計算機圖形學顏色視覺

1.概述人的視覺系統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、化學變化，然后產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有關系。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和生理學的范疇，它的形成是一個復雜的物理和生理相互作用的過程，其中涉及光的傳播特性、人眼結構及人腦心理感知等內容。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：觀察相鄰區(qū)域的不同顏色時，視覺系統感知的色彩會發(fā)生變化。(每一種顏色會在其周圍誘導出其互補色)明度對比效應：相鄰區(qū)域顏色對比強烈時，視覺系統感知的亮度會發(fā)生偏移。(也稱馬赫帶效應，MachBand)顏色適應效應：當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：長時間觀察，會呈現綠色MachBand效應：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。顏色適應效應：長時間觀察紅光后再去觀察黃光，會呈現綠色，經過一段時間后會恢復。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、物理學角度顏色的三個視覺特性(視覺角度)：從人的視覺系統看，色彩可用色調、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(Hue)：一種顏色區(qū)別于其他顏色的因素，如：紅、綠、藍色調是相對連續(xù)變化的。用一個園環(huán)來表現色調的變化，就構成了一個色彩連續(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；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)產生顏色光的波長，對應于視覺特性的色調純度(Purity)對應于視覺特性的飽和度明度(Luminance)對應于視覺特性的亮度第九頁，共二十六頁。93.三色學說－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：光譜與顏色的對應關系是“多對一”；兩種光的光譜分布不同而顏色相同的現象稱為“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。三色學說(三刺激理論，1862年，Helmhotz)：一種假設：在人眼視網膜中有3種對顏色敏感的錐體細胞，它們分別對紅、綠、藍3種顏色最敏感。三者共同作用，使人們產生了不同的顏色感覺。任何一種顏色可以用紅、綠、藍三色按照不同比例混合來得到；(三原色：適當比例混合得到白色，任意兩種混合不能生成第三種。)顏色科學中最基本、最重要的理論。計算機圖形學中采用顏色模型都是根據這個學說提出來的。是圖形學的生理視覺基礎。第十一頁，共二十六頁。114.顏色系統－CIE-RGB系統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)：C=rR+gG+bBCIE（國際照明委員會）規(guī)定的標準紅、綠、藍三種光的波長分別為：紅光（R）λR=700nm綠光（G）λG=546.1nm藍光（B）λB=435.8nm400500600700-0.200.20.4三刺激值λrgbCIE-等能標準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－CIE-RGB系統CIE-RGB曲線一部分三刺激值是負數，表明只能在給定實驗光上疊加曲線中負值對應的原色，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-等能標準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－CIE-XYZ系統1931年，CIE利用三種假想的標準原色X(紅)、Y(綠)、Z(藍)，使顏色匹配的三刺激值都是正值?！鶦IE-XYZ系統：任何顏色都能由標準三原色混合匹配，即

C=xX+yY+zZ00.51.01.5三刺激值400500600700λnmxyz1931年CIE標準觀察者曲線第十四頁，共二十六頁。144.顏色系統－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；該截面與三個坐標平面的交線構成一個等邊三角形，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(x,y,z)表示為該顏色在標準原色下的三刺激值，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－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紅黃綠青藍紫700600580560540520510500490480400C第十六頁，共二十六頁。164.顏色系統－CIE色度圖CIE色度圖區(qū)域的邊界和內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。沿線的數字表示該位置的可見光的主波長。中央的C對應于近似太陽光的標準白光。C第十七頁，共二十六頁。174.顏色系統－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.顏色系統雖然CIE色度圖給出了描述顏色的標準精確方法，但是，它的應用還是比較復雜。在計算機圖形學中，通常使用一些通俗易懂的顏色系統——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方便地指定顏色。第十九頁，共二十六頁。194.顏色系統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；用于彩色打印系統的CMY（青色、品紅色、黃色）模型；用于彩色廣播電視系統的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，如HSV，HLS模型；第二十頁，共二十六頁。204.顏色系統－RGB顏色模型基于紅(R)、綠(G)、藍(B)三原色定義的RGB加色系統。通常用于彩色光柵圖形顯示設備中；(發(fā)光設備)真實感圖形學中的最主要的顏色模型；采用三維直角坐標系；RGB立方體藍(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－CMY顏色模型以紅、綠、藍的補色青(Cyan)、品紅(Magenta)、黃(Yellow)為原色構成的減色系統；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。在白紙面上涂黃色和品紅色，紙面上將呈現紅色：白光被吸收了藍光和綠光，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(1,1,0)白(0,0,0)CMY第二十二頁，共二十六頁。224.顏色系統－RGB和CMY的關系Colormanagement

System(CMS)第二十三頁，共二十六頁。234.顏色系統

－YIQ模型Y：亮度信號，由R、G、B以適當比例混合； I：同相信號，包含了橙-青的彩色信息(肉色色調)； Q：正交信號，包含了綠-品紅的彩色信息(其余色調)；NTSC提出，應用于電視廣播系統(傳輸帶寬有限)。向后兼容黑白電視，彩色電視信號必須與標準的黑白電視兼容，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呈現為不同的灰度。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