计算机图形学颜色视觉

1.概述人的视觉系统所能看到的可见光是一种电磁波信号，其波长在400nm~700nm（1nm=10-9m）之间。电磁波本身是没有“颜色”的。每类光线还包含各种不同的频率，不同强度的光谱成分；所有这些光线与周围环境相互作用后（包括直射、反射、透射等），传入人的眼睛，并在人的眼睛里，发生物理、化学变化，然后产生人脑所能感知的电脉冲；以“颜色”的形式给出人的视觉感受。颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉，物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、环境以及观察者的视觉系统有关系。波长(nm)400700可见光第一页，共二十六页。11.概述颜色属于物理学和生理学的范畴，它的形成是一个复杂的物理和生理相互作用的过程，其中涉及光的传播特性、人眼结构及人脑心理感知等内容。生理及心理因素会影响人对颜色的主观判断：色彩对比效应：观察相邻区域的不同颜色时，视觉系统感知的色彩会发生变化。(每一种颜色会在其周围诱导出其互补色)明度对比效应：相邻区域颜色对比强烈时，视觉系统感知的亮度会发生偏移。(也称马赫带效应，MachBand)颜色适应效应：当人眼受到颜色的强刺激作用时，会使感受到的颜色的明度和饱和度发生变化。如，若对某一颜色适应后再观察另一颜色，后者会发生变化，且带有原观察颜色补色的成分。第二页，共二十六页。2色彩对比效应：长时间观察，会呈现绿色MachBand效应：中间的方块具有相同的亮度，但视觉上感觉下面的方块要亮些。颜色适应效应：长时间观察红光后再去观察黄光，会呈现绿色，经过一段时间后会恢复。第三页，共二十六页。31.概述视觉也有错误！第四页，共二十六页。42.颜色的特性－视觉特性从两个不同方面来描述颜色的特性。视觉角度、物理学角度颜色的三个视觉特性(视觉角度)：从人的视觉系统看，色彩可用色调、饱和度和亮度来描述。人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果，这三个特性可以说是“色彩的三要素”。第五页，共二十六页。52.颜色的特性－视觉特性色调(Hue)：一种颜色区别于其他颜色的因素，如：红、绿、蓝色调是相对连续变化的。用一个园环来表现色调的变化，就构成了一个色彩连续变化的色环。第六页，共二十六页。62.颜色的特性－视觉特性饱和度(Saturation)：指颜色的纯度。单色的色饱和度为100%，非彩色光(白光)的色饱和度为0%。例如：鲜红色饱和度高，而粉红色的色饱和度低等等。在饱和的彩色光中增加白光的成分，相当于增加了光能，因而变得更亮了，但是它的饱和度却降低了。若“增加”黑色光的成分，相当于降低了光能，因而变得更暗，其饱和度也降低了。第七页，共二十六页。72.颜色的特性－视觉特性亮度(Lightness)：光给人的刺激的强度。黑色到白色，亮度越来越大。同一物体因受光不同会产生亮度上的变化。不同颜色的光，强度相同时照射同一物体也会产生不同的亮度感觉。

亮度也可以说是指各种纯正的色彩相互比较所产生的明暗差别。在纯正光谱中，黄色的亮度最高，显得最亮；其次是橙、绿；再其次是红、蓝；紫色亮度最低，显得最暗。第八页，共二十六页。82.颜色的特性－物理特性颜色的物理特性主波长（DominantWavelength)产生颜色光的波长，对应于视觉特性的色调纯度(Purity)对应于视觉特性的饱和度明度(Luminance)对应于视觉特性的亮度第九页，共二十六页。93.三色学说－光的物理知识光可以由它的光谱能量P(λ)的分布来表示：各种波长的能量大致相等，为白光；各波长的能量分布不均匀，为彩色光；包含一种波长的能量，其他波长都为零，是单色光。光谱能量分布定义颜色十分麻烦：光谱与颜色的对应关系是“多对一”；两种光的光谱分布不同而颜色相同的现象称为“异谱同色”。400700能量波长λnmP(λ)400700能量波长λnmP(λ)400700能量波长λnmP(λ)第十页，共二十六页。103.三色学说必须采用其他的定义颜色的方法，使光本身与颜色一一对应。三色学说(三刺激理论，1862年，Helmhotz)：一种假设：在人眼视网膜中有3种对颜色敏感的锥体细胞，它们分别对红、绿、蓝3种颜色最敏感。三者共同作用，使人们产生了不同的颜色感觉。任何一种颜色可以用红、绿、蓝三色按照不同比例混合来得到；(三原色：适当比例混合得到白色，任意两种混合不能生成第三种。)颜色科学中最基本、最重要的理论。计算机图形学中采用颜色模型都是根据这个学说提出来的。是图形学的生理视觉基础。第十一页，共二十六页。114.颜色系统－CIE-RGB系统自然界中各种颜色都能由3种原色光按一定的比例混合而成(CIE-RGB系统)：C=rR+gG+bBCIE（国际照明委员会）规定的标准红、绿、蓝三种光的波长分别为：红光（R）λR=700nm绿光（G）λG=546.1nm蓝光（B）λB=435.8nm400500600700-0.200.20.4三刺激值λrgbCIE-等能标准三原色匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线nm第十二页，共二十六页。124.颜色系统－CIE-RGB系统CIE-RGB曲线一部分三刺激值是负数，表明只能在给定实验光上叠加曲线中负值对应的原色，去匹配另两种原色的混合光。表明一些颜色不能够通过将三原色混合来得到。如：RGB彩色监视器不能显示500nm波长左右的颜色。不易理解，计算不便。400500600700-0.200.20.4三刺激值λrgbCIE-等能标准三原色匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线nm第十三页，共二十六页。134.颜色系统－CIE-XYZ系统1931年，CIE利用三种假想的标准原色X(红)、Y(绿)、Z(蓝)，使颜色匹配的三刺激值都是正值。→CIE-XYZ系统：任何颜色都能由标准三原色混合匹配，即

C=xX+yY+zZ00.51.01.5三刺激值400500600700λnmxyz1931年CIE标准观察者曲线第十四页，共二十六页。144.颜色系统－CIE色度图所有颜色向量组成了x、y和z的三维空间第一象限的锥体。取一个截面：x+y+z＝1；该截面与三个坐标平面的交线构成一个等边三角形，每一个颜色向量与该平面都有一个交点，每一个点代表一个颜色，它的空间坐标(x,y,z)表示为该颜色在标准原色下的三刺激值，称为色度值。所有的色度值形成一个马蹄形区域(色度图)。第十五页，共二十六页。154.颜色系统－CIE色度图二维表示：把色度图投影到xoy平面上→CIE色度图0.20.40.60.80.20.40.60.8XY红黄绿青蓝紫700600580560540520510500490480400C第十六页，共二十六页。164.颜色系统－CIE色度图CIE色度图区域的边界和内部代表了所有可见光的色度值(x,y,z)；CIE色度图的翼形轮廓线代表所有可见光波长的轨迹，即可见光谱曲线。沿线的数字表示该位置的可见光的主波长。中央的C对应于近似太阳光的标准白光。C第十七页，共二十六页。174.颜色系统－CIE色度图CIE色度图的用途：得到光谱色的互补色；确定所选颜色的主波长和纯度；定义一个颜色域；CRT(三角形区域)，Printer(不规则区域)、胶卷等系统都不能生成可见光谱上的所有颜色。第十八页，共二十六页。184.颜色系统虽然CIE色度图给出了描述颜色的标准精确方法，但是，它的应用还是比较复杂。在计算机图形学中，通常使用一些通俗易懂的颜色系统——颜色模型，它们都基于三维颜色空间。颜色模型是指某个三维颜色空间中的一个可见光子集，包含某个颜色域的所有颜色。颜色模型的用途是在某个颜色域内方便地指定颜色。第十九页，共二十六页。194.颜色系统没有一种颜色模型能解释所有的颜色问题，因此，要使用不同的模型来帮助说明不同的颜色特征。一些模型是适用于硬件的：用于彩色CRT监视器的RGB模型；用于彩色打印系统的CMY（青色、品红色、黄色）模型；用于彩色广播电视系统的YIQ模型；…另一些模型是以易用性为目的，为用户提供更直观的颜色参数，如HSV，HLS模型；第二十页，共二十六页。204.颜色系统－RGB颜色模型基于红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色定义的RGB加色系统。通常用于彩色光栅图形显示设备中；(发光设备)真实感图形学中的最主要的颜色模型；采用三维直角坐标系；RGB立方体蓝(0,0,1)青(0,1,1)绿(0,1,0)白(1,1,1)品红(1,0,1)红(1,0,0)黄(1,1,0)黑(0,0,0)RGB第二十一页，共二十六页。214.颜色系统－CMY颜色模型以红、绿、蓝的补色青(Cyan)、品红(Magenta)、黄(Yellow)为原色构成的减色系统；在白色中减去某种颜色来定义一种颜色，又被称为减性原色系统。在白纸面上涂黄色和品红色，纸面上将呈现红色：白光被吸收了蓝光和绿光，只能反射红光。用于印刷行业中。(反射)黄(0,0,1)红(0,1,1)品红(0,1,0)黑(1,1,1)绿(1,0,1)青(1,0,0)蓝(1,1,0)白(0,0,0)CMY第二十二页，共二十六页。224.颜色系统－RGB和CMY的关系Colormanagement

System(CMS)第二十三页，共二十六页。234.颜色系统

－YIQ模型Y：亮度信号，由R、G、B以适当比例混合； I：同相信号，包含了橙-青的彩色信息(肉色色调)； Q：正交信号，包含了绿-品红的彩色信息(其余色调)；NTSC提出，应用于电视广播系统(传输带宽有限)。向后兼容黑白电视，彩色电视信号必须与标准的黑白电视兼容，这就要求在彩色电视上看起来完全不同的两种颜色在黑白电视上应呈现为不同的灰度。节约带宽，我国每一频道的带宽为8MHz，美国为6MHz。Y:I:Q=4:1.5:0.6；Total=6MYUV、YCrCb等模型与YIQ类似。电视