數位攝影流程所使用的色域

攝影邁入數位化以後，不僅僅是銀鹽軟片換成感光元件這麼簡單，多數開始從事數位攝影的人，都會面對無法正確掌控色彩的磨合期。數位攝影要徹底掌控色彩，首先要瞭解整個數位攝影流程中，會碰到或使用到的各種色域(如Lab、RGB或CMYK等)，瞭解各種色域的特性及其使用場合。然後，做好色彩管理，正確掌控整個數位攝影流程中，每個環節的色彩選用。

◆ 色域

在色彩應用與發展的歷史過程中，為了有效地掌握及運用色彩，各色彩體系會將色彩做有系統性的分類、組織，並以明確的數字或符號來表示不同的色彩，以便色彩應用時，能正確地傳達、比對及複製。在傳統以顏料為主的色彩學裡，通常會使用色彩三要素：色相、明度和彩度來建構一個立體模型，以說明該色彩體系的應用方法，此立體模型稱為色立體(Color Solid)。

其中如美國曼賽爾(Munsell)色彩體系，是廣被大家使用的體系，也是美國、日本及我國中央標準局工業規格的國定色彩標準。

圖一：左圖是曼賽爾色立體模型，右圖是所有色立體都遵循的建構方式：明度下深上淺，置於中軸位置。各色相環繞中軸，彩度依高低由中軸往外排列，愈外面彩度愈高。

色彩邁入數位時代以後，同樣會使用一組數值(通常使用三或四個數值，如RGB或CMYK)，來描述顏色，並建構一個抽象的數學模型，此稱為色彩模型(Color Model)。

圖二：RGB色彩模型

如圖是一個RGB色彩模型，他是使用紅、綠、藍 3個分量的顏色，按照特定的規則來描述(排列)色彩，但他僅止於一個色彩模型，並沒有確定每個色彩模型間每個顏色到底有多少波長、多少亮度及彼此間的級距為何。

所以，一個色彩模型若要做為特定的應用時，就必須將色彩模型與一個特定的參照色彩空間，建立一個特定的映射函數，如此就會在所參照的色彩空間中產生一個明確的涵蓋空間，此涵蓋空間便稱為色域(Color Gamut)。 

圖三：一個RGB色彩模型，其顏色對映到一個絕對色彩空間(Lab)，便會產生一個色彩涵蓋空間_sRGB色域。

色彩空間是由色彩模型和色域所共同定義。如在數位影像處理中，常用的Adobe RGB和sRGB色彩空間，兩者都是基於RGB的色彩模型，但他們是兩個涵蓋空間各異的色彩空間。

圖四：左邊是sRGB色域，右邊是Adobe RGB色域，可以看得出來Adobe RGB(框線)的色域大於sRGB(實色)。

數位攝影工作流程中，所有設備(包括相機、掃描機、螢幕、印表機…等)，都只在特定的色域範圍內運作，所以不僅彼此的色彩涵蓋範圍不一樣，同時隨著設備老化和其他客觀因素影響，色彩也會隨之改變，這種依存於設備的色彩空間(Device-dependent color space)，是無法作為色彩映射的參照色彩空間。另外，有一種不依賴任何外部因素就可以準確表示顏色的絕對色彩空間，稱為獨立於設備的色彩空間(Device-inpendent color space)，此色彩空間就常會被拿來做為色彩對映的標準色彩空間。

標準色彩空間通常會採用「國際照明委員會」(International Commission of Illumination，採用法文縮寫簡稱CIE)所制定的CIE XYZ或CIE Lab色彩空間。

◆ CIE色彩空間

一、CIE XYZ色彩空間

西元1931年CIE以楊(Young)和赫姆豪茲(Helmholtz)的色光三原色理論為基礎，運用光學儀器來測定整個人眼可見的所有顏色範圍，建立一種科學、準確的CIE色彩體系。此體系是以色光三原色為準，所以任何的色彩都可以由RGB混色而成(圖五-左)，再經過儀器測出光譜輻射能量和反射率值，即可得出XYZ值的色彩，故稱為XYZ表色系。

若以二度空間來表示X、Y、Z的刺激值，其形狀類似馬蹄形(圖五-右)，稱為CIE色度圖(chromaticity diagram)。其色彩可用Y、x、y來表示，大寫Y表示色光反射率的明度，小寫x、y是色度圖上X座標和Y座標上的座標數值。

 圖五：左圖是經由RGB色光混合出人眼所見的色域，並以X、Y、Z座標定義顏色值。右圖是所產生的CIE色度圖。

二、CIE LAB色彩空間

由於CIE XYZ是以RGB為準，色彩的表現不符合人眼視覺應用。所以， CIE又以人類視覺四原色紅、黃、綠、藍作為修正基礎，於1976年發表了CIE LAB表色法。

LAB色彩空間是由L(亮度)控制彩色的深淺，a(由紅色到綠色)和b(由黃色到藍色) 控制色度(chroma)，所有顏色就由此三個數值所定義而成。比起XYZ色彩體系，LAB色彩體系更符合人類對色彩的感知，亮度和色度的分離也更準確。其色域涵蓋了RGB和CMYK的色域，且獨立於任何的設備，因此可以做為其他色彩模型的參考標準(對映空間)。國際色彩協會（ICC）在建立一套大家可以共同遵循的色彩管理標準時，便使用CIE LAB色彩空間來扮演著色料與色光轉譯的角色，使各廠商所使用的色彩系統都可以有轉換的標準依據，進而達到色彩管理的目的。目前CIE LAB系統已被世界各國正式採用，成為國際通用的測色標準。

圖六：LAB色彩空間是使用紅、綠、黃、藍四色，來建構色彩模型(左圖)。色彩模型同樣依循標準的色彩排列方式(右圖)。

◆ RGB色彩空間

RGB色彩空間是以紅、綠、藍三色光以各種比例來建構RGB的色域。因應各種不同的使用目的，基於RGB模式的色彩空間，便有許多不一樣的色域。在影像處理中常見的有ProPhoto RGB、sRGB、Adobe RGB、Apple RGB、Colormatch RGB和Wide Gamut RGB等。

不同的RGB，各有不同的色彩涵蓋空間(圖七)，在數位攝影流程中如何正確的選用，成為數位攝影者一定要瞭解的知識。

圖七：不同的RGB色彩空間，各有不同的色彩涵蓋範圍。

上述各種RGB色域中，Apple RGB是麥金塔(Mac)早期螢幕所使用的典型RGB色域，目前麥金塔已轉用sRGB。Colormatch RGB是大約20年前用於印前系統的高端CRT顯示器所使用的色域，所以一般攝影者應該少有使用機會。至於Wide Gamut RGB是Adobe所定義的廣色域RGB，其色域涵蓋人眼可見光約78%左右。一如ProPhoto RGB一樣，廣色域的色彩空間，在影像處理時所要面對及處理的問題，會因人而異，所以一併在ProPhoto RGB說明。

歸納起來，目前在影像處理中廣被使用及討論的主流色彩空間，應是sRGB、Adobe RGB和ProPhoto RGB。而sRGB和Adobe RGB是數位攝影中最常使用的兩個工作空間。

一、sRGB色彩空間

是由微軟(Microsoft)和惠普(HP)於1996年所提出的色彩空間，其色域約含CIE所定的人眼可見顏色的35%左右。基本上是上述六種RGB色域中色彩空間最小的，甚至都不能包含列印用的CMYK空間，但他卻是至今仍然廣為使用的色域。

主要是此色域從早期到現在，被廣泛應用於大部分的軟、硬體上。早期的計算機軟、硬體都非常陽春，電腦及顯示器能顯示全彩(24位元=1677萬色)的顏色，通常都要擴充記憶體。像我從286 PC電腦開始使用時，主機板記憶體1MB要1千元，想要加裝10MB(電腦才能不當機跑得動)就要多加一萬元。一般顯示卡記憶體是1MB，只能顯示高彩(16位元=65536色)，想要顯示全彩，至少要再擴充1MB，我還用過只能印256色的印表機(數萬塊)。所以sRGB色域、24位元所構成的全彩(1677萬色)，對早期我們做電腦繪圖、廣告設計、大圖輸出而言，大家都覺得綽綽有餘(當時也沒有ProPhoto RGB、Adobe RGB等色域可供選擇)。 也因此，軟、硬體廠商都將他作為預設的色彩空間，中低階的數位相機或手機也都使用他作為默認的工作色彩空間。以螢幕顯示為主的網際網路、遊戲、影音視頻等，也都以sRGB為顯示圖像的標準色彩空間。由於互聯網、計算機和印表機上的sRGB已標準化，而sRGB色域也達到或超過中低階噴墨印表機的色域，因此以sRGB輸出列印，對一般人而言也是令人滿意的。

所以，雖然攝影邁入數位化已近20年，但仍然有很多輸出中心、一般沖洗店、快速印刷公司，使用sRGB作為輸出或列印的工作空間，並不足為奇。以目前而言，基本上sRGB是適用於以螢幕顯示為主的網際網路、遊戲、影音視頻等工作，不適合高階的攝影作品輸出列印，也不適合做為印刷使用。

圖八：左圖是CIE 1931xy色度圖。右圖是sRGB對映到CIE色彩空間的色域涵蓋範圍。

二、Adobe RGB色彩空間

為了解決sRGB不能覆蓋CMYK的問題，Adobe公司於1998年提出Adobe RGB色彩空間，並開始使用於Photoshop 5的版本。Adobe RGB色彩空間包含CIE LAB色彩空間所制定的可見顏色的52％左右。比sRGB的色彩空間大約多40％，並完全覆蓋sRGB色彩空間。他與sRGB最大的差異，主要是在藍綠色方向進行了擴展，同時也擴展到強烈的橙色、黃色和洋紅色區域。目前市面上高階的印表機大都已經支援使用Adobe RGB色域做輸出列印，因此使用Adobe RGB輸出列印的照片，將呈現更鮮豔的顏色，更豐富的色彩細節。Adobe RGB色域基本上也覆蓋大部分印刷用的CMYK顏色，因此也適於印刷用戶使用。

總之，Adobe RGB主要是使用於印刷行業、高階的照片列印輸出。

圖九：Adobe RGB與sRGB在CIE色彩空間的色域涵蓋範圍，可以看到Adobe RGB在藍綠、紅橙方面大於sRGB甚多。

圖十：以RAW檔處理後，分別轉成sRGB和Adobe RGB色域，確實可以看到Adobe RGB在藍綠、黃、紅橙方面有較飽和、亮麗的細節。

三、ProPhoto RGB

ProPhoto RGB是21世紀初由柯達研究實驗室所提出的一個特大色彩空間，其色域甚至比廣色域RGB(Wide Gamut RGB)還要大。他的RGB原色定義已經超出人眼可見的顏色範圍，基本上包含90%的CIE LAB色域，而約有13％的顏色是不存在並且不可見的顏色，這是此色域的缺點之一。

創建者Geoff Wolfe博士認為：由於希望對場景和圖像狀態具有相同的原色，因此色域需要有足夠的寬廣，以覆蓋所有真實世界的表面顏色和所有輸出設備。ProPhoto最終編碼的原色組比sRGB或Adobe RGB（1998）原色的組合要好得多。與CIE色度的對映或與sRGB或Adobe RGB的顏色編碼轉換，都能快速和簡單的變換。他發現ProPhoto RGB被許多人用於捕捉高度飽和的物體以及在Photoshop中能輕鬆調整的能力。

詳見http://www.realtimerendering.com/blog/?s=prophoto+rgb，這是2011年色彩與影像大會的特別會議，裡面有ProPhoto RGB創立者之一Geoff Wolfe博士主講：ProPhoto RGB顏色編碼的設計與優化。

若要在具有如此大色域的ProPhoto RGB色彩空間中工作時，首先他必須瞭解此色域的優缺點，且其所使用的設備如螢幕能否顯示?印表機色域能否支援?所使用的軟體能否有效的支援與設置(看來目前大部分不可能)。

我覺得國內攝影愛好者會使用ProPhoto RGB，有一大部分是因為使用Lightroom的關係。據Adobe官網所述，Lightroom在「編輯相片」模組中，預設會使用ProPhoto RGB色域為工作空間來作預視。但其目的只是為了簡化色彩管理，並保留圖像輸出的所有色彩配置選項。之後，如果要在Lightroom直接將圖像輸出成相片或轉到Photoshop裡再編輯時，就要選擇色彩設定或色彩描述檔(轉換到sRGB或Adobe RGB色域去處理)。所以Lightroom主要還是使用Adobe RGB色域顯示色彩，他會使用在：「圖庫」、「地圖」、「書冊」、「幻燈片」、「列印」與「Web」模組的預覽中。

這就像RAW檔(不具任何色彩空間)在Adobe Camera RAW處理後，再指定要轉換的色域(如sRGB或Adobe RGB等)，然後到Photoshop裡做後續處理，其工作流程是一樣的。

所以若不瞭解或無法從使用ProPhoto RGB色域中得到好處，建議就不要使用。尤其初學者，冒然使用超大色域來工作，我想壞處可能多於好處。

若要將鑲有ProPhoto RGB色域的圖檔，轉到Photoshop裡做後續處理，建議要以16位元工作，以避免產生色調分離的狀況。若是在8位元模式下工作，便容易發生色調分離或跳階的情況。  

圖十一：可以看到ProPhoto RGB色彩空間已超出CIExy 1931色度圖的色域。超出色域之外的三角形區域是假想的顏色。所以色域大不一定就好。

結論

每一種色域都有其優點與缺點，色彩管理不是色域大就是最好的選擇，而是選擇最適合自己的色域。不論採用哪一種色域作為工作空間，都不可能是完美的，他必須搭配個人使用的軟、硬體設備狀況及最終想要獲得的結果(你對影像的要求程度)，做最佳化的選擇。而有時，只是一種最佳的折衷方法。