第8章真實(shí)感圖形生成技術(shù)2教材

2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)18.9顏色模型（Colormodel）真實(shí)感圖形的生成同顏色有著密切關(guān)系。顏色的機(jī)理十分復(fù)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（Thecharacteristicsoflight）光是一種電磁波。在電磁波譜中，可見光僅占很窄的一個(gè)波譜范圍。其波長(zhǎng)在0.38～0.76

m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(lán)、青、綠、黃、橙、紅，如圖(b)所示。太陽(yáng)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(dāng)白色光投射到一個(gè)物體上時(shí)，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(shí)，我們可以說光主要含有光譜中紅色端的頻率。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)22024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)32024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)42024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)5

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(shí)，我們的眼睛對(duì)顏色（或主頻率）和另外兩個(gè)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(gè)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(zhǎng)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：

2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)6γ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(shí)際上大大延伸了人類視覺器官的功能，擴(kuò)大了人類認(rèn)識(shí)客觀世界的能力。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)78.9.2視覺系統(tǒng)（Visionsystem）

眼睛中的光接受器主要是視網(wǎng)膜中的視覺細(xì)胞。有兩種類型的視覺細(xì)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(zhǎng)的作用，因此對(duì)顏色非常敏感。每個(gè)眼睛的錐狀體大約有700萬(wàn)個(gè)。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(wàn)個(gè)。當(dāng)眼睛接受到的光包含所有可見光信號(hào)，且其強(qiáng)度大體相近時(shí)，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(duì)應(yīng)不同程度的灰色。為了表示方便，光強(qiáng)度可以規(guī)一化到0～1之間，0對(duì)應(yīng)黑色，1對(duì)應(yīng)白色，中間值對(duì)應(yīng)灰色。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)8

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(duì)光的感覺稱為光覺，對(duì)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(dá)到10以上。但人的眼睛并不能同時(shí)對(duì)這樣大范圍的明亮程度都作出反應(yīng)。某一時(shí)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(shí)，在圖形的色度一樣，但背景顏色不一樣時(shí)，感覺到的圖象的色度也不一樣。這種現(xiàn)象叫做對(duì)比現(xiàn)象。對(duì)比現(xiàn)象包括亮度對(duì)比和顏色對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明，在背景亮度比目標(biāo)亮度低的場(chǎng)合，感覺目標(biāo)有一定亮度。當(dāng)背景亮度比目標(biāo)亮?xí)r，看到的目標(biāo)就有亮的多的感覺。同時(shí)，對(duì)比效果在背景大的場(chǎng)合比較顯著。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)98.9.3顏色（Color）

白光通過棱鏡，就會(huì)折射出顏色的光譜。一般可以分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫七色。可見光譜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(wàn)種顏色，從一種顏色轉(zhuǎn)換成另一種顏色實(shí)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?yàn)槿搜塾邪讯喾N顏色相混合的能力。在心理生物學(xué)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(qiáng)度值。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)10

在心理物理學(xué)上，與色彩、色飽和度和明度相對(duì)應(yīng)的是主波長(zhǎng)、色純和亮度。在可見光譜上，單一波長(zhǎng)的電磁能所產(chǎn)生的顏色是單色的。光的顏色由其主波長(zhǎng)決定，而色純則由單色光中摻入的白光量的相對(duì)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(qiáng)。純的單色光在實(shí)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(gè)像素都是由紅、綠、藍(lán)三種熒光點(diǎn)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(jì)的。三刺激理論基于這樣一個(gè)假設(shè)：人類眼睛視網(wǎng)膜中的錐狀視覺細(xì)胞，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)三種光最敏感。實(shí)驗(yàn)表明：

對(duì)藍(lán)色敏感的細(xì)胞對(duì)波長(zhǎng)為440nm左右的光最敏感；對(duì)綠色敏感的細(xì)胞對(duì)波長(zhǎng)為545nm左右的光最敏感；對(duì)紅色敏感的細(xì)胞對(duì)波長(zhǎng)為580nm左右的光最敏感。實(shí)驗(yàn)還顯示，人類眼睛對(duì)藍(lán)光的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)紅光和綠光的靈敏度。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)118.9.4CIE色度圖（CIEchromaticitydiagram）

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(bǔ)色。紅色和青色，綠色和品紅，以及藍(lán)色和黃色都是互補(bǔ)色。適當(dāng)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(shí)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(duì)多數(shù)應(yīng)用來說是足夠的。通常采用紅、綠、藍(lán)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(lán)色的量。從曲線圖中可知，500nm波長(zhǎng)附近的顏色只能從藍(lán)光和綠光混合相加所得的光中再加負(fù)紅光才能得到。但實(shí)際上不存在負(fù)的光強(qiáng)，因此，RGB彩色監(jiān)視器不能顯示500nm波長(zhǎng)左右的顏色。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)12顏色匹配所需的RGB基色量2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)13

在實(shí)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(duì)多數(shù)應(yīng)用來說是足夠的。通常采用紅、綠、藍(lán)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(lán)色的量。從曲線圖中可知，500nm波長(zhǎng)附近的顏色只能從藍(lán)光和綠光混合相加所得的光中再加負(fù)紅光才能得到。但實(shí)際上不存在負(fù)的光強(qiáng)，因此，RGB彩色監(jiān)視器不能顯示500nm波長(zhǎng)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(guó)際照明委員會(huì)（CIE）在1931年定義了三種標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而且使用CIE基色避免了顏色的負(fù)值匹配。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)14顏色匹配所需的XYZ基色量2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)15CIE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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(duì)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(duì)Y的比例來確定。下圖為國(guó)際照明委員會(huì)給出的CIE色度圖，其圖形輪廓線代表所有可見光波長(zhǎng)的軌跡，線上數(shù)字標(biāo)明該位置可見光的波長(zhǎng)。紅色位于圖的右下角，綠色在圖頂端，藍(lán)色在圖左下角，連接光譜軌跡兩端點(diǎn)的直線稱為紫色線，它并不屬于光譜。內(nèi)部的點(diǎn)表示所有可能的可見顏色的組合，中間的C點(diǎn)對(duì)應(yīng)于亮白色位置，它用作平均日光的近似標(biāo)準(zhǔn)。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。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)16CIE色度圖2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)172024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)18CIE色度圖有多種用途。欲獲得一種光譜色的補(bǔ)色，只需從這一點(diǎn)通過C點(diǎn)作一條直線，求出其與對(duì)側(cè)光譜軌跡的交點(diǎn)，即可求得補(bǔ)色波長(zhǎng),如上圖中C1的補(bǔ)色為C2，或者說C1和C2互為補(bǔ)色。兩種補(bǔ)色按一定比例相加得白色。求一種顏色的主波長(zhǎng)時(shí)，只要連接顏色所在位置與C點(diǎn)的直線，直線與位于顏色同側(cè)的光譜軌跡線交點(diǎn)即為主波長(zhǎng)，如下圖中C3的主波長(zhǎng)為C4。但如果交點(diǎn)在紫色線上，則主波長(zhǎng)應(yīng)是位于顏色反側(cè)的光譜軌跡線交點(diǎn)，如圖8.27中C5同C點(diǎn)相連同側(cè)的交點(diǎn)為C6，在紫色線上，因此C5的主波長(zhǎng)為反側(cè)的C7。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)19用CIE色度圖確定補(bǔ)色、主波長(zhǎng)和純度2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)20

單純色或全飽和色位于光譜軌跡上，其色純度為100%，而C點(diǎn)色純度為0%。任一中間顏色的色純度即等于C點(diǎn)與它之間距離除以C點(diǎn)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?jǐn)?shù)表示。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)218.9.5常用顏色模型（Commonlyusedcolormodel）1.RGB顏色模型

國(guó)際照明委員會(huì)選擇紅色（波長(zhǎng)

=700.00nm)、綠色（波長(zhǎng)

=546.1nm)、藍(lán)色（波長(zhǎng)

=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。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)22RGB加色系統(tǒng)2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)23

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(lán))即產(chǎn)生白光時(shí)，三基色的比例關(guān)系是不等的，這給實(shí)際使用帶來一些不方便。

為了克服這一缺點(diǎn)，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(shí)，其方程可以改寫如下：

1lm(白光)﹦1T(紅)﹢1T(綠)﹢1T(藍(lán))即1T單位紅光=0.30lm，1T單位綠光=0.59lm，1T單位藍(lán)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(shí)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(biāo)出了RGB顏色模型系統(tǒng)所能表示的顏色區(qū)域。2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)24RGB顏色范圍2024年3月21日數(shù)字圖象處理演示稿紀(jì)玉波制作(C)252.CMY顏色模型

以品紅、青、黃