视频基础--颜色的基本概念

视频基础--颜色的基本概念
8 X- k( c. o7 _: x    颜色是创建完美图像的基础。从许多方面说，在计算机上使用的颜色并没有什么不同，只不过它有一套特定的记录和处理颜色的技术。因此，要理解图像处理软件中所出现的各种有关颜色的术语，首先要具备基本的颜色理论知识。
一．颜色的物理性质
; d) e% M9 O. ^  [8 }从物理学这个角度来说，光波是一种具有一定频率范围的电磁辐射，其波长覆盖的范围很广（图06-01-1 (a)）。电磁辐射中只有一小部分能够引起眼睛的兴奋而被感觉，其波长在380 ~ 780 nm 的范围里（图06-01-1 (b)）。
颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果。物体由于内部物质的不同，受光线照射后，一部分光线被吸收，其余的被反射或投射出来，成为我们所见的物体的颜色。所以，颜色既与光有密切关系，也与被光照射的物体，以及与观察者均有关。
眼睛感知到的颜色和光波长之间的对应关系如图06-01-1(b) 所示。纯颜色通常使用光的波长来定义，用波长定义的颜色叫做光谱色(spectral colors)。人们已经发现，用不同波长的光进行组合时可以产生相同的颜色感觉。
虽然人们可以通过光谱功率分布，也就是用每一种波长的功率(占总功率的一部分)在可见光谱中的分布来精确地描述颜色，但因为眼睛对颜色的采样仅用相应于红、绿和蓝色三种锥体细胞，因此这种描述方法就产生了很大冗余。这些锥体细胞采样得到的信号通过大脑产生不同颜色的感觉，这些感觉由国际照明委员会(CIE)作了定义，用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是色调，饱和度和明度，它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性。
$ W* _# x# {# e& X（a）电磁波谱
$ T, R* e# F5 C  f" T- y
      
（b）可见光谱

二．色调、饱和度和亮度
从人的视觉系统看，颜色可用色调（hue）、饱和度（saturation）和亮度来描述，其中色调与光波的波长有直接关系，亮度和饱和度与光波的幅度有关。人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果，这三个特性可以说是颜色的三要素。
（一）色调
色调(hue)又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。色调是视觉系统对一个区域所呈现颜色的感觉。对颜色的感觉实际上就是视觉系统对可见物体辐射或者发射的光波波长的感觉。这种感觉就是与红、绿和蓝三种颜色中的哪一种颜色相似，或者与它们组合的颜色相似。色调取决于可见光谱中的光波的频率，它是最容易把颜色区分开的一种属性。
4 {1 R% z/ Y* W9 u; x) \* J7 ?" @色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫(red，orange, yellow，green，cyan，blue，indigo，violet)等术语来刻画。苹果是红色的，这“红色”便是一种色调，它与颜色明暗无关。绘画中要求有固定的颜色感觉，有统一的色调，否则难以表现画面的情调和主题。例如我们说一幅画具红色调，是指它在颜色上总体偏红。
色调的种类很多，如果要仔细分析，可有一千万种以上，但普通颜色专业人士可辨认出的颜色大约可达三百至四百种。黑、灰、白则为无色彩。色调有一个自然次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫。在这个次序中，当人们混合相邻颜色时，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调。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，如图06-01-2 所示，展开的情况如图06-01-3所示色环。
6 b5 P2 C9 |1 l  s, ?; _ 图06-01-2 圆周表示色调
% d& ^/ w' T7 L' E3 B! j5 a4 X    图06-01-3  色环

+ v1 ]/ V' m) M' k3 N" j' n颜色连续变化的色环
太阳光带中的六种标准色与六种中间色，即红橙，黄橙，黄绿，蓝绿（青），蓝紫，红紫（品红），合称十二色相或色调。把不同的色调按红橙黄绿蓝紫的顺序衔接起来，就形成了一个色调连续变化过渡的圆环，称作为色环。
用于描述感知色调的一个术语是色彩(colorfulness)。色彩是视觉系统对一个区域呈现的色调多少的感觉，例如，是浅蓝还是深蓝的感觉。
（二）饱和度
0 R8 p+ Y5 ~! |- {, D饱和度(saturation)是颜色的纯洁性，可用来区别颜色明暗的程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时，就说颜色愈不饱和。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色，例如仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。饱和度在颜色圆上用半径表示，如图06-01-4(a)所示。沿径向方向上的不同颜色具有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同。例如在图06-01-4(b)所示的七种颜色，它们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。
图06-01-4  半径大小表示饱和度的深浅
) k$ l# x+ X1 O# C$ J1 R4 b（三）明度、亮度与光亮度
1 S2 `" c  T8 V  N4 X1．明度
$ X% o0 g, \5 G& E( T7 q根据国际照明委员会的定义，明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。
7 a, q( B; l+ ]9 O: A9 ~! {有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率。由于感知的明度与反射率不是成正比，而认为是一种对数关系，因此在颜色度量系统中使用一个比例因子(例如，0~10)来表示明度。人们也已经发现，对于用不同光谱特性但发射流明数量相同的两个表面，它们被认为有相同的明度。明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色。
/ {: x5 W7 L0 N5 J+ s' M; D% U在许多颜色系统中，明度常用垂直轴表示，如图06-01-5(a)所示。例如在图06-01-5(b)所示的七种颜色,它们具有相同的色调和饱和度，但它们的明度不同，底部的明度最小，顶部的明度最大。
0 h1 ]3 V. J$ w$ a9 I! s6 n8 X图06-01-5 垂直轴表示明度
% V  |8 b, X9 T4 i+ p+ {3 _5 C用纯正的颜色相互比较所产生的明暗差别是明度的典型例子。在纯正光谱中，黄色的明度最高，显得最亮；其次是橙、绿；再其次是红、蓝；紫色明度最低，显得最暗（图06-01-6）。

6 ~1 l6 }2 S* K9 {3 H9 m# {明度和人的感知有关，目前还无法用物理设备来测量。
2．亮度
6 g2 ~9 I9 x, g0 o3 c( p" G根据国际照明委员会的定义，亮度(luminance)是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)，用单位面积上反射或者发射的光的强度表示。它的幅度与物理功率成正比，并在555 nm 处达到峰值。在CIE XYZ 系统中，亮度用Y 表示。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 。
0 i  J  c! f: Q  B3．光亮度
7 W, }, Q" A5 t8 {2 I     
其中（Y/ Yn ） 0.008856，Y 是CIE XYZ 系统中定义的亮度，Yn是参考白色光的亮度。
' g0 C* N6 v8 j" A# h( S) c# t6 i. s光亮度用作颜色空间的一个维，而明度(brightness)则仅限用于发光体，该术语用来描述反射表面或者透射表面。对计算机显示器显示的颜色，除使用明度(brightness)之外，也可使用光亮度(lightness)。因为虽然监视器是发射光的物体，但显示的颜色是相对于监视器的白光而言的。
4 l& ]* V. P# W' X- @由于明度很难度量，通常可以用亮度(luminance)即辐射的能量来度量。
（四）色调、饱和度与亮度的关系
$ C: p8 U3 W4 t) f! d- @  l, t+ b( e淡色的饱和度比浓色要低一些（图06-01-7）。
/ x9 b- \0 m8 r- e( _! b图06-01-7  淡色和浓色的饱和度对比
饱和度还和亮度有关，同一色调越亮或越暗越不纯。
7 w- w3 E' c7 r8 a* N对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，相反则越淡（图06-01-8）。
6 l6 o: w, d' |  t1 }图06-01-8 饱和度与纯度
3 g- v# v$ t0 f" J! }5 J; e在饱和的彩色光中增加白光的成分，相当于增加了光能，因而变得更亮了，但是它的饱和度却降低了。若增加黑色光的成分，相当于降低了光能，因而变得更暗，其饱和度也降低了。
# m6 m0 Y  ?3 c5 T饱和度越高，颜色越艳丽、越鲜明突出，越能发挥其颜色的固有特性。但饱和度高的颜色容易让人感到单调刺眼。饱和度低，色感比较柔和协调，可混色太杂则容易让人感觉浑浊，色调显得灰暗。
三．颜色的混合与互补
! W3 y1 A8 C7 K- R/ s（一）光的三基色模型
- v; L3 @# _3 w# j颜色的混合与颜料的混合不同。色光的基色或原色为红（R，Red）、绿（G, Green）、蓝（B, Blue）三色。
（二）色光混合
( K2 x  H- T4 H6 @$ @- [" L三基色以不同的比例相混合，可成为各种色光，但基色却不能由 其他色光混合而成。色光的混合是光量的增加，所以三基色相混合（相加）而成白光（图06-01-9）。  
) z" a( b. A8 O! UR--Red，红
% Z9 g1 z4 ~! e, O  n; j! sB--Blue，蓝
# M8 w0 c$ w: I7 ?) G& ~( b4 cG--Green，绿
C--Cyan，青
M--Magenta，品红
8 ?' i* B9 R% L3 l$ K5 @Y--Yellow，黄
9 m* @3 j  Z7 `+ [7 E图06-01-9  相加混色
4 r) r/ n, ?: C  R0 Q（三）互补色
& m! r& y0 N" }% K; o5 f+ l/ m$ }如果两种色光相混合能形成白光，则这两种色光互为补色（Complementary Colors）。如图06-01-9所示R、C；G、M；B、Y互为补色。互补色是彼此之间最不一样的颜色，这就是人眼能看到除了基色之外 其他色的原因。