计算机图形学-颜色模型

6.5 颜色模型要生成高度真实感的图形，就要对颜色进行讨论。n6.5.1 基本概念n6.5.2 CIE色度图n6.5.3 常用的颜色模型19:386.5.1 基本概念n颜色与视觉颜色：物体将光源投射光反射到人的眼睛中的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。确定物体的颜色的因素：物体本身（吸收、反射性质）、光源（发出光的性质）、周围环境的颜色、视觉系统差异（如色盲、色弱）。5/24/2024n颜色特性从视觉的角度出发，颜色有如下三个特性：色彩（Hue）,饱和度（Saturation）和亮度（Lightness）。色彩：是一种颜色区别于其他颜色的因素：红、绿、蓝、紫等；饱和度：是指颜色的纯度，鲜红色的饱和度高，而粉红色的饱和度低；亮度：就是光的强度，是光给人的刺激的强度。5/24/2024n颜色特性从光学的量化角度出发，颜色有如下三个特性：主波长，纯度和辉度。主波长：所见颜色光的波长，对应于色彩；纯度：是指颜色的纯度，对应于饱和度；辉度：就是颜色的亮度。5/24/2024n颜色特性从物理学角度出发，光是波长为350m至780 m电磁波，被我们的视觉系统感知为颜色。光的光谱能量分布不同，感知到的颜色可能不同如果光谱分布不同，而看上去相同的两种颜色称为条件等色。5/24/2024n光的属性光的属性光（可见光）：人的视觉系统能感受到的电磁波，波长范围350m780 m光谱能量分布白光5/24/2024n可见光频率范围：可见光频率范围：红 橙 黄 绿 兰 紫 4.3X1014Hz-7.5X10145/24/2024n能量分布能量分布能量频率红紫白色光某主频光纯度 依赖于Ed与Ew差别Ew=0 纯度100%Ed=Ew 纯度0EwEd红紫5/24/2024n光的特征光的特征主波长（Dominant Wavelength），纯度（Purity）和辉度（Luminance）。主波长是产生颜色光的波长，对应于视觉感知的色调；光的纯度对应于饱和度，辉度就是光的亮度。5/24/2024n彩色光n单色光5/24/20246.5.2 CIE色度图n1862年，Helmhotz 三色学说，也称为三刺激理论。到现在，用三种原色能够产生各种颜色的三色原理已经成为当今颜色科学中最重要的原理和学说。n三原色（三基色）三原色（三基色）三维颜色空间的一组基三原色的条件n用适当比例的这三种颜色，可以获得白色n用这三种颜色中的任意两种的组合都不能得到第三种颜色n用适当比例的这三种颜色，可生成其他任何颜色三基色的例子：红、绿、蓝三基色5/24/2024n来自生物学的证据来自生物学的证据视网膜中存在三种锥状细胞，分别对红、绿、兰三基色敏感n三色学说:视网膜中存在着三种椎体细胞，包含不同的色素，对光的吸收和反射特性不同，对于不同的光就有不同的颜色感觉。5/24/2024n第一种椎体细胞:感受红光的红胞，n第二和第三种椎体细胞则分别感受绿光和蓝光。n它们三者共同作用，使人产生了不同的颜色感觉。例如，当黄光刺激眼睛时，将会引起红、绿两种椎体细胞几乎相同的反应，而只引起蓝细胞很小的反应，这三种不同椎体细胞的不同程度的兴奋程度的结果产生了黄色的感觉，这正如颜色混合时，等量的红和绿加上极小量的蓝可以复现黄色是相同。n互补色互补色 A+B=白色，则A、B互补 红青、绿品红、兰黄5/24/2024n颜色匹配曲线颜色匹配曲线400500600700(m)RGB量fRfBfG500 m颜色=G+B-R 无法获得RGB彩色监视器弱点 缺500 m左右的颜色红绿蓝三原色系统只能表示整个光谱的一个子集1.我们希望用混合匹配光谱中的每一种颜色2.实验测试的匹配比例图3.希望找到三种标准原色X，Y，Z用于颜色配色5/24/2024nXYZXYZ颜色模型颜色模型CIE(国际照明委员会)基色为了避免颜色匹配系统RGB非负，取三基色XYZ所有的可见光对应的颜色在XZY坐标系中组成了一个锥体x,y,z 色彩量 x+y+z=1fzfyfx 5/24/2024n对于空间直线OQ上的点，X、Y、Z三分量比例相同，表示色彩相同、亮度有差异的颜色n色度坐标：是原点与（X，Y，Z）构成的空间的直线OQ与平面X+Y+Z=1的交点，投影到XY平面上，得到CIE-XYZ色度图。5/24/2024XY0.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.10.20.30.40.50.60.80.7.400(紫)480500700(红)600520540560580(蓝)(紫红)(黄)(绿)(青).CO图中每一点是单色光的主波长标准白光，接近但不等于x=y=z=1/35/24/2024XYc1c2c3c4c5n如果选C1、C2作为二基色，连线C1C2线上点所代表的颜色均可有适量的C1、C2混合而得n三基色颜色合成处理：三角形三点作三基色合成三角形中的颜色 没有一个三角形能包含所有颜色-没有一个三基色组能通过加色混合生成所有颜色5/24/2024n互补色：C1、C2混合得白色C,C1,C2在c两边n主波长 C C1 Cs (不适用C与紫色之间C C2 p)n纯度 dc1/dcs (|c1c|/|csc|)cs处纯度100%XYc1cc2Yc1cpc2ccscsp 紫色X5/24/20246.5.3 常用的颜色模型n颜色模型三维颜色空间的子集n面向硬件的颜色模型RGB模型CMY模型（Cyan青、Magenta品红、Yellow黄）YIQ模型（Y：亮度，I、Q：色差）n面向用户的颜色模型HSV模型（H(Hue)色彩，S(Saturation)饱和度，V(Value)明度）5/24/2024RGB颜色模型n三刺激理论630m(红)530 m(绿)450 m（兰）对视网膜锥状细胞刺激最强nC入=rR+gG+bBnRGB立方体n应用：彩色CRTn加色模型RGB品红(1,0,1)黄红绿(0,1,0)黑(0,0,0)青(0,1,1)白(1,1,1)蓝(0,0,1)(1,0,0)(1,1,0)5/24/2024n显示彩色图象用RGB相加混色模型颜色R(红色的百分比)G(绿色的百分比)B(蓝色的百分比)5/24/2024CMY颜色模型n三基色：Cyan（青）、Magenta（品红）、Yellow（黄）n应用：硬拷贝设备n减色系统n转换CM绿(1,0,1)蓝品红(0,1,0)白(0,0,0)红(0,1,1)黑(1,1,1)黄(0,0,1)青(1,0,0)(1,1,0)YCMY111RGB=-白色5/24/2024n打印彩色图象用CMY相减混色模型5/24/2024YIQ颜色模型（NTSC）nY：亮度，I、Q：色差n应用：电视传播系统n为什么采用YIQ模型？向后兼容黑白电视节约带宽电电视视台台RGB信号EncoderYIQ信号家家庭庭RGB信号DecoderYIQ信号5/24/2024nYIQ模型与RGB模型的关系？YIQ=0.299 0.587 0.1440.596 -0.275 -0.3210.212 -0.528 0.311RGBRGB=1.000 0.956 0.6201.000 -0.272 -0.6471.000 -1.108 1.705YIQ5/24/2024HSV颜色模型n光谱色+白(黑色)=所需颜色nH(Hue)：色彩，S(Saturation)：饱和度，V(Value)：明度n应用：用户调色板n与RGB立方关系：RGB和CMY颜色模型都是面向硬件的，相比较而言，HSV(Hue,Saturation,Value)颜色模型是面向用户的，该模型对应于圆柱坐标系的一个圆锥形子集 5/24/20245/24/20245/24/2024HLS颜色模型n色彩(H)亮度(L)色饱和度(S)品红绿黄红青蓝白 L=1黑 L=0L=0.5H色彩角饱和度灰度5/24/20245/24/2024