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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2008-07-01 1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 RGB 5.6.3 CIE 1931 XYZ 5.6.4 CIE 1931 xyY 5.6.5 CIE 19
2、60 YUV 和CIE YUV 5.6.6 CIE 1976 LUV 5.6.7 CIE 1976 LAB 5.6.8 CIELUV LCh和 CIELAB LCh25章 颜色的度量体系 5.1 颜色科学简史nIsaac 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：
3、白光包含所有可见光谱的波长， 并用棱镜演示了这个事实 图5-1 牛顿色圆 35章 颜色的度量体系 5.1 颜色科学简史(续1)nThomas 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nJames Clerk Maxwell(18311879) 的色度学19世纪60年代，探索了三种基色的关系n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n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nHermann von Helm
4、holtz(1821-1894)的理论认为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。45章 颜色的度量体系 5.1 颜色科学简史(续2)n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n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n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)n国际照明委员会(
5、CIE)的贡献1931年定义了标准颜色体系，规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n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 55章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语n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n视觉系统能感觉的波长范围为38
6、0780 nm，感知到的 颜色和波长之间的对应关系如图5-2所示n纯颜色用光的波长定义，称为光谱色(spectral colors)n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n色调(hue) n饱和度(saturation) n明度(brightness) 65章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续1)图5-2 光谱色 75章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续2)n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n色调是最容易把颜色区分开的属性n色调用红(red )、橙(orange)、黄(yellow)
7、、绿(green)、青 (cyan)、蓝(blue)、靛(indigo)、紫(violet) 等术语来刻画n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n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n普通人可区分200种、50种饱和度和500级灰度n颜色专业人士可辨认的色调数大约300400种85章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续3)图5-3 色调表示法 95章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续4)n饱和度(saturation)颜色的纯洁性
8、n可用来区别颜色明暗的程度n当一种颜色掺入其他光成分越 多时，就说该颜色越不饱和n完全饱和的颜色是指没有渗入 白光所呈现的颜色n单一波长的光谱色是完全饱和 的颜色半径表示法n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n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 105章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续5)n5.2.4 明度、亮度和光亮度中英文术语的差别n在许多中文书籍和英汉词典工具书中ubrightness 亮度uli
9、ghtness 亮度uluminance 亮度n在本教材中，ubrightness明度uluminance亮度ulightness光亮度115章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续6)n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n例如。一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比在 白炽光下亮n有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率u感知的明度与反射率不成正比，认为是一种对数关 系n明度的主观感觉值目前无法用物理设备测量u可用亮度(luminance)即辐射的能量来度量u用一个数值范围表示，例如，010125章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续7
10、)u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n相同色调和饱和 度n不同的明度n底部的明度最小n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135章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续8)n亮度(luminance)国际照明委员会定义的物理量辐射功率n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) ”n在CIE XY
11、Z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是线性关系，也不是同义词n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。 145章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续9)n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
12、作为颜色空间的一个维 155章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续10)n颜色空间表示颜色的一种数学方法n对人，可以通过色调、饱和度和明度来定义颜 色n对显示设备，用红、绿和蓝磷光体的发光量来 描述颜色n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n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 165章 颜色的度量体系 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
13、brightness)颜色空 间n色调用角度标定， 红色标为0,青色 标为180n饱和度的深浅用半 径大小表示n明度用垂直轴表示图5-6 色调-饱和度-明度颜色空间 175章 颜色的度量体系 5.2 描述颜色的几个术语(续12)n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n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，R 250,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n例如，CIE L*a*b*颜色空间是设备无关的颜色空间，它 建筑
14、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么设备上生成的颜色 都相同。n“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185章 颜色的度量体系 5.3 颜色的度量体系概要n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n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u例子：RGB, HSB, CMY, CIE XYZ, CIELAB， CMYK和颜色
15、的光谱描述方法n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u例1，Munsell颜色系统(Munsell Color System)195章 颜色的度量体系 5.3 颜色的度量体系概要(续1)u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n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n对颜色的标定最终要符合人眼
16、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5-7205章 颜色的度量体系 5.3 颜色的度量体系概要(续2)图5-7 颜色的度量方法1215章 颜色的度量体系 5.4 Munsell颜色系统nAlbert H. Munsell1858-1919，美国杰出的艺术家和教授发表的著名论文n1905年：Color Notation (颜色表示法)n1915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nMunsell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n每种
