計算機(jī)圖形與圖像

計算機(jī)圖形與圖像

計算機(jī)學(xué)院黃章進(jìn)

zhuang@

UniversityofScienceandTechnologyofChina

第七章第四節(jié)

顯示中的問題

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主要內(nèi)容UniversityofScienceandTechnologyofChina

?顏色系統(tǒng)

?y校正

?半色調(diào)和抖動

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?在實(shí)際中應(yīng)用的不同顏色系統(tǒng)

-基于不同的原色

?NTSCRGB

?CMYK

?HLS

-理論

?CIEXYZ

■傾向于把亮度與顏色（色度）信息分開

-簡化為二維情形

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人類視覺系統(tǒng)UniversityofScienceandTechnologyofChina

?可見光是電磁波譜的一部分，波長介于350

一750nm

?顏色CGQ就是介于這個范圍內(nèi)的能量分布

?在人類的視覺系統(tǒng)中，視網(wǎng)膜上有三種類

型的錐形感光細(xì)胞(視錐細(xì)胞),每種具

有自己的波譜感應(yīng)性

?從而人腦只能“看”到三種值，稱為三刺

激值(tristimulus)

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三刺激值UniversityofScienceandTechnologyofChina

?人眼三種視錐細(xì)胞的感應(yīng)曲線分別記為

SG）,S2Q）和S3（九）

■對于顏色CQ）,錐形細(xì)胞輸入的三個值為

C（x）

視神經(jīng)

視錐細(xì)胞T1,T2,T3

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三色理論UniversityofScienceandTechnologyofChina

?對于任兩種顏色,如果它們具有相同的三

刺激值，那么看起來就是一樣的

?因此顯示設(shè)備（CRT、LCD、膠卷）只需要生

成正確的三刺激值就可以匹配同一種顏色

?這可能做到嗎？不一定

-不同的系統(tǒng)具有不同的原色（不同的感應(yīng)曲線）

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問題UniversityofScienceandTechnologyofChina

?人類的感應(yīng)曲線與物理設(shè)備的感應(yīng)曲線不

同

?人類：曲線的中心在藍(lán)、綠、黃綠

?CRT:RGB

?彩色打?。篊MY或者CMYK

?那么我們匹配的是哪一種顏色呢？如果不

能匹配，那么最接近的顏色是什么呢？

顏色的表示UniversityofScienceandTechnologyofChina

■考慮顏色CQ）

?它生成三刺激值11門2，13

一力己為C=（「,T2,T3）

-假定1"1，12工》0,因?yàn)榭偸怯幸粋€我們能

感覺到的最大亮度，而且能量總是非負(fù)的

-C就是顏色立方體中的一點(diǎn)

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顏色的生成UniversityofScienceandTechnologyofChina

?考慮使用RGB原色的CRT顯示器，感應(yīng)曲

線為

2"

?三刺激值為：

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

■這個值與特定的設(shè)備有關(guān)

?如果使用另外的設(shè)備，那么就會得到不同

的值，這些值與人類視錐細(xì)胞得到的值不

一樣

?因此我們需要找到匹配的方法，以及規(guī)范

化的方法

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色度坐標(biāo)UniversityofScienceandTechnologyofChina

?對于任何的原色體系,定義色度坐標(biāo)為各

顏色分量在三原色中所占的比例

（+5+73

tT2…2+4=1

2

"T1+T2+7；0<tvt2.t3<l

色度坐標(biāo)丟失了T1+T2+T3（顏色強(qiáng)度相關(guān)）

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Maxwell三角形UniversityofScienceandTechnologyofChina

顏色立方體

T1+T2+T3=1

1

?投影到二維：色度空間(chromatidtyspace)

1

ti

可能的顏色

hI

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NTSCRGB

r+g+b=1

1

g

■1

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生成其它顏色UniversityofScienceandTechnologyofChina

?在一個系統(tǒng)中可以生成的顏色（色域，color

gamut）并不一定能在其它的系統(tǒng)中生成

?4口果我們可以生成在350—750nm之間所有的

純光譜顏色，那么通過光譜顏色的疊加就可以

生成所有其它的顏色

?在實(shí)際的系統(tǒng)（CRT,膠卷）中，不可能生成

所有的純光譜顏色

?可以通過把每個系統(tǒng)中的顏色立方體投影到（

某個系統(tǒng)的）色度空間中，從而分析可以逼近

的程度

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350nm

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CIEXYZ

?國際照明委員會(InternationalCommission

onIllumination,法語簡稱為CIE)

?CIEXYZ色彩空間是從1920年代后期W.

DavidWright(Wright1928)和JohnGuild

(Guild1931)做的一系列實(shí)驗(yàn)中得出的

■顏色的概念可以分為兩部分

一亮度(brightness)和色度(chromaticity)

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CIEXYZUniversityofScienceandTechnologyofChina

?QIEXYZ色彩空間的Y參數(shù)是顏色的明度或亮

度的測量

?顏色的色度通過兩個導(dǎo)出參數(shù)x和y來指定，它

們是三刺激值X、Y和Z規(guī)范化后留三個值中的

兩個

x

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

X=-x

Yy

y=X-hY+ZY

z=—(1-X-y)

ZYy

z=-x--+---v---+---z--=1-X—v?

-導(dǎo)出的顏色空間稱為CIExyY色彩空間

-X和Z值可以從色度值x和y與Y值計算回來

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?所有可見色度的色

域是用顏色展示的

馬蹄鐵形狀

?色域的曲線邊界叫

做光譜軌跡，對應(yīng)

于單色光

-波長單位：納米

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?大多數(shù)顏色系統(tǒng)對應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的原色

?NationalTelevisionSystemsCommittee

(NTSC,美國國家電視系統(tǒng)委員會)RGB與

CRT中熒光(phosphors)匹配

?膠卷：正片-加色系統(tǒng)(RGB)染料顏色

負(fù)片一減色系統(tǒng)(CMY)

?彩色打印行業(yè)采用CMYK(K=黑色)

-K用來生成最高深度的黑色

-例如：彩色噴墨打印機(jī)墨盒

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顏色變換UniversityofScienceandTechnologyofChina

?每個加色系統(tǒng)都是另一個加色系統(tǒng)的線性

變換

G'G

°C=（T、T2，T3）=（T'1，T'2，T,3）

R'在R'G'B，系統(tǒng)中

R

在RGB系統(tǒng)中

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RGB,CMY5CMYKUniversityofScienceandTechnologyofChina

?假設(shè)1是一種原色的最大值

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

?把CMY轉(zhuǎn)化>為d\/1丫1<

K=min(C,M,Y)

C=C-K

M'=M—K

YJ=Y-K

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顏色矩陣UniversityofScienceandTechnologyofChina

?存在3x3矩陣把顏色在一個系統(tǒng)中的表示轉(zhuǎn)換

為另一個系統(tǒng)中的表示

T

TJ1

T2

T'2=MT

3

T'3_

?傷口：從XYZ至UNTSCRGB

-在色度參考系中計算

?在XYZ中取一種顏色，通過檢查變換后的三刺

激值是否在［0,1］內(nèi)，可知該顏色是否可生成

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YIQUniversityofScienceandTechnologyofChina

■NTSC傳輸顏色

?Y表示亮度

-源于在TV信號中把亮度與色度信息分開的需要

Y0.2990.5870.114R

I0.596-0.275-0.321G

Q0.212-0.5230.311B

注意亮度顯示了對綠色的高度敏感性

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?HLS:感知顏色（色相Hue,亮度Lightness,

飽和度Saturation）

-RGB顏色空間的極坐標(biāo)表示

?色相H：色彩的基本屬性，即顏色名稱，如黃、紅

?飽和度S:色彩的純度，離主對角線的距離

?亮度L:該點(diǎn)離原點(diǎn)（黑色）的距離

B

(b)25

y校正UniversityofScienceandTechnologyofChina

?亮度定義為人眼感知到的光強(qiáng)度，

人眼對光強(qiáng)度的感知呈對數(shù)關(guān)系

-如果章望亮度看起來是等間隔遞增，

那么朦素的光強(qiáng)值應(yīng)該按指數(shù)遞增

?CRT顯示器的光強(qiáng)度I和電壓V的關(guān)

系是非線性的：I二eV?光強(qiáng)度

-對同一顏色，不同顯示器顯示的亮度

可能會不同

-利用查找表進(jìn)行y校正

?CRT不能顯示完全的黑色

-限制了對比度