关于色彩模型的最新成果

已经有一个多星期没有写开发日志了，不过这并不表示没有任何进展，相反，在这一周中，色彩模型已经经历了几次重大的变化。

首先，考虑下面几个基本的问题：

1. 索引应当是一种存储格式，而不是颜色模式。
2. 每个颜色数据还应带有一个 Alpha 值。
3. 只有 Lab 颜色（甚至可以采用 32 位）是绝对的，其它的颜色都不能独立存在，而需要色彩管理文件。

下面来慢慢讨论：

之前混淆了颜色与像素的概念，导致一直将索引模式也作为颜色模式来考虑，后来才发现这完全错误了。Photoshop 的颜色模式只是它的工作模式，表示像素的存储方式，而真正的颜色模式并没有那么丰富——就算是索引模式，它最后还是需要指向具体的颜色信息。因此，索引模式只是使用索引方式来存储 RGB/8 颜色信息而已。这样一来，所有的颜色都将归结为“通道色”的概念，每个颜色由一个或多个通道组成，各通道采用相同的颜色位深度，具有各自的连续取值范围。

除了本身的通道之外，每个颜色数据还带有 Alpha 值。在存储上，Alpha 值与其它通道值（如 R、G、B）是完全平等的，有自己的取值范围，与其它通道使用相同的位深度。如果也将其视为一个通道，那么可以与其它通道使用相同的处理机制，看起来是一个很不错的选择。然而，很快这种想法就遇到了麻烦：事实上，当两个颜色进行混合时，Alpha 值和通道值并不平等：

R = R' * alpha + R * (1 - alpha)
G = G' * alpha + G * (1 - alpha)
B = B' * alpha + B * (1 - alpha)

也就是说，Alpha 值与其它颜色分量通道的实质并不相同，它是一个“附加值”。

不同的颜色模式之间的转换好像很容易，其实不然。虽然网上有很多转换公式，但几乎没有人提到色彩管理文件的概念。事实上，如果没有色彩管理文件，RGB 与 CMYK 颜色之间根本没有转换关系，因为它们都只是一个相对颜色。这样一来，我们的模型中必然要再引入色彩管理文件的概念，而不同颜色模式之间的转换是由相应的色彩管理文件进行的。于是，与颜色值本身相关的有两套类型：颜色模式（ColorMode）与色彩管理文件（ColorProfile）。ColorMode 用于定义混合颜色所用的通道信息，包括每个通道的名称、位深度、取值范围等等；而 ColorProfile 用于定义颜色模式与 Lab 绝对颜色之间的映射关系。

颜色模型之所以难以处理，其实并不在于 RGB、CMYK 等各种模式。当“通道色”概念出现以后，所有的不同模式都已经化归为一了。真正的麻烦在于颜色深度：除了位图是 1bpc（bit per channel）以外，还有 8bpc、16bpc 和 32bpc。当返回通道的值的时候，它们对应着完全不同的数据类型（Byte、Int16、Single）。返回类型是没法多态的，而这三种数据类型之间又存在的本质的差别（整数与浮点），无法在字节层面上统一运算。颜色概念本身的抽象、颜色类型的复杂度及处理数据的性能问题之间产生了巨大的矛盾。为了解决这个矛盾，我决定将浮点改为整型，将 32bpc 的颜色值使用 Int32 来存储和运算——事实上并不会丢失精度。于是，产生了一个特别的想法：将所有颜色的数据都视为连续的 Int32 数组，然后通过为每个精度设置掩码和偏移量，用位运算得到具体的通道分量。例如：ARGB 色 0xFF336699，R 通道的掩码就是 0x00FF0000，偏移量即 16，这样，就有：

r = (value & mask) >> offset

这个方式把位数长度也化归了，我曾一度认为这是一个完美的解决方案。然后很快就出现了新问题，像 CMYK 这样的颜色模型，加上 Alpha 通道就是 5 个分量，如果使用刚才的方式，一个颜色占用 8 个字节（2 个 Int32 长度），但却只有 5 个字节用来保存信息，3 个字节被严重浪费了。

带着这个问题，我又去研究了 Photoshop 的存储行为，想看看它会不会产生这种因字节对齐而导致的空间浪费。结果自然是没有，一个 100 像素的单层图像，RGB 模式下就是 400 字节（还要加上透明度），CMYK 模式下就是 500 字节，完全没有浪费。而更令我吃惊的是：如果图像并没有用到每个通道，或者是某个通道的内容完全是纯色的时候，这个通道根本不产生数据！也就是说，如果 RGB 模式下某图像的 R 通道内亮度没有任何变化的话，那就只有 300 字节的内存使用；如果连透明度也没有的话，就只有 200 字节的内存使用。这个现象证明 Photoshop 是以通道为单位来存储位图的，而不是像素。说得清楚一些就是：它将位图分成了若干个通道，每个通道是一个只包含亮度信息的灰度位图。

于是，颜色及位图的模型将再次经历一次洗礼。