计算机图形与图像

计算机图形与图像

计算机学院黄章进

zhuang@

UniversityofScienceandTechnologyofChina

第七章第四节

显示中的问题

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主要内容UniversityofScienceandTechnologyofChina

•颜色系统

•y校正

•半色调和抖动

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•在实际中应用的不同颜色系统

-基于不同的原色

•NTSCRGB

•CMYK

•HLS

-理论

•CIEXYZ

■倾向于把亮度与颜色（色度）信息分开

-简化为二维情形

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人类视觉系统UniversityofScienceandTechnologyofChina

•可见光是电磁波谱的一部分，波长介于350

一750nm

・颜色CGQ就是介于这个范围内的能量分布

•在人类的视觉系统中，视网膜上有三种类

型的锥形感光细胞(视锥细胞),每种具

有自己的波谱感应性

•从而人脑只能“看”到三种值，称为三刺

激值(tristimulus)

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三刺激值UniversityofScienceandTechnologyofChina

•人眼三种视锥细胞的感应曲线分别记为

SG）,S2Q）和S3（九）

■对于颜色CQ）,锥形细胞输入的三个值为

C（x）

视神经

视锥细胞T1,T2,T3

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三色理论UniversityofScienceandTechnologyofChina

•对于任两种颜色,如果它们具有相同的三

刺激值，那么看起来就是一样的

•因此显示设备（CRT、LCD、胶卷）只需要生

成正确的三刺激值就可以匹配同一种颜色

•这可能做到吗？不一定

-不同的系统具有不同的原色（不同的感应曲线）

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问题UniversityofScienceandTechnologyofChina

•人类的感应曲线与物理设备的感应曲线不

同

•人类：曲线的中心在蓝、绿、黄绿

・CRT:RGB

・彩色打印：CMY或者CMYK

•那么我们匹配的是哪一种颜色呢？如果不

能匹配，那么最接近的颜色是什么呢？

颜色的表示UniversityofScienceandTechnologyofChina

■考虑颜色CQ）

•它生成三刺激值11门2，13

一力己为C=（「,T2,T3）

-假定1"1，12工》0,因为总是有一个我们能

感觉到的最大亮度，而且能量总是非负的

-C就是颜色立方体中的一点

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颜色的生成UniversityofScienceandTechnologyofChina

•考虑使用RGB原色的CRT显示器，感应曲

线为

2"

•三刺激值为：

7^=jG(2)C(2)6/2

T=f7?(2)C(2)6/2r

}J7；=JB(2)C(2)d2

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匹配UniversityofScienceandTechnologyofChina

■这个值与特定的设备有关

•如果使用另外的设备，那么就会得到不同

的值，这些值与人类视锥细胞得到的值不

一样

•因此我们需要找到匹配的方法，以及规范

化的方法

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色度坐标UniversityofScienceandTechnologyofChina

•对于任何的原色体系,定义色度坐标为各

颜色分量在三原色中所占的比例

（+5+73

tT2…2+4=1

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"T1+T2+7；0<tvt2.t3<l

色度坐标丢失了T1+T2+T3（颜色强度相关）

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Maxwell三角形UniversityofScienceandTechnologyofChina

颜色立方体

T1+T2+T3=1

1

•投影到二维：色度空间(chromatidtyspace)

1

ti

可能的颜色

hI

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NTSCRGB

r+g+b=1

1

g

■1

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生成其它颜色UniversityofScienceandTechnologyofChina

•在一个系统中可以生成的颜色（色域，color

gamut）并不一定能在其它的系统中生成

•4口果我们可以生成在350—750nm之间所有的

纯光谱颜色，那么通过光谱颜色的叠加就可以

生成所有其它的颜色

•在实际的系统（CRT,胶卷）中，不可能生成

所有的纯光谱颜色

•可以通过把每个系统中的颜色立方体投影到（

某个系统的）色度空间中，从而分析可以逼近

的程度

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350nm

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CIEXYZ

•国际照明委员会(InternationalCommission

onIllumination,法语简称为CIE)

•CIEXYZ色彩空间是从1920年代后期W.

DavidWright(Wright1928)和JohnGuild

(Guild1931)做的一系列实验中得出的

■颜色的概念可以分为两部分

一亮度(brightness)和色度(chromaticity)

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CIEXYZUniversityofScienceandTechnologyofChina

•QIEXYZ色彩空间的Y参数是颜色的明度或亮

度的测量

•颜色的色度通过两个导出参数x和y来指定，它

们是三刺激值X、Y和Z规范化后留三个值中的

两个

x

x=-x---+---v---+--z-

X=-x

Yy

y=X-hY+ZY

z=—(1-X-y)

ZYy

z=-x--+---v---+---z--=1­X—v?

­导出的颜色空间称为CIExyY色彩空间

-X和Z值可以从色度值x和y与Y值计算回来

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•所有可见色度的色

域是用颜色展示的

马蹄铁形状

•色域的曲线边界叫

做光谱轨迹，对应

于单色光

-波长单位：纳米

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•大多数颜色系统对应实际系统的原色

•NationalTelevisionSystemsCommittee

(NTSC,美国国家电视系统委员会)RGB与

CRT中荧光(phosphors)匹配

•胶卷：正片-加色系统(RGB)染料颜色

负片一减色系统(CMY)

•彩色打印行业采用CMYK(K=黑色)

-K用来生成最高深度的黑色

-例如：彩色喷墨打印机墨盒

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颜色变换UniversityofScienceandTechnologyofChina

•每个加色系统都是另一个加色系统的线性

变换

G'G

°C=（T、T2，T3）=（T'1，T'2，T,3）

R'在R'G'B，系统中

R

在RGB系统中

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RGB,CMY5CMYKUniversityofScienceandTechnologyofChina

•假设1是一种原色的最大值

C=1-RM=1-GY=1-B

・把CMY转化>为d\/1丫1<

K=min(C,M,Y)

C=C-K

M'=M—K

YJ=Y-K

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颜色矩阵UniversityofScienceandTechnologyofChina

•存在3x3矩阵把颜色在一个系统中的表示转换

为另一个系统中的表示

T

TJ1

T2

T'2=MT

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T'3_

•伤口：从XYZ至UNTSCRGB

-在色度参考系中计算

•在XYZ中取一种颜色，通过检查变换后的三刺

激值是否在［0,1］内，可知该颜色是否可生成

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YIQUniversityofScienceandTechnologyofChina

■NTSC传输颜色

・Y表示亮度

-源于在TV信号中把亮度与色度信息分开的需要

Y0.2990.5870.114R

I0.596-0.275-0.321G

Q0.212-0.5230.311B

注意亮度显示了对绿色的高度敏感性

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•HLS:感知颜色（色相Hue,亮度Lightness,

饱和度Saturation）

-RGB颜色空间的极坐标表示

•色相H：色彩的基本属性，即颜色名称，如黄、红

・饱和度S:色彩的纯度，离主对角线的距离

•亮度L:该点离原点（黑色）的距离

B

(b)25

y校正UniversityofScienceandTechnologyofChina

•亮度定义为人眼感知到的光强度，

人眼对光强度的感知呈对数关系

-如果章望亮度看起来是等间隔递增，

那么朦素的光强值应该按指数递增

•CRT显示器的光强度I和电压V的关

系是非线性的：I二eV?光强度

-对同一颜色，不同显示器显示的亮度

可能会不同

-利用查找表进行y校正

•CRT不能显示完全的黑色

-限制了对比度