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1、颜色表示模型,颜色模型问题,颜色属于物理学和生物心理学范畴它是由于光经过与周围环境相互作用后到达人眼，并经过一系列物理和化学变化转化为人眼所能感知的电脉冲的结果。颜色的形成是一个复杂的物理和心理相互作用的过程，它涉及到光的传播特性、人眼结构及人脑心理感知等内容。一个颜色模型是一种在某种特定上下文中对颜色的特性和行为的解释方法没有一种颜色模型能解释所有的颜色问题，因此，要使用不同的模型来帮助说明能看到的不同的颜色特征。在图形应用中，某些模型用于在打印机和绘图仪上如何输出彩色；另一些模型则为用户提供更直觉的颜色参数。,颜色模型问题 光的特性 光的描述 视觉颜色 物理颜色 颜色匹配 CIE-XYZ模
2、型 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,光的颜色特性,可见光是电磁光谱（包括无线电波、微波、红外波和x射线）中狭窄的频率波段，段的每一频率对应一种颜色：在低频率端是红色；高频率端是紫色；低频到高频的光谱颜色变化分别是红、橙、黄、绿、青、蓝和紫。从红色到紫色的每一频率成份有不同能量，光源颜色用白色来描述。适当选择两种或多种初始颜色光源可形成许多其它颜色：如果两种彩色光源混合成白色光就被称为互补色。互补色的例子有：红色和青色、绿色和品红以及蓝色和黄色。以主频率为基础的混合颜色模型使用三种颜色可获得一定范围的颜色，称为模型的颜色范围(color gamut)。在颜色模型中用来生成其他颜色的两种
3、或三种颜色称为基色(primitive color)。,颜色模型问题 光的特性 光的描述 视觉颜色 物理颜色 颜色匹配 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,光的颜色描述,光是一种电磁波，常用波长或频率来说明各种颜色，由于波长比频率容易处理，故光谱颜色常用波长来指定。单色光的频率和波长互成反比例。太阳或灯泡等光源发射可见段的全部频率产生白色；当白色光投射到物体上时，某些频率被反射、某些则被物体吸收，在反射光中混合的频率确定了所感受到的物体的颜色。如果在反射光中以低频率为主，则物体呈现红色。人眼对颜色(或色度/主频率)、明度和纯度三种特征作出反应。明度(brightnes
4、e)：人感受到的物体的光亮度，单位时间、单位角度及单位投射面上光源幅射的能量。光纯度(purity)或饱和度(saturation)：纯度说明光的颜色表现得多纯，淡颜色说明不太纯。色度(chromaticity)：决定颜色的基本色彩。,颜色模型问题 光的特性 光的描述 视觉颜色 物理颜色 颜色匹配 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,视觉彩色描述,从视觉角度，颜色以色彩(Hue)、饱和度(Saturation)和明度来描述。色彩：指颜色是红、绿，还是蓝。它是一种颜色区别于另一种颜色的最重要特征；饱和度：反映颜色的纯度当向某种颜色中加入白色时就降低了它的饱和度；明度：即
5、人眼感知到的光的亮度。色彩、饱和度和明度的关系如图所示。明度沿颜色空间的中心线变化，色彩沿圆周变化，饱和度沿着半径变化。值得注意的是：色彩、饱和度和明度都是主观量，它们是颜色的非精确描述。,颜色模型问题 光的特性 光的描述 视觉颜色 物理颜色 颜色匹配 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,物理彩色描述,从物理学(色彩学)角度，颜色以主波长(Dominant wavelength)、色纯度(Purity)和亮度来描述。主波长：决定颜色的基本色彩；色纯度：反映该颜色中纯色光与白色光的比例；亮度：就是颜色光的强度。主波长、色纯度和亮度描述了产生某种颜色的光特性，光与颜色之间
6、存在着一定的对应关系，那么描述一束光也就等价于描述了它所对应的颜色。,颜色描述需要三个量，这说明颜色空间是三维的。三基色：任意互不相关(任意两种的组合不能产生三种中的另一种颜色)的三种颜色构成颜色空间的一组基。最常用的三基色是红色R、绿色G与蓝色B。三基色通过适当的混合能产生所有的颜色。,颜色模型问题 光的特性 光的描述 视觉颜色 物理颜色 颜色匹配 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,颜色匹配,颜色匹配：给定三基色对应的光谱能量分布，考虑按什么样的比例将它们混合才能与给定任一光谱能量分布（颜色）相同。颜色匹配公理：人眼只能识别颜色的三种不同刺激，颜色空间是三维的。任
7、何一种颜色都能由三基色表示，若采用红、绿和蓝为三基色，则颜色F的表达式为：F=RR+GG+BB,R,G,B为F的颜色坐标，R,G,B为三基色。F的亮度是红、绿、蓝分量的亮度和：YF=RYR+GYG+BYB。颜色的混合具有下列性质：F1+F2=(R1+R2)R+(G1+G2)G+(B1+B2)BkF=kRR+kGG+kBB。若F1=F2，F2=F3，则F1=F3。,颜色模型问题 光的特性 光的描述 视觉颜色 物理颜色 颜色匹配 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,CIE-XYZ模型,国际照明委员会(CIE)于1931年定义了XYZ颜色模型没有一组彩色光源可用来组合显示所
8、有可能的颜色CIE定义各种颜色的加色空间：X、Y、Z三基色这三种基色不是实际存在的颜色，而是虚颜色。同时，CIE定义了一组彩色匹配函数描述任何一种光谱色所需每一种基色的量。避免颜色的负值匹配即：无法采用直接匹配得到的颜色问题。一组CIE基色称为XYZ颜色模型，任一颜色F可表示成：F=XX+YY+ZZ。其中：X、Y和Z表示三维加色空间向量(即三种基色)；X、Y、Z指为匹配F所需标准基色的量(权)；一般，CIE-XYZ中特别选颜色F坐标分量Y为其亮度值。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 标准函数 色度图 颜色范围 颜色特性 紫光线 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,标准基色函数,通过基色
9、权向量(X,Y,Z)的规范化来定义其色度坐标(x,y,z)：,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 标准函数 色度图 颜色范围 颜色特性 紫光线 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,XYZ颜色空间,注意：x+y+z=1(x,y,z)落在X+Y+Z=1平面上。只要已知色度坐标(x,y)就可表示所有颜色，因：z=1-x-y。色度坐标(x,y)对应连接原点与(x,y,z)点射线上所有颜色。它们仅依赖于色彩和纯度。仅用(x,y)不能指定一种颜色，即：不能反求(X,Y,Z)，需要增加一个量：通常选取颜色的亮度Y。一种颜色的完整描述就是用三个值：(x,y,Y)。,CIE-XYZ色度图,CIE-XYZ色度
10、图：将X+Y+Z=1平面投影到XY平面上，即可绘出可见光谱中的颜色的色度值x和y。它是一条舌头状的曲线，其边界和内部表示所有可见光的色度值。曲线边界上的点对应于色纯度为100%的纯彩色；线上标明的数字表示该位置所对应单色光的主波长。,内部的点表示所有可能的可见颜色的组合。C点对应于亮白色位置，其色度坐标近似但不等于(1/3,1/3,1/3)。实际上，这一点作为白光源，称为C照明体，它是平均日光的近似标准。连接红色的紫色光谱点的直线称为紫色线，它不属于光谱。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 标准函数 色度图 颜色范围 颜色特性 紫光线 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,色度图颜色范围,
11、色度图中的颜色范围表示成直线段或多边形。两点的颜色范围是一条直线 C1到C2连线上的所有颜色可通过混合适量的C1和C2颜色而得到。如果C1占的比例大些则结果色比较接近C1，而离C2较远。,三点C3,C4和C5的颜色范围是该三点连成的三角形。三基色只能产生在三角形内部或边上的颜色。图中不可能有一个三角形能包含所有颜色。没有一个三基色组可以通过加色混合生成所有颜色。对任意三种可见光所产生的颜色(落在舌形区域内)，它们的三角形颜色区域不可能覆盖整个舌形区域，意味着它们不能混合产生所有的颜色。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 标准函数 色度图 颜色范围 颜色特性 紫光线 图形颜色模型 颜色模型转换
12、颜色模型应用,色度图颜色特性,互补色在色度图上一定表示成位于C的相反方向，且通过C的直线连接的两个点C3、C4。当混合这两个点将得到白色。二基色颜色范围可确定一种颜色的主波长。从C通过C1画一根直线与光谱曲线相交于Cs。颜色C1可表示成光C与光谱颜色Cs的混合；因此，C1的主波长就是Cs。,C1点的颜色纯度可通过沿C到Cs的直线计算C1到C的相对位置来确定：dc1表示从C到C1的距离，dcs表示C到Cs的距离，比率dc1/dcs来计算纯度。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 标准函数 色度图 颜色范围 颜色特性 紫光线 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,色度图紫光线,C与紫红线之间的颜
13、色点的主波长：从C经过C2画一根直线，得到紫红线上点Cp，Cp并不在可见光谱中。点C2称为非光谱颜色，它的主波长从位于光谱曲线上的Cp的补点(点Csp)获得。非光谱颜色是在紫品红范围内并具有从白光减去主波长(如Csp)的光谱分布。,色度图主要用于：为不同基色组比较整个颜色范围；标识互补颜色；确定指定颜色的主波长和纯度；色度图中的颜色范围表示成直线段或多边形。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 标准函数 色度图 颜色范围 颜色特性 紫光线 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用,图形系统的颜色模型,采用颜色模型是为在某个颜色域中方便地指定颜色。美术师在创作彩色画时使用彩色颜料与黑白颜料混合获得
14、各种明暗、色泽和色调。往纯彩色颜料里添加黑色颜料来生成各种有不同明暗的这种彩色。往原色中添加白色颜料可获得不同的色泽，色调则通过同时添加黑、白颜料来获得。一个颜色模型指的是三维颜色空间的一个子集，它包含某个颜色域中的所有颜色。图形软件系统常使用两种或多种模型。面向用户：给用户提供直观的接口；HSV和HLS模型。面向设备：为图形输出设备或硬件描述颜色。RGB模型、CMY模型和YIQ模型；,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 RGB模型 CMY模型 YIQ模型 HSV模型 HSV参数 HSV效用 HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,RGB模型,用由R、G和B
15、坐标轴定义的单位立方体来描述的模型。坐标原点代表黑色，坐标点(1,1,1)代表白色。坐标轴上的顶点为三基色，余下的顶点则代表每一个基色的补色。,和XYZ系统一样，RGB颜色框架是个加色模型。多种基色的强度加在一起生成另一种颜色。立方体边界的每一个颜色点表示一个三元组(R,G,B)，R、G和B的值在0到1的范围内赋值，一种颜色F在RGB中表示为：F=RR+GG+BB。灰色的明暗度由立方体的原点到白色顶点的主对角线上的位置来表示。对角线上每一点是每一种基色等量的混合。RGB视频监视器由分开的红、蓝和绿信号组成，生成屏幕磷粉组合光颜色。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 RGB模型 C
16、MY模型 YIQ模型 HSV模型 HSV参数 HSV效用 HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,用基色青、品红和黄定义的颜色模型(CMY)用来描述往硬拷贝设备上输出的颜色。绘图仪之类的硬拷贝设备通过往纸上涂颜料来生成彩色图片，通过反射光来看见颜色，这是一种减色处理。,CMY模型,在CMY模型中，点(1,1,1)因所有投射光成份都被减掉而表示黑色；原点表示白色；沿着立方体对角线每种基色量均相等而生成灰色；青色和品红墨水的混合生成蓝色，因投射光的红色和蓝色成份都被吸收；其他颜色也由类似的减色处理产生。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 RGB模型 CMY模型
17、 YIQ模型 HSV模型 HSV参数 HSV效用 HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,YIQ模型,YIQ模型：电视监视器以CIE-XYZ模型为基础，使用单个组合信号形成组合视频信号的NTSC颜色模型。YIQ颜色模型中的参数Y与XYZ模型中相同。亮度信息包含在Y参数中。黑白电视监视器只使用Y信号。NTSC视频信号最大带宽赋给Y。色度信息(色彩和纯度)结合在I和Q参数中。为Y参数选择的红蓝绿色组合给出了标准亮度曲线。参数I包含有橙-青色彩信息提供色调的明暗度，占大约1.5兆赫带宽。参数Q给出绿-品红色彩信息带宽约为0.6兆赫。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色
18、模型 RGB模型 CMY模型 YIQ模型 HSV模型 HSV参数 HSV效用 HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,HSV模型,HSV模型使用对用户更直观的颜色描述方法。要给出一种颜色描述：用户需选择一种光谱色，并加入一定量白色和黑色来获得不同的明暗、色泽和色调。,这个模型中的颜色参数是：色彩(H)；饱和度(S)；明度值(V)。HSV模型是定义在圆柱颜色坐标系中的六棱锥。饱和度沿水平轴测量明度值沿通过中心的垂直轴测量。色彩用与水平轴间的角度来表示，范围从0到360。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 RGB模型 CMY模型 YIQ模型 HSV模型 HSV
19、参数 HSV效用 HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,HSV模型参数,色彩位于六边形顶点，60为间隔：黄色位于60处，绿色在120处，青色在180处，与红色相对。相补的颜色互成180。色饱和度S从0到1变化。它表示成所选色彩的纯度与该色彩的最大纯度(S=1)的比率。当S=0.25时，所选色彩的纯度为四分之一；当S=0时，只有灰度。,明度值V从六边形顶点的0变化到顶部的1。顶点表示黑色。在六边形顶部的颜色强度最大。当V=1，S=1时，得纯色彩。白色是V=1且S=0的点。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 RGB模型 CMY模型 YIQ模型 HSV模型 H
20、SV参数 HSV效用 HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,HSV模型的效用,HSV模型对多数用户是一个较直观的模型。通常，用模型的接口给出颜色板中HSV参数选择。从指定一种纯色彩开始，即：指定色彩角H，且：V=S=1。通过将白色或黑色加入到纯色彩中来描述所要的颜色，增加黑色：减小V，而S保持不变：要得到深蓝色，V=0.4，S=1，且H240；将白色加进所选色彩中时，参数S减小而V保持不变：深蓝色用S=0.3,V=1，且H=240来设定。添加一些黑色和白色，则同时减小V和S。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 RGB模型 CMY模型 YIQ模型 HSV模
21、型 HSV参数 HSV效用 HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,HSV模型的使用,结合明暗、色泽和色调等术语的颜色概念反映在HSV六边形的剖切平面中。往纯色彩中添加黑色时，把V减小到六边形的下方。因此，各种明暗用S=1，且0V1来表示。往纯色调中添加白色生成六边形顶部平面各种色泽，该平面上V=1,0S1。同时添加白色和黑色可指定各种色调，生成六棱锥体三角形剖切面范围内的颜色点。,如果一个图形系统为用户提供HSV颜色参数，则需要将这些参数转换成RGB然后才能输出到彩色监视器。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 RGB模型 CMY模型 YIQ模型 HSV模
22、型 HSV参数 HSV效用 HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,HLS模型,Tektronix公司使用的HLS是一个基于直观颜色参数的模型，该模型表示为如图所示的双棱锥体。该模型中的三个参数称为色彩(H)，亮度(L)和色饱和度(S)。与HSV模型一样，HLS模型允许用户按选择色彩更暗些或更亮些的概念来思考。一种色彩通过色彩角H来选择，而所需的明暗、色泽及色调则通过调节L和S来获得。增加L使颜色更亮，减少L则使其更暗些。当S减少时，颜色向灰色变化。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 RGB模型 CMY模型 YIQ模型 HSV模型 HSV参数 HSV效用
23、HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,HLS模型参数,色彩含义与HSV模型中相同。它指明所选色彩位置与水平轴之间的夹角。H=0与蓝色相对应。其余颜色按与HSV模型中同样次序围绕锥体逐一指定：品红在60、红色在120、青色位于H=180。互补色在双棱锥上互成180。该模型的垂直轴称为亮度L。在L=0处为黑色；L=1处为白色；灰度则沿着L轴分布，且“纯色彩”位于L=0.5的平面上。饱和度参数S也是说明颜色的相对纯度。该参数变化范围为从0到1，对纯色彩来说，S=1，且L=0.5。当S减少时，色彩的纯度也减少。当S=0时，仅有灰度。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色
24、模型 RGB模型 CMY模型 YIQ模型 HSV模型 HSV参数 HSV效用 HSV使用 HLS模型 HLS参数 颜色模型转换 颜色模型应用,RGB-CMY转换,表示从RGB到CMY转换的变换矩阵：(C,M,Y)=(1,1,1)-(R,G,B)。这里白色在RGB系统中表示成单位列向量。把CMY颜色表示转换成RGB的变换矩阵：(R,G,B)=(1,1,1)-(C,M,Y)。这里黑色在CMY系统中表示成单位列向量。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 RGB-CMY RGB-YIQ HSV-RGB HSV-RGB HLS-RGB 颜色模型应用,YIQ-RGB转换,NTSC
25、编码器：将RGB值转换为YIQ值利用NTSC编码器，一个RGB信号可转换成NTSC电视信号，然后将I和Q信息调整和添加到Y信号上。赋给参数Y的红和绿色比重越多，表明这些色彩在确定亮度中比蓝色更重要。NTSC视频信号也可用NTSC解码器转换成RGB信号，解码器将视频信号分解成YIQ成分，然后转换成RGB值。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 RGB-CMY RGB-YIQ HSV-RGB HSV-RGB HLS-RGB 颜色模型应用,HSV-RGB转换,从RGB立方体到HSV六棱锥演变：设想沿对角线从RGB的白色顶点向黑色顶点观察，可看到立方体的六边形外形。六边形边界
26、表示不同色彩，用于HSV六棱锥的顶部。在六棱锥中，色饱和度沿水平轴测量，而明度值沿通过六棱锥中心的垂直轴测量。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 RGB-CMY RGB-YIQ HSV-RGB HSV-RGB HLS-RGB 颜色模型应用,HSV-RGB转换,RGB立方体从黑色(原点)到白色的立方体对角线与六棱锥的V轴对应；RGB立方体每一子立方体与六棱锥的六边形剖面区域相对应。在任一剖切面中，六边形的各边和从V轴到任一顶点的射线都具有明度值V。对任一组RGB值，V与其中的最大值相等与一组RGB值对应的HSV点位于明度值为V的六边形剖切面上。参数S按该点到V轴的相对
27、距离来确定，参数H通过计算该点在六边形的六等分中的相对位置来确定。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 RGB-CMY RGB-YIQ HSV-RGB HSV-RGB HLS-RGB 颜色模型应用,HLS-RGB转换,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 RGB-CMY RGB-YIQ HSV-RGB HSV-RGB HLS-RGB 颜色模型应用,颜色的选择,获得一组坐标颜色的方法是从颜色模型某子空间中来产生。如果颜色是从沿RGB或CMY立方体中任一直线段上的规则间隔中选择，可以得到一组匹配得较好的颜色。随机地选取色彩可能会导致刺目和不调和的颜
28、色组合。选择颜色组合的另一种考虑不同颜色是人类视觉系统不同程度的感受。这是因为人眼是按频率来注意到颜色的：蓝色特别有助于放松；红色图案附近显示蓝色图案会引起眼疲劳，因注意力从一个区域转向另一区域时要不断地重新聚焦。分开这些颜色或使用HSV模型中的一半或更少的颜色可减少上述问题。作为一种规则，使用较少的颜色比较多颜色能产生更令人满意的显示，而色泽和明暗比纯色彩更调和；对背景来说最好使用灰色或前景色的补色。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用 颜色选择 颜色指定 颜色插值,颜色的指定,RGB模型颜色指定方式,HSV模型颜色指定方式,颜色模型问题 CIE-XY
29、Z模型 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用 颜色选择 颜色指定 颜色插值,颜色插值,颜色插值是指对两个给定颜色进行插值以产生位于它们之间的均匀过渡的颜色。颜色插值至少在三个场合有着重要的应用：真实感图形显示的着色处理、反走样算法以及制作动画时需要的图像融合（产生淡入淡出的效果）。颜色插值结果依赖于所采用的颜色模型，必须小心地选择一个合适的模型。从一个颜色模型到另一个颜色模型的转换将直线段变换成另一颜色空间的直线段，那么采用这两个模型进行线性插值的结果是相同的。对着色来讲，可采用前面的任一种颜色模型，当进行反走样或图像溶合时，一般采用RGB模型比较合适。对色彩相同的两种颜色进行插值，并希望保持该色彩的话，采用HSV模型较好。,颜色模型问题 CIE-XYZ模型 图形颜色模型 颜色模型转换 颜色模型应用 颜色选择 颜色指定 颜色插值,
