多媒体技术基础 - Shandong...
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内容
颜色的基本属性
颜色空间表示与转换
• 为什么研究颜色？
– 利用人的视觉特性对颜色进行处理
– 更有效地在计算机中表示彩色，减少数据量。
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光 • 光的本质：电磁波
– 波长大于780纳米的电磁波是红外线、微波和广播无线电波。
– 可见光：380nm～780nm
– 波长小于380纳米的电磁波是紫外线、X－射线和宇宙射线。
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可见光的光谱
颜色 波长 频率
红色 约625—740纳米 约480—405兆赫
橙色 约590—625纳米 约510—480兆赫
黄色 约565—570纳米 约530—510兆赫
绿色 约500—565纳米 约600—530兆赫
青色 约485—500纳米 约620—600兆赫
蓝色 约440—485纳米 约680—620兆赫
紫色 约380—440纳米 约790—680兆赫
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颜色 • 颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果。物体由于构成和内部物质的不同，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。由于物体的表面具有不同的吸收光线与反射光的能力，反射的光不同，眼睛就会看到不同的颜色。
• 颜色与光、被光照射的物体、观察者有关。
• 有源物体：能发光的物体，颜色由该物体发出的光波决定。
• 无源物体：不发光的物体，颜色由该物体吸收或反射的光波决定。
• 光的存在（光源色）
物体的表面特性（物体色）
人眼的视觉功能
同一物体因受光不同会产生变化
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眼睛 • 眼睛本质上是一个照相机。人的视网膜(human retina)通过
神经元来感知外部世界的颜色，每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体(cone)，或者是一个对颜色不敏感的杆状体(rod)。
• 视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞。大约有600万个，比例是40:20:1
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颜色感知
• 红(L-cone)、绿(M-cone)和蓝(S-cone)三种锥体细胞对不同波长的光感知程度不同。
• 1802年Thomas Young(1773–1829)认为人的眼睛有
三种不同类型的颜色感知接收器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收器。
• Hermann von Helmholtz(1821-1894)把这个想法用于定量研究，因此称为Young-Helmholtz理论。
• 长期以来，眼睛中的不同锥体对颜色的吸收性能一直是一种猜想，直到1965年前后人们才做详细
的生理学实验进行验证。实验的结果验证了Thomas Young的假设，在眼睛中确实存在三种不同类型的锥体细胞。
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色盲
• 色盲是指缺乏或完全没有辨别色彩的能力。
– 在人的视网膜上有一种感光细胞——锥细胞，它有红、绿、蓝3种感光色素。
– 每一种感光色素主要对一种原色光产生兴奋，而对其余两种原色光产生程度不等的反应。
– 如果某一种色素缺乏，则会产生对此种颜色的感觉障碍，表现为色盲或色弱（辨色力弱）。
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正常 缺少L-cone,红色盲
缺少M-cone，绿色盲 缺少S-cone，蓝黄色盲
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颜色的三要素
• 亮度（Luminance）
– 表示某种颜色在人的视觉上引起的明暗程度， 与光的强度有关。
• 色调（ Hue）
– 表示光的颜色，由光的波长的决定
• 饱和度（Saturation）
– 也称为纯度或彩度，指彩色的深浅或鲜艳程度，通常指彩色中白
光含量的多少
人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果
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• 色彩三要素
• 色调与色相
黄 红
紫 蓝
绿
红橙
• 亮度与明度
• 饱和度与纯度
饱和度调低
纯度和色感降低
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亮度（luminance）
• 亮度是光作用于人眼时引起的明暗度的感觉，是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。
– 在不同光强度下，同一物体亮度会不一样
– 同样的光强度下，不同的物体亮度也不一样，反光能力大的看起来显得亮，反之则暗。
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色调（ Hue）
• 色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等，取决于辐射或反射的光谱成分，大致对应光谱分布中的主波长。用某种波长定义的颜色叫做光谱色。
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饱和度（Saturation）
• 饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅、浓淡或纯洁程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时，颜色愈不饱和。
– 对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅或纯度越低。
– 高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。
– 100%饱和度的色光代表完全没有混入白光的纯色光。
饱和度增加
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Windows颜色选择器
Photoshop颜色拾取器
色度图
• 色度=色调+饱和度
• 颜色=亮度+色度
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颜色模型
• 颜色模型是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义。
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颜色空间 • 颜色空间
– 某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。颜色空间用一种数学方法形象化地表示颜色 。颜
色空间侧重于颜色的表示，而颜色模型侧重于颜色的生成。
– 颜色空间是各种色彩的集合。色彩的种类越多，颜色空间越大，能够表现的色彩范围即色域(gamut)越广。
– 在色度图中，色域是闭合曲线所包围的区域。
色域
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颜色空间分类
从颜色感知的角度，颜色空间可以分成如下三类：
• 混合(mixture)型颜色空间 – RGB CMY CMYK XYZ
• 强度/饱和度/色调(intensity/saturation/hue)型颜色空间 – HSV HSL(hue-saturation-lightness)
• 亮度/色度差(luma/chroma)型颜色空间 – YUV YIQ
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混合(mixture)型颜色空间
• 按三种独立的基色按不同比例合成颜色。
• 基色是指互相独立的单色，任一基色都不能由其他两种基色混合产生。
• 由于人眼对红色、绿色和蓝色三种色光最敏感，选择R、G、B作为基色，按照不同比例组合，可以配出的大部分与自然界色彩相符的颜色。
• 实验也证明绝大部分可见光谱都可用红、绿和蓝 (RGB) 三原色光按不同比例和强度混合来表示。
三色激励值
• 在20世纪20年代，人们对科学家们提出的理论进
行了详细的实验。实验表明，红、绿和蓝相加混色的确能够产生某个色域内的可见颜色，但不能产生所有的光谱色(单一波长构成的颜色)，尤其是在绿色范围里。
• 后来发现，如果加入一定量的红光，所有颜色都可以呈现，并用三色激励值(tristimulus values)表示R，G，B基色，但必须允许红色激励值为负值。
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RGB加色模型
• 颜色＝R×(红色比例)＋G×(绿色比例)＋B×(蓝色比例)
– 当三基色等量相加时，得到白色
– 等量的红绿相加而蓝为0时，得到黄色
– 等量的红蓝相加而绿为0时，得到品红色
– 等量的绿蓝相加而红为0时，得到青色。
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RGB Image Red Channel Green Channel Blue Channel
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应用
• 阴极射线管CRT(cathode ray tube)是一个有源物体
• 使用3个电子枪分别产生红、绿和蓝三种波长的光，以各种不同的强度综合起来产生相加混色。
CRT显示器 液晶显示器
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减色模型
• 彩色印刷机或彩色机使用一些能够吸收特定的光波、反射其他光波的油墨或颜料。
• 颜料是吸收光线，而不是增强光线。
• 油墨或颜料的3基色是青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow），简称为CMY。
• 理论上说，任何一种颜色都可以用这三种颜料基色按不同的比例混合而成。
• 彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY颜色空间。
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CMY减色模型
• 在CMY相减混色中，三基色等量相减时得到黑色；
• 等量黄色(Y)和品红(M)相减而青色(C)为0时，得到红色(R)
• 等量青色(C)和品红(M)相减而黄色(Y)为0时，得到蓝色(B)
• 等量黄色(Y)和青色(C)相减而品红(M)为0时，得到绿色(G)
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CMY与RGB
• CMY空间正好与RGB空间互补
– 用白色减去RGB空间中的某一颜色值就等于同样颜色在CMY空间中的值。
– 当RGB为1:1:1时，在相加混色中产生白色
– 当CMY为1:1:1时，在相减混色中产生黑色。
RGB相加混色 CMY相减混色 对应颜色 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0
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RGB和CMY的表示法
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CMYK
• 理论上将印刷三原色混合之后，应该可以将红绿蓝光通通吸收而得到黑色。
• 由于彩色墨水和颜料的化学特性，现实生活中找不到这种吸收、反射光线特性都十分完美的颜料，将三种颜色混合后还是会有些光线反射出来，呈现暗灰色或深褐色，不是真正的黑色。
• 在印刷术中常加一种真正的黑色（black ink），写成CMYK。
• RGB模型和CMYK模型主要是面向设备的。
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强度/饱和度/色调型颜色空间
• 用饱和度、色调、饱和度描述色彩的感知，可使颜色的解释更直观，而且对消除光亮度的影响很有用。
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HSL/HSI
• HSL（Hue、Saturation 、 Lightness ）模型中，H定义色调；S定义颜色的浓淡程度或饱和度；L定义亮度。
• HSI（Hue，Saturation and Intensity）
• 用HSL模型描述颜色更加自然，符合人眼对颜色的感知方式，比较容易为画家所理解
• 在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在HSI颜色空间中方便地使用，它们可以分开处理而且是相互独立的。在HSI颜色空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。
RGB颜色空间可与HSI空间相互转换
BG
BGRF
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BGRI
I
BGRS
),,min(1
}],180;,0{)3/arctan(90[360
BGBGFI
H
HSI颜色空间与RGB颜色空间的转换关系如下：
The Munsell color system
• a circle of hues at value 5, chroma 6, hue purple-blue (5PB).
Lab颜色空间
• 建立比 XYZ 在感知上更线性的色彩空间。感知上
线性意味着在色彩空间上相同数量的变化应当产生大约相同视觉重要性的变化。
CIE 1931 xyY色度图的感知非均匀性
图中的每一条线段表示一对颜色，按照1931 CIE 2°标准观察者标准，这两种颜色是感觉相同的颜色。从图中可以看到，在不同区域中的线段长度是不相等的，而且差别也比较大，说明对颜色的感知是不均匀的。比较短的线段表示对颜色的变化更敏感，线段长度的差别表示色度图中各部分之间的畸变量。
• CIE LAB系统使用的坐标叫做对色坐标(opponent color coordinate)。CIE LAB使用L*代表光亮度，其值从0(黑色)～100(白色)。a*和b*代表色度坐标，其中a*代表红-绿轴，b*
代表黄-蓝轴，它们的值从0～10。a*=b*=0表示无色，因此L*就代表从黑到白的比例系数。
对色视觉理论 • CIE 1976 L*a*b*颜色空间是建立在对色视觉理论(opponent color theory of
vision)之上的颜色空间。对色视觉理论也称Ewald Hering理论, Ewald Hering(1834-1918)是德国籍奥地利的生理和心理学家，他提出了与Helmholtz的三色理论相反的成对出现的四色理论 ，认为基本色调的数
目不是红、绿和蓝三种，而是红、黄、绿和蓝四种基色，它们组成红－绿和黄－蓝两对对立色调(opponent hue)，黑-白是另外一对。红和黄通常认为是暖色(warm color)，而绿和蓝是冷色(cool color)。虽然与被人们
接受的传统的三基色刺激理论不兼容，但通过对眼睛中的颜色感受器的研究，以及对感受器在视网膜上相互连接的复杂性的研究，现代的颜色视觉观点已经开始接受这种理论。
• 与CIE 1931 XZY颜色空间相比，CIE LAB颜色空间对颜色的描述与视觉感知更加符合。使用CIE L*a*b*颜色空间时，光亮度、色调和饱和度都能够
独立调整，因此，在不改变整个图像或者亮度的情况下，可以改变整个图像的颜色。CIE L*a*b*颜色空间与监视器、打印机、计算机或者扫描仪等设备无关，因此可以生成一致的颜色，创作和输出一致的彩色图像。
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亮度/色差型颜色空间
• 用一个分量表示非色彩的感知，用另外两个独立的分量表示色彩的感知。
• 当需要黑白图像时，这样的系统非常方便。
• 人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。
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YUV
• 在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，其中Y表示亮度，U=R-Y、V=B-Y用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量。
• RGB和YUV的对应关系可以近似地用下面的方程式表示：
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = - 0.147R- 0.289G + 0.436B
V = 0.615R - 0.515G - 0.100B
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YIQ
• 在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中Y表示亮度，I、Q用来表示色差。
• RGB和YIQ的对应关系可以近似地用下面的方程式表示：
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
I = 0.596R - 0.275G - 0.321B
Q = -0.212R - 0.523G + 0.311B
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YCrCb
• YCbCr模型来源于YUV模型，is a scaled and offset version of the YUV color space.
• 应用：数字视频，ITU-R BT.601 recommendation
• RGB和YCrCb的对应关系
Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B
Cr = 0.5 R - 0.4187 G - 0.0813 B + 128 Cb = -0.1687 R - 0.3313 G + 0.5 B + 128 R = Y + 1.402 (Cr-128) G = Y - 0.3441 (Cb-128) - 0.7141 (Cr-128) B = Y + 1.772 (Cb-128)
YUV
YIQ
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颜色空间转换
• 在一个典型的多媒体计算机系统中，常常涉及到用几种不同的颜色空间表示图形和图像的颜色，以对应于不同的场合和应用，需要在各种颜色模型之间转换。
• 各个应用领域一般使用不同的颜色模型，一幅图像在计算机中用RGB空间显示；用RGB或HSI空间
编辑处理，彩色电视信号传输时采用YUV模型，打印输出彩色图像时用CMY模型，如果要印刷，则要转换成CMYK四幅印刷分色图，用于套印彩色印刷
品。
Color balancing
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色彩的分类和心理
分类 色相 积极心理感觉 消极心理感觉
暖色 红 兴奋、激动、生命、注意 危险、灾难、恐怖
橙 明亮、华丽、健康、收获 神秘
黄 光明、辉煌、欢快、纯洁 酸涩、病态
冷色 蓝 宁静、清澈、理智、智慧 沉思、抑郁、神秘
中间色 绿 稳静、柔和、平和、生命 忌妒、幼稚
紫 尊贵、高雅、优美 伤痛、忧郁、阴暗
黑白色 白 明亮、干净、流畅、朴素、贞洁 平淡、刺眼
黑 庄严、稳妥 肃穆、死亡
中性色 灰 高雅、轻柔、精致、含蓄、沉静 乏味、污脏、枯萎
土红 深厚、博大、沉稳、持久 保守、寂寞
土黄 温饱、朴素、实惠 厚重
土绿 柔顺、含蓄 平淡
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• 色彩基调
中性的浅篮灰色
用于长时间阅读
偏冷的暖色调，
营造温馨的气氛
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• 色彩对比
•相邻色对比
•补色对比
•明度对比
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• 色彩调和
•类似色调和
•对比色调和
•同种色调和
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创意色彩设计
参考设计方案: 春、夏、秋、冬
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复习题
1. 可见光的波长范围是多少？
2. 人感知的颜色与哪些因素有关？
3. 颜色的三要素是什么？
4. 人眼的视网膜上有哪些细胞？分别起什么作用?
5. 画出CIE色度图的简单形式，并说明如何表示纯色、补色。
6. 什么是加色模型？什么是减色模型？
7. 彩色显示器采用什么颜色模型？打印机采用什么颜色模型？
