2023年CG颜色表示模型（教学课件）.ppt

颜色表示模型颜色表示模型 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；另一些模型那么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。适中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。以主频率为根底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、某些那么被物体吸收，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，那么物体呈现红色。人眼对颜色(或色度/主频率)、明度和纯度三种特征作出反响。明度(brightnese)：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)：决定颜色的根本色彩。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 当向某种颜色中参加白色时就降低了它的饱和度；明度：即人眼感知到的光的亮度。色彩、饱和度和明度的关系如下图。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。黑 色彩 饱和度 明度 白 绿 蓝 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：决定颜色的根本色彩；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。任何一种颜色都能由三基色表示，假设采用红、绿和蓝为三基色，那么颜色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。颜色的混合具有以下性质：F1+F2=(R1+R2)R+(G1+G2)G+(B1+B2)B kF=kRR+kGG+kBB。假设F1=F2，F2=F3，那么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。防止颜色的负值匹配 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 通过基色权向量(X,Y,Z)的标准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)。ZYXZzZYXYyZYXXxYXZYXZYyyxZYYYyxX1,CIE-XYZ色度图 0 00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.7x x0.10.10.80.80.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.7(紫紫)(红红)(黄黄)(绿绿)(青青)(蓝蓝)400400480480700700600600580580560560540540520520500500光谱颜色光谱颜色c cCIECIE色度图色度图,沿曲线的光沿曲线的光谱颜色位置谱颜色位置用波长单位用波长单位(nm)nm)标出标出y y(紫红紫红)0 00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.7x x0.10.10.80.80.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.7(紫紫)(红红)(黄黄)(绿绿)(青青)(蓝蓝)400400480480700700600600580580560560540540520520500500光谱颜色光谱颜色c cCIECIE色度图色度图,沿曲线的光沿曲线的光谱颜色位置谱颜色位置用波长单位用波长单位(nm)nm)标出标出y y(紫红紫红)CIE-XYZ色度图：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 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适宜量的C1和C2颜色而得到。如果C1占的比例大些那么结果色比较接近C1，而离C2较远。0 00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.7x x0.10.10.80.80.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.7400400480480700700600600580580560560540540520520500500y yc c1 1c c2 2c c3 3c c5 5c c4 4c c色度图中的二色度图中的二基色和三基色基色和三基色系统定义的颜系统定义的颜色范围色范围0 00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.7x x0.10.10.80.80.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.7400400480480700700600600580580560560540540520520500500y yc c1 1c c2 2c c3 3c c5 5c c4 4c c色度图中的二色度图中的二基色和三基色基色和三基色系统定义的颜系统定义的颜色范围色范围 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 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。00.10.20.30.40.50.60.7x0.10.80.20.30.40.50.60.7400480700600580560540520500yc1c2c3c4ccscpcsp色度图中表示补色色度图中确定主波长和纯度 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 00.10.20.30.40.50.60.7x0.10.80.20.30.40.50.60.7400480700600580560540520500yc1c2c3c4ccscpcsp色度图中表示补色色度图中确定主波长和纯度00.10.20.30.40.50.60.7x0.10.80.20.30.40.50.60.7400480700600580560540520500yc1c2c3c4ccscpcsp色度图中表示补色色度图中确定主波长和纯度C与紫红线之间的颜色点的主波长：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