計算機圖形學(xué)顏色視覺

1.概述人的視覺系統(tǒng)所能看到的可見光是一種電磁波信號，其波長在400nm~700nm（1nm=10-9m）之間。電磁波本身是沒有“顏色”的。每類光線還包含各種不同的頻率，不同強度的光譜成分；所有這些光線與周圍環(huán)境相互作用后（包括直射、反射、透射等），傳入人的眼睛，并在人的眼睛里，發(fā)生物理、化學(xué)變化，然后產(chǎn)生人腦所能感知的電脈沖；以“顏色”的形式給出人的視覺感受。顏色是外來的光刺激作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺，物體的顏色不僅取決于物體本身，還與光源、環(huán)境以及觀察者的視覺系統(tǒng)有關(guān)系。波長(nm)400700可見光第一頁，共二十六頁。11.概述顏色屬于物理學(xué)和生理學(xué)的范疇，它的形成是一個復(fù)雜的物理和生理相互作用的過程，其中涉及光的傳播特性、人眼結(jié)構(gòu)及人腦心理感知等內(nèi)容。生理及心理因素會影響人對顏色的主觀判斷：色彩對比效應(yīng)：觀察相鄰區(qū)域的不同顏色時，視覺系統(tǒng)感知的色彩會發(fā)生變化。(每一種顏色會在其周圍誘導(dǎo)出其互補色)明度對比效應(yīng)：相鄰區(qū)域顏色對比強烈時，視覺系統(tǒng)感知的亮度會發(fā)生偏移。(也稱馬赫帶效應(yīng)，MachBand)顏色適應(yīng)效應(yīng)：當(dāng)人眼受到顏色的強刺激作用時，會使感受到的顏色的明度和飽和度發(fā)生變化。如，若對某一顏色適應(yīng)后再觀察另一顏色，后者會發(fā)生變化，且?guī)в性^察顏色補色的成分。第二頁，共二十六頁。2色彩對比效應(yīng)：長時間觀察，會呈現(xiàn)綠色MachBand效應(yīng)：中間的方塊具有相同的亮度，但視覺上感覺下面的方塊要亮些。顏色適應(yīng)效應(yīng)：長時間觀察紅光后再去觀察黃光，會呈現(xiàn)綠色，經(jīng)過一段時間后會恢復(fù)。第三頁，共二十六頁。31.概述視覺也有錯誤！第四頁，共二十六頁。42.顏色的特性－視覺特性從兩個不同方面來描述顏色的特性。視覺角度、物理學(xué)角度顏色的三個視覺特性(視覺角度)：從人的視覺系統(tǒng)看，色彩可用色調(diào)、飽和度和亮度來描述。人眼看到的任一彩色光都是這三個特性的綜合效果，這三個特性可以說是“色彩的三要素”。第五頁，共二十六頁。52.顏色的特性－視覺特性色調(diào)(Hue)：一種顏色區(qū)別于其他顏色的因素，如：紅、綠、藍(lán)色調(diào)是相對連續(xù)變化的。用一個園環(huán)來表現(xiàn)色調(diào)的變化，就構(gòu)成了一個色彩連續(xù)變化的色環(huán)。第六頁，共二十六頁。62.顏色的特性－視覺特性飽和度(Saturation)：指顏色的純度。單色的色飽和度為100%，非彩色光(白光)的色飽和度為0%。例如：鮮紅色飽和度高，而粉紅色的色飽和度低等等。在飽和的彩色光中增加白光的成分，相當(dāng)于增加了光能，因而變得更亮了，但是它的飽和度卻降低了。若“增加”黑色光的成分，相當(dāng)于降低了光能，因而變得更暗，其飽和度也降低了。第七頁，共二十六頁。72.顏色的特性－視覺特性亮度(Lightness)：光給人的刺激的強度。黑色到白色，亮度越來越大。同一物體因受光不同會產(chǎn)生亮度上的變化。不同顏色的光，強度相同時照射同一物體也會產(chǎn)生不同的亮度感覺。

亮度也可以說是指各種純正的色彩相互比較所產(chǎn)生的明暗差別。在純正光譜中，黃色的亮度最高，顯得最亮；其次是橙、綠；再其次是紅、藍(lán)；紫色亮度最低，顯得最暗。第八頁，共二十六頁。82.顏色的特性－物理特性顏色的物理特性主波長（DominantWavelength)產(chǎn)生顏色光的波長，對應(yīng)于視覺特性的色調(diào)純度(Purity)對應(yīng)于視覺特性的飽和度明度(Luminance)對應(yīng)于視覺特性的亮度第九頁，共二十六頁。93.三色學(xué)說－光的物理知識光可以由它的光譜能量P(λ)的分布來表示：各種波長的能量大致相等，為白光；各波長的能量分布不均勻，為彩色光；包含一種波長的能量，其他波長都為零，是單色光。光譜能量分布定義顏色十分麻煩：光譜與顏色的對應(yīng)關(guān)系是“多對一”；兩種光的光譜分布不同而顏色相同的現(xiàn)象稱為“異譜同色”。400700能量波長λnmP(λ)400700能量波長λnmP(λ)400700能量波長λnmP(λ)第十頁，共二十六頁。103.三色學(xué)說必須采用其他的定義顏色的方法，使光本身與顏色一一對應(yīng)。三色學(xué)說(三刺激理論，1862年，Helmhotz)：一種假設(shè)：在人眼視網(wǎng)膜中有3種對顏色敏感的錐體細(xì)胞，它們分別對紅、綠、藍(lán)3種顏色最敏感。三者共同作用，使人們產(chǎn)生了不同的顏色感覺。任何一種顏色可以用紅、綠、藍(lán)三色按照不同比例混合來得到；(三原色：適當(dāng)比例混合得到白色，任意兩種混合不能生成第三種。)顏色科學(xué)中最基本、最重要的理論。計算機圖形學(xué)中采用顏色模型都是根據(jù)這個學(xué)說提出來的。是圖形學(xué)的生理視覺基礎(chǔ)。第十一頁，共二十六頁。114.顏色系統(tǒng)－CIE-RGB系統(tǒng)自然界中各種顏色都能由3種原色光按一定的比例混合而成(CIE-RGB系統(tǒng))：C=rR+gG+bBCIE（國際照明委員會）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)紅、綠、藍(lán)三種光的波長分別為：紅光（R）λR=700nm綠光（G）λG=546.1nm藍(lán)光（B）λB=435.8nm400500600700-0.200.20.4三刺激值λrgbCIE-等能標(biāo)準(zhǔn)三原色匹配任意顏色的光譜三刺激值曲線nm第十二頁，共二十六頁。124.顏色系統(tǒng)－CIE-RGB系統(tǒng)CIE-RGB曲線一部分三刺激值是負(fù)數(shù)，表明只能在給定實驗光上疊加曲線中負(fù)值對應(yīng)的原色，去匹配另兩種原色的混合光。表明一些顏色不能夠通過將三原色混合來得到。如：RGB彩色監(jiān)視器不能顯示500nm波長左右的顏色。不易理解，計算不便。400500600700-0.200.20.4三刺激值λrgbCIE-等能標(biāo)準(zhǔn)三原色匹配任意顏色的光譜三刺激值曲線nm第十三頁，共二十六頁。134.顏色系統(tǒng)－CIE-XYZ系統(tǒng)1931年，CIE利用三種假想的標(biāo)準(zhǔn)原色X(紅)、Y(綠)、Z(藍(lán))，使顏色匹配的三刺激值都是正值?！鶦IE-XYZ系統(tǒng)：任何顏色都能由標(biāo)準(zhǔn)三原色混合匹配，即

C=xX+yY+zZ00.51.01.5三刺激值400500600700λnmxyz1931年CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者曲線第十四頁，共二十六頁。144.顏色系統(tǒng)－CIE色度圖所有顏色向量組成了x、y和z的三維空間第一象限的錐體。取一個截面：x+y+z＝1；該截面與三個坐標(biāo)平面的交線構(gòu)成一個等邊三角形，每一個顏色向量與該平面都有一個交點，每一個點代表一個顏色，它的空間坐標(biāo)(x,y,z)表示為該顏色在標(biāo)準(zhǔn)原色下的三刺激值，稱為色度值。所有的色度值形成一個馬蹄形區(qū)域(色度圖)。第十五頁，共二十六頁。154.顏色系統(tǒng)－CIE色度圖二維表示：把色度圖投影到xoy平面上→CIE色度圖0.20.40.60.80.20.40.60.8XY紅黃綠青藍(lán)紫700600580560540520510500490480400C第十六頁，共二十六頁。164.顏色系統(tǒng)－CIE色度圖CIE色度圖區(qū)域的邊界和內(nèi)部代表了所有可見光的色度值(x,y,z)；CIE色度圖的翼形輪廓線代表所有可見光波長的軌跡，即可見光譜曲線。沿線的數(shù)字表示該位置的可見光的主波長。中央的C對應(yīng)于近似太陽光的標(biāo)準(zhǔn)白光。C第十七頁，共二十六頁。174.顏色系統(tǒng)－CIE色度圖CIE色度圖的用途：得到光譜色的互補色；確定所選顏色的主波長和純度；定義一個顏色域；CRT(三角形區(qū)域)，Printer(不規(guī)則區(qū)域)、膠卷等系統(tǒng)都不能生成可見光譜上的所有顏色。第十八頁，共二十六頁。184.顏色系統(tǒng)雖然CIE色度圖給出了描述顏色的標(biāo)準(zhǔn)精確方法，但是，它的應(yīng)用還是比較復(fù)雜。在計算機圖形學(xué)中，通常使用一些通俗易懂的顏色系統(tǒng)——顏色模型，它們都基于三維顏色空間。顏色模型是指某個三維顏色空間中的一個可見光子集，包含某個顏色域的所有顏色。顏色模型的用途是在某個顏色域內(nèi)方便地指定顏色。第十九頁，共二十六頁。194.顏色系統(tǒng)沒有一種顏色模型能解釋所有的顏色問題，因此，要使用不同的模型來幫助說明不同的顏色特征。一些模型是適用于硬件的：用于彩色CRT監(jiān)視器的RGB模型；用于彩色打印系統(tǒng)的CMY（青色、品紅色、黃色）模型；用于彩色廣播電視系統(tǒng)的YIQ模型；…另一些模型是以易用性為目的，為用戶提供更直觀的顏色參數(shù)，如HSV，HLS模型；第二十頁，共二十六頁。204.顏色系統(tǒng)－RGB顏色模型基于紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三原色定義的RGB加色系統(tǒng)。通常用于彩色光柵圖形顯示設(shè)備中；(發(fā)光設(shè)備)真實感圖形學(xué)中的最主要的顏色模型；采用三維直角坐標(biāo)系；RGB立方體藍(lán)(0,0,1)青(0,1,1)綠(0,1,0)白(1,1,1)品紅(1,0,1)紅(1,0,0)黃(1,1,0)黑(0,0,0)RGB第二十一頁，共二十六頁。214.顏色系統(tǒng)－CMY顏色模型以紅、綠、藍(lán)的補色青(Cyan)、品紅(Magenta)、黃(Yellow)為原色構(gòu)成的減色系統(tǒng)；在白色中減去某種顏色來定義一種顏色，又被稱為減性原色系統(tǒng)。在白紙面上涂黃色和品紅色，紙面上將呈現(xiàn)紅色：白光被吸收了藍(lán)光和綠光，只能反射紅光。用于印刷行業(yè)中。(反射)黃(0,0,1)紅(0,1,1)品紅(0,1,0)黑(1,1,1)綠(1,0,1)青(1,0,0)藍(lán)(1,1,0)白(0,0,0)CMY第二十二頁，共二十六頁。224.顏色系統(tǒng)－RGB和CMY的關(guān)系Colormanagement

System(CMS)第二十三頁，共二十六頁。234.顏色系統(tǒng)

－YIQ模型Y：亮度信號，由R、G、B以適當(dāng)比例混合； I：同相信號，包含了橙-青的彩色信息(肉色色調(diào))； Q：正交信號，包含了綠-品紅的彩色信息(其余色調(diào))；NTSC提出，應(yīng)用于電視廣播系統(tǒng)(傳輸帶寬有限)。向后兼容黑白電視，彩色電視信號必須與標(biāo)準(zhǔn)的黑白電視兼容，這就要求在彩色電視上看起來完全不同的兩種顏色在黑白電視上應(yīng)呈現(xiàn)為不同的灰度。節(jié)約帶寬，我國每一頻道的帶寬為8MHz，美國為6MHz。Y:I:Q=4:1.5:0.6；Total=6MYUV、YCrCb等模型與YIQ類似。電視