顏色模型和顏色應用PPT課件

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顏色模型和顏色應用1

1顏色的基本概念要生成具有高度真實感的圖形，就必須考慮被顯示物體的顏色。對顏色的研究非常復雜，涉及到物理學、心理學、美學等領域。描述顏色最簡單的方法是用顏色名詞,給每種顏色一個固定的名稱，并冠以適當?shù)男稳菰~，如大紅、血紅、鐵銹紅、淺黃、檸檬黃等等。于是人們可以用顏色名詞來交流色知覺信息。但是這種方式不能定量表示色知覺量。在計算機圖形學中，我們需要對顏色進行定量的討論。2

2物體的顏色與物體本身，光源，周圍環(huán)境的顏色，以及觀察者的視覺系統(tǒng)都有關系。有些物體（如粉筆、紙張）只反射光線，另外有些物體（如玻璃、水）既反射光，又透射光，而且不同的物體反射和透射光的程度也不同。一個只反射純紅色的物體用純綠色照明時，呈黑色。類似地，從一塊只透紅光的玻璃后面觀察一道藍光，也是呈黑色。正常人可以看到彩色，全色盲患者則只能看到黑、白、灰色。3

3光的特性從物理學知識我們知道，光在本質上是電磁波，波長為400至700nm。這些電磁波被我們視覺系統(tǒng)感知為紫、藍、青、綠、黃、橙、紅等顏色（按高頻到低頻的順序）。4

4顏色三要素按照1854年發(fā)表的格拉斯曼(H.Grassmann)定律，從視覺的角度，顏色包含三個要素：色調(diào)（hue）、飽和度(saturation)和亮度(lightness)。色調(diào)也稱色彩，就是我們通常所說的紅、藍、紫等，是使一種顏色區(qū)別于另一種顏色的要素。飽和度就是顏色的純度（purity)。在某種顏色中添加白色相當于減少該顏色的飽和度。例如，鮮紅色的飽和度高，而粉紅色的飽和度低。亮度也叫明度，就是光的強度。5

5這三個要素在光學中也有對應的術語：主波長（dominantwavelength）主波長是我們觀察光線所見顏色光的波長，對應于視覺所感知的色調(diào)。（或叫主頻率）純度(purity)光的純度對應于顏色的飽和度。輝度就是顏色的亮度。一種顏色光的純度是定義該顏色光的（主波長的）純色光與白色光的比例。輝度(luminance)。每一種純色光都是百分之百飽和的，因而不包含白色光。6

6顏色的生成太陽或燈泡等光源發(fā)射可見波段的全部頻率而產(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。則我們說光主要含有光譜中紅色端的頻率。7

7用光譜能量分布圖來表征光源特性，如圖：橫坐標為波長，縱坐標表示各個波長的光在光源中所含的能量值。圖：某種顏色光的光譜能量分布8

8當觀察由兩個或多個光源混合的光時，我們看到由這幾種光源共同確定的特征。兩種不同顏色的光源在合適的強度組合下可以生成另一種顏色?；パa色：若兩種彩色光源混合成白色光。9

9適當?shù)剡x擇兩種或多種基本顏色（一般取主頻率顏色），可以形成許多其他顏色，當使用三種顏色可以獲得一定范圍的顏色，稱該范圍為模型的顏色范圍（colorgamut），而用來生成其他顏色的三種顏色稱為基色／原色（primarycolor)。10

10一般地，我們稱具有如下性質的三種顏色為原色：用適當比例的這三種顏色混合，可以獲得白色，而且這三種顏色中的任意兩種的組合都不能生成第三種顏色。我們希望用三種原色的混合去匹配，從而定義可見光譜中的每一種顏色。在彩色圖形顯示器上，通常采用的紅、綠、藍三種基色，就具有以上的性質，因而是三種原色。11

11可以用紅、綠、藍三色來匹配可見光譜中的顏色，光的匹配可用式子表示為c=rR+gG+bB其中等號表示兩邊所代表的光看起來完全相同，加號表示光的疊加（當對應項的權值r,g或b為正時），c為光譜中某色光，R、G、B為紅、綠、藍三種原色光，權r、g、b表示匹配等式兩邊所需要的R、G、B三色光的相對量。若權值為負，則表示我們不可能靠疊加紅、綠、藍三原色來匹配給定光，而只能在給定光上疊加負值對應的原色，去匹配另二種原色的混合。如果要用紅、綠、藍三原色來匹配任意的可見光　，權值中將會出現(xiàn)負值。12

12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，如ＲＧＢ模型不能顯示５00nm左右的顏色。但對多數(shù)應用來說，顏色量是足夠的。由于實際上不存在負的光強，人們希望找出另外一組原色，用于替代R、G、B使得匹配時的權值都為正。13

13標準基色和色度圖1931年，國際照明委員會（簡稱CIE）規(guī)定了三種標準原色X，Y，Z，用于顏色匹配。對于可見光譜中的任何主波長的光，都可以用這三個標準原色的疊加（即正權值）來匹配。即對于可見光譜中任一種顏色c，我們可以找到一組正的權（x，y，z），使得c=xX+yY+zZ用CIE標準三原色去匹配c。14

14XYZ空間中包含所有可見光的部分形成一個錐體，也就是CIE顏色空間。由于權值均為正，整個錐體落在第一卦限。若從原點引一條任意射線穿過該錐體，則該射線上任意兩點(xyz)和(x’y’z’)間具有關系(xyz)=a(x’y’z’)(a>0)所以該射線上任意兩點（除原點外）代表的色光具有相同的主波長和純度，只是輝度不同。如果我們只考慮顏色的色調(diào)和飽和度，那么在每條射線上各取一點，就可以代表所有的可見光。習慣上，這一點取作射線與平面X+Y+Z=1的交點，把它的坐標稱為色度值。15

15我們可以通過把式中的權規(guī)格化，即下列三個式子，使得x+y+z=1，即獲得顏色c的色度值（x,y,z）x=y=z=16

16CIE色度圖所有的色度值落在錐形體與x+y+z=1平面的相交區(qū)域上。把這個區(qū)域投影到XY平面上，所得的馬蹄形區(qū)域稱為CIE色度圖。17

17馬蹄形區(qū)域的邊界和內(nèi)部代表了所有可見光的色度值（因為當x,y確定之后，z=1-x-y也隨著確定）。彎曲部分上每一點，對應光譜中某種純度為百分之百的色光。線上標明的數(shù)字為該位置所對應的色光的主波長。從最右邊的紅色開始，沿邊界逆時針前進，依次是黃、綠、青、藍、紫等顏色。圖中央一點C對應于一種用于近似太陽光的標準白光。C點接近于，但不等于x=y=z=1/3的點。18

18CIE色度圖的一個重要用途是定義顏色域（colorgamut）或稱顏色區(qū)域(colorrange)以便顯示疊加顏色的效果。如圖3所示，I和J是兩個任意的顏色。當它們用不同的比例疊加時，可以產(chǎn)生它們之間連線上的任意一種顏色。如果加入第三種顏色K，則用三種顏色的不同比例可以產(chǎn)生三角形IJK中的所有顏色。對于任意一個三角形，如果它的三個頂點全落在馬蹄形可見光區(qū)域中，則它們的混合所產(chǎn)生的顏色不可能覆蓋整個馬蹄形區(qū)域，這就是紅、綠、藍三色不能靠疊加來匹配所有可見顏色的原因。19

19色度圖主要用途色度圖主要用途：為不同基色組確定整個顏色范圍見上頁（定義顏色域）；標識互補顏色；有于兩點的顏色范圍是一條直線，一對互補色在色度圖上一定表示成位于C的相反方向且使用通過C的一直線連接的兩個點。當混合一定量的C1和C2時，我們可得到白色。確定指定顏色的主波長和純度見下頁20

20使用二基色顏色范圍的解釋來確定一種顏色的主波長。21

21對于C1，可以從C通過C1畫一條直線，并于光譜曲線相交于CS。顏色C1就可以表示成C與光譜顏色CS的混合，因此C1主波長就是CS。CSPCSC1··C2CP22

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23上述方法不使用于C與紫色線之間的顏色點。畫一條從C經(jīng)過C2的直線，可得到紫色線上一點Cp.顏色Cp并不在可見關譜中。點C2稱為非關譜顏色，它的主波長取Cp位于關譜曲線上的補色Csp。非關譜顏色是在紫-品紅范圍內(nèi)，具有從白光減去主波長（如Csp）的關譜分布。CSPCSC1··C2CP24

24直觀的顏色概念藝術家創(chuàng)作彩色畫，使用彩色顏料和黑、白顏料混合以獲得各種明暗效果、色澤和色調(diào)。黑色顏料越多就會越暗。在原色中添加白色顏料可以獲得不同的色澤，加入較多的白色可以使其更亮。色調(diào)則通過同時添加黑色和白色顏料來獲得。對于許多人來說，這些顏色概念比使用三種基色的配合敘述顏色更直觀。但是提供顏色板的圖形軟件包長使用兩種或多種模型。其一為用戶提供直觀界面，其他則用來為輸出設備描述顏色。下面介紹各種顏色模型。25

25幾種常用的顏色模型在計算機圖形學中，常使用一些通俗易懂的顏色模型。所謂顏色模型指的是某個三維顏色空間中的一個可見光子集。它包含某個顏色域的所有顏色。例如，RGB顏色模型是三維直角坐標顏色系統(tǒng)中的一個單位正方體。顏色模型的用途是在某個顏色域內(nèi)方便地指定顏色。由上節(jié)討論知，任何一個顏色域都只是可見光的子集，所以，任何一個顏色模型都無法包括所有的可見光。RGB顏色模型是大家所熟知的，除此以外，本節(jié)中我們還將討論CMY和HSV顏色模型。26

26紅、綠、藍（RGB）顏色模型通常用于彩色陰極射線管和彩色光柵圖形顯示器。它采用直角坐標系。紅、綠、藍原色是加性原色。也就是說，各個原色的光能疊加在一起產(chǎn)生復合色。如圖所示。27

27RGB顏色模型通常用如圖所示的單位立方體來表示。在正方體的主對角線上，各原色的量相等，產(chǎn)生由暗到亮的白色，即灰度。（0,0,0）為黑，（1,1,1）為白。正方體的其它六個角點分別為紅、黃、綠、青、藍和品紅。RGB模型所復蓋的顏色域取決于顯示器熒光點的顏色特性。顏色域隨顯示器上熒光點的不同而不同。如果要把在某個顯示器上的顏色域里指定的顏色轉換到另一個顯示器的顏色域中，必須以CIE顏色空間為中介進行轉換。28

28CMY顏色模型與RGB顏色模型不同，以紅、綠、藍的補色青（Cyan）、品紅（Magenta)、黃(yellow)為原色構成的CMY顏色系統(tǒng)，常用于從白光中濾去某種顏色，故稱為減性原色系統(tǒng)。CMY顏色模型對應的直角坐標系的子空間與RGB模型所對應的子空間幾乎完全相同。判別僅在于前者的原點為白，而后者的原點為黑。前者是通過從白色中減去某種顏色來定義一種顏色，而后者是通過向黑色中加入某種顏色來定義一種顏色。29

29靜電或噴墨繪圖儀、打印機、復印機等硬拷貝設備將顏色畫在紙張上時，使用的是CMY顏色系統(tǒng)。當我們在紙面上涂上青色顏料時，該紙面就不反射紅光：青色顏料從白光中濾去紅光。也就是說，青色＝白色－紅色。類似地，品紅顏料吸收綠色，黃色顏料吸收藍色。如果在紙面上涂了黃色和品紅色，則由于紙面同時吸收藍光和綠光，只能反射紅光，所以該紙面呈紅色。如果我們在紙面上涂了黃色、品紅、和青色的混合，則所有的紅、綠、藍都被吸收，故表面呈黑色。30

30使用CMY的模式打印處理過程，通過四個墨點的集合來生成顏色點，在某種程度上與RGB監(jiān)視器使用三個磷粉點的集合是一樣的。三種基色（青、品紅和黃）各使用一點，黑色也使用一點。因為青色、品紅和黃色的墨水混合通常生成深灰色而不是黑色，所以黑色單獨是一墨點。有些繪圖儀通過重疊噴上三種基色的墨水并讓它們在干之前混合起來而生成各種顏色。31

31我們可以使用一個變換矩陣來表示從RGB到CMY的轉換。也可以把CMY顏色表示轉換為RGB模型C1RM=1-GY1BR1CG=1-MB1Y32

32HSV顏色模型如上所述，RGB和CMY顏色模型是面向硬件的。比較而言，下面要介紹的HSV（hue,saturation,value）顏色模型則是面向用戶的。該模型對應于圓柱坐標系中的一個圓錐形子集，如圖所示。33

33圓錐的頂面對應于V=1，它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1三個面，所代表的顏色較亮。色彩H由繞V軸的旋轉角給定。紅色對應于角度0°，綠色對應于角度120°，藍色對應于角度240°。在HSV顏色模型中，每一種顏色和它的補色相差180°。飽和度S取值從0到1，所以圓錐頂面的半徑為１。HSV顏色模型所代表的顏色域是CIE色度圖的一個子集，這個模型中飽和度為百分之百的顏色，其純度一般小于百分之百。34

34在圓錐的頂點（即原點）處，V=0，H和S無定義，代表黑色。圓錐的頂面中心處S=0，V=1，H無定義，代表白色。從該點到原點代表亮度漸暗的灰色，即具有不同灰度的灰色。對于這些點，S=0，H的值無定義?？梢哉f，HSV模型中的V軸對應于RGB顏色空間中的主對角線。在圓錐頂面的圓周上的顏色，V=1，S=1，這種顏色是純色。顏色模型示意圖圖色濃、色深、色調(diào)之間的關系35

35HSV模型對應于畫家配色的方法。畫家用改變色濃（改變Ｓ）和色深（改變Ｖ）的方法從某種純色獲得不同色調(diào)的顏色，在一種純色中加入白色以改變色濃，加入黑色以改變色深，同時加入不同比例的白色，黑色即可獲得各種不同的色調(diào)。純色顏料對應于V=1，S=1。添加白色改變色濃，相當于減小S，即在圓錐頂面上從圓周向圓心移動。添加黑色改變色深，相當于減小V值。同時改變S、V值即可獲得不同的色調(diào)H。36

36HSV對于多數(shù)用戶是一個比較直觀的顏色模型。從指定一種純色彩開始(即指定色彩角H且讓V=S=1),可以通過將白色或黑色加入到純色彩中來描述所要的顏色。37

37許多流行的圖象處理軟件包（如AdobePhotoshop等）提供了對多種顏色模型的支持，并能夠把圖象在不同顏色模型間轉換。當然，由于不同的顏色模型的顏色空間存在差異，原來的顏色模型下的某些顏色在新的顏色模型下可能無法表達，此時，轉換所得的圖象和原圖象的顏色將不會完全相同。38

38顏色選擇及其應用一個圖形軟件包可以提供選擇顏色的各種功能。各種組合顏色可以使用滑動頭和顏色輪進行選擇。獲得一組坐標顏色的一種方法是從顏色模型的某一子空間中產(chǎn)生。如果顏色是從沿RGB或CMY立方體中任意直線段上的規(guī)則間隔中選擇，則可得到一組匹配較好的顏色。隨機選取的色彩可能導致刺眼和不柔和的顏色組合。選擇顏色組合的另一考慮是不同顏色在不同深度上的感覺。因眼睛是按頻率而注意到顏色的。藍色特別有助于放松眼睛。而紅色圖案附近顯示藍色圖案回引起眼睛的疲勞。所以一次顯示中或者包含藍色和綠色，或者包含紅色和黃色。一般，使用較少的顏色比較多顏色令人滿意。而色澤和明暗比較純色彩更柔和。對于背景，最好使用灰色或前景色的補色。39

39小結討論了光的基本特性和顏色模型的概念可見光分布在電磁頻譜中一個狹窄的頻率段中。光源使用主頻率（或色彩）、亮度和純度進行描述?；パa光源是混合后產(chǎn)生白色的兩種光源。40

40定義顏色模型的方法是，指定兩個或多個用來生成其他各種顏色的基色集。利用三基色定義的常用模型有RGB和CMY模型。視頻監(jiān)視器顯示使用RGB模型，硬拷備設備使用CMY輸出顏色。象HSV這樣的直觀顏色模型，允許通過指定色彩的值以及添加白色和黑色的量來指定顏色。41

41XYZ顏色模型和CIE色度圖由于不存在一組顏色參數(shù)的有限集來定義的顏色模型能夠描述所有可能的顏色，因此使用三個假定的顏色（稱CIE基色）來建立XYZ顏色模型。給出X和Y的標準規(guī)范值可以得到CIE色度圖，通過色彩和純度來給出任意顏色的表示。我們可以使用該色度圖來比較不同顏色模型的顏色范圍，找出給定顏色的補色及確定給定顏色的主頻率和純度。42

42選擇調(diào)和的顏色組合來產(chǎn)生彩色顯示。按某些簡單的規(guī)則進行選擇。通?？稍陬伾Ｐ偷囊粋€子空間中選擇坐標顏色。應避免顯示于主頻率距離比較遠的相鄰顏色。應將顏色限制在用色澤和明暗而不是用純色彩組成的比較少量的顏色組合中。43

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