图像显示基础知识

1、色彩属性色彩有三个基本属性：色相，饱和度，明度，是基于美国艺术家阿尔伯特孟塞尔(AlbertH.Munsell)创制的孟塞尔颜色体系来定义的。色相Hue(拥有色彩)色相即色彩的相貌名称，例如红色、绿色、蓝色等等称谓。色相是色彩的首要特征，是区别不同色彩最准确的标准。除黑白灰以外的其他颜色都有色相属性。我们之所以能够看到这个世界，是因为有光的存在，而我们之所以能区分不同的颜色，正是因为光的波长和强度可以有很大的区别。光作为一种电磁波，其波长范围很大，但人眼可以看到的波长范围却很有限，这部分能够被人眼所观察到的波长范围被称为可见光，人眼可以感受到的波长范围一般是落在390纳米到700纳米。人眼之所

2、以能够区分不同的色彩，正是因为人眼中的视锥细胞对波长有着不同的敏感范围，一般人眼中有三种不同的视锥细胞：第一种主要感受黄绿色，它的最敏感点在565纳米左右；第二种主要感受绿色，它的最敏感点在535纳米左右；第三种主要感受蓝紫色，其最例如现在有一束光光进入人眼睛，S视锥细胞的反应最强烈，另外两种视锥细胞的几乎没有反应，那么大脑就知道进入我们眼睛的光线是蓝紫色，正是基于此，我们才能区分各种各样的色彩。也正是基于人眼这样一个生理特征，我们才将红绿蓝确定为三原色。虽然眼球中的椎状细胞并非对红、绿、蓝三色的感受度最强，但是因为椎状细胞所能感受的光的带宽很大，红、绿、蓝也能够独立刺激这三种颜色的受光体，并

3、且这三种颜色的区分度更大，因此这三色被视为原色。因此，三原色并不是光的物理性质，而是基于人眼的独特生理特征确定下来的。值得一提的是，视锥细胞的敏感性极强，几乎一个光子就可以激发视锥细胞，因此人眼在黑暗环境下也可以观察外界。通过以上知识，我们可以知道：色相从本质上来说是不同波长的光线进入人眼睛之后，人对此产生的不同视觉感受的一种描述。蓝色和绿色之所以能够被我们区分，正是因为蓝色和绿色对应的光线具有不同的波长。饱和度saturation（色彩鲜暗）饱和度是指色彩的纯度，一种颜色的饱和度越高，它就越鲜艳；反之，一种颜色的饱和度越低，它就越接近于灰色。标准色越往左边，颜色拥有越高的饱和度，色彩比较鲜艳

4、，越往右边拥有越低的饱和度,颜色更加偏向于灰色。明度明度指的是色彩的明暗程度，在所有色彩中白色明度最高，黑色明度最低；所以在一个颜色中加入白色就能提高明度，加入黑色就会降低明度。明廈箜it标准色越往左边，颜色拥有越低的明度，越往右边拥有越高的明度。色彩模式色彩模式就是人为了更好的描述色彩而规定的一些描述方式，色彩模式有很多种划分主要分为两类：一是面向硬件设备的色彩模式，主要有RGB、YCbCr、CMYK等；二是面向视觉感知的色彩模式，主要有HSL,HSI,HSB,Lab等。RGB色彩模式最典型、最常用的面向硬件设备的彩色模型是三基色模型，即RGB模型。电视、摄像机和彩色扫描仪都是根据RGB模型

5、工作的。RGB颜色模型建立在笛卡尔坐标系统里，其中三个坐标轴分别代表R、G、B,如图1所示，RGB模型是一个立方体，原点对应黑色，离原点最远的顶点对应白色。RGB是加色，是基于光的叠加的，红光加绿光加蓝光等于白光。应用于显示器这样的设备。RGB色彩模式的主要缺点是不直观，从R、G、B的值中很难知道该值所代表颜色的认知属性，因此RGB色彩模式不符合人对颜色的感知心理。另外,RGB色彩模式是最不均匀的颜色空间之一，两种颜色之间的视觉差异不能采用该颜色空间中两个颜色点之间的距离来表示。（即无法线性计算）HSV色彩模式由;Sjli-ruiHSV由;Sjli-ruiHSV模型与人类对颜色的感知接近。H代

6、表色调，S代表饱和度，V代表亮度值。马校正早期的CRT显示屏输入电压输出亮度的关系并不是线性的。比如输入0.5的电压，则会输出大约0.2的亮度，要想获得0.5的亮度，则必须输入0.73。总体上输入电压与输出亮度遵循着这样的一个换算关系：这里面这个Y就是我们说的伽马值。实际上，通常的显示器都是A=1，所以公式可以简化一些，Y值是这里唯一的参数。现在LCD屏虽然并不必须有这样的特性了，但是显示器生产商依然人为的添加了这层Gamma转换，所以我们可以对它们一视同仁。对颜色值施加上述公式进行变换的过程称为伽马校正。但是这个伽马校正其实又是有两个方向的，给定一个参数比如我说6，那么当伽马值取6和取1/6

7、的时候是两个互为逆运算的操作。当Y值小于1的时候，此值称作encodinggamma（编码伽马值）。这个操作叫做gammacompression（伽马压缩）。当Y值大于1的时候，此值称作decodinggamma（解码伽马值）。这个操作叫做gammaexpansion（伽马展开）。据说一般PC显示器的伽马值都在2.02.4之间，所以大家通常就取Y=2.2来进行伽马压缩，取Y=0.45来进行伽马展开。苹果的显示器有点特殊,它的这两个值分别是1.8和0.55。想要0.5亮度的颜色,需要传给显示器0.73,显示器会帮你把这个亮度值进行伽马展开,最后人眼看到的就是0.5。这个伽马校正的事情已经是一个标

8、准了以至于所有标准图片格式保存的数据都是经过伽马压缩后的。你认为你拿photoshop画了一幅画，这里面有个50%的灰像素，你把这图存成了jpg，其实jpg里存的这个像素的值是0.73，不是0.5。伽马编码有一个好处。因为我们平时存颜色数据每个通道的亮度都是用8位来存储的，8位的精度真的很低，只能表示256个级别，我们应该谨慎利用这256个级别。人眼对于暗色的敏感程度要高于亮色，经过伽马压缩后，原本用来表示灰色的127/255会被编码成186/255，也就是0186这么多个级别用来表示00.5的亮度空间，而187255这么多的级下方的实线是经过显示器校正的曲线，而上方的虚线是我们提高亮度或者说

9、增大暗部存储范围后的曲线。提高暗部亮度值存储范围的原理sRGB空间有一个很重要的作用,就是我们用来存储颜色的媒介往往不够存储很多细节,比如常用的RGBA32,每一个通道只有8位，即0到255，只能存256个级别的亮度，这会丢失很多物理世界里的真实信息。那么如何在不增加存储范围的情况下,尽可能保留更多的物理信息呢？答案是，通过Gamma校正，把较暗的部分的存储范围放大，当然这会导致较亮的部分丢掉一些细节。这么做的依据是前面提到的人眼对暗部更敏感，所以应该用更多的范围去存储较暗的部分，而亮的部分，即使丢失掉一些细节也没关系，因为人眼可能并不会感知到。通过上面的图可以看到，在物理世界中，假设摄像机采

10、样到的亮度为0.218，如果就这么直接存储，那么采样的所有0.218以下的亮度都只能保存在0.218这个值以下，换成8位二进制表示只有256乘0.218等于55个级别。而0.782到1的值直接保存的话，也是55个级别，这样就造成了浪费，因为我们对0到0.218这个范围的敏感程度要大于0.782到1这个范围，而这两个范围都用55个亮度级别去表示，这就会使得我们本来可以感觉的更多的暗部的细节，但现在感觉不到了。当我们将物理世界中采样的亮度变为它的0.45次幕，也就是上图中上方的虚线，情况就会不一样。0到0.218这个范围会变为0到0.5，也就是说我们可以用128个级别去存储0到0.218这个范围，

11、这样我们可以感受到128个级别的亮度，而0.782到1经过Gamma校正后的范围是0.9到1,也就是只有26个级别。这符合我们人眼的特性，前面提到过，人眼感知物理亮度在暗部更敏感。亮度亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）亮度是人对光的强度的感受。它是一个主观的量。对比度一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间的比值，即指一幅图像灰度反差的大小。差异范围越大代表对比度越大，差异范围越小代表对比度越小。对比度是屏幕上

12、同一点最亮时（白色）与最暗时（黑色）的亮度的比值，高的对比度意味着相对较高的亮度和呈现颜色的艳丽程度。所谓动态对比度，指的是显示器在某些特定情况下测得的对比度数值，例如逐一测试屏幕的每一个区域，将对比度最大的区域的对比度值，作为该产品的对比度参数。不同厂商对于动态对比度的测量方法可能也不尽相同，但其本质也万变不离其宗。动态对比度与真正的对比度是两个不同的概念，一般同一台显示器的动态对比度是实际对比度的3-5倍。所以，动态对比度也不过就是厂商所玩的数字游戏，并没有实际意义。尺寸屏幕的尺寸是以吋/英寸为单位，而且这个是指的是屏幕对角线的长度，所以同尺寸不同比例的屏幕面积还不一样。屏幕分辨率屏幕分辨

13、率是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素有多少。显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多。图像分辨率图像分辨率是指每英寸图像内的像素点数。图像分辨率单位是PPI(PixelsPerInch)。图像分辨率越高，像素的点密度越高，图像越逼真。色域色域(ColorGamut)，就是指某种设备所能表达的颜色数量所构成的范围区域，即各种屏幕显示设备、打印机或印刷设备所能表现的颜色范围。在现实世界中，自然界中可见光谱的颜色组成了最大的色域空间，该色域空间中包含了人眼所能见到的所有颜色。为了能够直观的表示色域这一概念，CIE国际照明协会制定了一个用于描述色域的方法：CI

14、E-xy色度图。在这个坐标系中，各种显示设备能表现的色域范围用RGB三点连线组成的三角形区域来表示，三角形的面积越大，就表示这种显示设备的色域范围越大。PnoPhotoRGB0.67htl4*0wi:i0-5-3PnoPhotoRGB0.67htl4*0wi:i0-5-3十hR鲁壽阳SWOPCMYK/540jjkhRGB色深也就是描述每个像素所用的二进制储存位数。比如8bit/通道的色深下，可以表示2八8*2八8*2八8=16777216种颜色。色域决定了哪些颜色可以被表示，色深决定了色彩间的过渡和变化有多细腻。色域是范围，色深是精度。色准色域指的是能覆盖多少颜色，而色准指的就是在你覆盖的颜色

15、内，准确度是多少，衡量色准的单位是AE,AE的数值代表屏幕显示颜色是否准确，AE越大偏色越严重。刷新率刷新率就是屏幕每秒画面被刷新的次数，单位是Hz。比如60Hz是指1秒钟屏幕最多闪过60张画面。响应时间和拖影标准响应时间：指的是关闭像素，然后打开和再关闭像素（或从黑至白和再回到黑）所需的时间。灰阶响应时间：是指在许多灰阶或形成图像的颜色之间切换所需的时间。目前大多数说的响应时间指的就是灰阶响应时间。响应时间越短越好。灰阶响应时间过长，就会导致上一帧画面还没有完全消失，下一帧的画面已经开始显示了，于是在这一瞬间，屏幕上出现了两张画面，一张是上一张画面的残影，另一张是当前画面。这种残影现象称之为显示器的拖影。Ill色温这个概念是从黑体辐射来的。根据日常的经验我们可以知道，给一个铁块加热，随着温度升高，铁块开始是暗红色，逐渐变成亮红色，如果能达到炼钢炉里那样的高温，铁融化成铁水，发出耀眼的金黄色光芒。而天文学家也告诉我们，宇宙中的恒星可以看做一个个黑体，随着恒星温度的升高，恒星的颜色也是从红色到黄色，非常高温度的恒星甚至发出偏蓝色的光。下图就是渲染