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1、第九章颜色视觉9.1 颜色现象9.1.1 颜色的基本性质9.1.2 颜色立体9.1.3 颜色的交互作用和颜色恒常性9.1.4 颜色的混合9.2 颜色的匹配和标定9.2.1 颜色的匹配和颜色方程9.2.2 色度图和色度坐标9.2.3 颜色相加原理9.2.4 颜色的标定9.3 颜色视觉理论9.3.1 三色理论9.3.2 颜色对立机制理论9.3.3 视网膜皮层理论9.4 颜色信息的计算机处理9.4.1 系统颜色空间的标定9.4.2 色度信息的表示9.4.3 颜色图象分割和颜色反射模型9.1 颜色现象9.1.1 颜色的基本性质颜色是外界光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。所以颜色特性既可以从客观
2、刺激方面来衡量，也可以从观察者的主观感觉方面来描述。描述客观刺激的概念是心理物理学概念；描述观察者主观感觉的概念是心理学概念。确定光的心理物理量与心理量的关系是感觉心理学研究的重要任务。颜色视觉有三种特性，描述颜色的心理物理量是亮度、主波长和纯度，相应的心理量是明度，色调和饱和度。颜色分两大类：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于这两者之间深浅不同的灰色。它们可以排成一个系列，由白色逐渐到浅灰、中灰、深灰直到黑色。这叫白黑系列或无色系列。白黑系列由白到黑的变化可以用一条直线代表，一端是纯白，另一端是纯黑。中间有着各种不同等级的灰色过渡（图9.1）。所谓灰色是相对的，比周围明亮的称为浅灰，比
3、周围暗的称为深灰，灰色是最不饱和色之一。所谓纯白和纯黑也是相对而言的，并无绝对的标准，白雪接近纯白，黑绒接近纯黑，由白和黑按不同比例混合可得出各种灰色。白色和各种灰色是物体表面没有选择性的反射。白黑系列的非彩色的反射率代表物体的明度。反射率越高时接近白色，反射率低时接近黑色。一张洁白的纸的反射率可达85%以上。用来测量颜色、定标用的标准白板的反射率可达90%以上。一张黑纸的反射率可低至5%以下，黑色天鹅绒的反射率甚至可低于0.05%。图9.1白黑系列表示光的强度的心理物理学概念是亮度（Luminosity）。所有的光，不论是什么颜色都可以用亮度来测量。非彩色的白黑变化相应于白光的亮度变化。当白
4、光的亮度非常高时，人眼就感觉到是白色的；当光的亮度很低时，就感觉到发暗或发灰；无光时是黑色的。与亮度相应的心理学概念是明度（brightness）。明度是人眼对物体的明亮感觉，受视觉感受性和过去经验的影响。通常明度的变化相应于亮度的变化。物体表面或光源的亮度越高，人感觉到的明度就越高。但二者的关系并不固定。若亮度的微小增加或减少达不到人眼的分辨阈限，眼睛就觉察不出明度的变化。这时亮度虽有变化而明度却不变。在暗环境中观察一张高反射率的书页与在亮环境中观察一块低反射率的黑墨相比，虽然可能后者的亮度大于前者，但由于观察者已经知道它们是书页和黑墨，所以书页仍感觉为白色，而黑墨仍为黑色，有较低的明度。这
5、是因为观察者有对书页和黑墨的记忆和经验，有周围其它物体的相对明度作参考，以及对不同照明条件的认识影响了明度感觉。彩色系列或有色系列是指除了白黑系列以外的各种颜色。我们通常所说的颜色即指彩色。彩色的第一个特性是用心理物理量亮度和心理量明度来表示的。所有的光，不论是什么颜色都可以用光的亮度来定量。与非彩色相似，彩色光的亮度越高，人眼就感觉明亮，或者说有较高的明度。彩色物体表面的反射率越高，它的明度就越高。表示彩色的第二个特性的心理物理学概念是主波长（dominant wavelength）。与主波长相应的心理学概念是色调（hue）。光谱是由不同波长的光组成的。用三棱镜可以把日光分解成光谱上不同波长
6、的光，不同波长所引起的不同感觉就是色调。例如，700纳米波长光的色调是红色，579纳米波长光的色调是黄色，500纳米光的色调是绿色等。若将几种主波长不同的光按适当的比例加以混合，则能产生不具有任何色调的感觉，也就是白色。事实上，只选择两种主波长不同的光以适当的比例加以混合也能产生白色。这样的一对主波长的光叫做互补波长。例如，600纳米的橙色和492纳米的蓝绿色是一对互补波长；575.5纳米的黄色和474.5纳米的蓝色也是互补波长。一对互补波长的色调叫互补色。光源的色调决定于人眼对辐射光的光谱组成产生的感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面反射（透射）的各波长的比例对人眼产生的感觉。例如
7、，在日光下，一个物体反射480-560纳米波段的辐射，而相对吸收其它波长的辐射，那么该物体表面为绿色。表示彩色第三个特性的心理物理学概念是颜色纯度（purity），其相应的心理学概念是饱和度（saturation）。纯色是指没有混入白色的窄带单色光。在视觉上就是高饱和度的颜色。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色搀入白光成分越多时，就越不饱和。例如，主波长为650纳米的光是非常纯的红光。如果把一定数量的白光加到这个红光上，混合的结果便产生粉红色。加入的白光越多，混合后的颜色光就越不纯，看起来就越不饱和。光刺激的心理物理特性可以按亮度，主波长和纯度来确定。这些特性又分别同明度、色调、饱和
8、度的主观感觉相联系。颜色可分为彩色和非彩色。光刺激如果没有主波长，这个光就是非彩色的白光，它没有纯度。然而所有视觉刺激都有亮度特性。亮度是彩色刺激和非彩色刺激的共同特性，而主波长和纯度表示刺激是彩色的。9.1.2 颜色立体用一个三维空间纺锤体形立体可以把颜色的三种基本特性明度、色调和饱和度全部表示出来（图9.2）。在颜色立体中垂直轴代表白黑系列明度的变化。顶端是白色，中间图9.2 颜色立体是各种灰度的过渡，底部是黑色。沿垂直轴的上下方向，越在上方明度就越大。色调由水平的圆周表示。圆周上的各点代表光谱上各种不同的色调（红、橙、黄、绿、蓝、紫）。图形的中心是中灰色。中灰色的明度和圆周上各种色调的明
9、度相同。从圆周向圆心过渡表示颜色饱和度逐渐降低。当颜色在立体的同一平面变化时只改变色调或饱和度而不改变明度。这个颜色纺缍体只是一个理想化的示意模型。目的是使人们更容易理解颜色三特性的相互关系。在真实的颜色关系中，饱和度最大的黄色并不在中等明度的地方，而是在靠近白色的明度较高处；饱和度最大的蓝色则在靠近黑色的明度较低处。因此，颜色立体中部的色调图象平面应该是倾斜的，黄色部分较高，蓝色部分较低。而且色调平面圆周上的各种饱和色调离开垂直轴的距离也不一样，某些颜色能达到较高的饱和度，所以这个圆形平面并不是真正的圆形。9.1.3 颜色的交互作用和颜色恒常性我们在某一物体表面所看到的颜色不仅取决于这个表面
10、本身产生的物理刺激，而且还取决于同时呈现在它周围的颜色。物体本身的颜色和它周围颜色的交互作用能影响被看表面的色调和明度。当被看的颜色向它周围颜色的对立方向转化，即向周围颜色的补色方向变化时，叫做颜色的同时交互作用，或颜色对比。例如，在红色背景中放一小块白纸或灰纸，用眼睛注视白纸几分钟，白纸会表现出绿色。如果背景是黄色，白纸会出现蓝色。红和绿是互补色，黄和蓝也是互补色。当在一个颜色（包括灰色）的周围呈现高亮度或低亮度刺激时，这个颜色就向其周围明度的对立方向转化，这叫做明度对比。白背景上的灰方块呈浅黑色，而黑背景上的灰方块则呈白色等。对比效应在视觉中有重要作用，明度对比更是这样。它与视觉中的颜色恒
11、常性相联系。一块煤在阳光下单位面积反射光比一张白纸在黑暗处时高一千倍。但我们仍然把煤看成是黑的，而把纸看成是白的、灰的、或黑的。这是由这个物体与周围物体的相对明度关系决定的。白纸不管在什么样的照明条件下都是白的，而煤仍然是黑的。这就是说，尽管外界的条件发生变化，人们仍然根据物体的固有颜色来感知它们。这是颜色恒常性的表现。在一天的过程中，我们周围物体所受的照度会有很大的变化。中午时的照度要比日出时和日落时高几百倍。但在日常生活中，当照明条件变化时我们的视觉仍能保持对物体颜色的恒常性，这才使我们对周围物体有正确的认识。颜色恒常性还表现在当光源的光谱成分发生变化时被观察物体的颜色在一定程度上看起来仍
12、然保持不变。例如，室内不管由白炽灯的黄光或萤光灯的蓝光照明，书页纸看起来都是白色的。但如果让被试验者通过一个圆筒，只看到被照射物体的一小块面积，同时又不让他知道是用哪一种色光照射时，一张白纸在用红光照射时就会被看成是红色的。一个物体的明度和色调不仅取决于当前的刺激，而且也与先前刺激的后效有关。这种后效叫相继交互作用，或相继对比效应。例如，我们看一个红色方块一段时间后再注意看一个均匀的灰色表面，就会看到一个很快消失的绿色方块的映象，映象的颜色是诱导颜色的补色，这样产生的映象叫做负后象。对黑色和白色也是同样的情况，黑色的负后象是白色，而白色的负后象是黑色。后象也可以是与原来刺激相同的颜色，这种后象
13、叫做正后象。9.1.4 颜色的混合对颜色混合的研究可追溯到十七世纪后期牛顿的工作。他用棱镜把太阳光分散成光谱上的颜色光带。牛顿通过实验证明了：(1) 白光是由很多不同颜色的光混合而成的结果；(2) 作为白光成分的单色光具有不同的折射度。牛顿进一步进行了颜色混合的实验，让白光通过两个棱镜以产生两个光谱，再设法使两个光谱上的单色光相混合。牛顿发现光谱上的两种颜色相混合会出现一种新的颜色。绿光和红光混合会出现黄色，黄光和红光混合会出现橙色，而且在光谱上能找到这个颜色，它位于红和黄之间。一般来说，光谱上临近的两种颜色混合所产生的新颜色处于光谱上两种被混合颜色的中间，称为中间色。但也有例外。例如，两种颜
14、色在光谱上距离很远。它们混合所产生的新颜色可能是灰色或白色，这叫中性颜色。光谱两端的红光和蓝色相混合会出现一个光谱上找不到的新颜色，这个颜色是紫色，它被叫做非光谱色。颜色混合的各种规律可以用叫做颜色环的理想示意图来表示。若把饱和度最高的光谱色依顺序围成一个环再加上紫红色就构成了图9.3所示的颜色环。圆环的圆周代表色调，白色位于圆环中心。每一种颜色都在圆环上或圆环内占一确定位置。颜色越不饱和其位置越靠近中心。这个模型可用来定性地预测各种颜色光相混合的结果。例如，圆周上的b点代表480纳米的蓝色光，g点代表520纳米的绿色光。如果这两种光以相等的亮度相混合，那么我们用直线连接圆周上的b，g两点，再
15、由圆心画一条线过这条线的中点，并落在圆周的bg点上，这一点的颜色就是这两种颜色相混合的结果，它是蓝绿色。又例如，当r（红）和g（绿）两种颜色相混合时，我们就从r点到g点连接一条直线，如果r和g分别代表660纳米的红光和520纳米的绿光，两者又是等量混合的话，这条线就通过圆环的中心，这说明混合的结果是一个中性颜色，而这两个相混合的颜色则互为补色。480纳米蓝光和660纳米红光相混合将呈现紫色，这个颜色在光谱上是没有的，但在颜色环上能表示出来。它位于红、蓝之间。圆环模型的优点是它是一个封闭的图形能使相似的颜色彼此靠近，并能将由颜色混合产生的非光谱色表现出来。图9.3 颜色环十九世纪初，Yaung提
16、出某一波长的光可以通过三种不同波长的光相混合而复现出来的假设。他认为红(R) 、绿(G) 、蓝(B)这三种单色光可以作为基本的颜色原色，把这三种光按不同的比例混合就能准确地复现出任何其它波长的光。当把它们以等量混合时会产生中性的颜色白光(W)，后来Maxwell用旋转圆盘所做的颜色混合实验证明了Yaung 的假设。Maxwell证明在颜色圆盘上按不同的比例混合三种颜色可以产生任何色调。他还证明这三种颜色不一定是红、绿、蓝，任何三种颜色，只要混合后能产生中性色，都可以起原色作用。用三种原色能产生各种颜色的原理是当今颜色科学中最重要的原理。这个原理经过Helmhotz的进一步发展形成了颜色视觉机制学说，即三种感受器理论，或称为三色学说。颜色混合的另一个重要特点是颜色可以相互代替。例如，黄光和蓝光混合得白光。若没
