XYZ 色彩模型與 RGB 色彩模型之比較及其在 DCI 數位電影標準中的應用
- PC
- 4天前
- 讀畢需時 5 分鐘
堅達公司 DI實驗室
民國114年8月21日
引言
在數位影像與色彩管理的領域中，XYZ 色彩模型與 RGB 色彩模型是兩種基礎且廣泛應用的系統。前者源自國際照明委員會（CIE）於 1931 年制定的標準，用以數學方式描述人類視覺的色彩感知；後者則是顯示器與數位影像處理中常見的加色法模型。隨著數位電影產業的發展，數位電影聯盟（Digital Cinema Initiatives, DCI）在制定數位電影封裝（Digital Cinema Package, DCP）標準時，選擇了 XYZ 作為核心的色彩編碼空間。此舉不僅是為了確保跨裝置的顏色一致性，更凸顯了 XYZ 在專業應用中的根本性優勢。
XYZ 色彩模型與 RGB 色彩模型的主要差異
CIE 1931 XYZ 色彩空間是基於對人類視覺生理學的研究而建立的。它透過三刺激值（Tristimulus Values: X, Y, Z）來模擬人眼視錐細胞對不同波長光線的反應。其中，Y 值被刻意設計為直接對應心理物理學上的「亮度」(Luminance)，而 X 與 Z 值則補充了色度資訊。此模型的設計目標是涵蓋人類所能感知的所有顏色，並透過數學轉換避免了早期色彩模型中出現的負值問題，使其成為一個理想的、裝置獨立的參考標準。
相對而言，RGB 色彩模型是基於紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）三種原色的加色混合原理，直接模擬了顯示器等發光裝置的物理行為。然而，RGB 是一個裝置相關 (Device-Dependent) 的模型。這意味著同樣一組 RGB 數值（例如 R=255, G=0, B=0），在不同的顯示器上會因為其各自的三原色光譜特性、白點設定以及伽瑪響應曲線的差異，而呈現出肉眼可辨的顏色差異。因此，單純的 RGB 數值本身並無絕對意義，必須搭配一個明確的色彩空間標準（如 Rec. 709 或 DCI-P3）來定義其所代表的真實顏色。
以下為兩者的主要差異說明：
項目 | XYZ 色彩模型 | RGB 色彩模型 |
基礎原理 | 基於人類視覺的三刺激函數，為一個心理物理學模型。 | 基於三原色的加色混合，為一個物理裝置模型。 |
裝置依賴性 | 裝置獨立：作為絕對的參考標準，不依賴任何特定設備。 | 裝置相關：其數值代表的顏色需由特定標準（如 Rec. 709, DCI-P3）來定義。 |
亮度表示 | Y 值直接代表亮度，方便進行亮度相關的計算。 | 需透過加權公式（例如 Y = 0.2126R + 0.7152G + 0.0722B）計算得出亮度。 |
色域範圍 | 極為廣闊，完整涵蓋人類視覺可感知的所有顏色。 | 其可表示的色域由所依附的具體標準（如 Rec. 709, DCI-P3）定義，因此是有限的。 |
數值特性 | 所有在可見光譜內的顏色均為正值。 | 在不同色域間轉換時，可能產生超出 [0, 1] 範圍的虛擬值（負值或大於1的值）。 |
主要應用 | 色彩科學研究、色彩管理系統中的設定檔連接空間 (PCS)、作為影像數據的標準化參考、數位電影母片。 | 常見於數位影像的擷取流程、編輯（軟體）與顯示（螢幕）。 |
DCI 數位電影標準中選擇 XYZ 的原因
DCI 在 2005 年制定標準時，由電影與電視工程師協會（SMPTE）的 DC28 顏色小組進行了詳盡評估，最終選擇 XYZ 作為 DCP 的色彩編碼空間。在 DCP 規範中，影像資料以 12 位元深度的 XYZ' 格式儲存（每通道 4096 級，總計約 687 億色），此處的撇號 (') 代表影像經過了 2.6 的伽瑪編碼，以優化人眼對灰階的感知並提升儲存效率。
選擇 XYZ 的核心原因如下：
確保色彩的一致性與準確性：XYZ 的裝置獨立性是其最大優勢。無論電影在全球哪家符合 DCI 標準的電影院放映，其投影機都能將 DCP 中的 XYZ 數據準確地轉換為該投影機所能呈現的顏色，從而最大程度地還原創作意圖。
廣闊色域的涵蓋能力：XYZ 色彩空間的範圍足以完整包含 DCI-P3 色域，甚至未來可能出現的更廣色域（如 Rec. 2020），避免了因色彩空間轉換而造成的顏色損失。
流程的標準化與簡化：以 XYZ 作為最終的交換格式，統一了數位電影的發行標準。在後期製作流程中，無論前期使用何種攝影機、何種工作色彩空間，最終都需轉換到統一的 XYZ 空間來製作母源，簡化了流程。
面向未來的擴展性：由於 XYZ 涵蓋了所有可見色，未來若電影工業決定採用比 DCI-P3 更廣的色域標準，現有的 DCP 封裝格式無需更改底層的色彩編碼，具備良好的前瞻性。
歷史與科學的傳承：CIE XYZ 系統自 1931 年建立以來，一直是色彩科學的基石，其開放、無專利的特性也使其成為理想的國際標準。
DCI-P3 色域與 XYZ 空間的關係
在此需要釐清一個常見的觀念：DCI-P3 是一個「色域」(Gamut)，而 XYZ 是一個「色彩空間」(Color Space)。
色域：定義了一個設備所能產生或記錄的顏色範圍。這個範圍由其三原色（R, G, B）與白點在 CIE 1931 色度圖上的 xy 座標所決定。DCI-P3 的三原色與白點座標為：
紅：(x=0.680, y=0.320)
綠：(x=0.265, y=0.690)
藍：(x=0.150, y=0.060)
白點：(x=0.314, y=0.351)，色溫約 6300K。
色彩空間：是一個用來描述與量化顏色的數學模型或座標系統。
兩者的關係是：我們使用 XYZ 這個絕對的色彩空間來精確定義 DCI-P3 這個色域的邊界。在電影的後期製作流程中，調光師通常會在一個經過校準、符合 DCI-P3 色域的監視器上，以 RGB 的方式進行創作。然而，當要輸出成最終的 DCP 檔案時，這些 DCI-P3 RGB 的影像數據會透過一個 3x3 的矩陣運算，被精確地轉換為 XYZ 數據進行儲存。
當電影在影院放映時，DCI 投影機會執行逆向操作：讀取 DCP 中的 XYZ 數據，再將其轉換回投影機自身的 DCI-P3 RGB 原色信號，最終投射出畫面。
項目 | XYZ 色彩空間 (DCP 編碼) | RGB 工作色域 (例如 DCI-P3) |
角色 | 絕對的、統一的色彩描述與交換座標系統。 | 定義了內容創作與最終顯示的顏色範圍。 |
DCI 用途 | 作為 DCP 儲存與分發的中介格式 (Interchange Format)。 | 作為調光與投影時的工作與參考色域 (Working/Reference Gamut)。 |
優點 | 保證了跨平台的一致性、準確性與未來擴展性。 | 符合顯示設備的物理原理，易於操作。 |
結論
XYZ 與 RGB 的差異，本質上反映了色彩科學中「描述人類感知」與「模擬物理設備」兩種不同的取徑。DCI 選擇 XYZ 作為 DCP 的標準色彩編碼空間，是一個基於科學、著眼於長遠發展的明智決策。它不僅從根本上解決了 RGB 裝置相關性所帶來的色彩一致性問題，更為數位電影的全球發行提供了一個堅實、可靠且具備未來擴展性的技術基石。對於影像專業人士而言，深入理解這兩種模型的原理與關係，是掌握現代色彩管理流程的關鍵。
Comments