如果你常常网上购物，一定对其中一句商品描述不陌生：“提示：因拍摄光线和显示器等因素无法避免商品图片存在色差，请以收到的实物为准。”

在数字化的时代，图片和视频正在取代文字，成为人们记录和分享的主要方式；而屏幕也正在取代纸张，成为人们获取信息的主要媒介。于是，被数字影像包围的人们，对“色差”越来越不能忍——

明明电脑上的设计图是蓝底的，换成手机看怎么是紫色的？明明在手机上买了一条灰色的裤子，拿到手一看怎么是绿的？ 

近日，西湖大学光学工程讲席教授仇旻的科研团队在国际光学期刊《Optica》上发表了题为“Nonlinear Color Space Coded by Additive Digital Pulse”的最新研究成果。他们提出利用人眼感知为基准的颜色空间，替代以物理器件本身为基准的颜色空间，解决颜色在保存和复现过程中的失真问题。

也就是说，他们赋予颜色一套全新的“编码”——不仅可以最大限度地解决不同显示器之间存在的色差，还能解决人眼看到的颜色与机器显示之间存在的“色差”，真正做到“眼见为实”。

西湖大学与浙江大学2019届联合培养博士生唐妮为本文第一作者，西湖大学工学院王纪永博士和仇旻讲席教授为共同通讯作者。

一起来看，他们是如何“消灭”色差的。

一盏灯的困惑

起初，研究团队的成员并没有把注意力放在颜色上，他们只是想研发一盏灯。

可以是用来美容的红蓝光治疗灯，也可以是用来调节情绪和作息节律的睡眠灯……然而，研究团队发现，不论做哪种灯，都需要精准调节光的颜色，如需要保证光照度、颜色坐标还有色温度。

蓝就是蓝，不能是偏蓝；红就是红，不能是偏红。出乎意外的是，这个看上去非常基础的核心要素，在现有的技术条件下几乎不可能实现。

问题就出在颜色上。

颜色，是一个古老又新鲜的命题。我们知道，颜色是人类视觉系统对可见光光谱的感应和认知；但电子设备的普及，在颜色这个问题上带来了新的困扰，屏幕对颜色的二次呈现往往“所得非所见”。如何在成像和显示设备上无差别地记录并重现一个五彩斑斓的世界，成了一个不小的难题。

以LED显示屏为例，人眼在屏幕上看见的颜色，取决于LED所采用的红、绿、蓝三种光源。为了让机器能利用这三种光源“调”出尽可能多的颜色，有人发明了一套颜色“编码”：红色光为X轴，绿色光为Y轴，蓝色光为Z轴，我们把这个坐标系称为“颜色空间”。

在这个空间里，每一种颜色都被定义为由三个数字构成的数字坐标，代表三种光源的固定混合比例。比如，我们一般所说的红色，它的数字坐标就固定为（255，0，0），也就是说把红色光源开到最亮，同时关掉蓝色和绿色的光源。

这个数字颜色空间通常称为RGB。按照计算，256级的RGB能用红、绿、蓝三种光源混合出大约1678万种色彩，即256×256×256=16777216。我们可以把它想象成一张巨大的表格，每一个颜色都有一个固定的坐标值，能在表格中的某处找到。

目前人们使用的显示器，大多数都采用了RGB颜色空间，那色差是怎么来的呢？

追根需溯源。由于技术手段、制作标准等限制，不同厂家所使用的红、绿、蓝三种光源本身存在色差，这也就导致以它们为基础的其他颜色都多多少少显示“不准”。这就不难想像，同一张图片在手机、平板、电脑和室外广告屏上显示时，由于光源有色差，呈现的图片必然有色差，为跨媒体适配的设计带来不便。

“就像我们画画，明明是按照标准的比例把颜料混在一起，但如果用的颜料来自不同批次、不同产地、不同品牌，颜色本身就不一样，必然无法保证每次调出来的颜色都是一致的。”仇旻说。

于是，从一盏灯的头脑风暴开始，仇旻团队将目光聚焦于如何从根本上校准颜色。

从大自然中“取色”

如何校准呢？

我们先来认识另一类颜色空间——CIE。CIE是国际照明委员会的简称，在几十年前，这个委员会召集一群颜色专家制定了一套颜色的“标准”，我们称之为CIE。CIE也是一个坐标系，特别之处在于，它量化了人眼所看到的颜色。

如果说RGB是一种与设备相关的数字颜色空间，它所呈现出的颜色与设备本身使用的红、绿、蓝三种光源有直接关系。那么CIE不同，它所展示的颜色与设备光源无关，只与人的视觉感知有关，是一种综合了颜色坐标、色温、亮度等多个维度的颜色空间。

我们可以把CIE想象是大自然的调色盘，尽可能还原了人眼在自然世界中看到的那些五光十色。

正因为如此，哪怕是使用RGB的显示器，为了让显示效果尽可能接近人眼感知，让屏幕上的“红”与人们在屏幕之外的世界中看到的“红”尽可能接近，也需要在设计、标定、出厂和校正过程中比照CIE来校正颜色。

由此，研究团队将关注点从RGB转到CIE上。与其在RGB和CIE上来回转换、校正，“为什么不能跳过RGB，跳过那张巨大的表格，直接在CIE上‘取色’呢？”王纪永说。

带着这样的思考，仇旻团队经过严谨的理论推导和实验验证，最终提出了一套完备的、基于CIE颜色空间的数字颜色编码和解码算法。

还是以红色为例。按目前工业界的常规做法，是使用红、绿、蓝光源，按照RGB中红色的（255,0,0）这一混合比例，得出最终的红色。结果很可能是，厂家A的红要比厂家B的红更红一点（如下图）。

换成仇旻团队研究的算法。我们假设使用的红、绿、蓝光源不变，但研究团队不再是用RGB那张表格“调”出颜色，而是直接在大自然的调色盘——CIE的坐标系中找到人眼感知的红色，我们称之为“基准红”。而算法的作用，就是结合实际的光源，计算出一串代表“基准红”的数字信号，相当于给了“基准红”一个“编码”。当光源执行这一编码时，呈现出的就是人眼感知的红色。

重复同样的步骤，研究团队在CIE颜色空间里，定位好“基准红”、“基准绿”、“基准蓝”，同时计算出对应的编码。有了这组“三基色”，研究团队可以在CIE空间内对任意颜色进行编码计算。

未来的显示器只要采取这套算法，不管使用的红、绿、蓝光源有多少差别，最终显示的都是取自CIE颜色空间的、与人眼感知无限接近的颜色。这样一来，不仅不同设备之间不再有色差，屏幕内外的世界也不再有色差。

当然，在这种特殊的显示器研发、普及之前，在我们当下正在使用的显示设备上，也可以用上这套算法。不论与显示硬件还是与设计软件相结合，这套算法都可以依据CIE上取色和计算的结果，“反推”并校正RGB的坐标。

从用户视角来看，如果你是一名设计师，你决定选用红色，按常规选择了（255，0，0），但此时的设备内部，坐标也许已经悄悄挪到了（254，1，1）上。

当你在电脑上描绘一幅风景画，用来取色的“吸管”能够直接从大自然的红花、绿叶、蓝天中撷取一抹原色，是不是很酷？

“色差”之外的可能性

仇旻团队研发的这一新算法，为长期困扰人们的“色差”问题，提供了一个新的解决方案。但真正令他们兴奋的不是算法本身，而是当我们能够精准掌握颜色背后的光时，呈现在眼前的那些早已超越了“色差”的更多可能性。

我们一一来看。

前不久，神舟十二号载人航天飞船载着3位宇航员飞往太空，成功入住天和核心舱。我们知道，生物钟对维持人体身心健康十分关键，而光照能够影响生物的节律，是影响生物钟的最主要因素之一。想象一下，如果我们能模拟与地球生活别无二致的光照条件，让宇航员在太空享受“日出而作日落而息”的规律生活，该是一件多妙的事情。

从“天上”回到“地下”。一套精准控制光照的系统，在种植业同样大有作为。比如浙江省主要经济作物之一的杨梅，其产量、大小、甜度跟光照密不可分。假设我们通过调研得到杨梅丰收年份的光照数据，再用这套系统模拟“复制”出来，就可以每年都品尝到好吃的杨梅了。

另外，这套算法不仅适用于LED光源，还能用于可数字控制的激光器。激光器由于其亮度高、单色性好等优势被广泛用于照明、显示以及科学研究领域，研究团队根据激光特性，也开发出了一些新应用。

比如，当编码后的激光透过不同粒径大小的纳米颗粒，我们能够通过颜色的细微差异推算出纳米颗粒的准确尺寸，精度可达到10纳米。这为纳米颗粒粒径大小的快速识别与超灵敏传感提供了一种新思路。

此外，该研究在激光通讯、人工视觉、虚拟/增强现实以及多波长光与物质作用中，同样具有广阔的应用前景。例如，微软Hololens2的增强现实眼镜就是利用3波长激光混色得到一帧彩图。利用仇旻团队的算法，可以进一步消除色差，并最终增强现实感。

“这项研究最大的意义在于它既有趣又有用。”仇旻为我们描绘了以CIE为关键词的未来：

我们会使用基于CIE光电探测器的相机或手机记录下生活瞬间，拍摄的图像自动存储成一个后缀为CIE格式的图片文件，日后可以用CIE手机或CIE显示器重温记录下的美好瞬间。最初用眼睛捕捉到的画面，经过拍摄、成像、跨屏显示，一切仍然完美复现。

无论对学术界还是产业界来说，这都有可能带来一场变革。

转载：西湖大学