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1、多媒体技术基础(第3版)第5章 颜色的度量体系,林福宗清华大学 计算机科学与技术系2008年9月,第5章 颜色的度量体系,2/66,第5章 颜色的度量体系目录,5.1 颜色科学简史5.2 描述颜色的几个术语5.2.1 什么是颜色5.2.2 色调5.2.3 饱和度5.2.4 亮度5.2.5 颜色空间5.3 颜色的度量体系概要5.4 Munsell颜色系统,5.5 Ostwald颜色系统5.6 CIE颜色系统5.6.1 颜色科学史上的两次重要会议5.6.2 CIE 1931 RGB5.6.3 CIE 1931 XYZ5.6.4 CIE 1931 xyY5.6.5 CIE 1960 YUV和CIE
2、YUV5.6.6 CIE 1976 LUV5.6.7 CIE 1976 LAB5.6.8 CIELUV LCh和CIELAB LCh,第5章 颜色的度量体系,3/66,5.1 颜色科学简史,Isaac Newton(1642-1727)的色园1666年开始研究颜色，把红色和紫色首尾相接形成色圆/色轮(color circle /wheel)。也称牛顿色圆(Newton color circle)，见图5-1度量颜色的一种方法，圆周表示色调，圆的半径表示饱和度为揭示红(R)、绿(G)和蓝(B)相加混色奠定了基础，其互补色是C，M，Y牛顿还揭示了一个重要的事实：白光包含所有可见光谱的波长，并用棱镜
3、演示了这个事实,图5-1 牛顿色圆,第5章 颜色的度量体系,4/66,5.1 颜色科学简史(续1),Thomas Young(17731829)的假设在1802年，认为人的眼睛有三种不同类型的颜色感知接收器，大体上相当于红、绿和蓝三种基色的接收器James Clerk Maxwell(18311879) 的色度学19世纪60年代，探索了三种基色的关系认为三种基色相加产生的色调不能覆盖整个感知色调的色域，而使用相减混色产生的色调却可以认为彩色表面的色调和饱和度对眼睛的敏感度比明度低Maxwell的工作被认为是现代色度学的基础Hermann von Helmholtz(1821-1894)的理论认
4、为Young的看法非常重要，使用三种基色相加可产生范围很宽的颜色把这个想法用于定量研究，因此有时把他们的想法称为Young-Helmholt。,第5章 颜色的度量体系,5/66,5.1 颜色科学简史(续2),物理科学实验20世纪20年代对科学家们提出的理论进行了实验，表明红、绿和蓝相加混色的确能产生某个色域里的所有可见颜色，但不能产生所有的光谱色(单一波长的颜色)，尤其是在绿色范围里如果加入一定量的红光，所有颜色都可呈现，并用三色激励值(tristimulus values)表示R，G，B基色，但必须允许红色激励值为负值(即用补色)国际照明委员会(CIE)的贡献1931年定义了标准颜色体系，规
5、定所有的激励值应该为正值，并用x和y两个坐标表示所有可见的颜色绘制的CIE色度图(CIE chromaticity diagram) 是用xy平面表示的马蹄形曲线，为大多数定量的颜色度量方法奠定了基础生理学实验眼睛的不同锥体对颜色吸收性能的猜想直到1965年前后才做详细的生理学实验进行验证，结果表明，在眼睛中的确存在三种不同类型的锥体， Thomas Young的假设是正确的,第5章 颜色的度量体系,6/66,5.2 描述颜色的几个术语,颜色是什么颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的波长决定视觉系统能感觉的波长范围为380780 nm，感知到的颜色和波长之间的对应关系如图
6、5-2所示纯颜色用光的波长定义，称为光谱色(spectral colors)用不同波长的光进行组合时可产生相同的颜色感觉区分颜色的三个特性色调(hue) 饱和度(saturation) 明度(brightness),第5章 颜色的度量体系,7/66,5.2 描述颜色的几个术语(续1),图5-2 光谱色,第5章 颜色的度量体系,8/66,5.2 描述颜色的几个术语(续2),色调(hue)视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，即对可见物体辐射或发射的光波波长的感觉色调是最容易把颜色区分开的属性色调用红(red )、橙(orange)、黄(yellow)、绿(green)、青(cyan)、蓝(blue
7、)、靛(indigo)、紫(violet) 等术语来刻画用于描述感知色调的术语是色彩(colorfulness)，如浅蓝或深蓝的感觉。黑、灰、白为无色彩色调在颜色圆上用圆周表示圆周上的颜色具有相同的饱和度和明度，但它们的色调不同，见图5-3色调数目多于1000万种普通人可区分200种、50种饱和度和500级灰度颜色专业人士可辨认的色调数大约300400种,第5章 颜色的度量体系,9/66,5.2 描述颜色的几个术语(续3),图5-3 色调表示法,第5章 颜色的度量体系,10/66,5.2 描述颜色的几个术语(续4),饱和度(saturation)颜色的纯洁性可用来区别颜色明暗的程度当一种颜色掺
8、入其他光成分越多时，就说该颜色越不饱和完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色单一波长的光谱色是完全饱和的颜色半径表示法见图5-4(a)，沿径向方向上的颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同图5-4(b)所示的七种颜色具有相同的色调和明度，但具有不同的饱和度，左边的饱和度最浅，右边的饱和度最深,(a) 半径表示法,(b) 示例图5-4 饱和度表示法,第5章 颜色的度量体系,11/66,5.2 描述颜色的几个术语(续5),5.2.4 明度、亮度和光亮度中英文术语的差别在许多中文书籍和英汉词典工具书中brightness 亮度lightness 亮度luminance 亮度在本教材中，br
9、ightness明度luminance亮度lightness光亮度,第5章 颜色的度量体系,12/66,5.2 描述颜色的几个术语(续6),明度(brightness)视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性例如。一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比在白炽光下亮有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率感知的明度与反射率不成正比，认为是一种对数关系明度的主观感觉值目前无法用物理设备测量可用亮度(luminance)即辐射的能量来度量用一个数值范围表示，例如，010,第5章 颜色的度量体系,13/66,5.2 描述颜色的几个术语(续7),一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间
10、是灰色明度常用垂直轴表示，见图5-5(a)在图5-5(b)中，七种颜色具有相同色调和饱和度不同的明度底部的明度最小顶部的明度最大,(a) 垂直轴表示法 (b) 示例,图5-5 明度表示法,第5章 颜色的度量体系,14/66,5.2 描述颜色的几个术语(续8),亮度(luminance)国际照明委员会定义的物理量辐射功率用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率(radiant power)，并在555 nm处达到了峰值，它的幅度与物理功率成正比可认为“亮度就像光的强度(intensity) ”在CIE XYZ系统中，亮度用Y表示，其含义是单位面积上反射或发射的光的强度明度和亮度的关系不
11、是线性关系，也不是同义词严格地说，亮度应该使用像烛光/平方米(cd/m2)这样的单位来度量，但实际上是用指定的亮度即白光作参考，并把它标称化为1或者100个单位。例如，监视器用亮度为80 cd/m2的白光作参考，并指定Y=1。,第5章 颜色的度量体系,15/66,5.2 描述颜色的几个术语(续9),光亮度(lightness)根据国际照明委员会的定义，光亮度是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值，并用L*表示为,其中， Y是CIE XYZ系统中定义的辐射亮度，Yn是参考白色光的辐射亮度光亮度也常作为颜色空间的一个维,第5章 颜色的度量体系,16/66,5.2 描述颜色的几个术语
12、(续10),颜色空间表示颜色的一种数学方法对人，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜色对显示设备，用红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜色对打印或印刷设备，使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色通常用三维模型表示常用代表三个参数的三维坐标来指定，这些参数描述颜色在颜色空间中的位置，但并没有告诉人们是什么颜色，其颜色要取决于使用的坐标,第5章 颜色的度量体系,17/66,5.2 描述颜色的几个术语(续11),例：图5-6表示用色调、饱和度和明度构造的HSB(hue, saturation，and brightness)颜色空间色调用角度标定，红色标为0,青色标为180饱和度的深浅用半
13、径大小表示明度用垂直轴表示,图5-6 色调-饱和度-明度颜色空间,第5章 颜色的度量体系,18/66,5.2 描述颜色的几个术语(续12),颜色空间有设备相关和设备无关之分设备相关：指定生成的颜色与生成颜色的设备有关例如，RGB颜色空间是与显示系统相关的颜色空间，计算机显示器使用RGB来显示颜色，用像素值(例如，R250,G123,B23)生成的颜色将随显示器的亮度和对比度的改变而改变设备无关：指定生成的颜色与生成颜色的设备无关例如，CIE L*a*b*颜色空间是设备无关的颜色空间，它建筑在HSV(hue, saturation and value)颜色空间的基础上，用该空间指定的颜色无论在什
14、么设备上生成的颜色都相同。“颜色空间”与“颜色模型”“颜色空间(color space)”和“颜色模型(color model)”互为同义词,第5章 颜色的度量体系,19/66,5.3 颜色的度量体系概要,颜色系统(color system)定义：组织和表示颜色的方法，也称颜色度量体系、颜色制或颜色体制方法：组织和表示颜色的主要方法颜色模型(color model)：用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义例子：RGB, HSB, CMY, CIE XYZ, CIELAB，CMYK和颜色的光谱描述方法编目系统(cataloging system)：给每一种颜色分配一个唯一的名称或一个号码例1，M
15、unsell颜色系统(Munsell Color System),第5章 颜色的度量体系,20/66,5.3 颜色的度量体系概要(续1),例2，Pantone颜色系统也称Pantone颜色匹配系统(Pantone Matching System ，PMS) ，在图形艺术和印刷技术中使用的一种颜色匹配系统，包含有500多种印墨颜色，每种颜色都指定了一个号码准确性人们对物体产生某种光的感觉，一方面取决于电磁辐射对眼睛的物理刺激，另一方面取决于眼睛的视觉特性对颜色的标定最终要符合人眼的视觉特性，因此，计算颜色的一些基本数据都是来自许多观察者的颜色视觉实验结果 概要见图5-7,第5章 颜色的度量体系,
16、21/66,5.3 颜色的度量体系概要(续2),图5-7 颜色的度量方法1,第5章 颜色的度量体系,22/66,5.4 Munsell颜色系统,Albert H. Munsell1858-1919，美国杰出的艺术家和教授发表的著名论文1905年：Color Notation (颜色表示法)1915年：Atlas of the Munsell Color System (Munsell颜色制图谱)开发了第一个广泛被接受的颜色次序制(color order system)，称为Munsell color-order system或Munsell color system2，对颜色作了精确的描述并用在他的教学中Munsell颜色次序制是其他颜色系统的基础Munsell颜色系统精确指定颜色和显示各种颜色之间关系的一种方法每种颜色都有色调(hue)、明度值(value)和色度(chroma)三种属性建立了这三种属性与视觉感知特性相一致的数值范围，用Munsell颜色簿(Munsell Book of Color)显示在这些数值范围内的一套色块，每个色块用数值表示可用这套色块确定任何表面的颜色属于什么色,
