，盡量保證在不同的光源下看到的白色是一致的，顏色都看不對怎么找食物吃啊您說是不是這個道理。
相機(jī)之類的模擬人眼感色原理的設(shè)備也是如此。不過跟我們介紹同色異譜原理時候面對的問題類似，如果是一個400維空間對400維空間的校正，希望輸入是全1的時候輸出也是全1（白色），那么用一個簡單的線性縮放就可以了。不僅如此在這個線性縮放之后不光白色是準(zhǔn)確的，其它顏色也是準(zhǔn)確的，不會存在諸如偏色之類的問題。
但是相機(jī)也是一個用三維色取樣來試圖還原理論上來說無窮多維度的所有色彩空間的設(shè)備，這個時候要通過縮放（白平衡調(diào)整）來實(shí)現(xiàn)白色的完美還原([R,G,B]·[α]=[R',G',B'])是沒有問題的，對于白色乘以一個線性因子之后（灰色）的還原也是沒有問題的。但是具體到其它復(fù)雜顏色上面依然無法保證色彩還原的一致性。
要保證色彩一致的話就需要做色平衡，也就是我們常說的校色——不僅讓全1矩陣可以一一對應(yīng)，其它的點(diǎn)也要盡量對應(yīng)，然后在連續(xù)性假設(shè)下即使沒測到的點(diǎn)也不會報道出現(xiàn)大偏差，就差不多OK了。校色的時候只測個黑白灰行不行？很顯然不行，單純的白平衡保證不了色平衡。
具體到相機(jī)和手機(jī)廠商這邊由于各家的傳感器濾色片感色特性不一樣甚至還有上RYYB這種異型濾色片的，直出的色平衡都是廠商自己來做，最多給用戶在機(jī)身里設(shè)置個色彩偏移選項(xiàng)。后期修圖的時候也是，以Adobe系列軟件為例，用戶能自己去做色平衡的，其實(shí)也只有有限的幾種顏色：
最終也只能實(shí)現(xiàn)有限的色平衡。
這一節(jié)我們就用攝影圈日常吵架經(jīng)常會吵到的哪個問題來結(jié)尾：理論上來說后期是不是萬能的，是不是我用索尼相機(jī)拍出來的照片，無論里面內(nèi)容是什么都能調(diào)出同場景富士相機(jī)直出的那個顏色？
很顯然這也是一個色平衡問題，所以答案就是：理論上來說可以，但是我們平時用的修圖軟件給提供的色平衡調(diào)整維度不夠。即使真的有提供400維色彩調(diào)整的軟件，你也未必有那個時間和心情去一張張修。
可以做出完美還原人眼色彩特性的相機(jī)嗎？
還是開門見山講答案吧：
如果采集設(shè)備的光譜敏感度函數(shù)是人眼色匹配函數(shù)的線性組合，則此時該設(shè)備可以完美、準(zhǔn)確的還原人眼所能識別的所有顏色。這個就叫作盧瑟條件（Luther Condition）。
或者再簡單點(diǎn)說就是感光材料&濾色片的“色域”可以識別到人眼所能感應(yīng)的所有色彩，也就是相機(jī)感光覆蓋的色域舌形圖面積必須完美包含人眼的感色面積，并且中間不能有間斷點(diǎn)。
但很遺憾的事情就是我們目前還沒有找到跟人眼視錐細(xì)胞里那些感光色素的感色能力完全一致或者完美包含的濾色片材料——可能未來也不會有（有機(jī)色素的吸收有很多專屬的特征，這里就不展開講了）。所以可能我們?nèi)祟愑肋h(yuǎn)無法制造出完美滿足盧瑟條件的色彩采集設(shè)備（不僅僅指相機(jī)）。何況實(shí)際相機(jī)系統(tǒng)里不能說我用0.0001乘以個1145140000也可以表示114514這樣就算可以線性表達(dá)了，還要考慮到信噪比的問題。
某款CMOS圖像傳感器的光譜響應(yīng)特性——很顯然人眼感紅色色素能有響應(yīng)的450~480nm波段在這個傳感器的紅色像素上幾乎是0響應(yīng)，而且覆蓋面積遠(yuǎn)大于人眼的感應(yīng)波段（可以感受紅外線）
所以為什么看到的和拍到的色彩總是不一樣呢？
在講解了一些基礎(chǔ)概念，然后分析問題到這個階段，我們終于可以正式回答這個問題了。
【同色異譜】看起來是同樣顏色的物體或者光源，其實(shí)際光譜分布可以（而且?guī)缀醣厝唬┩耆煌?br>
【非理想采集設(shè)備】目前的設(shè)備，幾乎不可能完全包含或者模擬人眼的全部色彩響應(yīng)特性。
【非線性變換】線性變換只能保證白平衡，而對于色平衡，需要一對一的做非線性變換修正。
以上三個問題綜合起來，就導(dǎo)致在圖像傳感器設(shè)備試圖還原人眼所見色彩時會出現(xiàn)以下幾種可能性：
1、某些人眼可以看出來的光譜差異，該設(shè)備看不出來
這種情況肯定是完全無解的，如果你不認(rèn)同類似于P月亮這種貼圖式AI技術(shù)應(yīng)該被引入攝影成為標(biāo)準(zhǔn)流程的話。信息不能無中生有，除非引入外部信息。
2、某些人類看不出來的光譜差異，該設(shè)備可以看出來
但最后顯示的圖片都要映射回可見光波段，所以這種情況會產(chǎn)生偽彩色圖片——實(shí)際上人們也在有選擇性的利用偽彩色，比如那些天文上常見的紅外波段、射電波段和X射線照片都是用人眼看不到但是該設(shè)備可以看到的頻譜通過某種映射變成偽彩色圖片產(chǎn)生的。但就具體的色彩還原這個問題來說，設(shè)備可以還原人眼看不到的色彩這必然也是會產(chǎn)生偏色的一個因素，所以現(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)在圖像傳感器前面都會加一個紅外截止濾鏡來防止紅外線感光產(chǎn)生的偽彩色。
3、非線性變換產(chǎn)生的色彩空間扭曲
這個其實(shí)就是我們一般意義上來說的偏色，也是相機(jī)手機(jī)做色平衡色彩修正的時候要做的主要工作。
設(shè)有一種感光材料其光譜敏感度可以表示為矩陣C，然后乘以一個修正方陣T之后得到一個矩陣方程：
由于不滿足盧瑟條件不存在完備的線性相關(guān)性所以矩陣T并不存在解析解，但是我們可以求近似解比如最小二乘解。再去比較C2deg和T·C兩個矩陣的均方根誤差即可評估感應(yīng)器的色偏程度。
但最終無論如何都得不到精確的矩陣T，也就是說RGB到XYZ的映射是非線性扭曲的，一定程度上來說是對原始RGB數(shù)值搞適配人眼的強(qiáng)行上色。即使是真的去強(qiáng)制上色，也會因?yàn)闆]有無限高精度的3DLut從而無法實(shí)現(xiàn)真正的完美色彩還原。去求最小二乘解之類強(qiáng)行求解矩陣T的做法一般來說也不實(shí)用，很多時候還是采用類似顯示器的拍色卡然后一對一做lut這種方式來進(jìn)行非線性空間變換的辦法。但這樣的話，問題又回到一開始了——實(shí)驗(yàn)室的光源和實(shí)際使用的光源之間會有同色異譜，實(shí)驗(yàn)室色卡的材料反射特性和實(shí)拍物體的材料反射特性之間也會有同色異譜。很多新奇的傳感器濾色片構(gòu)型都是實(shí)驗(yàn)室里拍標(biāo)板拍色卡好好的，一到各種復(fù)雜光源實(shí)拍場景就各種翻車，基本上就是這個原因。
結(jié)論與碎碎念
看起來這個問題到這里就應(yīng)該結(jié)束了，如果人類找不到完美滿足盧瑟條件的相機(jī)傳感器材料和濾色片，那么就永遠(yuǎn)造不出色彩還原絕對準(zhǔn)確的相機(jī)。但凡事都不是非黑即白的，物理學(xué)上的問題結(jié)束了，留下的永遠(yuǎn)都是一些思辨性的討論：
·既然所有相機(jī)都無法準(zhǔn)確的還原色彩，那么不如放棄色彩還原性去追求高感光性能，這種做法是正確的嗎？
·在人眼作為絕對裁判不可動搖的這個大前提下，攝影講究所謂的“真實(shí)”究竟有意義嗎？
·如果一個相機(jī)直出色彩就不理想，那么通過簡單的后期色平衡無法實(shí)現(xiàn)自己想要的色彩。這個前提下，購買相機(jī)的時候，直出色彩的優(yōu)先級是否應(yīng)該被提高呢？
·單一環(huán)境的拍攝無論如何合理安排都無法體現(xiàn)出一個影像系統(tǒng)在各種環(huán)境下的色彩性能，那么除了大批量的看樣片（最好是每一張RAW樣片都拿來自己修圖，因?yàn)锳dobe自己也會用一套映射）之外，是不是就沒有別的辦法了？
·在不會做任何輸出打印甚至圖都不想發(fā)的前提下，對顯示器做嚴(yán)格的校色操作，究竟有必要嗎？
