1、MMTMMT第四讲、颜色度量体系及颜色空第四讲、颜色度量体系及颜色空间间YANGZHOUDAXUE物理科学与技术学院物理科学与技术学院第1节 颜色的基本概念 一颜色的物理性质一颜色的物理性质 从物理学这个角度来说，光波是一种具有一定频率范围的电磁辐射，其波长覆盖的范围很广。电磁辐射中只有一小部分能够引起眼睛的兴奋而被感觉，其波长在380nm-780nm的范围里。电磁波谱可见光谱 颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果。物体由于内部物质的不同，受光线照射后，一部分光线被吸收，其余的被反射或投射出来，成为我们所见的物体的颜色。所以，颜色既与光有密切关系，也与被光照射的物体，以及与观察者均有关。眼睛感
2、知到的颜色和光波长之间的对应关系如图所示。纯颜色通常使用光的波长来定义，用波长定义的颜色叫做光谱色(spectral colors)。人眼对颜色的感知特性：用不同波长的光进行组合时可以产生各种颜色感觉。眼睛对颜色的采样仅相对于红、绿和蓝色三种锥体细胞。这些锥体细胞采样得到的信号通过大脑产生不同颜色的感觉。国际照明委员会(CIE)用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是色调，饱和度和明度。二色调、饱和度和亮度二色调、饱和度和亮度 从人的视觉系统看，颜色可用色调（hue）、饱和度（saturation）和亮度（luminance）来描述，其中色调与光波的波长有直接关系，亮度和饱和度与光波的幅度有关。
3、人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果，这三个特性是颜色的三要素。（一）色调（色彩）色调(hue)又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。是最容易把颜色区分开的一种属性。色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫(red，orange,yellow，green，cyan，blue，indigo，violet)等术语来刻画。色调与颜色明暗无关。黑、灰、白则为无色彩。仔细分析，色调可有一千万种以上，但普通颜色专业人士可辨认出的颜色大约可达三百至四百种。色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫。在这个次序中，当人们混合相邻颜色时，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调。色
4、调在颜色圆上用圆周表示，圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度，但它们的色调不同。色调不同于我们平时所说的颜色（色度）。同样的色调，由于饱和度不同会呈现不同的颜色。（二）饱和度（鲜艳与否）饱和度(saturation)是颜色的纯洁性，可用来区别颜色艳丽的程度。当一种颜色渗入其他光（白光）成分愈多时，就说颜色愈不饱和。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色。饱和度在颜色圆上用半径表示，如图所示。沿径向方向上的不同颜色具有相同的色调和明度，但饱和度不同。（三）明度和亮度（明暗）1明度 明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个
5、极端是白色，在这两个极端之间是灰色。明度和人的感知有关，目前还无法用物理设备来测量。在许多颜色系统中，明度常用垂直轴表示，如图所示。图(b)所示的七种颜色,它们具有相同的色调和饱和度，但它们的明度不同，底部的明度最小，顶部的明度最大。2亮度 亮度表示光的强度。在CIE XYZ系统中用Y表示。由于明度很难度量，通常可以用亮度即辐射的能量来度量。不考虑亮度，由色调和饱和度共同体现颜色的色度。两种颜色的色调和饱和度一样，就是色度一样。色度一样，亮度可能不一样。第2节 CIE 颜色系统国际照明委员会（CIE）：Commission Internationale de LEclairage/Intern
6、ational Commission on IlluminationCIE模型是最早使用的颜色模型之一。它是三维模型，其中，两维定义颜色，第三维（用Y表示）定义亮度。一一CIE 1931 RGB定义：红光波长700nm 绿光波长546.1nm 蓝光波长435.8nm定义：1个红基色光R=1光瓦 1个绿基色光G=4.5907光瓦 1个蓝基色光B=0.0601光瓦1光瓦=680流明(lm)为了便于计算对白光的配色：有：111wECRGB 其中EW代表标准白光CrRgGbB配色方程：r g b的比例决定色度，一般r+g+b=1。把（r,g,b）看成三维空间中的一个点，这个空间称为颜色空间。二配色二配
7、色三基色原理：用红、绿和蓝单光谱基色可以匹配所有可见的颜色 下图表示用三基色匹配光谱色所需要的配色比例，横坐标表示光谱波长，纵坐标表示用以匹配光谱各色所需要的RGB三基色刺激值。由图知：匹配在438.1 nm和546.1 nm之间的光谱色，红色出现负值。这就意味匹配这段里的光谱色时，混合颜色需要使用补色才能匹配。如果两种色光相混合能形成白光，则这两种色光互为补色。标准光源（色度学）：以白光为标准。以色温度量。除了标准白光外，CIE还定义了多种国际标准光源。如右图：三三CIE 1931 XYZCIE 1931 XYZ 定义想象中的三种基色X，Y和Z，由CIE 1931 RGB颜色空间到XYZ颜色
8、空间的变换式为:0.4899890.3100080.200.1769620.8124000.010.0000000.0100000.99XRYGZB 这里RGB和XYZ都表示坐标的值，取值范围0-1。2.3647000.8965800.4680830.5151501.4264090.0887460.0052030.0144071.009200RXGYBZ 反变换：注意：上两式都不是配色方程！可以得到配色方程如下：2.3647000.5151500.0052030.8965801.4264090.0144070.4680830.0887461.009200XRGBYRGBZRGB 光谱色配色函数
9、图为：CIE XYZCIE XYZ性质性质 匹配光谱颜色时所有的X，Y和Z值都是正的，不需要一种负值的基色。CXXYYZZ配色方程：当X=Y=Z，合成标准白光。2)Y值表示人眼对亮度的响应!3)和RGB一样，每一种颜色都可以表示成X，Y和Z的混合。4)XYZ人为规定，与设备无关。XYZ空间配色图如右：1)所有的可见光都在锥体上。2)所有的坐标轴都不在这个实心锥体内。3)相应于没有光照的黑色位于坐标的原点。4)曲线的边界代表纯光谱色的三基色刺激值，这个边界叫做光谱轨迹(spectral locus)。5)通过原点的直线，色度（色调+饱和度）是一样的，仅亮度不同。四四CIE 1931 xyYCIE
10、 1931 xyY由于色度只与X Y Z的比例有关，可对其归一化：1XxXYZYyXYZZzXYZxyz有：其中只需要知道x,y,z中的两个就可以确定色度，选择x,y。另外，用Y表示亮度。构成xyY。1xXYyYYxyZYy反变换：xy平面：因为由x,y就可以确定色度，所以把x，y做成二维平面，用平面上的点（x0,y0）代表颜色（不能确定亮度），称为色度图。几何解释：x,y平面是XYZ空间中的X+Y+Z=1平面在Z=0平面上的投影。标准白光，单色CIE 1931 R、G、B的色度坐标是多少？0.4899890.3100080.200.1769620.8124000.010.0000000.01
11、00000.99XRYGZB 标准白光：（0.33 0.33）。五彩色电视的色度范围五彩色电视的色度范围 彩色显像管利用红绿蓝三种荧光粉发出的光作为显像基色光。不可能是CIE 1931 RGB。PAL制和NTSC制的色度范围见右图。三色坐标见P103表6-1。三角形区域表示两种制式能够表现的颜色范围。第3节 常用的颜色空间 一模拟电视颜色空间一模拟电视颜色空间1.校正所有的CRT（阴极射线管）显示设备都是非线性的，有关系：输出=(输入)若显示设备的=2.5，则在摄像设备中引入=0.5，最后我们看到的图像和真实场景有之间的=1.25，符合人眼的感觉特征。不同的电视制式，值不同。电视系统颜色空间：
12、2 2由由RGBRGB到到XYZXYZ转换的计算转换的计算问题：给出RGB和参照白光在xy色度图中的坐标，求RGB到XYZ转换 设R：（xr,yr,zr=1-xr-zr）G:（xg,yg,zg=1-xg-zg）B:（xb,yb,zb=1-xb-zb）参考白光（xn,yn,zn=1-xn-yn）?XRYGZB 求：?rrrrrra xXRYa yGZBa z思路：比例决定色度，考虑纯红色R=1,G=0,B=0,有：同理，考虑纯绿色和蓝色，有：rrggbbrrggbbrrggbba xa xa xXRYa ya ya yGZBa za za z再考虑白光，R=G=B，有：():():():r rg
13、 gb brrggb br rg gb bnnna xa xa xa ya ya ya za za zX Y Zxy z最后令求亮度Y的三个系数和为1，进而求出9个未知数。不同的RGB和白光的规定，就是不同的颜色标准！转换方程中求转换方程中求Y Y的方程最为重要，称为的方程最为重要，称为亮度方程亮度方程，如果是，如果是黑白电视，使用的就是黑白电视，使用的就是Y Y信号。信号。1rrggbba ya ya y3 3ITU-RITU-R制定的制定的BT.601BT.601标准标准 R R：（0.670.67，0.330.33）G:G:（0.210.21，0.710.71）B:B:（0.140.14
14、，0.080.08）参考白光（参考白光（0.3100630.310063，0.3161580.316158）（被称为）（被称为C C光源光源）0.6070.1740.2000.2990.5870.1140.0000.0661.116XRYGZB 有：其中，亮度方程：Y=0.299R+0.587G+0.144B ITU：国际电信联盟英文名称：International Telecommunications Union 下辖：电信标准部门（TSS，即ITUITU-T）无线电通信部门（RS，即ITUITU-R）电信发展部门（TDS，即ITUITU-D）4 4YUVYUV和和RGBRGB定义U,V(色
15、差信号)来表示颜色：U=0.493(B-Y)V=0.877(R-Y)乘两个常数是为了限制色差信号的幅度。如果结合BT.601标准0.2990.5870.1140.1470.2890.4360.6150.5150.100YRUGVB 有：PAL和SECAM电视制式采用YUV标准，但不一定采用BT.601标准5 5YIQYIQ和和RGBRGB定义I,Q信号来表示颜色：相当于对UV坐标旋转33度，I人眼为敏感，Q最不敏感，这样区分开来可以用不同的带宽来传送两个信号。如果结合BT.601标准0.2990.5870.1140.5960.2740.3220.2120.5230.311YRIGQB 有：美国
16、日本等国家采用一种变形的NTSC电视制式采用YIQ标准。cos33sin33sin33cos33QUIV 二数字电视颜色空间二数字电视颜色空间 同样是BT.601标准,定义了一种标准清晰度电视（SDTV standard definition television）颜色标准。Y仍然表示亮度，定义Cb和Cr两个颜色分量。0.2990.5870.1140.1690.331 0.5000.5000.4190.081YRCbGCrB 1.YCbCr1.YCbCr10.0001.40310.3340.71411.7730.000RYGCbBCr 反变换：如果RGB的信号用0-255间的整数来表示，Y的数
17、值范围16，235，Cb，Cr的数值范围16，240上式变为：65.738 129.05725.06416137.94574.494 112.439128256112.43994.15418.285128YRCbGCrB 既然是数字信号，就必须要结合字节来讨论取值范围。上式中RGB的取值范围为0-1（或0-256），可得Y的取值范围为0-1（或0-256），Cb和Cr的取值范围是-0.5-0.5（或-128-128）。与设备无关与设备相关CIE 1931 RGB CEwXYZxyYRGB，CwYUVYIQYYCbCr三计算机图形颜色空间1CMY空间 用RGB的补色C(cyan，青)，M(mag
18、enta，品红)，Y(yellow，黄)表示的颜色空间。111CRMGYB RGB的取值范围0-1 CMY颜色空间用于打印设备。如果再加入黑色分量形成另一种颜色空间CMYK(或CMYB，K或B都是black的意思)。2HSV空间 用H(hue，色调)，S(saturation，饱和度)，V(value，亮度)表示的颜色空间。RGB到HSV的算法如下。取值范围,H：0-360，S:0(黑白灰非彩色)-1(纯色),V:0(黑色)-1(白色)。可用六角锥模型表示。属于非线性变换。max=max(R,G,B)min=min(R,G,B)V=max(R,G,B)S=(max-min)/maxif S=0
19、,H is undefined else if R=max,H=0+(G-B)/(max-min)if G=max,H=2+(B-R)/(max-min)if B=max,H=4+(R-G)/(max-min)H=H*60 if H 0,H=H+360 例：R=0.5,G=0.5,B=0.5(非彩色)H is undefined,S=0,V=0.5 R=0.8,G=0.2,B=0.2(红色)H=0,S=0.75,V=0.8 R=1,G=1,B=0.2(黄色)H=60,S=0.8,V=1 R=1,G=0.6,B=0.2 H=30,S=0.8,V=1 3其他的计算机颜色空间 HSL HSB HIS 书P118-120。1、色调、饱和度、亮度是人眼对颜色感知的三要素。2、不同的标准采用不同的RGB和参考白光。3、用矩阵变换表示各种颜色空间的线性变换。4、亮度方程：Y=0.299R+0.587G+0.144B。5、计算机图形颜色空间采用各种非线性变换，用计算机程序实现。本章小结
