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顏色模型和顏色應(yīng)用1
1顏色的基本概念要生成具有高度真實(shí)感的圖形，就必須考慮被顯示物體的顏色。對(duì)顏色的研究非常復(fù)雜，涉及到物理學(xué)、心理學(xué)、美學(xué)等領(lǐng)域。描述顏色最簡(jiǎn)單的方法是用顏色名詞,給每種顏色一個(gè)固定的名稱，并冠以適當(dāng)?shù)男稳菰~，如大紅、血紅、鐵銹紅、淺黃、檸檬黃等等。于是人們可以用顏色名詞來(lái)交流色知覺(jué)信息。但是這種方式不能定量表示色知覺(jué)量。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，我們需要對(duì)顏色進(jìn)行定量的討論。2
2物體的顏色與物體本身，光源，周圍環(huán)境的顏色，以及觀察者的視覺(jué)系統(tǒng)都有關(guān)系。有些物體（如粉筆、紙張）只反射光線，另外有些物體（如玻璃、水）既反射光，又透射光，而且不同的物體反射和透射光的程度也不同。一個(gè)只反射純紅色的物體用純綠色照明時(shí)，呈黑色。類似地，從一塊只透紅光的玻璃后面觀察一道藍(lán)光，也是呈黑色。正常人可以看到彩色，全色盲患者則只能看到黑、白、灰色。3
3光的特性從物理學(xué)知識(shí)我們知道，光在本質(zhì)上是電磁波，波長(zhǎng)為400至700nm。這些電磁波被我們視覺(jué)系統(tǒng)感知為紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅等顏色（按高頻到低頻的順序）。4
4顏色三要素按照1854年發(fā)表的格拉斯曼(H.Grassmann)定律，從視覺(jué)的角度，顏色包含三個(gè)要素：色調(diào)（hue）、飽和度(saturation)和亮度(lightness)。色調(diào)也稱色彩，就是我們通常所說(shuō)的紅、藍(lán)、紫等，是使一種顏色區(qū)別于另一種顏色的要素。飽和度就是顏色的純度（purity)。在某種顏色中添加白色相當(dāng)于減少該顏色的飽和度。例如，鮮紅色的飽和度高，而粉紅色的飽和度低。亮度也叫明度，就是光的強(qiáng)度。5
5這三個(gè)要素在光學(xué)中也有對(duì)應(yīng)的術(shù)語(yǔ)：主波長(zhǎng)（dominantwavelength）主波長(zhǎng)是我們觀察光線所見(jiàn)顏色光的波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)于視覺(jué)所感知的色調(diào)。（或叫主頻率）純度(purity)光的純度對(duì)應(yīng)于顏色的飽和度。輝度就是顏色的亮度。一種顏色光的純度是定義該顏色光的（主波長(zhǎng)的）純色光與白色光的比例。輝度(luminance)。每一種純色光都是百分之百飽和的，因而不包含白色光。6
6顏色的生成太陽(yáng)或燈泡等光源發(fā)射可見(jiàn)波段的全部頻率而產(chǎn)生白色光。當(dāng)白色光投射到一個(gè)物體上時(shí)，某些頻率被反射，某些則被物體吸收了。在反射光中混合的頻率確定了我們所感受到的物體的顏色。如果在反射光中以低頻率為主，則物體呈現(xiàn)紅色。則我們說(shuō)光主要含有光譜中紅色端的頻率。7
7用光譜能量分布圖來(lái)表征光源特性，如圖：橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示各個(gè)波長(zhǎng)的光在光源中所含的能量值。圖：某種顏色光的光譜能量分布8
8當(dāng)觀察由兩個(gè)或多個(gè)光源混合的光時(shí)，我們看到由這幾種光源共同確定的特征。兩種不同顏色的光源在合適的強(qiáng)度組合下可以生成另一種顏色?；パa(bǔ)色：若兩種彩色光源混合成白色光。9
9適當(dāng)?shù)剡x擇兩種或多種基本顏色（一般取主頻率顏色），可以形成許多其他顏色，當(dāng)使用三種顏色可以獲得一定范圍的顏色，稱該范圍為模型的顏色范圍（colorgamut），而用來(lái)生成其他顏色的三種顏色稱為基色／原色（primarycolor)。10
10一般地，我們稱具有如下性質(zhì)的三種顏色為原色：用適當(dāng)比例的這三種顏色混合，可以獲得白色，而且這三種顏色中的任意兩種的組合都不能生成第三種顏色。我們希望用三種原色的混合去匹配，從而定義可見(jiàn)光譜中的每一種顏色。在彩色圖形顯示器上，通常采用的紅、綠、藍(lán)三種基色，就具有以上的性質(zhì)，因而是三種原色。11
11可以用紅、綠、藍(lán)三色來(lái)匹配可見(jiàn)光譜中的顏色，光的匹配可用式子表示為c=rR+gG+bB其中等號(hào)表示兩邊所代表的光看起來(lái)完全相同，加號(hào)表示光的疊加（當(dāng)對(duì)應(yīng)項(xiàng)的權(quán)值r,g或b為正時(shí)），c為光譜中某色光，R、G、B為紅、綠、藍(lán)三種原色光，權(quán)r、g、b表示匹配等式兩邊所需要的R、G、B三色光的相對(duì)量。若權(quán)值為負(fù)，則表示我們不可能靠疊加紅、綠、藍(lán)三原色來(lái)匹配給定光，而只能在給定光上疊加負(fù)值對(duì)應(yīng)的原色，去匹配另二種原色的混合。如果要用紅、綠、藍(lán)三原色來(lái)匹配任意的可見(jiàn)光 ，權(quán)值中將會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。12
12在實(shí)際的基本顏色中，沒(méi)有哪一組集合能組合生成所有可見(jiàn)的顏色，如ＲＧＢ模型不能顯示５00nm左右的顏色。但對(duì)多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，顏色量是足夠的。由于實(shí)際上不存在負(fù)的光強(qiáng)，人們希望找出另外一組原色，用于替代R、G、B使得匹配時(shí)的權(quán)值都為正。13
13標(biāo)準(zhǔn)基色和色度圖1931年，國(guó)際照明委員會(huì)（簡(jiǎn)稱CIE）規(guī)定了三種標(biāo)準(zhǔn)原色X，Y，Z，用于顏色匹配。對(duì)于可見(jiàn)光譜中的任何主波長(zhǎng)的光，都可以用這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)原色的疊加（即正權(quán)值）來(lái)匹配。即對(duì)于可見(jiàn)光譜中任一種顏色c，我們可以找到一組正的權(quán)（x，y，z），使得c=xX+yY+zZ用CIE標(biāo)準(zhǔn)三原色去匹配c。14
14XYZ空間中包含所有可見(jiàn)光的部分形成一個(gè)錐體，也就是CIE顏色空間。由于權(quán)值均為正，整個(gè)錐體落在第一卦限。若從原點(diǎn)引一條任意射線穿過(guò)該錐體，則該射線上任意兩點(diǎn)(xyz)和(x’y’z’)間具有關(guān)系(xyz)=a(x’y’z’)(a>0)所以該射線上任意兩點(diǎn)（除原點(diǎn)外）代表的色光具有相同的主波長(zhǎng)和純度，只是輝度不同。如果我們只考慮顏色的色調(diào)和飽和度，那么在每條射線上各取一點(diǎn)，就可以代表所有的可見(jiàn)光。習(xí)慣上，這一點(diǎn)取作射線與平面X+Y+Z=1的交點(diǎn)，把它的坐標(biāo)稱為色度值。15
15我們可以通過(guò)把式中的權(quán)規(guī)格化，即下列三個(gè)式子，使得x+y+z=1，即獲得顏色c的色度值（x,y,z）x=y=z=16
16CIE色度圖所有的色度值落在錐形體與x+y+z=1平面的相交區(qū)域上。把這個(gè)區(qū)域投影到XY平面上，所得的馬蹄形區(qū)域稱為CIE色度圖。17
17馬蹄形區(qū)域的邊界和內(nèi)部代表了所有可見(jiàn)光的色度值（因?yàn)楫?dāng)x,y確定之后，z=1-x-y也隨著確定）。彎曲部分上每一點(diǎn)，對(duì)應(yīng)光譜中某種純度為百分之百的色光。線上標(biāo)明的數(shù)字為該位置所對(duì)應(yīng)的色光的主波長(zhǎng)。從最右邊的紅色開(kāi)始，沿邊界逆時(shí)針前進(jìn)，依次是黃、綠、青、藍(lán)、紫等顏色。圖中央一點(diǎn)C對(duì)應(yīng)于一種用于近似太陽(yáng)光的標(biāo)準(zhǔn)白光。C點(diǎn)接近于，但不等于x=y=z=1/3的點(diǎn)。18
18CIE色度圖的一個(gè)重要用途是定義顏色域（colorgamut）或稱顏色區(qū)域(colorrange)以便顯示疊加顏色的效果。如圖3所示，I和J是兩個(gè)任意的顏色。當(dāng)它們用不同的比例疊加時(shí)，可以產(chǎn)生它們之間連線上的任意一種顏色。如果加入第三種顏色K，則用三種顏色的不同比例可以產(chǎn)生三角形IJK中的所有顏色。對(duì)于任意一個(gè)三角形，如果它的三個(gè)頂點(diǎn)全落在馬蹄形可見(jiàn)光區(qū)域中，則它們的混合所產(chǎn)生的顏色不可能覆蓋整個(gè)馬蹄形區(qū)域，這就是紅、綠、藍(lán)三色不能靠疊加來(lái)匹配所有可見(jiàn)顏色的原因。19
19色度圖主要用途色度圖主要用途：為不同基色組確定整個(gè)顏色范圍見(jiàn)上頁(yè)（定義顏色域）；標(biāo)識(shí)互補(bǔ)顏色；有于兩點(diǎn)的顏色范圍是一條直線，一對(duì)互補(bǔ)色在色度圖上一定表示成位于C的相反方向且使用通過(guò)C的一直線連接的兩個(gè)點(diǎn)。當(dāng)混合一定量的C1和C2時(shí)，我們可得到白色。確定指定顏色的主波長(zhǎng)和純度見(jiàn)下頁(yè)20
20使用二基色顏色范圍的解釋來(lái)確定一種顏色的主波長(zhǎng)。21
21對(duì)于C1，可以從C通過(guò)C1畫一條直線，并于光譜曲線相交于CS。顏色C1就可以表示成C與光譜顏色CS的混合，因此C1主波長(zhǎng)就是CS。CSPCSC1··C2CP22
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23上述方法不使用于C與紫色線之間的顏色點(diǎn)。畫一條從C經(jīng)過(guò)C2的直線，可得到紫色線上一點(diǎn)Cp.顏色Cp并不在可見(jiàn)關(guān)譜中。點(diǎn)C2稱為非關(guān)譜顏色，它的主波長(zhǎng)取Cp位于關(guān)譜曲線上的補(bǔ)色Csp。非關(guān)譜顏色是在紫-品紅范圍內(nèi)，具有從白光減去主波長(zhǎng)（如Csp）的關(guān)譜分布。CSPCSC1··C2CP24
24直觀的顏色概念藝術(shù)家創(chuàng)作彩色畫，使用彩色顏料和黑、白顏料混合以獲得各種明暗效果、色澤和色調(diào)。黑色顏料越多就會(huì)越暗。在原色中添加白色顏料可以獲得不同的色澤，加入較多的白色可以使其更亮。色調(diào)則通過(guò)同時(shí)添加黑色和白色顏料來(lái)獲得。對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，這些顏色概念比使用三種基色的配合敘述顏色更直觀。但是提供顏色板的圖形軟件包長(zhǎng)使用兩種或多種模型。其一為用戶提供直觀界面，其他則用來(lái)為輸出設(shè)備描述顏色。下面介紹各種顏色模型。25
25幾種常用的顏色模型在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，常使用一些通俗易懂的顏色模型。所謂顏色模型指的是某個(gè)三維顏色空間中的一個(gè)可見(jiàn)光子集。它包含某個(gè)顏色域的所有顏色。例如，RGB顏色模型是三維直角坐標(biāo)顏色系統(tǒng)中的一個(gè)單位正方體。顏色模型的用途是在某個(gè)顏色域內(nèi)方便地指定顏色。由上節(jié)討論知，任何一個(gè)顏色域都只是可見(jiàn)光的子集，所以，任何一個(gè)顏色模型都無(wú)法包括所有的可見(jiàn)光。RGB顏色模型是大家所熟知的，除此以外，本節(jié)中我們還將討論CMY和HSV顏色模型。26
26紅、綠、藍(lán)（RGB）顏色模型通常用于彩色陰極射線管和彩色光柵圖形顯示器。它采用直角坐標(biāo)系。紅、綠、藍(lán)原色是加性原色。也就是說(shuō)，各個(gè)原色的光能疊加在一起產(chǎn)生復(fù)合色。如圖所示。27
27RGB顏色模型通常用如圖所示的單位立方體來(lái)表示。在正方體的主對(duì)角線上，各原色的量相等，產(chǎn)生由暗到亮的白色，即灰度。（0,0,0）為黑，（1,1,1）為白。正方體的其它六個(gè)角點(diǎn)分別為紅、黃、綠、青、藍(lán)和品紅。RGB模型所復(fù)蓋的顏色域取決于顯示器熒光點(diǎn)的顏色特性。顏色域隨顯示器上熒光點(diǎn)的不同而不同。如果要把在某個(gè)顯示器上的顏色域里指定的顏色轉(zhuǎn)換到另一個(gè)顯示器的顏色域中，必須以CIE顏色空間為中介進(jìn)行轉(zhuǎn)換。28
28CMY顏色模型與RGB顏色模型不同，以紅、綠、藍(lán)的補(bǔ)色青（Cyan）、品紅（Magenta)、黃(yellow)為原色構(gòu)成的CMY顏色系統(tǒng)，常用于從白光中濾去某種顏色，故稱為減性原色系統(tǒng)。CMY顏色模型對(duì)應(yīng)的直角坐標(biāo)系的子空間與RGB模型所對(duì)應(yīng)的子空間幾乎完全相同。判別僅在于前者的原點(diǎn)為白，而后者的原點(diǎn)為黑。前者是通過(guò)從白色中減去某種顏色來(lái)定義一種顏色，而后者是通過(guò)向黑色中加入某種顏色來(lái)定義一種顏色。29
29靜電或噴墨繪圖儀、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等硬拷貝設(shè)備將顏色畫在紙張上時(shí)，使用的是CMY顏色系統(tǒng)。當(dāng)我們?cè)诩埫嫔贤可锨嗌伭蠒r(shí)，該紙面就不反射紅光：青色顏料從白光中濾去紅光。也就是說(shuō)，青色＝白色－紅色。類似地，品紅顏料吸收綠色，黃色顏料吸收藍(lán)色。如果在紙面上涂了黃色和品紅色，則由于紙面同時(shí)吸收藍(lán)光和綠光，只能反射紅光，所以該紙面呈紅色。如果我們?cè)诩埫嫔贤苛它S色、品紅、和青色的混合，則所有的紅、綠、藍(lán)都被吸收，故表面呈黑色。30
30使用CMY的模式打印處理過(guò)程，通過(guò)四個(gè)墨點(diǎn)的集合來(lái)生成顏色點(diǎn)，在某種程度上與RGB監(jiān)視器使用三個(gè)磷粉點(diǎn)的集合是一樣的。三種基色（青、品紅和黃）各使用一點(diǎn)，黑色也使用一點(diǎn)。因?yàn)榍嗌?、品紅和黃色的墨水混合通常生成深灰色而不是黑色，所以黑色單獨(dú)是一墨點(diǎn)。有些繪圖儀通過(guò)重疊噴上三種基色的墨水并讓它們?cè)诟芍盎旌掀饋?lái)而生成各種顏色。31
31我們可以使用一個(gè)變換矩陣來(lái)表示從RGB到CMY的轉(zhuǎn)換。也可以把CMY顏色表示轉(zhuǎn)換為RGB模型C1RM=1-GY1BR1CG=1-MB1Y32
32HSV顏色模型如上所述，RGB和CMY顏色模型是面向硬件的。比較而言，下面要介紹的HSV（hue,saturation,value）顏色模型則是面向用戶的。該模型對(duì)應(yīng)于圓柱坐標(biāo)系中的一個(gè)圓錐形子集，如圖所示。33
33圓錐的頂面對(duì)應(yīng)于V=1，它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1三個(gè)面，所代表的顏色較亮。色彩H由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角給定。紅色對(duì)應(yīng)于角度0°，綠色對(duì)應(yīng)于角度120°，藍(lán)色對(duì)應(yīng)于角度240°。在HSV顏色模型中，每一種顏色和它的補(bǔ)色相差180°。飽和度S取值從0到1，所以圓錐頂面的半徑為１。HSV顏色模型所代表的顏色域是CIE色度圖的一個(gè)子集，這個(gè)模型中飽和度為百分之百的顏色，其純度一般小于百分之百。34
34在圓錐的頂點(diǎn)（即原點(diǎn)）處，V=0，H和S無(wú)定義，代表黑色。圓錐的頂面中心處S=0，V=1，H無(wú)定義，代表白色。從該點(diǎn)到原點(diǎn)代表亮度漸暗的灰色，即具有不同灰度的灰色。對(duì)于這些點(diǎn)，S=0，H的值無(wú)定義?？梢哉f(shuō)，HSV模型中的V軸對(duì)應(yīng)于RGB顏色空間中的主對(duì)角線。在圓錐頂面的圓周上的顏色，V=1，S=1，這種顏色是純色。顏色模型示意圖圖色濃、色深、色調(diào)之間的關(guān)系35
35HSV模型對(duì)應(yīng)于畫家配色的方法。畫家用改變色濃（改變Ｓ）和色深（改變Ｖ）的方法從某種純色獲得不同色調(diào)的顏色，在一種純色中加入白色以改變色濃，加入黑色以改變色深，同時(shí)加入不同比例的白色，黑色即可獲得各種不同的色調(diào)。純色顏料對(duì)應(yīng)于V=1，S=1。添加白色改變色濃，相當(dāng)于減小S，即在圓錐頂面上從圓周向圓心移動(dòng)。添加黑色改變色深，相當(dāng)于減小V值。同時(shí)改變S、V值即可獲得不同的色調(diào)H。36
36HSV對(duì)于多數(shù)用戶是一個(gè)比較直觀的顏色模型。從指定一種純色彩開(kāi)始(即指定色彩角H且讓V=S=1),可以通過(guò)將白色或黑色加入到純色彩中來(lái)描述所要的顏色。37
37許多流行的圖象處理軟件包（如AdobePhotoshop等）提供了對(duì)多種顏色模型的支持，并能夠把圖象在不同顏色模型間轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，由于不同的顏色模型的顏色空間存在差異，原來(lái)的顏色模型下的某些顏色在新的顏色模型下可能無(wú)法表達(dá)，此時(shí)，轉(zhuǎn)換所得的圖象和原圖象的顏色將不會(huì)完全相同。38
38顏色選擇及其應(yīng)用一個(gè)圖形軟件包可以提供選擇顏色的各種功能。各種組合顏色可以使用滑動(dòng)頭和顏色輪進(jìn)行選擇。獲得一組坐標(biāo)顏色的一種方法是從顏色模型的某一子空間中產(chǎn)生。如果顏色是從沿RGB或CMY立方體中任意直線段上的規(guī)則間隔中選擇，則可得到一組匹配較好的顏色。隨機(jī)選取的色彩可能導(dǎo)致刺眼和不柔和的顏色組合。選擇顏色組合的另一考慮是不同顏色在不同深度上的感覺(jué)。因眼睛是按頻率而注意到顏色的。藍(lán)色特別有助于放松眼睛。而紅色圖案附近顯示藍(lán)色圖案回引起眼睛的疲勞。所以一次顯示中或者包含藍(lán)色和綠色，或者包含紅色和黃色。一般，使用較少的顏色比較多顏色令人滿意。而色澤和明暗比較純色彩更柔和。對(duì)于背景，最好使用灰色或前景色的補(bǔ)色。39
39小結(jié)討論了光的基本特性和顏色模型的概念可見(jiàn)光分布在電磁頻譜中一個(gè)狹窄的頻率段中。光源使用主頻率（或色彩）、亮度和純度進(jìn)行描述?；パa(bǔ)光源是混合后產(chǎn)生白色的兩種光源。40
40定義顏色模型的方法是，指定兩個(gè)或多個(gè)用來(lái)生成其他各種顏色的基色集。利用三基色定義的常用模型有RGB和CMY模型。視頻監(jiān)視器顯示使用RGB模型，硬拷備設(shè)備使用CMY輸出顏色。象HSV這樣的直觀顏色模型，允許通過(guò)指定色彩的值以及添加白色和黑色的量來(lái)指定顏色。41
41XYZ顏色模型和CIE色度圖由于不存在一組顏色參數(shù)的有限集來(lái)定義的顏色模型能夠描述所有可能的顏色，因此使用三個(gè)假定的顏色（稱CIE基色）來(lái)建立XYZ顏色模型。給出X和Y的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值可以得到CIE色度圖，通過(guò)色彩和純度來(lái)給出任意顏色的表示。我們可以使用該色度圖來(lái)比較不同顏色模型的顏色范圍，找出給定顏色的補(bǔ)色及確定給定顏色的主頻率和純度。42
42選擇調(diào)和的顏色組合來(lái)產(chǎn)生彩色顯示。按某些簡(jiǎn)單的規(guī)則進(jìn)行選擇。通?？稍陬伾Ｐ偷囊粋€(gè)子空間中選擇坐標(biāo)顏色。應(yīng)避免顯示于主頻率距離比較遠(yuǎn)的相鄰顏色。應(yīng)將顏色限制在用色澤和明暗而不是用純色彩組成的比較少量的顏色組合中。43
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