顏色的機理十分復雜,它既是一種物理現(xiàn)象,也是一種生理

8.9顏色模型真實感圖形的生成同顏色有著密切關(guān)系。顏色的機理十分復雜，它既是一種物理現(xiàn)象，也是一種生理和心理現(xiàn)象。本節(jié)介紹一些顏色的基本概念。8.9.1光的特性光是一種電磁波。在電磁波譜中，可見光僅占很窄的一個波譜范圍。其波長在0.38～0.76m之間。下圖(a)示出電磁波譜的大致劃分?？梢姽獾牡皖l率端是紅色，高頻率段是紫色。從高頻到低頻的光譜顏色的變化分別是紫、藍、青、綠、黃、橙、紅，如圖(b)所示。太陽或燈泡等光源發(fā)射可見光譜中的全部頻率而產(chǎn)生白色光。當白色光投射到一個物體上時，某些頻率被反射，某些則被物體吸收了。在反射光中混合的頻率確定了我們所感受到的物體的顏色。如果在反射光中以低頻率為主，則物體呈現(xiàn)紅色，此時，我們可以說光主要含有光譜中紅色端的頻率。1/15/20231數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)1/15/20232數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)除了頻率以外，描述光的各種性質(zhì)還需要另一些特征。在觀察光源時，我們的眼睛對顏色（或主頻率）和另外兩個基本的感覺作出反應(yīng)。其中之一是亮度,即感受到的光明度。第二個感受的特征是光的純度或飽和度。這三種特征：主頻率、明度和純度通常用來描述光源的不同性質(zhì)。通常用色度說明純度和主頻率這兩種顏色特征。

另外，人的眼睛只能看到可見光部分，但就目前科技水平看，能夠成像的并不僅僅是可見光。一般來說可見光的波長為0.38～0.76μm，而迄今為止人類發(fā)現(xiàn)可成像的射線已有多種，如：

1/15/20233數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)

γ射線：0.003～0.03nm；X射線：0.03～3nm；

紫外線：3～300nm；

紅外線：0.8～300μm；

微波：0.3～100cm。

這些射線均可以成像。利用圖像處理技術(shù)把這些不可見射線所成圖像加以處理并轉(zhuǎn)換成可見圖像，實際上大大延伸了人類視覺器官的功能，擴大了人類認識客觀世界的能力。1/15/20234數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)8.9.2視覺系統(tǒng)眼睛中的光接受器主要是視網(wǎng)膜中的視覺細胞。有兩種類型的視覺細胞，分別稱為錐狀體和桿狀體。錐狀體只有在光線明亮的情況下才起作用，它具有辨別光波波長的作用，因此對顏色非常敏感。每個眼睛的錐狀體大約有700萬個。桿狀體比錐狀體的靈敏度高，在較暗的光線下就能起作用，但是它沒有辨別顏色的能力，又叫夜視覺，所以黑暗中看到的東西沒有顏色，其數(shù)量大約有1億三千萬個。當眼睛接受到的光包含所有可見光信號，且其強度大體相近時，人們感覺到的是沒有顏色的白光。在光源為白光的照射下，若物體能反射80%以上的入射光，則看上去是白色的。若反射光小于3%，物體看上去是黑色的，中間值對應(yīng)不同程度的灰色。為了表示方便，光強度可以規(guī)一化到0～1之間，0對應(yīng)黑色，1對應(yīng)白色，中間值對應(yīng)灰色。1/15/20235數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)光能本身是無顏色的，顏色是人們眼睛感知光后產(chǎn)生的生理和心理現(xiàn)象。眼睛對光的感覺稱為光覺，對顏色的感覺稱為色覺，這是眼睛的基本特性。光覺的門限值大約為1×10cd/m(尼特），人眼感覺光的范圍的最大值和最小值之比達到10以上。但人的眼睛并不能同時對這樣大范圍的明亮程度都作出反應(yīng)。某一時刻眼睛只能感知很小范圍的明亮度。一般情況下，在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感覺到的明暗程度也不同，例如白天我們看不見星星，而夜晚卻能看到。同樣，在觀察顏色時，在圖形的色度一樣，但背景顏色不一樣時，感覺到的圖象的色度也不一樣。這種現(xiàn)象叫做對比現(xiàn)象。對比現(xiàn)象包括亮度對比和顏色對比。實驗表明，在背景亮度比目標亮度低的場合，感覺目標有一定亮度。當背景亮度比目標亮時，看到的目標就有亮的多的感覺。同時，對比效果在背景大的場合比較顯著。1/15/20236數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)8.9.3顏色白光通過棱鏡，就會折射出顏色的光譜。一般可以分解成紅、橙、黃、綠、藍、青、紫七色?？梢姽庾V的每部分都有它自己唯一的值，它被稱之為顏色，理論上可以選擇幾百萬種顏色，從一種顏色轉(zhuǎn)換成另一種顏色實際上很難區(qū)別?？梢姽庾V可以由多種顏色構(gòu)成，但是人們一般只看到一種顏色，它是多種顏色混合后結(jié)果。因為人眼有把多種顏色相混合的能力。在心理生物學上，顏色由其色彩、色飽和度和明度決定。顧名思義，色彩即顏色的“色彩”，它是某種顏色據(jù)以定義的名稱。色飽和度是單色光中摻入白光的度量，單色光的色飽和度為100%，白光加入后，其色飽和度下降，非彩色光的色飽和度為0%，明度為光的強度值。1/15/20237數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)在心理物理學上，與色彩、色飽和度和明度相對應(yīng)的是主波長、色純和亮度。在可見光譜上，單一波長的電磁能所產(chǎn)生的顏色是單色的。光的顏色由其主波長決定，而色純則由單色光中摻入的白光量的相對大小決定。亮度與光的能量成比例，它是單位面積上所接受的光強。純的單色光在實際生活中是少見的，人們所看到的顏色都是混合色。彩色圖形顯示器（CRT）上每個像素都是由紅、綠、藍三種熒光點組成，這是以人類視覺顏色感知的三刺激理論為基礎(chǔ)設(shè)計的。三刺激理論基于這樣一個假設(shè)：人類眼睛視網(wǎng)膜中的錐狀視覺細胞，分別對紅、綠、藍三種光最敏感。實驗表明，對藍色敏感的細胞對波長為440nm左右的光最敏感；對綠色敏感的細胞對波長為545nm左右的光最敏感；對紅色敏感的細胞對波長為580nm左右的光最敏感。實驗還顯示，人類眼睛對藍光的靈敏度遠遠低于對紅光和綠光的靈敏度。1/15/20238數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)8.9.4CIE色度圖兩種不同的顏色可以混合生成另一種顏色。如果兩種顏色混合成白色光，它們就被稱為互補色。紅色和青色，綠色和品紅，以及藍色和黃色都是互補色。適當選擇兩種或多種初始顏色，可以形成許多其它顏色。用來生成其它顏色的初始顏色稱為基色。在實際的基本顏色中，沒有哪一組集合能組合生成所有可見的顏色。然而，三種基色對多數(shù)應(yīng)用來說是足夠的。通常采用紅、綠、藍作為三種基色，即RGB加色系統(tǒng)。下圖示出用來生成任何一種光譜顏色的紅、綠、藍色的量。從曲線圖中可知，500nm波長附近的顏色只能從藍光和綠光混合相加所得的光中再加負紅光才能得到。但實際上不存在負的光強，因此，RGB彩色監(jiān)視器不能顯示500nm波長左右的顏色。1/15/20239數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)顏色匹配所需的RGB基色量1/15/202310數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)在實際的基本顏色中，沒有哪一組集合能組合生成所有可見的顏色。然而，三種基色對多數(shù)應(yīng)用來說是足夠的。通常采用紅、綠、藍作為三種基色，即RGB加色系統(tǒng)。上圖示出用來生成任何一種光譜顏色的紅、綠、藍色的量。從曲線圖中可知，500nm波長附近的顏色只能從藍光和綠光混合相加所得的光中再加負紅光才能得到。但實際上不存在負的光強，因此，RGB彩色監(jiān)視器不能顯示500nm波長左右的顏色。由于沒有哪一組彩色光源可用來組合顯示所有可能的顏色，國際照明委員會（CIE）在1931年定義了三種標準基色X,Y,Z。這三種基色是想像的顏色。定義這三基色的同時還定義了一組彩色匹配函數(shù)，如下圖所示。圖中曲線不是代表基色的光譜，而是用來代表匹配各種可見色光所需的每一種基色的量。這就給出了定義各種顏色的國際標準，而且使用CIE基色避免了顏色的負值匹配。1/15/202311數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)顏色匹配所需的XYZ基色量1/15/202312數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)CIE規(guī)定三基色為XYZ,任何一種顏色C可以表示成:

C﹦XX﹢YY﹢ZZ

其中，X,Y,Z是為匹配顏色C所需標準基色的量。如果只考慮顏色的色彩和純度，那么可以將式(8-42)中的亮度規(guī)范化，即作如下計算：

x﹦X/(X﹢Y﹢Z)，y﹦Y/(X﹢Y﹢Z)，x﹦Z/(X﹢Y﹢Z)這里，x﹢y﹢z=1。因此，任何一種顏色可僅用x和y表示出來。由于x和y僅依賴于色彩和純度，所以稱為色度值。色度值表示生成一種顏色所需X,Y,Z三基色的相對量，但不表示顏色的亮度，亮度由Y表示，X和Z可根據(jù)它們對Y的比例來確定。下圖為國際照明委員會給出的CIE色度圖，其圖形輪廓線代表所有可見光波長的軌跡，線上數(shù)字標明該位置可見光的波長。紅色位于圖的右下角，綠色在圖頂端，藍色在圖左下角，連接光譜軌跡兩端點的直線稱為紫色線，它并不屬于光譜。內(nèi)部的點表示所有可能的可見顏色的組合，中間的C點對應(yīng)于亮白色位置，它用作平均日光的近似標準。由于規(guī)范化，色度圖中沒有亮度值,具有同一色度但不同亮度的顏色位置相同。1/15/202313數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)CIE色度圖1/15/202314數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)

CIE色度圖有多種用途。欲獲得一種光譜色的補色，只需從這一點通過C點作一條直線，求出其與對側(cè)光譜軌跡的交點，即可求得補色波長,如上圖中C1的補色為C2，或者說C1和C2互為補色。兩種補色按一定比例相加得白色。求一種顏色的主波長時，只要連接顏色所在位置與C點的直線，直線與位于顏色同側(cè)的光譜軌跡線交點即為主波長，如下圖中C3的主波長為C4。但如果交點在紫色線上，則主波長應(yīng)是位于顏色反側(cè)的光譜軌跡線交點，如圖8.27中C5同C點相連同側(cè)的交點為C6，在紫色線上，因此C5的主波長為反側(cè)的C7。1/15/202315數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)用CIE色度圖確定補色、主波長和純度1/15/202316數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)單純色或全飽和色位于光譜軌跡上，其色純度為100%，而C點色純度為O%。任一中間顏色的色純度即等于C點與它之間距離除以C點至光譜軌跡線或紫色線之間的距離。例如上圖中C3顏色的色純約等于25%，而C4顏色的色純?yōu)?00%，色純度用百分數(shù)表示。1/15/202317數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)8.9.5常用顏色模型1.RGB顏色模型

國際照明委員會選擇紅色（波長=700.00nm)、綠色（波長=546.1nm)、藍色（波長=435.8nm)三種單色光作為表色系統(tǒng)的三基色，這就是CIE的RGB(Red,Green,Blue)顏色表示系統(tǒng)。我們通常使用的彩色光柵顯示器采用的就是RGB顏色模型系統(tǒng)。

RGB顏色模型是相加混色，稱為加色系統(tǒng)。如下圖所示。白光可以由RGB三種基本色相加得到。產(chǎn)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來表示：1lm(白光)﹦0.30lm(紅)﹢0.59lm(綠)﹢0.11lm(藍)即產(chǎn)生白光時，三基色的比例關(guān)系是不等的，這給實際使用帶來一些不方便。1/15/202318數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)RGB加色系統(tǒng)1/15/202319數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)為了克服這一缺點，使用了三基色單位制，即所謂的T單位制。在使用T單位制時，其方程可以改寫如下：1lm(白光)﹦1T(紅)﹢1T(綠)﹢1T(藍)即1T單位紅光=0.30lm，1T單位綠光=0.59lm，1T單位藍光=0.11lm，這也是T單位與流明數(shù)的關(guān)系。由不同的RGB分量相加就可以產(chǎn)生其他的顏色，即：

C﹦rR﹢gG﹢bB式中C為混合色，r,g,b為匹配時使用T單位制，所需要RGB三基色的量值，r,g,b的取值范圍在0～1之間。然而，仍然有不少顏色無法用RGB表示出。下圖中三角部分標出了RGB顏色模型系統(tǒng)所能表示的顏色區(qū)域。1/15/202320數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)RGB顏色范圍1/15/202321數(shù)字圖象處理演示稿紀玉波制作(C)2.CMY顏色模型以品紅、青、黃(Cyan,Magenta,Yellow)作為三基色所構(gòu)成的顏色模型也是一種常用的顏色表示系統(tǒng)。它是一種減色系統(tǒng)。CMY減