Hello大家好我是Lance，這是我的第二期調(diào)色教學。這一期有一點不一樣，我打算分成兩部分：文章部分講解理論，視頻部分進行軟件演示。上一期我分享了我匹配手機和電影機的經(jīng)驗，而這一期我想來點硬核的，分享一下當代視頻調(diào)色中一定繞不開的一個詞：Rec709。盡管HDR標準正在飛速發(fā)展，但在2023年互聯(lián)網(wǎng)上90%以上的視頻內(nèi)容依然以Rec709這個視頻標準作為播放的載體，而且很多人雖然聽過這個詞但是并不理解它意味著什么。今天呢，我就來好好聊一聊這個視頻制作理論中的重要基礎話題。

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CIE 1931 xyY color space

這里是一個大家可能經(jīng)常看到的色彩空間圖表，它叫做CIE 1931 xy坐標系，從名字可以看出它是1931年提出的，它的主要貢獻就是用二維坐標系定義了一個包括了所有人眼能看到的顏色的色彩空間。具體他們是如何測試和得出這個模型的大家可以看我在簡介里面的參考文獻。這個空間經(jīng)常被用來進行色彩空間轉(zhuǎn)換的參考標準。

在這個坐標系中，上面的曲線是單一波長的可見光能表現(xiàn)的最飽和的顏色，下方的直線是光譜兩端的原色混合后能產(chǎn)生的最飽和的顏色，而中間就是比較低飽和的顏色。這個色彩模型到迄今為止依然是所有相機和顯示器廠家參考的重要標準。

而Rec 709也是一個色彩模型，在1993年由ITU國際電信聯(lián)盟提出，字面翻譯就是第709號建議文件。它同時也可以叫做BT.709，BT表示它是一個廣播和電視的標準。

我們可以看到這個模型包括的色彩空間比我們實際能看到的全部顏色要少的多，它被廣泛作為標準的一個主要原因就是大多數(shù)顯示器都能夠完整顯示它。在90年代CRT顯示器還是主流，所以這也是它的主要參照標準，而進入液晶電視的時代以后依然沿用了這一套標準，在二十多年間都沒有什么挑戰(zhàn)，直到各種HDR標準開始興起。

嚴謹?shù)恼f，定義Rec709需要兩套標準：編碼(OETF, opto-electronic transfer function光電傳遞系數(shù)）和解碼（EOTF， electro-optical transfer function 電光傳遞系數(shù)）。原始的Rec709官方文件其實并沒有關于解碼的任何信息（后面會提到為什么），但是對編碼做出了明確的定義：

先看下面兩排，可以看到它在CIE 1931 xy坐標系中定位了紅綠藍三個發(fā)光元件各自所處的位置，并且定義了白點的位置。Rec709的標準白點是D65，可以基本理解為6500k的色溫，但這是基于經(jīng)過大氣折射的日光色而不是絕對黑體加熱后發(fā)出的原始顏色，有細微的不同。

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那么上面兩行講的是什么呢？第一行就是說系統(tǒng)會假設輸入的亮度值為線性，這個值最低為0，最高為1，然后再第二行它使用了一種算法把這個亮度值轉(zhuǎn)換為電信號進行輸出，同樣最低為0，最高為1。為什么需要這個算法呢？這就涉及到一些關于gamma的知識。我個人感覺很多網(wǎng)上對于gamma的解讀只講了一半，有時候甚至會混淆編碼和解碼的區(qū)別。大家可能聽過gamma2.2, 2.4這些數(shù)字，但為什么需要這個東西呢？

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這主要是因為CRT本身的輸出亮度和輸入電壓呈非線性的關系，是一個大約在2.2-2.6之間波動的指數(shù)（歷史上不同時期有很多不同的估計，并沒有一個絕對正確的值，一個比較常見的均值是2.35）。假如你對顯示器輸入了50%的電信號，因為非線性反應它可能只能呈現(xiàn)大約20%的亮度。所以為了真實反映相機拍到的顏色，設計者就必須對相機記錄的訊號進行gamma補償，這也就是第二行這里0.45次方的意義所在了，換個方式表示，它就是1/2.2。當然后來大家也意識到這種編碼方式給暗部分配了更多數(shù)據(jù)優(yōu)先級，符合人眼對暗部變化敏感，對亮部不敏感的特性。

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列表里其它的運算其實也都是根據(jù)CRT顯示特性決定的編碼方式；先是在最黑的地方線性1：1記錄到0.018的場景亮度，然后在之后的地方用1/2.2的gamma，綜合起來大概就是1/1.96的gamma。這個gamma數(shù)值呢就是Rec709的原生gamma了，也是達芬奇中Rec709(Scene)的轉(zhuǎn)換目標gamma。那為什么這個gamma和CRT實際gamma并不對應呢？這里就有一個系統(tǒng)gamma的概念，它是解碼和編碼相抵消以后的最終剩余的gamma修正值。這個其實就是ITU考慮到了電視較為昏暗的監(jiān)看環(huán)境專門設計的，壓暗一些畫面能更好地進行感知上的匹配。所以最終的系統(tǒng)Gamma（也叫OOTF，opto-optical transfer function）大于1，是有一點點向下彎曲的。

環(huán)境對亮度感知的影響可以參照下圖。在第一張圖中，方塊代表著顯示器的實際輸出值，而方塊周圍的顏色代表環(huán)境的亮度。每一列方塊的RGB值從左到右都是一樣的，但在不同的環(huán)境亮度下它們的感知亮度看起來截然不同。

第二張圖模擬了進行了系統(tǒng)gamma補償以后產(chǎn)生的效果，雖然從左到右每個方塊的亮度都不同，但他們的感知亮度是相近的。

總結(jié)一下，我們通過相機到顯示器看到畫面的過程就是場景光——電信號——顯示光，中間都會經(jīng)過兩次gamma的變換。由于監(jiān)看環(huán)境的影響，顯示光和場景光的絕對值并不一定完全一樣，而是最終產(chǎn)生一個系統(tǒng)gamma的修正值來達到感知上的接近。

現(xiàn)代顯示器

現(xiàn)代顯示器其實也有面板自帶的gamma值，但是不同顯示器的種類的gamma之間往往有很大的區(qū)別。為了匹配CRT的顏色表現(xiàn)，這個gamma值在廣播電視中被校準為2.4。在 2011年ITU推出了BT.1886標準，用換算公式讓每個顯示器補償自身的黑點，以達到更加干凈的2.4整體gamma曲線。目前這兩種EOTF轉(zhuǎn)換的標準都在使用，但純粹的2.4曲線還是主流。

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BT.1886和普通2.4gamma的區(qū)別可以參見這張圖。在測量一個專業(yè)LCD顯示器的亮度和信號的關系的時候，黃色的曲線是BT1886函數(shù)矯正后的測量值，而灰色的2.4gamma就會難以區(qū)分一些暗部細節(jié)。但是對于本身黑點較高的顯示器這樣的矯正可能會產(chǎn)生比較大的暗部提升，讓監(jiān)看畫面發(fā)灰，所以在業(yè)界還是存在一些爭議。

數(shù)據(jù)級別

Rec709的官方文件中還有一個不可忽視的參數(shù)：數(shù)據(jù)級別。這個玩意兒在過去二十多年間困擾了無數(shù)數(shù)字系統(tǒng)上的視頻工作者，很多畫面在監(jiān)看時對比度錯誤地變高和變灰都是因為它沒有設置正確。

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數(shù)據(jù)級別這個概念屬于模擬信號年代的產(chǎn)物。模擬信號的傳輸來自于電壓的波動，不像數(shù)字信號那么精確，而這種波動如果被裁切會產(chǎn)生信號的扭曲。為了保證信號在顯示端的完整顯示就需要把所有需要在畫面中重要的信息限定在一個更小的電壓范圍內(nèi)，也就是Limited Range（或者叫Legal range合法范圍）。這種信號限制有時候也被稱作“廣播安全”（broadcast safe）。在實際使用中，消費者需要自己手動去調(diào)整電視的亮度和對比度來達到理想的觀看效果。

在OETF轉(zhuǎn)換中，場景光產(chǎn)生的電信號是被編碼在full range中的，但是只有l(wèi)egal range的部分會在播出時被采用；超出的部分我們一般叫做super white和super black，可以在后期被拉回到legal范圍。在Rec709標準誕生的年代，所有的電視接收的都是模擬信號，但電腦的工作原理是數(shù)字的。數(shù)字信號不存在模擬信號的波動，所以也就不需要所謂的廣播安全范圍。在模擬信號的電視領域，顯示器終端承擔了還原畫面黑點和白點的責任，而計算機可以自己通過運算把legal 范圍的值精確映射到full data Range（可以翻譯為完整數(shù)據(jù)范圍）。這種精確的轉(zhuǎn)換讓色彩管理真正成為可能。在8bit記錄中，full range為0-255，而適用于模擬顯示的廣播安全數(shù)字值對應為16-235。Rec709標準的數(shù)字攝影機一般記錄的都是legal range。當素材被導入到電腦讀取時，這個范圍內(nèi)的信息會自動擴展到0-255進行圖像處理。如果軟件錯誤地直接讀取RGB信息，那么畫面就會發(fā)灰。

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這里要注意，那就是在數(shù)字系統(tǒng)中雖然full和legal記錄的原始值不一樣，但是在顯示系統(tǒng)正確地詮釋之后他們的顏色應該是肉眼看不出區(qū)別的。

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下方圖一的video level（legal range）經(jīng)過了系統(tǒng)的解釋被轉(zhuǎn)換到了full level，除了肉眼不可見的四舍五入的誤差，和圖二看起來沒有區(qū)別。

一般情況的數(shù)據(jù)級別規(guī)則：

• 除非特殊標注和說明，廣播電視，互聯(lián)網(wǎng)和視頻播放軟件一律按照legal range轉(zhuǎn)換你的畫面到full

• 達芬奇默認在full range工作，所有的legal range輸入后都會被轉(zhuǎn)換到full，然后在輸出時根據(jù)目標決定按照full還是legal輸出

• 4：4：4編碼既可以是full也可以是legal，是最容易出問題的地方，需要確認

• 4：2：2或以下編碼導出時默認legal，但有的相機錄制時候會記錄full

• RAW文件解碼后為full

• DPX, ? ? ?EXR一般為full

• DCP封裝為full

Rec709的監(jiān)看環(huán)境

在廣播電視制作中，Rec709有一個標準的監(jiān)看環(huán)境和亮度。ITU在 BT.2035文件中的推薦標準如下：

白點：100nit

黑點: 0.01nit

環(huán)境照度：10lux

顯示器背后的背景光：D65，亮度為顯示器最大亮度的10%左右，也就是10nit

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關于環(huán)境的標準不一定絕對，比如Netflix目前規(guī)定不管是SDR還是HDR調(diào)色，背景光的亮度為5nit，而不是10nit。

關于黑點的值，0.01是基于當時高端CRT的顯示能力，但是考慮到現(xiàn)代SDR調(diào)色主要在IPS顯示器上完成，Netflix的規(guī)定黑點是小于或等于0.05nit，而HDR要求小于等于0.005nit。

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Rec709的動態(tài)范圍和曲線

我們來研究一下一個很多人聊過的問題：Rec709到到底有幾檔動態(tài)范圍？這個問題其實需要有一個前提，那就是我們討論的是原版的Rec709。現(xiàn)在我們經(jīng)?？吹降腞ec709其實早就不是基于真正的Rec709編碼函數(shù)了，這個我會在本期配套視頻中詳細解釋。參照原版建議的函數(shù)，這個動態(tài)范圍是可以算出來的。函數(shù)中有一個0.018的亮度分界，轉(zhuǎn)換為電信號強度就是0.081，而進行了顯示器的2.4gamma轉(zhuǎn)換以后為0.0024。這個亮度對應100nit顯示器的0.24nit。最初的設計者認為，在這個亮度以下都是失真的噪點，所以基本可以忽略不計。剩下的值就比較好計算了，從0.018到最大輸出值1差了大概2^6，所以原版Rec709記錄的信息差不多就是6-7檔左右。而如果是新時代的魔改Rec709，那記錄的值取決于實際應用的函數(shù)，而輸出的值取決于顯示器的顯示能力，理論上就是無限大，只不過最亮和最暗的地方會被大量壓縮。

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sRGB

這個時候我們還要提到一個東西，那就是sRGB。它名字中的s就是Standard標準的意思。不同于針對廣播電視的Rec709標準，針對電腦顯示器的sRGB標準由微軟和惠普在1996年聯(lián)合提出，在1999年成為一個國際顯示標準，也是目前互聯(lián)網(wǎng)的標準色彩空間。它當時創(chuàng)立的背景就是為了建立一個統(tǒng)一的色彩標準，讓大多數(shù)電腦和網(wǎng)絡的色彩顯示不需要額外的數(shù)學轉(zhuǎn)換，從而減小文件傳輸?shù)捏w積，避免不必要的色彩運算。

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在sRGB設計的時候考慮到了對Rec709標準的兼容性，所以sRGB和Rec709的色域跟白點完全一樣。與Rec709不同的是，為了讓文件能夠在電腦之間已經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)中自由傳播，或者轉(zhuǎn)換到其它色彩空間，sRGB的gamma算法是完全可逆的。

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原始版本的Rec709文件只是定義了場景信息的OETF，但是在EOTF上只是依賴CRT自身相對穩(wěn)定在2.2-2.6之間的gamma值，再加上模擬信號的精度限制，在很長一段時間里都沒有一個明文規(guī)定的標準。很多人說Rec709內(nèi)容不能在sRGB顯示器正確顯示，其實當初sRGB的設計初衷之一就是為了在CRT上更標準的監(jiān)看Rec709標準的內(nèi)容，只不過他們考慮的觀看環(huán)境并不是廣播電視的目標觀看環(huán)境，而是更加明亮的家用或者辦公場景（官方認定為64lux的照明）。在2011年BT.1886官方文件標準出臺之前，廣播電視工作者只是約定俗成地一般把gamma校準到2.4。

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在制定EOTF時，sRGB使用了一套和輸入值可以相互抵消的函數(shù)，而不是Rec709的2.4。這個編碼函數(shù)在最暗部分采用線性過渡，并在超過某個輸入亮度值之后開始進行2.4gamma的指數(shù)變換。這個曲線的綜合gamma值在2.2左右。這樣的運算設計源自當時微軟和惠普對于CRT的測試，他們認為采用這個數(shù)值進行校準能夠最大化地利用顯示器的動態(tài)范圍而不加載額外的校準LUT。

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在OETF編碼方面，sRGB為了色彩空間轉(zhuǎn)換的可逆性而匹配了解碼時的算法。它在暗部和Rec709一樣保留了線性編碼，但是是一個坡度更大的切線，范圍只有Rec709 OETF的一半，而超出這個部分的gamma達到了1/2.4。

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這里有個很有意思的地方，那就是在sRGB校準的顯示器中看Rec709視頻有著接近1.1的OOTF系統(tǒng)gamma，而在Rec709 Gamma 2.4校準的顯示器中看Rec709的視頻有大約1.2gamma的OOTF，但是他們在各自的目標監(jiān)看環(huán)境下有著類似的感知亮度。脫離了環(huán)境這個條件我們就無法真正形容一個顯示器顏色的正確與否。不過在當今這個移動端盛行的年代，互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容真的有一個標準的監(jiān)看環(huán)境嗎？

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我個人目前是只用2.4gamma制作視頻內(nèi)容，無論內(nèi)容是什么。一個很主觀的原因是我覺得現(xiàn)在很多消費級顯示器為了博人眼球，實際上并沒有校準到sRGB的gamma函數(shù)，感覺對比度都偏高一點，尤其是那些OLED屏幕。所以即使在較暗環(huán)境下觀看以廣播電視標準制作的視頻也很少遇到明顯發(fā)灰的情況。

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Log和Rec709的關系

我們經(jīng)常見到的log灰片的樣子其實是一種失真的Rec709畫面。事實上所謂的log和Rec709的OETF編碼并沒有原理上的區(qū)別，只是它使用了更加陡峭的曲線來在有限的數(shù)位中記錄更多的信息。我們之所以會看到灰片就是因為系統(tǒng)假定輸入的視頻遵循709的編碼規(guī)則，從而顯示了錯誤的結(jié)果。從下圖可以看到，Rec709的編碼曲線相較于我們所熟知的log文件就顯得非常線性了，如果一個log文件只是獲得默認的Rec709 2.4gamma 的EOTF轉(zhuǎn)換，得到的依然是一個高高凸起的曲線，所以就會呈現(xiàn)泛白的感覺。另外通常log編碼還綁定了一個比Rec709大得多的色彩空間，如果直接按照Rec709來編譯就等于把整個色域中的顏色映射到了更小的色域來錯誤顯示，就顯得飽和度低了。

709還原

怎么把某一款Log還原為顯示端的Rec 709呢？簡單粗暴地方法就是將錯就錯，假設這個原始素材就是長這個樣子，然后開始增加對比，飽和，得到一個相對看起來沒有那么灰的顏色，憑借感覺來恢復場景本來的樣子。而科學的方法呢，就是色彩空間轉(zhuǎn)換。色彩空間轉(zhuǎn)換有3個因素：色域、gamma和白點?？紤]不是所有人都懂得色彩空間轉(zhuǎn)換，基本上攝影機廠商都會把白點設置在標準的D65，這樣就算你暴力還原也不會造成明顯的偏色現(xiàn)象，所以一般不用轉(zhuǎn)換。而色域轉(zhuǎn)換就是正確地把相機色域映射在CIE1931的坐標系上。至于gamma，由于Gamma2.4的EOTF還原函數(shù)屬于顯示器自帶的特性，加載在整個畫面中，我們要做的其實就是把log轉(zhuǎn)換為≈1/1.96gamma的Rec 709(Scene)，這樣配合系統(tǒng)層面或者硬件自帶的的2.4gamma轉(zhuǎn)換就得到了標準的顏色。

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這里就需要提醒大家一點，達芬奇色彩空間轉(zhuǎn)換中如果設置目標某一個帶gamma標記的Rec709 ，目標gamma矯正值其實是它的倒數(shù)。比如說，當你的轉(zhuǎn)換目標是Rec709 gamma 2.4，系統(tǒng)會進行目標為1/2.4gamma的變換。這時候在2.4gamma的顯示器中你的綜合gamma變成了1，但這并不是正確的Rec709 OOTF 值，它的目標值應該是2.4/1.96≈1.2的系統(tǒng)gamma。所以在達芬奇色彩空間轉(zhuǎn)換里面你會看到一個叫做“正向OOTF”的東西，它的目的就是幫你額外加載1.2的系統(tǒng)gamma來適配較暗的監(jiān)看環(huán)境，每次你把log轉(zhuǎn)到顯示空間時它默認就是勾選的。我在本期的視頻部分也會來演示一下這個神秘的功能，因為即使在達芬奇4000頁的18.1文檔說明里面也沒有寫這個OOTF是干什么的。

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我還要提一嘴gamma 2.2這個選項，其實它更多是一個簡化版的不精確sRGB標準，很多時候只是作為一個數(shù)值方便人們理解。作為一個純粹的gamma指數(shù)，它其實并沒有被任何官方文件采用過。不管是微軟的sRGB還是蘋果的Display P3 D65顯示標準, 他們都假設了你的顯示器使用sRGB Gamma，近似2.2，但不是2.2。

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假如你想在sRGB的環(huán)境下調(diào)色，你需要在輸出端進行sRGB的色彩轉(zhuǎn)換。如果在Rec709模式下觀看這會略微讓你的畫面變暗，但此時切換顯示器模式到sRGB就基本恢復了正確亮度關系。此時不要忘了把你的環(huán)境光也提亮，才能保證真正正確的監(jiān)看。

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好了文章就寫到這里，在本期的配套視頻中我會給大家進行一些達芬奇中色彩空間轉(zhuǎn)換的演示。色彩空間轉(zhuǎn)換是一個非常乍一看很簡單，深入又非常復雜的話題。在709轉(zhuǎn)換方面，它復雜的地方就在于，由于log空間記錄的信息遠比Rec 709多，我們要怎樣詮釋超出709的那些信息？對于普通用戶來說，只要簡單地設置輸入和輸出就能得到不錯的結(jié)果，因為達芬奇已經(jīng)幫你做了幕后的工作。但達芬奇對Rec709的詮釋一定是最好的嗎？各個廠家的709轉(zhuǎn)換又有哪些特點？這些我會在視頻中給大家分享，好好玩一玩達芬奇里面的色彩空間轉(zhuǎn)換。

參考資料

Rec-709

chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/bt/R-REC-BT.709-6-201506-I!!PDF-E.pdf

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Rec709官方監(jiān)看標準

chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/bt/R-REC-BT.2035-0-201307-I!!PDF-E.pdf

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Netflix監(jiān)看標準

https://partnerhelp.netflixstudios.com/hc/en-us/articles/360000591787-Color-Critical-Display-Calibration-Guidelines

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BT.1886

chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/bt/R-REC-BT.1886-0-201103-I!!PDF-E.pdf

chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://app.spectracal.com/Documents/White%20Papers/BT.1886.pdf

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1996年原始版本的sRGB文件（新版修正了一些方程式小數(shù)位的的錯誤，要花錢才能看）

https://www.w3.org/Graphics/Color/sRGB.html#:~:text=The%20sRGB%20reference%20viewing%20environment,of%20the%20maximum%20white%20luminance.

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EBU 對于系統(tǒng)Gamma的解讀（Annex A)

chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://tech.ebu.ch/docs/tech/tech3320.pdf

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關于數(shù)據(jù)級別的解釋

https://www.thepostprocess.com/2019/09/24/how-to-deal-with-levels-full-vs-video/

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維基百科

https://en.wikipedia.org/wiki/Rec._709

https://en.wikipedia.org/wiki/SRGB

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其它相關

https://computer.howstuffworks.com/monitor3.htm#:~:text=(Although%2C%20some%20also%20accept%20analog,in%20quality%20is%20now%20minimal.

https://zhuanlan.zhihu.com/p/130173316

https://www.benq.com/en-us/knowledge-center/knowledge/projector-color-coverage-and-color-gamuts.html#:~:text=comes%20into%20play.-,What%20is%20the,709%3F&text=1931%20color%20space-,Rec.,page%20in%20terms%20of%20color.

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File%3AVisible_gamut_within_CIExyY_color_space_D65_whitepoint_mesh.webm

https://www.color.org/chardata/rgb/BT709.xalter

http://www.codinglabs.net/article_gamma_vs_linear.aspx

https://www.redsharknews.com/technology/item/3289-what-exactly-is-rec-709

https://www.image-engineering.de/library/technotes/714-color-spaces-rec-709-vs-srgb

https://cran.r-project.org/web/packages/spacesRGB/vignettes/spacesRGB-guide.html

https://www.portrait.com/resource-center/bt-1886-10-questions-10-answers/

https://www.displaymate.com/ShootOut_Part_1.htm

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