色彩和圖像的基礎知識
色彩的物理原理
我們小時候都學過，物體會反射太陽光，太陽光進入人眼之後，人可以看到各種物體。
牛頓最早做過三棱鏡分解太陽光的實驗，太陽光可以分解爲七種顏色，各色光因其所形成的折射角不同而彼此分離，就像彩虹一樣。後來人們通過實驗證明，七色光中的橙色光，黃色光，青色光，紫色光還可以繼續分解，而紅（R，Red）綠（G，Green）藍（B，Blue）三種色光無法被分解，故稱爲三原色光。另外，白光就是由等量的三原色光混合而成的。
RGB 色彩模式與顯示器原理
**RGB 是光的三原色，RGB 三種色光經過混合，便可以呈現各種顏色的光。**顯示器就是利用這種原理進行成像的。顯示器上有很多發光的像素點，假設一部手機屏幕的分辨率是1280×720，說明水平方向有720個像素點，垂直方向有1280個像素點，所以整個手機屏幕就有1280×720個像素點（這也是分辨率的含義）。每個像素點都由三個子像素點組成（如下圖所示），每個子像素點發出不同強度的RGB色光，混合之後便可以形成各種顏色的光線，這些光線照射到人眼中，就成爲了人們看到的圖像。
使用 RGB 三原色光表示色彩的方法被稱爲 RGB 色彩模式。
CMYK 色彩模式
上面我們說到，RGB 是光的三原色，可用於顯示器的顯示。實際生活中，除了顯示器，我們還需要在印刷品上顯示顏色，此時肯定沒法使用 RGB 色彩模式了，因爲紙張不會發光，只能反射光。
印刷行業使用 CMYK 色彩模式，其中 CMY 分別表示青色（Cyan，也叫天藍色），品紅色（Magenta，也叫洋紅色），黃色（Yellow），K 表示黑色。CMY 可以稱爲顏料的三原色。CMY 三種顏色按照不同的量混合，便可以形成各種顏色，如果等量混合則可以產生一種類似黑色的顏色，但不是純黑色，使用三種顏料調配黑色太浪費了，所以引入了單獨的黑色（K）。
CMYK 色彩模式根據不同顏色的百分比值進行混合，可以產生不同的顏色，四種顏色的混合量從 0% 到 100%。由於 CMYK 色彩模式和計算機圖像處理關係不大，我們不再做過多的介紹。
像素和分辨率
上面我們提到了像素這個概念，在顯示器上，像素是最小的顯示單位，一個像素同一時間只能顯示一種顏色。
說到像素就不得不提分辨率，分辨率指的則是橫向和縱向的像素個數，當我們說顯示器分辨率是 1920 * 1080 時，指的就是這塊顯示器橫向有 1920 個像素，縱向有 1080 個像素。
而在計算機圖像中，像素是圖像的最小單位，是純色的方格。我們說一幅圖片的分辨率是 480*800，則是指這幅圖片橫向有480個像素，縱向有800個像素。
而屏幕或圖像的寬高比（Aspect Ratio）則是橫向像素數除以縱向的像素數。
位圖與矢量圖
說到像素，又不得不提位圖。位圖（Bitmap）也叫點陣圖，是由像素點組成的圖像。我們在電腦，手機上看到的圖片基本上都是位圖。位圖都是由像素點組成的，當一幅位圖不斷地被放大，我們會發現位圖逐漸失真了，最終會看到一個個純色的方塊，這就是像素被放大後的樣子。
與位圖相對應的是矢量圖，矢量圖是由數學公式描述的，比如拋物線，橢圓，貝塞爾曲線等等。矢量圖不會因爲放大或縮小而失真，因爲它本質上是數學公式，和像素以及分辨率無關。但是要注意，由於屏幕本身是由像素點構成的，所以如果屏幕本身的像素點極大，在展示矢量圖時，可能會有鋸齒現象，但是這和矢量圖無關，是屏幕的問題。
常見的矢量圖軟件有 CorelDRAW，Illustrator，以及 Flash 動畫軟件。
色域（色彩空間）
人眼能看到多少種顏色？或者說世界上有多少種顏色？這個是無法計算的，可以說是無數種，因爲RGB三色光混合時，可以有無數種混合方式。
但是顯示器不可能顯示出世界上所有的顏色。前面我們講顯示器的原理時，RGB 三種子像素可以發出不同強度的色光，這個強度是有範圍的。現在常見的顯示設備，RGB 發光強度都被分爲 256 級，即 0 -255，如果三者發光強度都是 0， 則顯示器不發光，是黑色；如果三者發光強度都是 255，則顯示器顯示白光。其實任意等量的RGB光混合後都是白光，但是由於顯示器本身爲黑色，所以看上去是不同程度的灰色。 另外，將自然界的三原色光分爲256個級別，這本身包含了一個採樣和量化的過程，這裏不再贅述。
那麼顯示器能夠顯示的所有顏色數量則是：256 * 256 * 256 = 16777216，一千六百多萬種顏色，可以說是非常龐大了，人眼甚至無法分辨絕大多數相近顏色的區別。 如果我們提升顯示器元器件的發光強度級別，是否就可以顯示更多顏色了呢？理論上確實是這樣，但是沒有必要，現有的RGB色彩模式能夠顯示的顏色已經足夠了。
但是到底什麼顏色是紅色，什麼顏色是綠色，藍色？顯示器應該怎樣顯示純粹的紅綠藍？這也是問題，因此有了微軟/惠普的 sRGB 和 Adobe 公司的 Adobe RGB 等色彩標準，二者在RGB的標準定義上有所不同，這裏不細講了。另一方面，由於不同的顯示器的性能，工藝，規格不同，很多顯示器並不能呈現理論上所有的顏色。在同樣的發光等級下發出的光，不同顯示器顯現的顏色也略微不同，好的顯示器顏色飽滿豔麗，接近真實感受，差的顯示器顏色昏暗，不真實。衡量顯示器好壞的一個方面就是看它對不同的顏色標準的支持程度（100% sRGB，90% Aodbe RGB等等）。
那麼接下來介紹一個概念：色域。一個技術系統能夠產生的顏色的總和，被稱爲色域，也叫色彩空間（Color Space）。
RGB 顯示技術的色域就是 16777216，（這種說法並不嚴謹，準確來說色域並不是數值，而是範圍，RGB 只是色彩模式，sRGB 和 Adobe RGB 才能被稱爲色域，且二者色域不同），已經非常龐大了，對於人眼來說是足夠了。然而即使一臺顯示器能夠100%呈現RGB色彩模式下的所有顏色，由於RGB色彩模式本身的限制，仍不能表示世界上的所有顏色。
LAB 色彩模式
爲此，人們發明了另一種色彩模式：Lab色彩模式。Lab色彩模式是由國際照明委員會（CIE，International Commission on Illumination）於1976年公佈的一種色彩模式。Lab 描述的是顏色的顯示方式，而不是設備（如顯示器、打印機等）生成顏色所需的特定色的數量，所以 Lab 被視爲與設備無關的顏色模型。 Lab顏色模型由三個要素組成，一個要素是亮度（L），a 和b是兩個顏色值。a包括的顏色是從深綠色到灰色再到亮粉紅色（高亮度值）；b是從亮藍色到灰色再到黃色。
關於Lab的詳細解釋如下（可以跳過不看）：
人在看物體時，首先看到的是明暗，次之是色彩。Lab 模式就是這樣的，一個反映明暗的明度通道（L 通道）和兩個顏色通道（a、b 通道）。 L 通道就是明度通道，其中有暗區、中間調及高光區之分。L 通道可以用來調整照片的亮度，而且當對它進行調整時，圖像的顏色是不會發生變化的。
a 通道顯示的顏色範圍是：深綠色-50%灰（中性灰）-亮粉紅色。在這個通道的灰度圖中，暗調部分，即小於"50%灰"（色階值爲128）表示綠色。而且在灰度圖中顏色越暗，即越低於"50%灰"，綠色的飽和度就越高；顏色灰度值越接近"50%灰"，綠色的飽和度就越低。同時，亮調部分，即大於"50%灰"（色階值爲128）表示紅色。顏色越亮，紅色飽和度越高，反之，越接近"50%灰"，紅色的飽和度越低。
b 通道顯示的顏色範圍是： 藍色—50%灰（中性灰）—黃色，在這個通道的灰度圖中，暗調部分，即小於"50%灰"（色階值爲128）表示藍色。而且在灰度圖中顏色越暗，即越低於"50%灰"，藍色的飽和度就越高；顏色灰度值越接近"50%灰"，藍色的飽和度就越低。同時，亮調部分，即大於"50%灰"（色階值爲128）表示黃色。顏色越亮，黃色飽和度越高，反之，越接近"50%灰"，黃色的飽和度越低。
當對a、b 顏色通道進行調整時， 圖像只會有相應的色彩變化，而不影響圖像的明暗。
Lab 色彩模式有相應的數學模型，如下圖所示
由於在數學模型中，三個分量值都是連續的，所以Lab色彩模式理論上可以表示自然界所有顏色，所以它的色域也是最廣的，RGB，CMYK 等色域都被包含在 Lab 色域中，如下圖所示：
但是，無論採用哪種色彩模式，最終呈現在顯示器上的顏色，都是 RGB 色彩模式。Lab 雖然理論上支持所有顏色，但是在計算機中，會對取值進行量化，L 的取值爲範圍爲0到100，a 和 b 的取值範圍爲 -128 到 +127。這樣算起來， 似乎還不如 RGB 表示的色彩多。
那是否可以說 Lab 沒什麼意義了呢？其實並不是這樣的，在數學模型中，任何 RGB 顏色都可以表示爲不同的 Lab 顏色，只是爲了人們使用方便，對數值進行了量化處理。另外，Lab 更多的意義在於，由於它的色域最大，在色彩管理系統中可使用 Lab 作爲色彩標準，將顏色從一個色域轉換到另一個色域。
視覺感受與 HSB 色彩模式
人類更習慣這樣去描述一個顏色：它是什麼顏色？是鮮豔還是暗淡？而 RGB 色彩模型是通過不同量的 RGB 色光來描述一個顏色的，對人類來說很不直觀，難以理解。
因此，人們又發明了一種色彩模式：HSB 色彩模式，也叫 HSV 色彩模式（二者一樣，只是叫法不同）。其中，H（hue）表示色相（色度），S（saturation）表示飽和度（純度），B（Brightness）表示明度。色相，飽和度，明度可被稱爲色彩的三要素，這是基於光學和色彩心理學給出的三個特性。
HSB 色彩模式以人類對顏色的視覺感受爲基礎，描述了顏色的三種基本特性（也有相應的數學模型以及和 RGB 的轉換方法，這裏不再給出）。在計算機中，HSB 色彩模式將顏色三要素進行量化，色相以角度（0°-360°）表示，飽和度和明度以百分比值（0%-100%）表示。由於 HSB 最符合人眼的視覺感覺，這種色彩模式在CG繪畫中非常常見，在一些繪圖軟件中，你會看到如下的調色盤：
這就是基於 HSB 色彩模式的調色盤，選取顏色時，使用這樣的調色盤，要比修改 RGB 值直觀得多。
另外，在 PS 中，當你選取顏色時，可以看到各種色彩模式的表示方法：
最後，與 HSB（HSV）類似的還有一種色彩模式：HSL，原理上類似，具體細節就不再介紹了。