色彩模型详解

第4章 多媒体视频技术

人们处理的外界信息80%以上来自视觉，而视觉信息主要指人眼所见的图像。这里的图像概念是广义的，既包括静态的图形图像，也包括动态的视频和动画等内容。第三章针对多媒体音频素材的制作和编辑进行了介绍，本章将针对图形、图像、视频、动画等多媒体素材的进行阐述。主要讨论有关色彩的基本概念和常见的色彩空间及其转换方法，以及图形、图像、动画等的基本概念及常见的文件格式，最后就视频的数字化技术进行讨论。 本章内容应至少安排4个学时，如果学时有限，可考虑将视频数字化部分进行简述。学习本章之前，学生应对多媒体和数字化的基本概念有所了解，教学时可参考由容观澳编写，清华大学出版社出版的《计算机图象处理》。

4.1彩色空间

颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉，它具有色调、饱和度和亮度三个特性。物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统有关系。

4.1.1颜色的基本特性

1． 光与颜色

由于颜色是因外来光刺激而使人产生的某种感觉，我们有必要了解一些光的知识。从根本上讲，光是人的视觉系统能够感知到的电磁波，其波长在380nm-780nm 之间，正是这些电磁波使人产生了红、黄、蓝等颜色的感觉。光可由它的光谱能量分布)(λp 来表示，其中λ是波长，当一束光的各种波长的能量大致相等时，我们称其为白光；否则，称其为彩色光；若一束光中，只包含一种波长的能量，其它波长都为零时，称其为单色光。

我们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许多不同波长的光组合成的。如果光源由单波长组成，就称为单色光源。实际中，只有极少数光源是单色的，大多数光源是由不同波长组成，每个波长的光具有自身的强度。

事实上，我们可以用主波长、纯度和明度来简洁地描述任何光谱分布的视觉效果。但是由实验结果知道，光谱与颜色的对应关系是多对一的，也就是说，具有不同光谱分布的光产生的颜色感觉是有可能一样的。我们称两种光的光谱分布不同而颜色相同的现象为“异谱同色”。由于这种现象的存在，我们必须采用其它的定义颜色的方法，使光本身与颜色一一对应。

2． 色彩的视觉心理特性

色彩是人的眼睛对于不同频率的光线的不同感受，色彩是一种视觉感受，客观世界通过人的视觉器官形成信息，使人们对它产生认识。所以，视觉是人类认识世界的开端。根据现代科学研究的资料表明，一个正常人从外界接受的信息，百分之九十以上是由视觉器官输入大脑的。来自外界的一切视觉形象，如物体的形状、空间、位置以及它们的界限和区别都由色彩和明暗关系来反映。因此，色彩在人们的社会活动中具有十分重要的意义。

色彩既是一种感受，又是一种信息。在我们生活的这个多姿多彩的世界里，所有的物体都具有自己的色彩，尤其树木和花草，色彩随四季变化。因此，春秋的更换及寒暑的不同，除皮肤可感觉外，自然界还会用美丽的色彩来告诉人们。

3．颜色的基本概念

美国光学学会（Optical Society of America）的色度学委员会曾经把颜色定义为：颜色是除了空间的和时间的不均匀性以外的光的一种特性，即光的辐射能刺激视网膜而引起观察者通过视觉而获得的景象。

在我国国家标准GB5698-85中，把颜色定义为：色是光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性。根据这一定义，色是一种物理刺激作用于人眼的视觉特性，而人的视觉特性是受大脑支配的，也是一种心理反映。所以，色彩感觉不仅与物体本来的颜色特性有关，而且还受时间、空间、外表状态以及该物体的周围环境的影响，同时还受各人的经历、记忆力、看法和视觉灵敏度等各种因素的影响。

颜色与光的波长有关，不同波长的光呈现不同颜色。自然界中的颜色可以分为非彩色和彩色两大类。非彩色指黑色、白色和各种深浅不一的灰色，而其它所有颜色均属于彩色。

4．颜色的基本特性

依据颜色的心理学和视觉特性，国际照明委员会CIE（International Commission on Illumination）对颜色的描述作了一个通用的定义，用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是：色调(Hue)、饱和度(Saturation)和亮度(Lightness)，它们是颜色所固有的并且是截然不同的特性，任一彩色光都是这三个特征的综合效果。

（1）色调(hue)

色调又称为色相，是当人眼看到一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性。色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。

不透明物体的色调是指该物体在日光的照射下，所反射的各光谱成分作用于人眼的综合效果；透明物体的色调则是透过该物体的光谱综合作用的效果。

（2）饱和度(saturation)

饱和度是指颜色的纯度，即色彩含有某种单色光的纯净程度，它可用来区别颜色的深浅程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越鲜明或说越纯，例如鲜红色饱和度高，而粉红色的饱和度低。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。

（3）亮度(brightness)

亮度是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，它与被观察物体的发光强度有关。由于其强度的不同，看起来可能会亮一些或暗一些。对于同一物体，照射光越强，反射光也越强，感觉越亮；对于不同的物体在相同照射情况下，反射越强者看起来越亮。

通常我们把色调和饱和度通称为色度。亮度是用来表示某彩色光的明亮程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。

4.1.2三基色原理

颜色是视觉系统对可见光的感知结果。研究表明，人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞。红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同。

1．三色学说

在物理学上对光与颜色的研究发现，颜色具有具有恒常性。即人们可以根据物体的固有颜色来感知它们，而不会受外界条件变化的影响。颜色之间的对比效应能够使人区分不同的颜色。颜色还具有混合性，牛顿在十七世纪后期用棱镜把太阳光分散成光谱上的颜色光带，用实验证明了白光是由很多颜色的光混合而成。

十九世纪初，Yaung 提出一种假设，某一种波长的光可以通过三种不同波长的光混合而复现出来，且红（R ）、绿（G ）、蓝（B ）三种单色光可以作为基本的颜色－原色，把这三种光按照不同的比例混合就能准确的复现其它任何波长的光，而它们等量混合就可以产生白光。

后来，Maxwell 用旋转圆盘所作的颜色混合实验验证了Yaung 的假设。

在此基础上，1862年，Helmhotz 进一步提出颜色视觉机制学说，即三色学说，也称为三刺激理论。到现在，用三种原色能够产生各种颜色的三色原理已经成为当今颜色科学中最重要的原理和学说。

近代的三色学说研究认为，人眼的视网膜中存在着三种锥体细胞，它们包含不同的色素，对光的吸收和反射特性不同，对于不同的光就有不同的颜色感觉。研究发现，第一种锥体细胞专门感受红光，第二和第三种锥体细胞则分别感受绿光和蓝光。它们三者共同作用，使人们产生了不同的颜色感觉。例如，当黄光刺激眼睛时，将会引起红、绿两种锥体细胞几乎相同的反应，而只引起蓝细胞很小的反应，这三种不同锥体细胞的不同程度的兴奋程度的结果产生了黄色的感觉，这与颜色混合时，等量的红和绿加上极小量的蓝色可以复现黄色是相同。

三色学说是我们真实感图形学的生理视觉基础，我们所采用的RGB 颜色模型，以及计算机图形学中其它的颜色模型都是根据这个学说提出来的。我们根据三色学说用RGB 来定义我们的颜色，三色学说是我们颜色视觉中最基础、最根本的理论。

2． 三原色

色光中存在三种最基本的色光，它们的颜色分别为红色、绿色和蓝色。这三种色光既是白光分解后得到的主要色光，又是混合色光的主要成分，并且能与人眼视网膜细胞的光谱回应区间相匹配，符合人眼的视觉生理效应。这三种色光以不同比例混合，几乎可以得到自然界中的一切色光，混合色域最大；而且这三种色光具有独立性，其中一种原色不能由另外的原色光混合而成，由此，我们称红、绿、蓝为色光三原色。为了统一认识，1931年国际照明委员会（CIE ）规定了三原色的波长nm R 0.700=λ，nm G 1.546=λ，nm B 8.435=λ。在色彩学研究中，为了便于定性分析，常将白光看成是由红、绿、蓝三原色等量相加而合成的。

3． 色彩的形成

（1）色光加色法

由两种或两种以上的色光相混合时，会同时或者在极短的时间内连续刺激人的视觉器官，使人产生一种新的色彩感觉。我们称这种由两种以上色光相混合，呈现另一种色光的方法为色光加色法，如图4.1所示。

加色法实质是不同能量的色光混合时，可以导致混合色光能量的变化。从色光混合的能量角度分析，色光加色法的混色方程为：

)()()(B G R C γβα++= （4.1）

式中：为混合色光总量；（C R ）、（）、（G B ）为三原色的单位量；γβα,,为三原色分量系数。此混色方程十分明确地表达了复色光中的三原色成分。

自然界和现实生活中，存在很多色光混合加色现象。例如太阳初升或将落时，一部分色