第8章真实感图形生成技术2教材

2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)18.9颜色模型（Colormodel）真实感图形的生成同颜色有着密切关系。颜色的机理十分复杂，它既是一种物理现象，也是一种生理和心理现象。本节介绍一些颜色的基本概念。8.9.1光的特性（Thecharacteristicsoflight）光是一种电磁波。在电磁波谱中，可见光仅占很窄的一个波谱范围。其波长在0.38～0.76

m之间。下图(a)示出电磁波谱的大致划分。可见光的低频率端是红色，高频率段是紫色。从高频到低频的光谱颜色的变化分别是紫、蓝、青、绿、黄、橙、红，如图(b)所示。太阳或灯泡等光源发射可见光谱中的全部频率而产生白色光。当白色光投射到一个物体上时，某些频率被反射，某些则被物体吸收了。在反射光中混合的频率确定了我们所感受到的物体的颜色。如果在反射光中以低频率为主，则物体呈现红色，此时，我们可以说光主要含有光谱中红色端的频率。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)22024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)32024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)42024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)5

除了频率以外，描述光的各种性质还需要另一些特征。在观察光源时，我们的眼睛对颜色（或主频率）和另外两个基本的感觉作出反应。其中之一是亮度,即感受到的光明度。第二个感受的特征是光的纯度或饱和度。这三种特征：主频率、明度和纯度通常用来描述光源的不同性质。通常用色度说明纯度和主频率这两种颜色特征。

另外，人的眼睛只能看到可见光部分，但就目前科技水平看，能够成像的并不仅仅是可见光。一般来说可见光的波长为0.38～0.76μm，而迄今为止人类发现可成像的射线已有多种，如：

2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)6γ射线：0.003～0.03nm；

X射线：0.03～3nm；紫外线：3～300nm；红外线：0.8～300μm；微波：0.3～100cm。这些射线均可以成像。利用图像处理技术把这些不可见射线所成图像加以处理并转换成可见图像，实际上大大延伸了人类视觉器官的功能，扩大了人类认识客观世界的能力。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)78.9.2视觉系统（Visionsystem）

眼睛中的光接受器主要是视网膜中的视觉细胞。有两种类型的视觉细胞，分别称为锥状体和杆状体。锥状体只有在光线明亮的情况下才起作用，它具有辨别光波波长的作用，因此对颜色非常敏感。每个眼睛的锥状体大约有700万个。杆状体比锥状体的灵敏度高，在较暗的光线下就能起作用，但是它没有辨别颜色的能力，又叫夜视觉，所以黑暗中看到的东西没有颜色，其数量大约有1亿三千万个。当眼睛接受到的光包含所有可见光信号，且其强度大体相近时，人们感觉到的是没有颜色的白光。在光源为白光的照射下，若物体能反射80%以上的入射光，则看上去是白色的。若反射光小于3%，物体看上去是黑色的，中间值对应不同程度的灰色。为了表示方便，光强度可以规一化到0～1之间，0对应黑色，1对应白色，中间值对应灰色。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)8

光能本身是无颜色的，颜色是人们眼睛感知光后产生的生理和心理现象。眼睛对光的感觉称为光觉，对颜色的感觉称为色觉，这是眼睛的基本特性。光觉的门限值大约为1×10cd/m(尼特），人眼感觉光的范围的最大值和最小值之比达到10以上。但人的眼睛并不能同时对这样大范围的明亮程度都作出反应。某一时刻眼睛只能感知很小范围的明亮度。一般情况下，在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感觉到的明暗程度也不同，例如白天我们看不见星星，而夜晚却能看到。同样，在观察颜色时，在图形的色度一样，但背景颜色不一样时，感觉到的图象的色度也不一样。这种现象叫做对比现象。对比现象包括亮度对比和颜色对比。实验表明，在背景亮度比目标亮度低的场合，感觉目标有一定亮度。当背景亮度比目标亮时，看到的目标就有亮的多的感觉。同时，对比效果在背景大的场合比较显著。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)98.9.3颜色（Color）

白光通过棱镜，就会折射出颜色的光谱。一般可以分解成红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七色。可见光谱的每部分都有它自己唯一的值，它被称之为颜色，理论上可以选择几百万种颜色，从一种颜色转换成另一种颜色实际上很难区别。可见光谱可以由多种颜色构成，但是人们一般只看到一种颜色，它是多种颜色混合后结果。因为人眼有把多种颜色相混合的能力。在心理生物学上，颜色由其色彩、色饱和度和明度决定。顾名思义，色彩即颜色的“色彩”，它是某种颜色据以定义的名称。色饱和度是单色光中掺入白光的度量，单色光的色饱和度为100%，白光加入后，其色饱和度下降，非彩色光的色饱和度为0%，明度为光的强度值。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)10

在心理物理学上，与色彩、色饱和度和明度相对应的是主波长、色纯和亮度。在可见光谱上，单一波长的电磁能所产生的颜色是单色的。光的颜色由其主波长决定，而色纯则由单色光中掺入的白光量的相对大小决定。亮度与光的能量成比例，它是单位面积上所接受的光强。纯的单色光在实际生活中是少见的，人们所看到的颜色都是混合色。彩色图形显示器（CRT）上每个像素都是由红、绿、蓝三种荧光点组成，这是以人类视觉颜色感知的三刺激理论为基础设计的。三刺激理论基于这样一个假设：人类眼睛视网膜中的锥状视觉细胞，分别对红、绿、蓝三种光最敏感。实验表明：

对蓝色敏感的细胞对波长为440nm左右的光最敏感；对绿色敏感的细胞对波长为545nm左右的光最敏感；对红色敏感的细胞对波长为580nm左右的光最敏感。实验还显示，人类眼睛对蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)118.9.4CIE色度图（CIEchromaticitydiagram）

两种不同的颜色可以混合生成另一种颜色。如果两种颜色混合成白色光，它们就被称为互补色。红色和青色，绿色和品红，以及蓝色和黄色都是互补色。适当选择两种或多种初始颜色，可以形成许多其它颜色。用来生成其它颜色的初始颜色称为基色。在实际的基本颜色中，没有哪一组集合能组合生成所有可见的颜色。然而，三种基色对多数应用来说是足够的。通常采用红、绿、蓝作为三种基色，即RGB加色系统。下图示出用来生成任何一种光谱颜色的红、绿、蓝色的量。从曲线图中可知，500nm波长附近的颜色只能从蓝光和绿光混合相加所得的光中再加负红光才能得到。但实际上不存在负的光强，因此，RGB彩色监视器不能显示500nm波长左右的颜色。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)12颜色匹配所需的RGB基色量2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)13

在实际的基本颜色中，没有哪一组集合能组合生成所有可见的颜色。然而，三种基色对多数应用来说是足够的。通常采用红、绿、蓝作为三种基色，即RGB加色系统。上图示出用来生成任何一种光谱颜色的红、绿、蓝色的量。从曲线图中可知，500nm波长附近的颜色只能从蓝光和绿光混合相加所得的光中再加负红光才能得到。但实际上不存在负的光强，因此，RGB彩色监视器不能显示500nm波长左右的颜色。由于没有哪一组彩色光源可用来组合显示所有可能的颜色，国际照明委员会（CIE）在1931年定义了三种标准基色X,Y,Z。这三种基色是想像的颜色。定义这三基色的同时还定义了一组彩色匹配函数，如下图所示。图中曲线不是代表基色的光谱，而是用来代表匹配各种可见色光所需的每一种基色的量。这就给出了定义各种颜色的国际标准，而且使用CIE基色避免了颜色的负值匹配。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)14颜色匹配所需的XYZ基色量2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)15CIE规定三基色为XYZ,任何一种颜色C可以表示成:

C﹦XX﹢YY﹢ZZ

其中，X,Y,Z是为匹配颜色C所需标准基色的量。如果只考虑颜色的色彩和纯度，那么可以将式(8-42)中的亮度规范化，即作如下计算：

x﹦X/(X﹢Y﹢Z)，y﹦Y/(X﹢Y﹢Z)，x﹦Z/(X﹢Y﹢Z)

这里，x﹢y﹢z=1。因此，任何一种颜色可仅用x和y表示出来。由于x和y仅依赖于色彩和纯度，所以称为色度值。色度值表示生成一种颜色所需X,Y,Z三基色的相对量，但不表示颜色的亮度，亮度由Y表示，X和Z可根据它们对Y的比例来确定。下图为国际照明委员会给出的CIE色度图，其图形轮廓线代表所有可见光波长的轨迹，线上数字标明该位置可见光的波长。红色位于图的右下角，绿色在图顶端，蓝色在图左下角，连接光谱轨迹两端点的直线称为紫色线，它并不属于光谱。内部的点表示所有可能的可见颜色的组合，中间的C点对应于亮白色位置，它用作平均日光的近似标准。由于规范化，色度图中没有亮度值,具有同一色度但不同亮度的颜色位置相同。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)16CIE色度图2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)172024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)18CIE色度图有多种用途。欲获得一种光谱色的补色，只需从这一点通过C点作一条直线，求出其与对側光谱轨迹的交点，即可求得补色波长,如上图中C1的补色为C2，或者说C1和C2互为补色。两种补色按一定比例相加得白色。求一种颜色的主波长时，只要连接颜色所在位置与C点的直线，直线与位于颜色同侧的光谱轨迹线交点即为主波长，如下图中C3的主波长为C4。但如果交点在紫色线上，则主波长应是位于颜色反侧的光谱轨迹线交点，如图8.27中C5同C点相连同侧的交点为C6，在紫色线上，因此C5的主波长为反侧的C7。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)19用CIE色度图确定补色、主波长和纯度2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)20

单纯色或全饱和色位于光谱轨迹上，其色纯度为100%，而C点色纯度为0%。任一中间颜色的色纯度即等于C点与它之间距离除以C点至光谱轨迹线或紫色线之间的距离。例如上图中C3颜色的色纯约等于25%，而C4颜色的色纯为100%，色纯度用百分数表示。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)218.9.5常用颜色模型（Commonlyusedcolormodel）1.RGB颜色模型

国际照明委员会选择红色（波长

=700.00nm)、绿色（波长

=546.1nm)、蓝色（波长

=435.8nm)三种单色光作为表色系统的三基色，这就是CIE的RGB(Red,Green,Blue)颜色表示系统。我们通常使用的彩色光栅显示器采用的就是RGB颜色模型系统。

RGB颜色模型是相加混色，称为加色系统。如下图所示。白光可以由RGB三种基本色相加得到。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)22RGB加色系统2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)23

产生1lm(流明)的白光所需要的三基色近似值可以用下面的亮度方程来表示：

1lm(白光)﹦0.30lm(红)﹢0.59lm(绿)﹢0.11lm(蓝)即产生白光时，三基色的比例关系是不等的，这给实际使用带来一些不方便。

为了克服这一缺点，使用了三基色单位制，即所谓的T单位制。在使用T单位制时，其方程可以改写如下：

1lm(白光)﹦1T(红)﹢1T(绿)﹢1T(蓝)即1T单位红光=0.30lm，1T单位绿光=0.59lm，1T单位蓝光=0.11lm，这也是T单位与流明数的关系。由不同的RGB分量相加就可以产生其他的颜色，即：

C﹦rR﹢gG﹢bB式中C为混合色，r,g,b为匹配时使用T单位制，所需要RGB三基色的量值，r,g,b的取值范围在0～1之间。然而，仍然有不少颜色无法用RGB表示出。下图中三角部分标出了RGB颜色模型系统所能表示的颜色区域。2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)24RGB颜色范围2024年3月21日数字图象处理演示稿纪玉波制作(C)252.CMY颜色模型

以品红、青、黄