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第六讲,颜色的度量体系与颜色空间变换,主要内容,颜色科学简史 描述颜色的几个述语 颜色的度量体系 cie颜色系统 颜色空间,颜色科学简史,颜色是一门很复杂的学科，它涉及到物理学、生物学、心理学和材料学等多种学科。学界大多都认同这样一种观点：颜色是人的大脑对物体的一种反映，是人的一种感觉，它而这种感觉又带有极端的主观性，因此用数学方法来描述这种感觉可能是一件很困难的事。 现在已有许多有关颜色的理论、测量技术和颜色标准，但都未得到普遍认同，本讲将人们对颜色的认识和度量等方面所取得的进步作一些简单的介绍。,颜色科学简史-牛顿色圆,牛顿色圆：1666年，23岁的牛顿在对颜色的研究中认识到每一种颜色和它相邻颜色之间存在一定关系，在所有可见光的色带中把红色和紫色首尾相接就形成了一个圆，这就是牛顿色圆。它用圆周表示色调，用半径表示饱和度，它可方便地用来概括相加混色的性质，如rgb相加混色。 牛顿还揭示了一个重要的事实：白光包含所有可见光谱的波长。,rgb三基色原理：1802年，托马斯杨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、蓝三种基色的接收器。 根据这种看法，科学家提出了使用三种基色相加可以产生范围很宽的颜色的理论，进一步实验表明，红、绿和蓝相加混色的确能够产生某个色域里的所有可见颜色，但不能产生所有光谱色，尤其是在绿色范围里，若减去一定量的红光，则所有光谱色都可以呈现。所以用三色激励值表示r、g、b基色，但必须允许红色激励值为负值。,颜色科学简史-rgb三基色原理,cie颜色系统：1931年，国际照明委员会在大量实验数据的基础上定义了标准颜色体系，即cie颜色体系，它规定所有的激励值应该为正值，并且使用x和y两个颜色坐标表示所有可见的颜色。 现在应用很广的cie色度图就是用xy平面表示的蹄形曲线，它为大多数定量的颜色度量方法奠定了基础。,颜色科学简史-cie颜色系统,描述颜色的几个术语,颜色：从物理学的角度来说，可见光是波长在380780nm的电磁辐射，颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的频率(或波长)决定。我们也将这种用波长定义的颜色称为光谱色。 根据人的视觉特性，国际照明委员会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，它们是颜色所固有的并且截然不同的三个特性。,1、色调(hue)：色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。色调大致对应光谱分布中的主波长。,描述颜色的几个术语-色调,2、饱和度(saturation)：饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。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%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。,描述颜色的几个术语-饱和度,3、明亮度(luminance)：明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。 大量试验表明，人的眼睛能分辨128种不同的色调，1030种不同的饱和度，而对亮度非常敏感。人眼大约可以分辨35万种颜色。,描述颜色的几个术语-明度,颜色的度量体系,颜色常用色调、饱和度和明度这三个参数来刻画，但在许多应用软、硬件系统中还需要用别的方法来表示或指定颜色，因此，人们制定了许多组织和表示颜色的方法，这就是颜色的度量体系，也叫做颜色制或颜色体制。 到目前为止，组织和表示颜色的方法主要有两种：一种叫做颜色模型，另一种叫做编目系统。,颜色模型:是用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义。颜色空间是颜色模型的最常用的例子，如rgb、hsb、cmy、ciexyz等和颜色的光谱描述方法都是颜色模型。事实上，颜色空间和颜色模型是两个同义词。 编目系统:是给每一种可知的颜色分配一个唯一的名称或者代码。如munsell颜色系统，在图形艺术和印刷技术中常使用的由pantone公司开发的pantone颜色匹配系统。,颜色的度量体系(续),cie颜色系统,1931年9月，国际照明委员会在英国剑桥召开了具有历史意义的大会，会议取得了如下主要成果： 定义了标准观察者标准：普通人眼对颜色的响应。 定义了标准光源：用于比较颜色的光源规范。 定义了cie xyz基色系统：与rgb相关的理论上的基色系统，更适于颜色的计算。 定义了cie xyy颜色空间：一个由xyz导出的颜色空间，它把与颜色相关的x和y从明度属性相关的亮度y中分离开。 定义了cie色度图：容易看到颜色之间关系的一种图。,1976年国际照明委员会又召开了一次会议，对1931cie颜色系统中的两个问题： 1931cie颜色系统存在1931cie颜色系统使用的明度与色度不容易解释物理刺激和颜色感知响应之间的关系。 1931cie颜色系统存在着感知均匀性问题。 给出了解决方案，制定了cie1976luv和cie1976lab颜色空间的规范，在这两个颜色空间中，颜色感知更均匀，并且给出了人们评估两种颜色近似程度的一种方法，允许使用数字量e表示两种颜色之差。,cie颜色系统(续),1931年国际照明委员会综合了许多颜色实验中不同实验者的实验结果，得到了rgb颜色匹配函数，在这个匹配函数中，国际照明委员会把r、g和b3种单色光的波长定义为700nm、546.1nm和435.8nm。用这三种单色光匹配白光时，三者的光通量之比为1:4.5907:0.0601，根据这个比例规定了三基色光的单位，分别用r、g和b表示： 1个红基色光单位r=1光瓦 1个绿基色光单位g=4.5907光瓦 1个蓝基色光单位b=0.0601光瓦 其中，1光瓦=680流明。,cie颜色系统(续)-cie1931rgb,因此，标准白光ew可用每个基色单位为1的物理三基色配出: cew=1r+1g+1b 任意一种颜色c可以用下式配出: c=rr+gg+bb 其中，r、g、b分别为三基色光的比例系数，因为三基色的总光通量必须与被表示颜色的光通量相等，r+g+b=1。,cie颜色系统(续)-cie1931rgb(续),由于使用r、g、b三基色匹配某些颜色时，需要r值为负，且使用也不方便，因此国际照明委员会根据颜色科学家贾德的建议，定义了一种新的理论上的颜色系统，叫做cie xyz系统。该系统与rgb三基色系统的相同之处是它们都属于相加混色，不同之处在于： cie xyz系统匹配任何颜色时不需要使用负值。 cie xyz系统中，y值表示人眼对亮度的响应。 cie xyz是与设备无关的颜色系统。,cie颜色系统(续)-cie1931xyz,根据视觉的数学模型和颜色匹配实验结果，cie制定了一个称为“cie1931标准观察者”的规范，实际上是用三条曲线表示的一套颜色匹配函数。在颜色匹配实验中，规定观察者的视野角度为2，因此也称2标准观察者的三基色刺激值曲线。 cie xyz中的x、y和z三基色刺激值就是使用这个匹配函数和实验数据进行计算，得到的数值如书中图6-12所示，该图只表示了紫色(400nm)到红色(700nm)之间的三基色刺激值。,cie颜色系统(续)-cie1931xyz(续),从图6-12中，我们可以得到如下结论： 所有的坐标轴都不在这实心锥体内。 黑色位坐标的原点。 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。 光谱轨迹上的波长是单一的，因此基数值表示该颜色可能达到的最大饱和度。 所有可见光都在锥体上。,cie颜色系统(续)-cie1931xyz(续),cie xyz颜色系统对定义颜色很有用，但使用较为复杂且不直观，因此国际照明委员会为克服这个不中而定义了一个叫做cie xyy的颜色空间。 cie xyy颜色空间是由cie xyz颜色空间经过两次投影后在xoy平面上得到的一个由系数x和y表示颜色,由y表示亮度信息的颜色空间。,cie颜色系统(续)-cie1931xyy,cie颜色系统(续)-cie1931xyy(续),在cie xyz颜色系统中，定义一种颜色由x、y、z三者的比例决定，而非三者的值，当比例固定时，值的变化仅改变颜色的辐射量，即明度。 因此，在计算颜色的色度时，把x、y、z值相对于总的辐射能量进行规格化，并只考虑它们的相对比例，因此， x、y、z称为三基色相对系数，且x+y+z=1。这就相当于把xyz颜色锥体投影到x+y+z=1的平面上。,cie颜色系统(续)-cie1931xyy(续),由于x+y+z=1，因此用两个系数x、y就可以准确的表示一种颜色，并绘制以x和y为坐标的二维图形。这就相当于把x+y+z=1平面平行投影到(x,y)平面，也就是z=0的平面，这样就得到了cie xyy色度图。 在cie xyy颜色系统中，根据颜色坐标(x,y)可确定颜色色度，但不能得出匹配这种颜色的三基色刺激值x、y和z，因此还需要携带亮度信息的y，其值与cie xyz中的y刺激值一致，因此：,一、cie xyy色度图是从cie xyz直接导出的一个颜色空间，它使用亮度y参数和颜色坐标(x,y)来刻画颜色。 xyy中的y值与xyz中的y值一致，表示颜色的亮度或者光亮度，颜色坐标(x,y)用来在二维图上指定颜色，这种色度图叫做cie1931色度图。(p101图6-14),cie颜色系统(续)-cie1931色度图,白光的坐标为(0.33,0.33)。 边界上的颜色是光谱色,边界代表光谱色的最大饱和度,边界值代表波长,其轮廓包括所有感知色调。 自然界中各种颜色都位于这条舌形曲线内。 rgb系统中选用的物理三基色都在舌形曲线上。,二、色度图上看色调：(p102图6-15) 三、色度图上看色域：(p102图6-16) 四、彩色电视的色度范围：(p102图6-17、18、表6-1),cie颜色系统(续)-cie1931色度图(续),cie1931xy二维色度图有两个比较明显的缺点： 1、明度没有反映在色度图中； 2、在颜色空间中两种颜色之间的距离与两种颜色的感知色差有差异。(p105图6-19) 为了解决上述问题，国际照明委员会又制定了cie1960luv、cie1976luv、cie1976lab等颜色系统，主要都是为了解决感知均匀性问题及实际中的应用。,cie颜色系统(续)-cie1931色度图(续),颜色空间-颜色空间的分类,从颜色感知的角度分类： 1、混合型颜色空间：按3种基色的比例合成颜色，如rgb、cmy(k)、xyz等。 2、非线性亮度/色度性颜色空间：用一个分量表示非色彩的感知，用两个分量表示色彩的感知，如yuv、yiq等电视系统的颜色空间。 3、强度/饱和度/色调型颜色空间：用饱和度和色调描述色彩的感知，用于解释颜色较为直观，如hsi、hsl、hsv等。,从技术角度分类： 1、rgb型颜色空间/计算机图形颜色空间：这类颜色空间主要用于电视及计算机的显示系统、印刷系统，如rgb、hsi、cmu等。 2、xyz型颜色空间/cie颜色空间：这类颜色空间主要由国际照明委员会定义，通常作为国际性的颜色空间标准，用于颜色的基本度量和换算，如cie1931xyz等。 3、yuv颜色空间/电视系统的颜色空间：主要用于广播电视系统图像信号的传送，如yuv、yiq等。,颜色空间-颜色空间的分类(续),为了满足不同应用的需求如颜色选择的方便、减少数据量、适应显示系统的要求，需要在各种不同颜色空间之间进行转换，p112图7-1所示。 1、有些颜色空间之间可以直接变换，如rgb和hsl、rgb和hsb、rgb和ycrcb等。 2、有些颜色空间之间不能直接变换，如rgb和ciela*b*、ciexyz和hsl等，它们之间的变换需要借助其它颜色空间进行过渡。 具