第9章 顏色模型

第9章顏色模型2024/3/2119.1光的特性9.1.1電磁頻譜2024/3/212一、光的屬性可見(jiàn)光波長(zhǎng)分布圖：（波長(zhǎng)范圍350nm~780nm）光（可見(jiàn)光）：人的視覺(jué)系統(tǒng)能感受到的電磁波，波長(zhǎng)范圍350nm~780nm。2024/3/213可見(jiàn)光的波長(zhǎng)分布：350nm以下：紫外線(Ultraviolet)350nm~450nm：紫(Violet)450nm~490nm：藍(lán)(Blue)490nm~560nm：綠(Green)560nm~590nm：黃(Yellow)590nm~630nm：橙(Orange)630nm~780nm：紅(Red)780nm以上：紅外線(Infrared)

一束光由其光譜能量分布L(λ)來(lái)描述，其中λ

是波長(zhǎng)。2024/3/2149.1.2顏色心理學(xué)特征白光： 一束光稱(chēng)為白光，若其中各種波長(zhǎng)的光的能量大致相等。2024/3/215單色光：

是一種理想的彩色光，其中只包含某一種波長(zhǎng)的光，其它波長(zhǎng)的光的能量為零。激光可近似看作單色光。彩色光：

一束光稱(chēng)為彩色光，若其中各種波長(zhǎng)的光的能量分布不均勻。2024/3/216物體表面反射光的光譜能量分布：

其中L(λ)為入射光的光譜能量分布，ρ(λ)表示物體表面對(duì)各種波長(zhǎng)光的反射率。由上式可知，物體表面所呈現(xiàn)的顏色與入射光和物體表面的反射特性有關(guān)。紅色黑色2024/3/217

顏色與人的視覺(jué)系統(tǒng)有關(guān)，不同觀察者觀察同一物體時(shí)產(chǎn)生的顏色感覺(jué)不同。顏色是主觀的、依賴(lài)于觀察者。眼睛的視網(wǎng)膜上分布著兩類(lèi)視感受體：桿狀細(xì)胞（視桿體）錐狀細(xì)胞（視錐體）顏色與視覺(jué)系統(tǒng)2024/3/218

桿狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞細(xì)長(zhǎng)，感光靈敏度高（接受亮度信息），但沒(méi)有色感。在昏暗條件下，主要有桿狀細(xì)胞提供視覺(jué)響應(yīng)（稱(chēng)為暗視覺(jué)）。最高感度點(diǎn)在綠色區(qū)約500nm處。

錐狀細(xì)胞

錐狀細(xì)胞粗短，能區(qū)別色彩（接受色彩信息），只在明亮條件下提供視覺(jué)響應(yīng)（稱(chēng)為明視覺(jué)）。有三種錐狀細(xì)胞：

r細(xì)胞或R細(xì)胞：最高感度點(diǎn)在紅(橙)色區(qū)564nm處

g細(xì)胞或G細(xì)胞：最高感度點(diǎn)在綠色區(qū)534nm處

b細(xì)胞或B細(xì)胞：最高感度點(diǎn)在藍(lán)色區(qū)420nm處桿狀細(xì)胞與錐狀細(xì)胞2024/3/219二、光效率函數(shù)

人眼感受各種波長(zhǎng)的光的敏感度由光效率函數(shù)表示。光效率函數(shù)反映了不同波長(zhǎng)的光刺激人眼產(chǎn)生亮度的效率。在昏暗條件下，人眼對(duì)波長(zhǎng)為510nm左右的光（藍(lán)綠光）最敏感，而在明亮條件下，人眼對(duì)波長(zhǎng)為550nm左右的光（黃綠光）最敏感，如圖所示。

顏色是可見(jiàn)光刺激人的視覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)生的心理感覺(jué)?；璋禇l件下明亮條件下2024/3/2110顏色心理學(xué)特征顏色的亮度（或明暗度）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位角度以及單位投射面上光源輻射的能量決定顏色的亮度，它反映了顏色由黑至白的亮度變換情況。顏色的純度（或飽和度）：純度說(shuō)明光的顏色表現(xiàn)接近光譜色（如紅色）的程度。淺色或暗色說(shuō)明顏色的純度較低，它們比較接近白色。2024/3/2111三、明度、亮度及亮度對(duì)比亮度(Luminance)、照度物體表面的亮度與其周?chē)h(huán)境的亮度無(wú)關(guān)（不考慮物體周?chē)h(huán)境的影響）。明度(Brightness)視覺(jué)系統(tǒng)感知到的亮度，與其周?chē)h(huán)境有關(guān)。

具有恒定亮度的物體，當(dāng)將其置于亮度不同的環(huán)境中時(shí)，它的明度是不同的。人眼對(duì)亮度差而不對(duì)亮度本身敏感。2024/3/2112亮度對(duì)比：Webe定律2024/3/21139.2顏色模型所謂顏色模型（colormodel）是在某種特定上下文中對(duì)于顏色特性和行為的解釋方法，一般是指一種三維顏色坐標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)光由兩種或多種具有不同主頻率的光源（或稱(chēng)為彩色光）混合而成時(shí)，我們可以改變各種光源的強(qiáng)度來(lái)生成一系列其他顏色的光。這是一種構(gòu)造顏色模型的方法，其中用來(lái)生成其他顏色的光源的色彩稱(chēng)為基色或原色（primarycolor）。由基色所產(chǎn)生的所有顏色的集合稱(chēng)為該顏色模型的顏色范圍（colorgamut）。如果兩種基色混合生成白色光，則稱(chēng)它們?yōu)榛パa(bǔ)色（complementarycolor）。比如紅色和青色、綠色和品紅色、藍(lán)色和黃色混合后都是白色，因此它們都稱(chēng)為互補(bǔ)色。2024/3/21149.2.1單色模型（1/4）

白光刺激人眼產(chǎn)生灰色，灰色沒(méi)有色彩，只用亮度描述。光的能量大小決定灰色的亮度大小，當(dāng)能量大到一定程度時(shí)，產(chǎn)生白色，當(dāng)能量小到一定程度時(shí)，產(chǎn)生黑色。 黑白顯示系統(tǒng)能產(chǎn)生多級(jí)亮度（也稱(chēng)灰度），每一級(jí)灰度通常以一個(gè)整數(shù)值標(biāo)識(shí)。一、灰度選擇（亮度）顯示器的灰度范圍：[Y0,1]問(wèn)題：如何產(chǎn)生均勻分布的

n級(jí)灰度 ？

方案一：亮度均勻分布。2024/3/2115單色模型（2/4）結(jié)論：給定n和Y0

，得到合理分布的灰度序列。（對(duì)一個(gè)顯示器來(lái)說(shuō)，它的最小灰度值Y0是固定的）方案二：明度均勻分布。2024/3/2116單色模型（3/4）二、半色調(diào)技術(shù)問(wèn)題：許多硬拷貝設(shè)備如報(bào)紙、雜志、圖書(shū)等的印刷設(shè)備只能產(chǎn)生黑白兩級(jí)灰度，在硬件條件有限的情況下，如何產(chǎn)生更多的顏色以顯示多級(jí)灰度的圖形？

方法：半色調(diào)技術(shù)（HalftoningTechnique） 半色調(diào)技術(shù)利用人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域的整合功能：相鄰的點(diǎn)若充分靠近，人們看到的往往是具有它們平均灰度的一塊區(qū)域，而不是單個(gè)分離的點(diǎn)。它是一種犧牲空間分辨率以增加灰度級(jí)的方法。2024/3/2117單色模型（4/4）假設(shè)顯示設(shè)備只產(chǎn)生黑白兩級(jí)灰度，以2×2的像素塊為模板能產(chǎn)生5個(gè)灰度級(jí)，付出的代價(jià)是顯示器的水平和垂直分辨率都降低了一倍。

若現(xiàn)在要顯示有5個(gè)灰度級(jí)的圖像image，要求其左下角位置在(x0,y0)點(diǎn)，則它的第i行、第j列所對(duì)應(yīng)的4個(gè)像素為：[x0+2i,x0+2i+1]×[y0+2j,y0+2j+1]。并且該像素塊應(yīng)該以image[i][j]填充。2024/3/2118(x0,y0)[x0+2i,x0+2i+1]×[y0+2j,y0+2j+1]image[i][j]對(duì)于彩色設(shè)備，也可以利用半色調(diào)技術(shù)模擬更多的顏色，此時(shí)稱(chēng)為顏色抖動(dòng)(ColorDithering)。2024/3/21199.2.2彩色模型（1/14）一、顏色的描述視覺(jué)角度：顏色以色彩(Hue)、飽和度(Saturation)、明度來(lái)描述。色彩：指的是這種顏色是紅的、綠的，還是藍(lán)的。它是一種顏色區(qū)別于另一種顏色的最重要的特征。飽和度：反映顏色的純度，當(dāng)向某種顏色中加入白色時(shí)，就降低了它的飽和度。明度：人眼感知到的光的亮度。

色彩、飽和度與明度都是主觀量，它們是顏色的非精確描述。顏色紡錘體2024/3/2120彩色模型（2/14）物理學(xué)角度，顏色以主波長(zhǎng)(Dominantwavelength)、色純度(Purity)、亮度來(lái)描述。主波長(zhǎng)：決定了顏色的基本色彩。（如下圖所示）色純度：反映了該顏色中純色光與白光的比例。亮度：物體表面的亮度由光效率函數(shù)決定，與其周?chē)h(huán)境的亮度無(wú)關(guān)。主波長(zhǎng)大約為500nm光譜能量分布（綠色光）

主波長(zhǎng)、色純度、亮度描述了產(chǎn)生某種顏色的光的特性，從而也就描述了它所對(duì)應(yīng)的顏色。2024/3/2121彩色模型（3/14）二、三基色與顏色匹配三基色顏色的描述需要三個(gè)量，說(shuō)明顏色空間是三維的。顏色空間中任意互不相關(guān)的三種顏色構(gòu)成顏色空間的一組基，稱(chēng)為三基色。三基色通過(guò)適當(dāng)?shù)幕旌夏墚a(chǎn)生所有的顏色。三基色的例子：紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色三種錐狀細(xì)胞的光譜靈敏度曲線

來(lái)自生物學(xué)的證據(jù)視網(wǎng)膜中存在三種錐狀細(xì)胞，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)三種顏色敏感。三種錐狀細(xì)胞的存在為紅、綠、藍(lán)三基色理論提供了支持。2024/3/2122彩色模型（4/14）問(wèn)題：三基色如何混合產(chǎn)生給定的顏色？？？？顏色匹配

記三種錐狀細(xì)胞的光譜靈敏度曲線（光效率函數(shù)曲線）分別為S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)，三者之和即為V(λ)。2024/3/2123彩色模型（5/14）匹配的概念：

由此可知，同一顏色可能對(duì)應(yīng)多個(gè)光譜能量分布，這種現(xiàn)象稱(chēng)為同色異譜現(xiàn)象。2024/3/2124給定三基色對(duì)應(yīng)的光譜能量分布Pi(λ)(i=1,2,3)，考慮按照什么樣的比例將它們混合，才能匹配給定的任一光譜能量分布F(λ)。所謂匹配指的是它們對(duì)應(yīng)的顏色相同。CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）選取的標(biāo)準(zhǔn)紅、綠、藍(lán)三色光的光譜能量分布為：1.顏色匹配彩色模型（6/14）2024/3/2125彩色模型（7/14）2024/3/2126以[R]、[G]、[B]為三基色的顏色系統(tǒng)稱(chēng)為CIE-RGB顏色坐標(biāo)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CIE-RGB系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，F(xiàn)(λ)對(duì)應(yīng)的顏色[F]的表達(dá)式即為式（11.16）。彩色模型（8/14）記R(F)、G(F)、B(F)為F(λ)的三刺激值，[R]、[G]、[B]為紅綠藍(lán)三基色，則有2024/3/2127BRG藍(lán)[0,0,1]紅[1,0,0]綠[0,1,0][F]的坐標(biāo)[R(F),G(F),B(F)]圖11在CIE-RGB中，[F]與其顏色坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)彩色模型（9/14）2024/3/2128RGB顏色匹配函數(shù)2024/3/2129RGB顏色模型2024/3/2130人眼只能識(shí)別顏色的三種不同刺激，從而顏色空間是三維的。任何一種顏色都能由三基色表示，若采用紅、綠、藍(lán)為三基色，則顏色[F]的表達(dá)式為：在式（11.16）中，[F]的亮度是它的紅、綠、藍(lán)分量的亮度的和，即顏色混合有如下性質(zhì)（k，ki（i=1,2,3)為非負(fù)數(shù)）顏色匹配公理（格拉斯曼Grassman定理）2024/3/21312024/3/2132CIE-XYZ系統(tǒng)

以[R]，[G]，[B]為三基色的CIE-RGB系統(tǒng)，其顏色匹配函數(shù)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值（意味著某些顏色采用直接匹配方式不能得到），給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不便。

1931年CIE推薦了一個(gè)新的顏色系統(tǒng)，它以[X]，[Y]，[Z]代替[R]，[G]，[B]作為三基色。9.3標(biāo)準(zhǔn)基色和色度圖CIE-XYZ系統(tǒng)與CIE-RGB系統(tǒng)的關(guān)系是：注意：三基色[X]，[Y]，[Z]并不是實(shí)際存在的顏色，而是虛的顏色，選取它們的目的只是使得在CIE-XYZ中，任一顏色的三個(gè)坐標(biāo)分量都非負(fù)。2024/3/2133標(biāo)準(zhǔn)基色匹配函數(shù)2024/3/2134色度坐標(biāo)設(shè)顏色[F]的坐標(biāo)為[X,Y,Z]，定義其色度坐標(biāo)(x,y,z)如下：

它是連接坐標(biāo)原點(diǎn)與[X,Y,Z]的直線與X+Y+Z=1平面的交點(diǎn)坐標(biāo)。將所有這些交點(diǎn)投影到XY平面上，得到CIE-XYZ色度圖。2.CIE-XYZ色度圖2024/3/2135CIE-XYZ色度圖是一個(gè)舌形區(qū)域，圖中舌形線上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)著色純度為100%的單色光，中央C點(diǎn)對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)白光，它的色度坐標(biāo)近似但不等于(1/3,1/3,1/3)。C2.CIE-XYZ色度圖2024/3/21362.CIE-XYZ色度圖色度圖有多種用途，如計(jì)算某種顏色的主波長(zhǎng)與色純度；

補(bǔ)色的計(jì)算：若兩種顏色混合產(chǎn)生白色，稱(chēng)兩者互為補(bǔ)色。定義顏色域。2024/3/21379.4光柵系統(tǒng)中的顏色模型（1/10）顏色模型三維顏色空間的子集面向硬件的顏色模型RGB模型、CMY模型、YIQ面向用戶(hù)的顏色模型HSV模型2024/3/2138光柵系統(tǒng)中的顏色模型（2/10）RGB模型Red（紅）、Green（綠）、Blue(藍(lán))應(yīng)用：彩色CRT加色模型2024/3/2139光柵系統(tǒng)中的顏色模型（3/10）RGB模型2024/3/2140光柵系統(tǒng)中的顏色模型（4/10）CMY模型Cyan（青）、Magenta（品紅）、Yellow（黃）應(yīng)用：硬拷貝設(shè)備減色模型2024/3/2141CMY模型與RGB模型的關(guān)系光柵系統(tǒng)中的顏色模型（5/10）2024/3/2142CMY顏色模型光柵系統(tǒng)中的顏色模型（6/10）2024/3/2143YIQ模型Y：亮度；I、Q：包含了顏色的主波長(zhǎng)與色純度信息。應(yīng)用：電視傳播系統(tǒng)電視臺(tái)RGB信號(hào)EncoderYIQ信號(hào)家庭RGB信號(hào)DecoderYIQ信號(hào)光柵系統(tǒng)中的顏色模型（7/10）2024/3/2144為什么采用YIQ模型？向后兼容黑白電視，黑白電視機(jī)只接受亮度信號(hào)Y。節(jié)約帶寬。比直接傳送R、G、B信號(hào)所需帶寬低得多。Y:I:Q=4:1.5:0.6Total=6M

YIQ模型與RGB模型的關(guān)系？光柵系統(tǒng)中的顏色模型（8/10）2024/3/2145HSV模型H(Hue)：色彩，S(Saturation)：飽和度，V(Value)：明度應(yīng)用：用戶(hù)調(diào)色板模型（定義于圓柱顏色坐標(biāo)系中的六棱錐）光柵系統(tǒng)中的顏色模型（9/10）2024/3/2146HSV顏色模型白色灰色黑色純色色濃色調(diào)色深