彩色基本原理

1、彩色基本原理彩色基本原理可见光与色彩可见光与色彩颜色的光学合成颜色的光学合成颜色的表示与度量方法颜色的表示与度量方法遥感影像对应颜色的法则遥感影像对应颜色的法则灰色图像与彩色图像亮度对比 视觉 颜色度量 颜色再现1 可见光与色彩可见光与色彩1.1 可见光可见光l可见光：电磁辐射中能引起可见光：电磁辐射中能引起视觉视觉反映的反映的一定一定波长波长范围的波段称为范围的波段称为可见光谱可见光谱或或可可见辐射见辐射，简称，简称光光。（。（0.380.76 mm）l 波长不同，产生的色觉也不同。波长不同，产生的色觉也不同。中中国国颜色颜色紫紫 蓝青蓝青 绿绿 黄黄 橙橙 红红0.380.4550.492

2、0.5770.5970.6220.78波长波长mm英英美美颜色颜色 紫紫 蓝蓝 蓝绿蓝绿 绿绿 黄黄 黄红黄红 浅红浅红 红红 深红深红0.380.410.480.520.550.580.620.660.720.78波长波长mm俄俄罗罗斯斯颜色颜色 紫紫 蓝蓝 青青 绿绿 黄黄 橙橙 红红0.400.430.470.490.550.590.640.72波长波长mm各国可见光谱划分标准各国可见光谱划分标准光是色的源泉，色是光的表现。光是色的源泉，色是光的表现。1.2 物体的颜色物体的颜色发光体的颜色：物体发射可见光谱特点火、灯发光体的颜色：物体发射可见光谱特点火、灯非发光体的颜色：非发光体的颜色

3、： 消色物体：对入射的白光呈消色物体：对入射的白光呈无无选择吸收和反射。选择吸收和反射。 彩色物体：对入射的白光呈彩色物体：对入射的白光呈有有选择吸收和反射。选择吸收和反射。 此外，物体颜色随入射光源的光谱成分不同而发生变化，如霓此外，物体颜色随入射光源的光谱成分不同而发生变化，如霓虹灯下物体的颜色虹灯下物体的颜色可见，物体颜色的决定因素可见，物体颜色的决定因素:入射光源、发射、反射、透射入射光源、发射、反射、透射可见光谱可见光谱特点。特点。灰阶灰阶10109 98 87 76 65 54 43 32 21 1 吸收率（吸收率（%）01001010201020 20302030 3040304

4、0 40504050 50605060 60706070 70807080 80908090 9010090100反射率（反射率（%） 1009010090 90809080 80708070 70607060 60506050 50405040 40304030 30203020 20102010100100色调色调白白灰白灰白淡灰淡灰浅灰浅灰灰灰暗灰暗灰深灰深灰淡黑淡黑浅黑浅黑黑黑颜色颜色彩色三要素：彩色三要素：表示颜色的类别与深浅程度。表示颜色的类别与深浅程度。l色别色别（hue）：又称色调，指彩色的类别，是彩）：又称色调，指彩色的类别，是彩色彼此相互区分的特性。色彼此相互区分的特性。l

5、饱和度饱和度(Saturation)：彩色的纯度，即浓淡程度：彩色的纯度，即浓淡程度l明度明度(value)：颜色的明暗程度。：颜色的明暗程度。l色度：色调（色度：色调（Hue）和饱和度）和饱和度(Saturation)的通的通称。称。1.2 物体的颜色物体的颜色明度明度同一物体因受光不同会产生亮度上的变化同一物体因受光不同会产生亮度上的变化 照射的光越强，反射光也越强，看起来越亮。显然，如果彩色光的照射的光越强，反射光也越强，看起来越亮。显然，如果彩色光的强度降到使人看不到了，在亮度标尺上它应与黑色对应。同样，如果其强度降到使人看不到了，在亮度标尺上它应与黑色对应。同样，如果其强度变得很大，

6、那么亮度等级应与白色对应。亮度是非彩色属性，彩色强度变得很大，那么亮度等级应与白色对应。亮度是非彩色属性，彩色图像中的亮度对应于图像中的亮度对应于黑白图像中的灰度黑白图像中的灰度。 1.2 物体的颜色物体的颜色饱和度（纯度）饱和度（纯度）对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，相反则越淡。说越纯，相反则越淡。 在饱和的彩色光中增加白光的成分，相当于增加了光能，因而变在饱和的彩色光中增加白光的成分，相当于增加了光能，因而变得更亮了，但是它的饱和度却降低了。若增加黑色光的成分，相得更亮了，但是它的饱和度却降低了。若增加黑色光的成分，相当于

7、降低了光能，因而变得更暗，其饱和度也降低了。当于降低了光能，因而变得更暗，其饱和度也降低了。 1.2 物体的颜色物体的颜色 不同颜色不同颜色物体的光物体的光谱分布谱分布蒙塞尔颜色立体蒙塞尔颜色立体中央轴代表无彩色黑白中央轴代表无彩色黑白系列中性色的明度等级，系列中性色的明度等级，黑色在底部黑色在底部(0) (0) ，白色，白色在顶部在顶部(10)(10)，称为蒙塞，称为蒙塞尔明度值。尔明度值。中央轴上的饱和度为中央轴上的饱和度为0，离开中央轴愈远，饱和离开中央轴愈远，饱和度愈大度愈大(5-12)。 蒙塞尔颜色立体水平剖面蒙塞尔颜色立体水平剖面 蒙塞尔颜色立体水平剖蒙塞尔颜色立体水平剖面上表示面

8、上表示1010种基本色。种基本色。它含有它含有5 5种原色：红种原色：红（R R）、黄（）、黄（Y Y）、绿）、绿（G G）、蓝（）、蓝（B B）、紫（）、紫（P P）和和5 5种间色：黄红（种间色：黄红（YRYR）、）、绿黄（绿黄（GYGY）、蓝绿）、蓝绿（BGBG）、紫蓝（）、紫蓝（PBPB）、）、红紫（红紫（RPRP）。在上述）。在上述1010种主要色的基础上再细种主要色的基础上再细分为分为4040种颜色，全图册种颜色，全图册包括包括4040种色相样品种色相样品。 颜色标定的方法颜色标定的方法 任何颜色都可以用颜色立体上的色相、明度值和彩度这三任何颜色都可以用颜色立体上的色相、明度值和彩

9、度这三项坐标来标定，并给一标号。标定的方法是先写出色相项坐标来标定，并给一标号。标定的方法是先写出色相H H，再写明度值再写明度值V V，在斜线后写彩度，在斜线后写彩度C C。HVHVC C色相明度值彩度色相明度值彩度例例:10Y8:10Y81212： 色相是黄（色相是黄（Y Y）与绿黄（）与绿黄（GYGY）的中间色，明度值是）的中间色，明度值是8 8，彩度是彩度是1212。 对于非彩色的黑白系列（中性色）用对于非彩色的黑白系列（中性色）用N N表示，在表示，在N N后标明度后标明度值值V V，斜线后面不写彩度。，斜线后面不写彩度。NVNV中性色明度值中性色明度值例例:N5:N5：明度值是：明

10、度值是5 5的灰色。的灰色。 2 颜色的光学合成颜色的光学合成 三基色：三基色：任何色光任何色光可由三种可由三种独立独立的色的色匹配匹配得到，得到，这三种色称为三基色或三原色。这三种色称为三基色或三原色。 CIE规定的色光三原色：红（规定的色光三原色：红（R）0.70 mm ；绿（绿（G）0.5461 mm；蓝（；蓝（B B）0.4358 m0.4358 m。2.1 三基色原理三基色原理 加色法加色法:由两种以上色光相混合，呈现另一种色光的方由两种以上色光相混合，呈现另一种色光的方法，称为色光加色法。法，称为色光加色法。 加色法本质：具有不同能量的色光混合时，可以导致加色法本质：具有不同能量的

11、色光混合时，可以导致混合色光能量的变化混合色光能量的变化 任意颜色：任意颜色：H= r（R） + g（G） + b（B） （R）、（）、（G）、（）、（B）表示三原色的单位量）表示三原色的单位量 ，r、g、b是用来匹配某一特定颜色所需要的红、绿、蓝三原色是用来匹配某一特定颜色所需要的红、绿、蓝三原色的量，叫做的量，叫做三刺激值三刺激值 。2.3 颜色的光学合成颜色的光学合成一、加色法一、加色法彩色合成red+green=yellowgreen+blue=cyanred+blue=magenta互补色互补色 1.人的视觉只能分辨颜色的三种变化：人的视觉只能分辨颜色的三种变化：色相、明度色相、明度

12、和和饱和度饱和度。2.在由两个色光的混合匹配中，如果其中一个色光连续变在由两个色光的混合匹配中，如果其中一个色光连续变化，则混合色的外貌也会发生连续变化。化，则混合色的外貌也会发生连续变化。 补色率：补色率：以适当比例混合后能产生白色或灰色的两种色以适当比例混合后能产生白色或灰色的两种色互为补色互为补色.最基本的互补色有三对：最基本的互补色有三对：红红-青，绿青，绿-品红，蓝品红，蓝-黄黄 间色律：间色律：任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色调决定于两色的相对数量，其纯度决定于二者在色调顺调决定于两色的相对数量，其纯度决定于二者在色调顺序上的的距离。

13、序上的的距离。 1931年年CIE组织建立了三种组织建立了三种假想的标准原色假想的标准原色X（红）、（红）、Y（绿）、（绿）、Z（蓝），以便（蓝），以便使我们能够得到的颜色匹使我们能够得到的颜色匹配函数的三值都是正值，配函数的三值都是正值，而而x、y、z的表达方式仍类的表达方式仍类似上面的那组公式。由此似上面的那组公式。由此衍生出的便是衍生出的便是1931 CIE-XYZ系统（如图系统（如图4），这个），这个系统是色度学的实际应用系统是色度学的实际应用工具，几乎关于颜色的一工具，几乎关于颜色的一切测量、标准以及其他方切测量、标准以及其他方面的延伸都以此为出发点，面的延伸都以此为出发点，因而是颜

14、色视觉研究的有因而是颜色视觉研究的有力工具。力工具。 3 颜色表示与度量方法颜色表示与度量方法3 颜色表示与度量方法颜色表示与度量方法1）RGB空间空间如果将如果将 R、 G、 B 看成三个变看成三个变量量, 就形成一个三维彩色空间。就形成一个三维彩色空间。可以用一个三维的立方体来表可以用一个三维的立方体来表示它们能组成的所有颜色示它们能组成的所有颜色 。RGB色彩空间采用物理三基色色彩空间采用物理三基色表示，因而物理意义很清楚，表示，因而物理意义很清楚，适合彩色显象管工作。适合彩色显象管工作。 用用 RGB 坐标系表示颜色也有坐标系表示颜色也有不方便之处。由于不能直接得不方便之处。由于不能直

15、接得到亮度到亮度, 所以在转换成黑白图像所以在转换成黑白图像时稍有不便之处。时稍有不便之处。 6) 几种彩色座标系之间的关系几种彩色座标系之间的关系 2 颜色表示与度量方法颜色表示与度量方法2） HIS空间空间 HSI色彩空间和色彩空间和RGB色彩空间只是同一色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系，如公式所示。在着转换关系，如公式所示。色度色度：色调色调（Hue）和）和饱和度饱和度(Saturation)的通称。用来表示的通称。用来表示颜色的类别与深浅程度。由于颜色的类别与深浅程度。由于人的视觉对人的视觉对亮度亮度（Intensity）

16、的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色彩处的敏感程度，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常理和识别，人的视觉系统经常采用采用HSI色彩空间，它比色彩空间，它比RGB色色彩空间更符合人的视觉特性。彩空间更符合人的视觉特性。在图像处理和计算机视觉中大在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在量算法都可在HSI色彩空间中方色彩空间中方便地使用，它们可以分开处理便地使用，它们可以分开处理而且是相互独立的。因此，在而且是相互独立的。因此，在HSI色彩空间可以大大简化图像色彩空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。分析和处理的工作量。3 颜色表示与度量方法颜色表示与度量

17、方法HIS模型 HSI模型量化颜色三属性 H色相 ：取值0-360 S饱和度：取值0-1或0-100 I亮度 ：取值0-1或0-100IHSRGBHSI)(31BGRI),min(*)(31BGRBGRS5 . 021)()()()(21BGBRGRBRGRCOSHHSIRGB0 H =120)(*3*)60cos(cos*1 *)1 (BRIGIHHSRISB120 H =240)(*3*)180cos()120cos(*1 *)1 (GRIBIHHSGISR)(*3*)300cos()240cos(*1*)1(BGIRIHHSBISG240 H =3603） YUV（Lab）色彩空间）色彩

18、空间 在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色CCD（点（点耦合器件）摄像机，它把摄得的彩色图像信号，经分色、分别放大校正耦合器件）摄像机，它把摄得的彩色图像信号，经分色、分别放大校正得到得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号和两个色差信号RY、BY，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这就是我们常用的送出去。这就是我们常用的YUV色彩空间。色彩空间。 采用采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号色

19、彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号和色度信号U、V是分是分离的。如果只有离的。如果只有Y信号分量而没有信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图就是黑分量，那么这样表示的图就是黑白灰度图。彩色电视采用白灰度图。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号。与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号。 3 颜色表示与度量方法颜色表示与度量方法 根据美国国家电视制式委员会，NTSC制式的标准，当白光的亮度用Y来表示时，它和红、绿、蓝三色光的关系可用如下：Y0.3 R + 0.59 G

20、 + 0.11B 这就是常用的亮度公式。色差U、V是由BY、RY按不同比例压缩而成的。YUV色彩空间与RGB色彩空间的转换关系如下：3 颜色表示与度量方法颜色表示与度量方法遥感影像色彩与反射率的对应遥感影像色彩与反射率的对应 传感器接收电磁能量，用化学方法、光电转换方法将能量传感器接收电磁能量，用化学方法、光电转换方法将能量记录下来。但是无论是胶片上各点化学反应的程度、还是记录下来。但是无论是胶片上各点化学反应的程度、还是数字记录，人还是无法直接从中快速获取信息。数字记录，人还是无法直接从中快速获取信息。 因此，人们通过一定的规则：对记录介质上的记录值与色因此，人们通过一定的规则：对记录介质上

21、的记录值与色彩之间建立对应关系彩之间建立对应关系. 如何建立这种对应关系？如何建立这种对应关系？ 对于胶片通过特定的冲洗技术实现，对于数字矩阵通过数对于胶片通过特定的冲洗技术实现，对于数字矩阵通过数值与色彩对应实现。值与色彩对应实现。遥感影像对应颜色的法则遥感影像对应颜色的法则u单个工作波段上的影像显示为黑白影像单个工作波段上的影像显示为黑白影像: : 反射率越大用越明亮的白色，反射率越小用越接近黑色的灰色，反射率越大用越明亮的白色，反射率越小用越接近黑色的灰色，反射率居中则用不同程度的灰色表示。反射率居中则用不同程度的灰色表示。u单个工作波段上的影像表示为某种不同明度的颜色单个工作波段上的影

22、像表示为某种不同明度的颜色: : 用某种颜色的不同明度（色阶）实现，明亮度最低代表在反射率用某种颜色的不同明度（色阶）实现，明亮度最低代表在反射率最低，明亮度最大代表反射率最高，不同程度明亮度代表中间过度最低，明亮度最大代表反射率最高，不同程度明亮度代表中间过度的反射率。的反射率。u单个工作波段上的影像表示为彩色单个工作波段上的影像表示为彩色: : 反射率越大要选用越明亮的色彩，反射率越小要选用明亮度越小反射率越大要选用越明亮的色彩，反射率越小要选用明亮度越小的色彩。的色彩。u三个工作波段的影像可以叠加显示为彩色：三个工作波段的影像可以叠加显示为彩色： 利用三原色原理，每个工作波段影像选用一个

23、原色，用该原色的利用三原色原理，每个工作波段影像选用一个原色，用该原色的不同明度表示；三幅影像叠加在一起，则得到彩色效果。不同明度表示；三幅影像叠加在一起，则得到彩色效果。遥感影像对应颜色的法则u单个工作波段上的影像显示为黑白影像单个工作波段上的影像显示为黑白影像: u单个工作波段上的影像表示为某种不同明度的颜色单个工作波段上的影像表示为某种不同明度的颜色:u单个工作波段上的影像表示为彩色单个工作波段上的影像表示为彩色: 反射率：大反射率：大-中中-小小 明亮：白色明亮：白色-灰色灰色-黑色黑色 单色：暗红单色：暗红-淡红淡红-鲜红鲜红 彩色：彩色： 黑黑- 彩色彩色-白色白色u三个工作波段的

24、影像可以叠加显示为彩色：三个工作波段的影像可以叠加显示为彩色： 利用三原色原理，每个工作波段影像选用一个原色，利用三原色原理，每个工作波段影像选用一个原色，用该原色的不同明度表示；三幅影像叠加在一起，则用该原色的不同明度表示；三幅影像叠加在一起，则得到彩色效果。得到彩色效果。遥感图像彩色合成遥感图像彩色合成彩色合成常见颜色组合 黑色黑色RGB(0,0,0)RGB(0,0,0) 白色白色RGB(255,255,255)RGB(255,255,255) 红色红色RGB(255,0,0)RGB(255,0,0) 绿色绿色RGB(0,255,0)RGB(0,255,0) 蓝色蓝色RGB(0,0,255

25、)RGB(0,0,255) 黄色黄色RGB(255,255,0)RGB(255,255,0) 紫色紫色RGB(255,0,255)RGB(255,0,255) 青色青色RGB(0,255,255)RGB(0,255,255) 暗灰色暗灰色RGB(128,128,128)RGB(128,128,128) 亮灰色亮灰色RGB(192,192,192)RGB(192,192,192)单波段图像TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7波段组合TM3TM4TM5通道通道通道TM 5+4+3多波段图像TM7,4,1TM5,7,2TM5,4,3TM4,3,2通道通道通道24256254传感器记录的信息l传

26、感器的记录信息的形式传感器的记录信息的形式: 数字影像数字影像：记录在磁性介质之上的数字矩阵，能：记录在磁性介质之上的数字矩阵，能够被计算机存储、处理和使用，又称为数字量。够被计算机存储、处理和使用，又称为数字量。 模拟影像模拟影像：基于光学原理，利用感光胶片来曝光：基于光学原理，利用感光胶片来曝光成像，通过光学摄影获得的物质胶片、相片；又成像，通过光学摄影获得的物质胶片、相片；又称为模拟量（对现实的模拟）。称为模拟量（对现实的模拟）。l模拟影像和数字影像之间的转换称为模拟影像和数字影像之间的转换称为模数转换模数转换，A/D转换；反之，称转换；反之，称数模转换数模转换，D/A转换。转换。 A：

27、analog signals； D：digital signals.二、减色法二、减色法 减色法：两种或三种颜色的物质重叠后产生的反射减色法：两种或三种颜色的物质重叠后产生的反射光谱作用于人眼后产生色觉的方法。光谱作用于人眼后产生色觉的方法。 减色法本质：颜色物质从白光中选择吸收性色光减色法本质：颜色物质从白光中选择吸收性色光 减色三原色：色料三原色减色三原色：色料三原色 青、品红、黄青、品红、黄 相减混色规律：相减混色规律：YW B Y+MW B - GMW G C+MW R G CW R Y+C W B R Y+M+C W B G R BL（黑）（黑）Y+M+C W B少少 G少少 R少少

28、 H （灰）（灰）减色法减色法：白光中减去一些色光，从而显示为剩余色光综减色法：白光中减去一些色光，从而显示为剩余色光综合后的颜色，即相减混合。合后的颜色，即相减混合。印的颜色，实际上都是看到的的纸反射的光线，印的颜色，实际上都是看到的的纸反射的光线，比如我们在画画的时候调颜色，也要用这种组合。比如我们在画画的时候调颜色，也要用这种组合。颜料是吸收光线，不是光线的叠加，因此颜料的三原色颜料是吸收光线，不是光线的叠加，因此颜料的三原色就是能够吸收就是能够吸收RGB的颜色，为青、品、黄（的颜色，为青、品、黄（CMY），他），他们就是们就是RGB的补色。的补色。把黄色颜料和青色颜料混合起来，因为黄色

29、颜料吸收蓝把黄色颜料和青色颜料混合起来，因为黄色颜料吸收蓝光，青色颜料吸收红光，因此只有绿色光反射出来，这光，青色颜料吸收红光，因此只有绿色光反射出来，这就是黄色颜料加上青色颜料形成绿色的道理。就是黄色颜料加上青色颜料形成绿色的道理。混合法混合法比较项目比较项目加色法加色法减色法减色法原色原色色光色光色料色料原色色相原色色相红、绿、蓝（红、绿、蓝（R、G、B ）品红、黄、青（品红、黄、青（M、Y、C）原色与色谱原色与色谱关系关系每一原色仅辐射一个光谱区每一原色仅辐射一个光谱区色光色光每一原色吸收一个光谱区色光，反每一原色吸收一个光谱区色光，反射两个光谱区色光射两个光谱区色光颜色混合时颜色混合时

30、色彩的色彩的基本变基本变化规律化规律红红+绿绿=黄黄蓝蓝+红红=品红品红绿绿+蓝蓝=青青红红+绿绿+蓝蓝=白白品红品红+黄黄=红红品红品红+青青=蓝蓝黄黄+青青=绿绿品红品红+黄黄+青青=黑黑混合效果混合效果光源直间混合新颜色的亮度光源直间混合新颜色的亮度为各混合光的亮度和，颜为各混合光的亮度和，颜色饱和，色饱和，两原色叠合新颜色的亮度降低，彩两原色叠合新颜色的亮度降低，彩度降低。新颜色的亮度为各原色度降低。新颜色的亮度为各原色亮度的平均值，颜色不饱和。亮度的平均值，颜色不饱和。 成色方法成色方法1、视觉器官以外加色混合、视觉器官以外加色混合2、视觉器官以内加色混合、视觉器官以内加色混合（1）静态色彩加色混合）静态色彩加色混合（2）动态色彩加色混合）动态色彩加色混合叠合成色法叠合成色法混合成色法混合成色法网点成色法网点成色法用途用途颜色的测量和匹配；彩色电颜色的测量和匹配；彩色电视；剧场照明视；剧场照明对彩色原稿的分色；彩色印；颜对彩色原稿的分色；彩色印；颜色混合。色混合。4） CMYK 色彩空间色彩空间 彩色印或彩色打的的纸是不能发射光线的，因而印机或彩色彩色印或彩色打的的纸是不能发射光线的，因而印机或彩色打机就只能使用一些能够吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或颜打机就只能使用一些能够吸收特定的光