第三讲：数字图像处理之颜色

人眼之所以能看到 色谱，是因为这些 特定的波长刺激了 人眼中的视网膜，
从而能够感知色彩。
人眼的视网膜上有三种椎体细胞
感红椎体细胞 感绿椎体细胞 感蓝椎体细胞
我们是怎样感知到色彩的？
• 为什么苹果看起来是红色的？简单地说，物体将光反射到 我们的眼睛中，随即相应信息传输至大脑，于是大脑感知 到了色彩。 苹果之所以看起来是红色的，是因为苹果表 面反射了红色的光，而吸收了其它的色光。
反射的光波波长一样（色调相同），但 人眼感觉到的颜色不同。 –某一颜色的光，量度很弱，趋于黑色， 反之，趋于白色。
二、色彩的属性
色调（Hue）
描述颜色的种类，反映了观察者接收到的主要颜色。 比如：苹果是红色的，柠檬是黄色的，天空是蓝色的。当我 们考虑不同色彩的时候，时常用色调来表示，这一术语将色 彩区分为红色、黄色或蓝色等类别。 色调hue:人眼感觉到物体反射或发射光波的波长。
• 虽然红色和黄色是完全不同的两种色调， 但我们可以混合它们来得到橙色。混合黄 色和绿色可以得到黄绿色或青豆色，而绿 色和蓝色混合则产生蓝绿色。因此，色调 之间是互相关联的，我们把这些色相排列 成圈。这个圈就是“色环”。
色环
颜色的基本特征，它是用以判别物体颜色是红、绿、黄、 蓝，还是中间过渡色的感觉属性。可见光谱波长不同，表 现的色调也不同。
红光显红色是因为...
绿光显绿色是因为…
一、关于颜色
颜色的存在包含三个实体：光源、物体、观察者 物体经光源照射，吸收和反射不同波长的红、绿、 蓝光，经由人的眼睛，传到大脑形成了我们看到的 各种颜色。
颜色的形成
颜色的描述
• 左图是2个红色圆圈。 • 首先，它们都是红色
的。 • 但是左边的颜色要比
有源v.s.无源
• 哪些物体可以产生颜色？
• 能发出光波的物体，称为有源物体，它的颜色 由该物体发出的光波决定。
• 但是有些物体本身是不发光的，称为无源物体， 它的颜色由该物体吸收或者反射哪些光波决定， 提供视觉系统识别颜色所需要的反射光。 比如：计算机屏幕等发光物体，通过发射不同 强度的电子束，产生不同的颜色。 但是，彩色印刷或彩色打印的纸张不能发射光 线，它们是使用一些能够吸收特定光波而反射 其它光波的油墨或颜料。
最常用的用途就是显示器系统，彩色阴极射线管使 用R、G、B数值来驱动R、G、B 电子枪发射电子， 并分别激发荧光屏上的R、G、B三种颜色的荧光粉 发出不同亮度的光线，并通过相加混合产生各种颜 色。
CRT的颜色产生
控制电路 电子枪
荧光面
像
素
发
光
电子束
点
CTR结构示意图
RGB模型
在RGB模式中，由红、绿、蓝相叠加可以产生其它 颜色，因此该模式也叫加色模式。所有显示器、 投影设备以及电视机等等许多设备都依赖于这种 RGB加色模式来实现的。
紫
435-380
光与颜色
颜色是视觉系统对可见光的感知结果，它与光 有着密切的联系。 一个物体的表面必须与光发生作用，才能产生 颜色的感觉。 在光与物体表面原子相互作用时，物体吸收ຫໍສະໝຸດ Baidu 一些波长的光，并反射其余波长的光。
查看色彩的方式
• 光源色彩 • “光源色彩”这一术语是指光源（如太阳
或荧光灯）发出光的色彩。这时，我们看 到的色彩取决于来自该物体的光中包含了 哪些波长。
• 颜色信息能否量化？
• 实验表明：一些颜色的混合可以产生几乎所有 的可见颜色。
• 数学问题：在一个什么样的坐标系下，如何定 义某种颜色？---颜色空间
颜色空间
• 用来描述可以看到的和使用的颜色。 • 每个颜色模型代表一种描述和分类色
彩的方法，而所有的颜色模型都使用 数值来代表可见的色彩光谱。 • 强调，不同的空间只是同一种物理量 的不同表达方式而已。
彩色空间
（1）面向诸如彩色监视器、彩色视频摄像机和彩色打印 机的硬件设备。面向硬件设备的彩色模型主要有RGB模型、 CMY（青、品红、黄）模型和CMYK（青、品红、黄、黑） 模型。RGB模型主要用于彩色监视器和彩色视频摄像机； CMYK主要用于彩色打印机。 （2）面向诸如彩色动画图形创作等的彩色处理应用。面 向彩色处理应用的模型主要是HSI模型（hue-saturationintensity，即色调、亮度和饱和度）。 （3）面向电视信号应用的，如YUV、YIQ空间
数字图像处理之颜色
空天院 孙彬
学习目标
1、了解颜色的形成原理 2、了解颜色的基本属性 3、理解颜色空间
感知色彩
• 扫视一下您的周围，您肯 定能发现好多不同的颜色。 那我们到底是怎样感知这 些色彩的呢？
• 如果闭上眼睛，在一个全 黑的环境中，我们是感知 不到苹果的颜色的。
• 当然，你见与不见，它就 在那里，不多不少。
了其它的色彩。
形象化为一个立方体
（已归一化）。黑色
B
位于原点处，白色位
品红
(0,0,1) 蓝
青 于离原点最远的对角
上，灰度等级沿着这
白
两点的连线分布。
(1,0,0) R红
黑
灰度级
黄
在RGB坐标系中，不同 绿(0,1,的0) 颜色G 处在立方体上
或者内部，并可以用
从原点分布的向量来
定义。
三、颜色空间
• 黄色颜料吸收蓝光，反射绿光和红光。因 此它在人眼中呈现黄色。
• 品红（M）
• 品红颜料吸收绿光，反射红光和蓝光。因 此它在人眼中呈现品红
• 青色颜料吸收红光，反射绿光和蓝光。因 此它在人眼中呈现青色。
油墨或颜料的3基色是：青（Cyan）、品 红（Magenta）和黄（Yellow），简称为 CMY。
• 所以，如果要看到色彩， 有一个条件是必需的： “光源”。
• 我们只能在有光的地方看 见色彩。 照明源（光源） 发射的光照射到物体的表 面。
• 我们能看到的颜色是因为 物体反射了一部分光线， 因此我们所感知的色彩在 很大程度上受到了光源光 线特征的影响。
• 在 1670年，牛顿证明 了一束白光可以由所 有的颜色混合得来。
色彩信息
• 色彩信息通过视觉影响着 我们的意图或决定。
• 人有5种知觉： 味觉、嗅 觉、触觉、视觉和听觉。 其中，我们通过视觉所接 收到的信息占到全部的87% 左右。 而视觉信息中约 80%是色彩信息。
• 这些数字有力地证明了， 我们经历的大部分感觉刺 激都是以色彩信息的形式 出现的。 简单来说，色彩 在我们生活中是一种极为 重要的存在。
反射色彩
• 物体而不是光源所反射出来的相应波长的 光的色彩，即是我们看到的“反射色彩”。 这种色彩取决于物体反射出来的波长范围， 以及它所吸收的波长范围。当物体吸收了 可视色谱上所有波长的光的时候，它呈现 黑色；相反，当物体反射所有波长的光时 就会呈现白色。
•
过滤色彩
• “过滤色彩”指光透过某个物体后的色彩。 物体的色彩取决于透过它的光的波长范围， 以及它所吸收的波长范围。交通灯就是这 种过滤色彩的例子。
• 在色环中，色调是连续变化。
黄
红 绿
紫 蓝
饱和度saturation
• 饱和度saturation：指颜色的纯正程度。 –与亮度有关：某一色调参入白光，色调不变但饱和度 降低 –与参入其它颜色的光有关：饱和度与色调都会改变。 –纯色（可见光谱中包含的一系列单色光）是全饱和的， 随着白光的加入饱和度会逐渐降低，也即变成欠饱和。
不完全饱和
完全饱和
不完全饱和
三属性间的关系
• 颜色的三个属性（色调、亮度、饱和度） 在某种意义上是各自独立的，但在另外意 义上又是互相制约的。
• 一个颜色的某一个属性发生了改变，那么， 这个颜色必然要发生改变。
彩色
◆在彩色图像中： 亮度反映了该颜色的明亮程度。 色调用于描述纯色（如纯黄色、纯红色），反映 了观察者接收到的主要颜色。 饱和度反映饱和程度。 色调与饱和度两者合起来称为彩色，颜色用亮度和彩 色共同表示。
一个物体反射橙的光如果在所有可见光62波2-长59范0 围内是平衡
的，观察者来黄说就是白色。
597-565
一个物体对有绿限的可见光谱范围反射56，5-如525000~570nm范围 的光，吸收了青其他波长光的大部分能52量0-，50则0 呈现绿色。
颜波色 长从来物定理 义上 颜兰来 色讲 。，与光的波长有密50切0-5的35联系，可以用
一、关于颜色 • 颜色是视觉系统对可见光的感知结果。
• 可见光是波长在380 nm～780 nm之间的电磁波
380 nm～780 nm
● 颜色的波长范围
可见光是电颜磁波色谱中相对较窄的波长段范组围成的/n。m一般来说， 人类和其他动物的视觉系统接收到一个物体的颜色，是 由物体反射光红的性质决定的。 780-622
的明暗程度，它与光的发射功率有关。
● 色调 ——颜色的种类，取决于该种颜色的
主色波长。
自然光中纯度最高的颜色
黑白灰没有色调信息
● 饱和度 ——色彩的饱和程度，亦称“鲜艳度”、
“纯净度”。纯度不够时，色调区分不明显，亮度 也受到影响。
亮度（Intensity）
–人眼感受到的颜色的光的强度 –同一种色块，在不同强度的白光照射下，
• 由光学三基色（红绿蓝）的互补色（青、 品红、黄）构成了油墨或者颜料的三基色。
• 同样，用补色的叠加形成其它颜色，或者 说是从白色中减掉相应的原色形成其它颜 色，因此也称为减色合成法。
颜色的度量
• 可以用色调、饱和度、亮度来描述颜色，但是 这种描述方式是很主观的，如何用数学方法来 定量描述颜色信息呢？
RGB颜色空间
• 原理：三基色原理 • 光学三基色：红（Red，R）绿（Green，G）蓝
（Blue，B）
RGB颜色空间
数学描述： 在RGB颜色空间，色光F都
可以用R、G、B这3种颜色 不同分量的相加混合而成 ， 即
F r[R] g[G] b[B]
RGB彩色模型
R代表红色，G代表绿色，B代表R蓝G色B ，颜三色种色空彩间叠可加形以成被
色彩的混合
• 颜色相加与相减
–相加：有源物体发出某些波长的光波， 这些波长的光波叠加在一起。
–相减：白光照在某种颜色的无源物体上，部分 波长的光波被吸收，剩下波长的光波 进入人的眼睛。
●
● 色彩构成
为了某种目的，把两个或两个以上的色彩按照一定的原则 进行组合和搭配，形成新的色彩关系。
现代颜色视觉理论中的三色学说认为人眼的锥状细胞是 由红、绿、蓝三种感光细胞组成的。 自然界中的任何一种颜色都可以由R、G、B这3种颜色值 之和来确定。
• 当阳光穿越三棱镜， 会产生一条如彩虹般 的色带。这条色带就 被称为色谱。这种分 离光的方式称作“色 散”。彩虹就是阳光 穿越水汽（水滴）形 成的三棱镜而产生的 一个色谱。
了解光
• 从物理学的角度来说， 光是一种电磁波。这 些波的波谷间（波峰 间）的距离被称作波 长。
• 色谱的顺序为红、橙、 黄、绿、蓝、靛蓝、 紫。这是因为每一种 光的波长都是不同的。 我们可感知的波长最 长的光是红色光的， 而波长最短的是紫色 光。人眼可以看到的 波长范围被称为“可 见光”。
右边的更亮一些。 • 而且，左圈的颜色更
饱满一些，右边则显 得灰暗一些。 • 因此，颜色可以从不 同角度加以描述。
• 光的物理性质：波长（光速，频率）和幅 度
• 人眼对色彩的感觉：色调、饱和度和亮度
• 色调——波长 • 亮度——幅度 • 饱和度——色光的纯度
● 色彩三要素
● 亮度 ——彩色光作用于人眼时，视觉上引起
三、颜色空间
2、CMYK颜色空间—减色混合
• 印刷三原色 CMY青(C)、品(M)、黄(Y) • 颜料是吸收光线，而不是增强光线，因此颜料的 三原色必须是可以个别吸收红、绿、蓝的颜色，那就 是红绿蓝的补色：CMY • 例：黄色+青色颜料 黄色颜料—吸收蓝色光，青色颜料—吸收红色光 只剩下绿色光可以反射出来，故黄色+青色=绿色
相加混色
一般把三基色按不同比例相加进行的混色称为相加混 色。
红色 + 蓝色 = 品红色 所以，一般把青（色9、.1 a）
红色 + 绿色 = 黄色 品红色和黄色称为（红9.、1 b）
绿色 + 蓝色 = 青色 绿、篮三色的补（色9。.1 c）
红色 + 绿色 + 蓝色 = 白色
（9.1 d）
红色 + 青色 = 白色 绿色 + 品红色 = 白色 蓝色 + 黄色 = 白色
（9.2 a） （9.2 b） （9.2 c）
补色
• 补色：从白色中减去颜色A所形成的颜色，称之 为颜色A的补色 （complementary color)。
着色原理
利用颜料和染料等的吸收性质可以实现相减混色。
• 既然是减色系统，其着色原理是基于光吸收 的，这有别于RGB的光射入的方式。
• C与M叠加：同时吸收了R与G，则为蓝色； • C与Y叠加：同时吸收了R与B，则为绿色； • M与Y叠加：同时吸收了G与B，则为红色。