数字图像处理-常用的色彩模型

1数字图像处理-色彩模型颜色是什么• 人类解析颜色是根据光源，光线反射的主体，和观察者的眼睛和脑• 光线进入眼睛在视网膜转化成神经中枢的信号，再经由视觉神经到达脑部。眼睛回忆三种红、绿、蓝原色和头脑解析颜色，就如同綜合以上三种信号。解析颜色的变化极大，完全是根据外在的环境而定。当一样的颜色经由日光或是烛光所看到的颜色会不一样。然而，人类的势力可适应于光线的来源，可以让我门在两种情況下決定同一种颜色。2颜色是什么3• 如同气味、声音、味觉和其它的感觉，每个人对颜色的解析度也极为不同。我门可能解析颜色为温暖的、寒冷的、重的、轻的、柔软的、強硬的、放松的、明亮的或是暖和的。然而，在每一个个案中的颜色解析是根据一个人的文化、语言、年龄、性別、居住环境和过去的经验等等。两个人永远不会对单一一个颜色有完全一致的印象。甚至在显而易見的光线中，每个人对光线的敏感度也不一样。• 物件的尺寸也会造成其差异性。每个人可能都有此经验，当我门根据样品的色卡选购衣服或是器具，往往会发現产品原本的颜色和从样品中看到的颜色是有差异的。• 現在对光线的定义是解析物件照明的传递意义。当我门的眼睛被物件的反射光线所刺激，我门解析对光线的认知如同光线。颜色光谱• 光线是一种电磁波，就像在广播和通讯所用的音波。改变光线的特色是根据电磁波的长度，范围是从音波经由显明的光线到加瑪射线。光波所帶来的能量大约是400-700

nm

(十亿分之一公尺是一种用来测量光线波长的单位)会刺激人类视网膜的神经末稍产生颜色的刺激。国际照明学会（CIE）定义"显明的光线"的波长是从380到780

nm。人类在白天解析的光线是"白光"

，它是一种从400

nm

(蓝色)

到700

nm

(红色)显明光线的混合•当白光通过三稜镜时，光线是绕射的而且是分裂成七种颜色的彩虹。当这个光线击中主体时，一部份的光线是会反射的。我门所看到反射的光线就是主体的颜色。4人类解析颜色构造

(视神经和脑)• 当光线反应主体而进入人类的眼睛时，它经由视网膜中的神经末稍反应，再将讯号传送到脑中。一些神经末稍反应对光线和色度敏感，和其它到红色、绿色和蓝色波长。当收到那些讯息时，脑部开始解析颜色。当那些神经功能受到损伤时，便会产生对颜色的盲目或是异常的三色收差。A:

角膜B:

水晶体C:

玻璃主体D:

视网膜E:

视神经5•

一些动物无法在黑暗中看到任何东西，而在其它狀況下可以看得非常清楚。狗和猫无法辨识颜色，以上所有的差异都是決定于视神经的功能。•光线经过眼球的角膜和瞳孔，形成了在视网膜的影像，并且刺激视神经系統。颜色的特质6颜色三个要素：色调（Hue）、饱和度(Saturation)和亮度(Brightness)• 色调色调是指基本的颜色，例如红色、黃色、绿色和蓝色。这可以由色调圓周从红色到绿色到蓝色再回到红色。• 亮度亮度是指颜色的相对亮度或是暗度。它是由物理表面接收光线反射的程度所決定。通常亮度越高，颜色变得越淡。• 饱和度饱和度是指颜色呈現的明显度。它的测量是无色(中性色)

和同样亮度的程度不同。饱和度越低，颜色变得越灰色。当饱和度变成零时，颜色是灰色。• 易染色的颜色和无色无色的颜色是白色、黑色和中间的灰色。它门缺乏色调饱和度。易染色的颜色是我门所有看到有"颜色"的事物；所有除白色、黑色和灰色之外的颜色。亮度• 在一个影像中所包含的光线数量。亮度显示色彩有多亮或多暗；粉红色是一种较浅的红色，反之，褐红色則是较暗的红色。• 增加或减少亮度，会使整体的影像变为较亮或较暗。Original

Image•Increase

Brightness•Decrease

Brightness7Contrast(对比度)• 在指影像中的明亮区域与阴暗区域的明度比率。所以当对比提高时，明亮的区域会变得更亮，而阴暗的区域会变得更暗。相反的，当对比降低时，介于明亮区域与阴暗区域间的阴影会相对的減少。这个特性者要是用来增加或減少较亮区域与较暗区域间的差距。Original

ImageIncrease

ContrastDecrease

Contrast8标准色轮A:

色调B:亮度C:

饱和度9颜色温度• 颜色和温度有著非常密切的关係。在高温燃烧所产生火焰的颜色是蓝色；在低温燃烧所产生火焰的颜色是红色。测量

"颜色温度"是用来決定当我门看到颜色时对光线的主要数值。颜色温度是以根据在称为黑色物体可吸收所有光线的影像主体，并以克尔文氏绝对温度来表示。• 中午的太阳温度是

5,000克尔文氏绝对温度；早上或傍晚时的温度是4,000克尔文氏绝对温度。白天荧光灯的温度是

6,500

克尔文氏绝对温度，而平均的电脑荧幕也是

6,500克尔文氏绝对温度。• 数字越小，表示越接近红色；数字越大，表示越接近蓝色。这解释了为什么同样一件红色的衣服在戶外和在室內荧光灯下所看到的颜色会有所不同。10测量颜色和比色法• 每一个人有不同的方式解析颜色。我门的环境对我门解析的影响也是极为巨大的。那么我门应该如何传达正确有关颜色的讯息给其它的人？• 既然颜色包括电磁波，它门可以根据物理原理而比较。我门可由建立标准的光线来源开始。一張轻巧的桌子或是观察者都是标准的光线来源。几种不同的标准光线来源是可以被建立的，例如光线来源是相当于影响云或是天空的平均免于太阳的光线(5,000克尔文氏绝对温度颜色温度)。颜色是由那些标准的光线来源所测量的。•测量颜色也可以利用称为分光光度計的特殊仪器测量。不管何时需要精确的颜色管理时，例如在汽车的颜色等等，都可以用此种测量方式11纸张和色彩• 每在彩色打印机的商业打印环境中，常常需要使用一般纸以外的打印材料，例如金属片和相片纸等。不同颜色、平滑度的材料，会产生不同的打印效果。同样的，如果您使用高品质的平滑或光面白色打印用纸，可以让打印结果拥有相片一般的效果一般纸张12相片纸张纸张和色彩（续）一般纸张13喷墨专用纸张常用的颜色模型• 颜色模型指的是三维颜色空间中的一个可见光子集。常用的颜色模型• 1.RGB颜色模型(CRT,电视)• 2.CMY颜色模型(印刷行业)• 3.HSV颜色模型

(人眼模型)• 4.CIE颜色模型141.光线的红绿蓝三原色Tri-Original

Color• 人类的眼睛解析400-500

nm

(十亿分之一公尺)的波长为蓝色，500-600

nm

的波长为绿色，600-700

nm的波长为红色。在电脑产業中有非常著名的红绿蓝三原色，縮写为RGB。• 在自然界中所包含的所有光线都可以在不同的密度中结合红绿蓝三原色而再制。混合100%所有三种颜色会产生白光。降低每一个成分到

0%会导致无光或是黑色•颜色再制是在不同的容积中添加红绿蓝三原色，又称之为加色的混合。这个原則是在录影机和电脑显示器用来再制颜色。15红绿蓝彩色立方体GRBg=(0,1,0)r=(1,0,0)b=(0,0,1)w=(1,1,1)k=(0,0,0)y=(1,1,0)m=(1,0,1)c=(0,1,1)161.红绿蓝三原色的减法• 白光是由混合100%所有红绿蓝三原色所产生的。減去红色会产生蓝绿色(蓝色和绿色的混合)。減去绿色会产生紫红色，減去蓝色会产生黃色。当主体吸收红色和反射蓝色和绿色，而解析的颜色是蓝绿色。• 颜色的表达是由从白色的光线中減去其中的一种成分，这又称之为负色法混合。•经由负色法混合方法去再制图画或染图：当染色或颜料吸收红色和反应绿色和蓝色，可以看到蓝绿色。当它吸收绿色反应红色和蓝色，可以看到紫红色。当它吸收蓝色反应红色和绿色，可以看到黃色。蓝绿色，紫红色和黃色是三种原色用在減色法的混合方式。•当再制负色法的颜色时，通常都常会添加黑色，组成了四个颜色的色彩模型。172.CMYK颜色模型• 在自我发光的输入设备颜色，例如电视和电脑显示器，是由混合了红绿蓝三原色而形成的，但是颜色再制的媒介，例如印刷工作是由吸收一些波长和反应其它的功能。• 打印机和其他周边使用的一种色彩模式。有四种颜色的墨水：蓝绿色

(C)、红紫色(M)、黃色

(Y)和黑色(K)，混合後可以产生所有的颜色。理論上，结合蓝绿色、红紫色和黃色就可以产生所有的颜色。然而实际上这些颜色却无法产生真正的黑色，所以我门便加上黑色墨水以提供打印时使用的纯黑色。•当红绿蓝三原色被混合时，会产生白色，但是当混合蓝绿色、紫红色和黃色三原色时会产生黑色。既然实际用的墨水并不会产生纯正的颜色，黑色是包括在分开的颜色，而这模型称之为CMYK。可再制颜色的色彩范围是比红绿蓝三原色狹窄，所以当红绿蓝三原色资料转換到色彩模型资料，颜色显得更脏。182.CMYK颜色模型用于打印193.HSV颜色模型20• 按照1854年发表的格拉斯曼(H.Grassmann)定律，从视觉的角度，颜色包含三个要素：色调（Hue）、饱和度(Saturation

)和亮度(Brightness)。• 色调(Hue)也称色彩，就是我们通常所说的红、蓝、紫等，是使一种颜色区别于另一种颜色的要素；饱和度(Saturation)颜色的纯度；亮度(Brightness,

Value)也叫亮度，即光的强度。彩色图形显示器（CRT）上每个象素是由红、绿、蓝

三种荧光点组成。4.CIE颜色模型• 白颜色模式是由国际照明学会制訂的。它门是一具人类的眼睛对红绿蓝三原色的反应，而去設計能正确的表示人类对颜色的解析程度。• 那些颜色模型是用来定义所謂獨立设备裝入命令颜色，也就是能在任何型式的设备裝入命令忠实的再制，例如扫瞄器、显示器，和打印机。它门之所以会被广泛運用的原因是因为容易在电脑上瞄述广泛范围的颜色。最著名的模型有CIE

XYZ

与CIE

L*a*b。214.CIE颜色模型-CIEXYZ• CIE

XYZ颜色模型又称基准颜色模型是于1931年发展出来的。CIEXYZ颜色模型是以两度空间来表示，其形狀非常类似風帆的样子。• 在x轴最右边是红色区和y轴上的绿色区连接。您可以在这座标上选择任何一点作为你要的颜色。在座标上愈往左移动即会減少光谱的色彩。在这座标內唯一不被影响的只有色彩的亮度。CIE

XYZ坐标图224.CIE颜色模型-CIEXYZ红绿蓝的刺激量为X,Y,Z,

定义系数为x=X/(X+Y+Z),

y=Y/(X+Y+Z),

z=Z/(X+Y+Z)其中,x+y+z=1横坐标是红色系数，纵坐标是绿色系数• 400nm到700nm的直线上是不可见光• 图中每个点对应一种颜色• 边界上的电是纯颜色，移向中心表示混色的白色增加而纯度（饱和度）降低• 图中任意2端点的直线上的各点表示将

这2端点所代表的颜色相加可以组成的

颜色234.CIE颜色模型-CIEXYZ图中C点对应白色，

由三原色各1/3组合产生。P点的色度坐标x=0.48,

y=0.40.由C通过P画一条直线到边界上的Q点（约590nm），P点颜色的主波长为590nm，此处光谱的颜色即Q点的色调（橙色）。P点位于从C到纯橙色点的66％的地方。所以饱和度为66％24设备的颜色范围• 可見光中包括几百万种顏色，但是并不是所有的顏色都可藉由您的电脑显示器或是打印机墨水重制。• 显示器和扫瞄器是利用RGB三原色模式，而彩色打印机和印刷品則是利用CMY三原色，蓝绿色、红紫色、黃色，每一种都有不同范围的重制顏色。• CMY三原色模式的重制范围是最窄的一种。在电脑荧幕上看起來极佳的RGB顏色，有時会因为转換到CMYK模式进行彩色打印而变的模糊不清。这是因为在显示器中影像所包含的顏色无法在CMYK的模式下重制。每一个设备的色域

(CIE色域图

)A:人类眼睛的色域

B:

彩色底片的色域C:电脑显示器的色域

D:打印的色域254.CIE颜色模型-CIEL*a*b• CIEL*a*b是

CIEXYZ颜色模型的改善。1931年国际照明委员会（CIE）制定的颜色度量国际标准的基础上建立的。1976年，这种模型被重新修订并命名为

CIE

L*a*b。• L*a*b颜色设计为与设备无关；不管使用什么设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图象，这种颜色模型产生的颜色都保持一致。• 它的L(发光性)，a(绿色到红色)和b(蓝色到黃色)是由数字所显示。在和

XYZ比较，

CIEL*a*b*颜色和人类所看到的颜色是较为相容的。在CIE

L*a*b*，颜色发光性L，色调和饱和度a、b是可以个別的被校正；因此影像的整体颜色可以在不改变影像或是其发光性下而改变。因为CIE

L*a*b是獨立的设备裝入命令，当红绿蓝三原色改变至色彩模型或是色彩模型改变至红绿蓝三原色，软体要求改变是必須先经由

CIEL*a*b*彩色模式。L:发光性a:

从绿色到红色b:

从蓝色到黃色264.CIE颜色模型-CIEL*a*b

(续)•••在Photoshop

的Lab

模式（名称中去掉了星号）中，光亮度分量(L)

范围可以从0到100，a

分量（绿-红轴）和b

分量（蓝-黄轴）范围可以从+120

到-120。可以使用Lab

模式处理Photo

CD（照片光盘）图象、单独编辑图象中的亮度和颜色值、在不同系统间转移图象以及打印到PostScript(R)

Level

2

和Level

3

打印机。要将Lab

图象打印到其它彩色PostScript设备，请先将其转换为CMYK。Lab

颜色是Photoshop

在不同颜色模式之间转换时使用的内部颜色模式。27Photoshop中的色彩模型在 Photoshop

中，颜色模式决定用来显示和打印

Photoshop

文档的色彩模型。Photoshop

的颜色模式以建立好的描述和重现色彩的模型为基础。常见的模型包括 HSB（表示色度、饱和度、亮度）；RGB（表示红、绿、蓝）；CMYK（表示青、洋红、黄、黑）；以及 CIE

L*a*b*。Photoshop

也包括为特别颜色输出的模式，比如索引颜色和双色调。除确定图象中能显示的颜色数之外，颜色模式还影响图象的通道数和文件大小。28HSB模型29• 基于人类对颜色的感觉，HSB

模型描述颜色的三个基本特征：• 色度，是从物体反射或透过物体传播的颜色。在

0

到

360度的标准色轮上，色度是按位置度量的。在通常的使用中，色度是由颜色名称标识的，比如红、橙或绿色。• 饱和度，有时也称彩度，是指颜色的强度或纯度。饱和度表示色度中灰成分所占的比例，用从

0%（灰色）到

100%（完全饱和）的百分比来度量。在标准色轮上，从中心向边缘饱和度是递增的。白、黑和其他灰色色彩都没有饱和度的。在最大饱和度时，每一色调具有最纯的色光。• 亮度，是颜色的相对明暗程度，通常用从

0%（黑）到

100%（白）的百分比来度量。为0时即为黑色。最大亮度是色彩最鲜明的状态。RGB

模式30• Photoshop

的RGB

模式使用RGB

模型，给彩色图象中每个象素的RGB分量分配一个从0（黑色）到255（白色）范围的强度值。例如，一种明亮的红色可能R

值为246，G

值为20，B

值为50。当三种分量的值相等时，结果是灰色。当所有分量的值都是255

时，结果是纯白色；而当所有值都是0

时，结果是纯黑色。• RGB是色光的色彩模式。R代表红色，G代表绿色，B代表蓝色，三种色彩叠加形成了其它的色彩。因为三种颜色都有256个亮度水平级，所以三种色彩叠加就形成1670万种颜色了。也就是真彩色，通过它们足以在现绚丽的世界。RGB

模式(续)31• 在RGB模式中，由红、绿、蓝相叠加可以产生其它颜色，因此该模式也叫加色模式。所有显示器、投影设备以及电视机等等许多设备都依赖于这种加色模式来实现的。• 就编辑图象而言，RGB色彩模式也是最佳的色彩模式，因为它可以提供全屏幕的24bit的色彩范围，即真彩色显示。但是，如果将RGB模式用于打印就不是最佳的了，因为RGB模式所提供的有些色彩已经超出了打印的范围之外，因此在打印一幅真彩色的图象时，就必然会损失一部分亮度，并且比较鲜艳的色彩肯定会失真的。。这主要因为打印所用的是CMYK模式，而CMYK模式所定义的色彩要比RGB模式定义的色彩少很多，因此打印时，系统自动将RGB模式转换为CMYK模式，这样就难免损失一部分颜色，出现打印后失真的现象。CMYK模型32• 当阳光照射到一个物体上时，这个物体将吸收一部分光线，并将剩下的光线进行反射，反射的光线就是我们所看见的物体颜色。这是一种减色色彩模式，同时也是与RGB模式的根本不同之处。不但我们看物体的颜色时用到了这种减色模式，而且在纸上印刷时应用的也是这种减色模式。按照这种减色模式，就衍变出了适合印刷的CMYK色彩模式。• CMYK

模型以打印在纸张上油墨的光线吸收特性为基础，当白光照射到半透明油墨上时，部分光谱被吸收，部分被反射回眼睛。• 理论上，纯青色

(C)、洋红

(M)

和黄色

(Y)

色素能够合成吸收所有颜色并产生黑色。由于这个原因，这些颜色叫作减色。因为所有打印油墨都会包含一些杂质，这三种油墨实际上产生一种土灰色，必须与黑色

(K)

油墨混合才能产生真正的黑色。（使用

K而不是

B

是为了避免与蓝色混淆。）将这些油墨混合产生颜色叫作四色印刷。CMYK模型(续)33• 减色

(CMY)

和加色

(RGB)

是互补色，每对减色产生一种加色，反之亦然。• 在

Photoshop

的

CMYK

模式中，每个象素的每种印刷油墨会被分配一个百分比值。最亮（高光）颜色分配较低的印刷油墨颜色百分比值，较暗（暗调）颜色分配较高的百分比值。例如，明亮的红色可能会包含

2%

青色、93%

洋红、90%

黄色和

0%

黑色。在CM