第六章颜色与纹理
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2019/8/16
彩色光 单色光
2019/8/16
反射光的光谱能量分布
F() ()L()
2019/8/16
光效率函数
杆状细胞与暗视觉 锥状细胞与明视觉 光效率函数:感受各种波长的光的灵敏度
V ()
亮度
780
Y (F ) F ()V ()d 350
三基色
三维颜色空间的一组基 三基色的例子：红、绿、兰三基色
来自生物学的证据
视网膜中存在三种锥状 细胞，分别对红、绿、兰 三基色敏感
2019/8/16
三色学说:视网膜中存在着三种椎体细胞，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.
第一种椎体细胞:感受红光的红胞， 第二和第三种椎体细胞则分别感受绿光和蓝光。它们三者共同作
常数
Yi1 Yi
r
Yi1
rYi
Yi
r iY0
结论
最大灰度值Yn
r nY0
1
r
(1 Y0
1
)n
ni
Yi Y0 n
给定n和 Y0 ，得到合理分布的灰度序列
2019/8/16
单色模型
半色调技术
问题：在硬件条件有限的情况下，如何产生更多的灰度（颜 色）等级？
2019/8/16
2019/8/16
CIE色度图
给定一种颜色，采用如何的三原色比例才可以复现出该色，以 及这种比例是否唯一 ？
CIE（国际照明委员会）选取的标准红、绿、蓝三种光的波长分
别为：红光，R， ；绿光，G，
；蓝光，B，
。
而光颜色的匹配可以用式子表示为：
其中权值r、g、b为颜色匹配中所需要的R、G、B三色光的相对 量，也就是三刺激的值 。
2019/8/16
单色模型
选择灰度（亮度）
显示器的灰度范围 [Y0 ,1] 问题：如何产生均匀分布的n+1级灰度？
方案一
亮度均匀分布
{Yi
}n i0
明度C分布不均匀
灰度看以来是均匀的要求明度分布均匀
2019/8/16
单色模型
方案二
ຫໍສະໝຸດ Baidu
明度均匀分布
{Ci
}n i0
Ci1 Ci
颜色
可见光刺激人的视觉系统产生的心理感觉
2019/8/16
亮度与明度的关系
亮度相同的小正方形区域具有不同的明度 Webe定律： 明度C与亮度Y,明度差dC为常数时，dY/Y 也为常数,其中 dY是物体与周围环境的亮度差。 即存在a1使得 a1*dY/Y=dC 上式两端积分得到： C=a2+a1logY
2019/8/16
颜色纺锤体
2019/8/16
RGB和HSV
RGB和CMY颜色模型都是面向硬件的，相比较而言， HSV(Hue,Saturation,Value)颜色模型是面向用户的，该模型对应于圆柱 坐标系的一个圆锥形子集
2019/8/16
RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法
CMY立方体
2019/8/16
2019/8/16
CIE-RGB
2019/8/16
CIE-XYZ
为了避免颜色匹配系统RGB非负， 取三基色XYZ 所有的可见光对应的颜色在XZY坐标系中组成了一个锥体，
2019/8/16
色度坐标：
是原点与（X，Y，Z）的直线与平 面X+Y+Z=1的交点，投影到XY平面 上，得到CIE-XYZ色度图 图中舌形线纯度为100%的单色光， 每一点是单色光的主波长。C点对 应校准白光，色度坐标近似（ 1/3，
向后兼容黑白电视 节约带宽
Y:I:Q = 4 : 1.5 : 0.6 Total = 6M
YIQ模型与RGB模型的关系？
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
HSV模型：面向用户
H(Hue)：色彩，S(Saturation)：饱和度，V(Value)：明度 应用：用户调色板 模型
颜色与纹理
主要内容
颜色与视觉 光的特性 单色模型 彩色模型 光栅系统的颜色模型 纹理 纹理映射
2019/8/16
颜色与视觉
颜色：外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。 确定物体的颜色的因素：物体本身、光源、周围环境的颜色、视觉系统。 从心理学和视觉的角度出发，颜色有如下三个特性：色调（Hue）,饱和
1/3， 1/3）。
2019/8/16
主波长，色纯度和补色的计算
两种颜色混合叠加，两种颜色 的连线上。
若将颜色A看作校准白光与纯色 B的混合，A与B的主波长相同。
|AC|/|BC|为颜色A的纯度
2019/8/16
颜色域定义
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
颜色模型
三维颜色空间的子集
细节多层次（mipmap）
回顾纹理过滤
纹理图单元（纹元，texel）和屏幕像素单元大小往往不是一 对一的匹配
2019/8/16
细节多层次（mipmap）
mipmap实际上就是预过滤，预先生成一批由大到小的 纹理图，根据物体所占像素的大小，选择对应的纹理 进行映射
又称为LoD（Level of Detail）技术
RGB立方体
C 1 R
M
1
G
Y 1 B
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
颜色的交互指定
菜单 调色板
颜色差插图形的绘制
动画 反混淆
2019/8/16
纹理与纹理映射
2019/8/16
模拟物体表面细节
面向硬件的颜色模型
RGB模型 CMY模型（Cyan青、Magenta品红、Yellow黄） YIQ模型（Y：亮度，I、Q：色差）
面向用户的颜色模型
HSV模型（H(Hue)色彩，S(Saturation)饱和度，V(Value)明度）
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
RGB模型
表面细节多边形 纹理映射 法向扰动法
2019/8/16
表面细节多边形
方法
根据代生成的纹理构造细节多边形 将细节多边形贴到物体表面
2019/8/16
复杂情形如何处理？
2019/8/16
纹理映射一般针对前两个几何层次进行
在宏观层次，使用颜色纹理映射可为物体表面贴上真实的色 彩花纹
方法：半色调技术、颜色抖动 以空间分辨率增加灰度等级。
例子：画笔
2019/8/16
彩色模型
颜色的描述
视觉
色彩(Hue)、饱和度(Saturation)、明度
物理学
主波长、色纯度、亮度
2019/8/16
彩色模型
，1862年，Helmhotz 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。
Red（红）、Green（绿）、Blue(兰) 应用：彩色CRT 加色模型
2019/8/16
显示彩色图象用RGB相加混色模型
颜色＝R(红色的百分比)＋G(绿色的百分比)＋B(蓝色 的百分比)
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
CMY模型
Cyan（青）、Magenta（品红）、Yellow（黄） 应用：硬拷贝设备 减色模型
2019/8/16
如何找到纹理与物体表面之间的对应关系？
2019/8/16
2019/8/16
纹理映射
纹理的表示
图象纹理：将二维纹理图案映射到三 维物体表面，绘制物体表面上一点时， 采用相应的纹理图案中相应点的颜色 值。
函数纹理：用数学函数定义简单的二 维纹理图案，如方格地毯。或用数学 函数定义随机高度场，生成表面粗糙 纹理即几何纹理。
2019/8/16
纹理映射（续）
当物体表面是多边形时
直接给定多边形顶点的纹理坐标
2019/8/16
纹理映射（续）
当物体表面是参数曲面时
给定参数与纹理坐标之间的关系
2019/8/16
纹理映射（续）
步骤
1、将屏幕像素的四个角点映射到景物坐标空间中可见的物体表 面上
2、将景物坐标空间映射到纹理坐标空间 3、将像素所对应的纹理坐标空间中的四边形内的所有纹素的值
在亚宏观层次，则采用更为精细的纹理映射技术表现凹凸不 平的表面纹理细节，如凹凸纹理映射，BTF（双向纹理函数） 等等
2019/8/16
为什么要进行纹理映射
仅有光照的场景看上去并不很真实 模型的多边形可能有些粗糙、不平滑 纹理可以对很多外观效果因素进行调制,如
反射效果，表面颜色，镜面高光，透明度，表面细节……
作加权平均，结果作为物体表面的漫反射系数参与颜色计算
2019/8/16
纹理映射（续）
2019/8/16
纹理坐标的指定
2019/8/16
纹理图象模拟国际象棋上黑白相间的方格
2019/8/16
常用的纹理映射方法
圆柱面映射 反求参数
2019/8/16
2019/8/16
球面映射 反求参数
用户定制物体表面细节
2019/8/16
纹理与纹理映射
纹理是物体表面的细小结构，它可以是光滑表面的花 纹、图案，是颜色纹理
纹理的特征？ 纹理还可以是粗糙的表面(如桔子表面的皱纹)，它们
被称为几何纹理，是基于物体表面的微观几何形状的 表面纹理，一种最常用的几何纹理就是对物体表面的 法向进行微小的扰动来表现物体表面的细节
2019/8/16
光的属性
光（可见光）：人的视觉系 统能感受到的电磁波，波长 范围350nm~780nm
光谱能量分布 白光
2019/8/16
光学特性
主波长（Dominant Wavelength），纯度（Purity）和明度（Luminance）。 主波长是产生颜色光的波长，对应于视觉感知的色调； 光的纯度对应于饱和度， 明度就是光的亮度。
用，使人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、绿两种椎体细胞几乎相同的反应，而只引起蓝细胞很 小的反应，这三种不同椎体细胞的不同程度的兴奋程度的结果产 生了黄色的感觉，这正如颜色混合时，等量的红和绿加上极小量 的蓝可以复现黄色是相同。
2019/8/16
视网膜：杆状和椎状 杆状细胞提供视觉相应（称为暗视觉）
光亮度: 既表示光能大小又表示其色彩组成的物理量. 光学中光谱分布，表示一束光中不同波长光所占的比例.光谱分布唯一决
定了相应可见光的色彩 亮度(Luminance)、照度
不考虑物体周围环境的影响，即与周围环境无关。
明度(Brightness)
视觉系统感知到的亮度， （亮度与明度的关系见后面）
度（Saturation）和亮度（Lightness）。 色调，是一种颜色区别于其他颜色的因素：红、绿、蓝、紫等； 饱和度是指颜色的纯度，鲜红色的饱和度高，而粉红色的饱和度低； 亮度就是光的强度，是光给人的刺激的强度。
2019/8/16
颜色的恒常性 颜色的混合性 牛顿的实验
2019/8/16
两步法纹理映射
Bier和Sloan提出，应用于三维曲面上 方法：
先映射到一个简单的三维曲面上，如平面，柱面，球面或者立方体 上（中介曲面）
把变形后的得映射结果映射到最终曲面上
4种从中介曲面到物体表面的映射方式
反射光线法 物体法向法 物体中心法 中介表面法向法
2019/8/16
打印彩色图象用CMY相减混色模型
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
YIQ模型
Y：亮度，I、Q：色差 应用：电视传播系统
RGB信号
电
视 台
Encoder
YIQ信号
2019/8/16
RGB信号 用
Decoder 户
YIQ信号
光栅系统中的颜色模型
为什么采用YIQ模型？
2019/8/16
环境映射
Blinn和Newell提出 环境被映照到一个大的球面上。 方法：
从视点出发，向待绘制的物体表面上一点发出一条光线，求 在该点的反射光线与环境球面的交点。
平面情况处理，用虚视点方法 效果比光线跟踪差，但计算量要很多。
2019/8/16
2019/8/16
物体的表面几何存在三种基本的度量层次
宏观结构层次（macrostructure）
物体的几何模型，一般用多边形、参数曲面描述
亚宏观结构层次（mesostructure）
相当小但仍看得见的几何细节，如砖墙上的凹凸部分
微观结构层次（microstructure）
描述肉眼看不到的表面细节和光学特性
彩色光 单色光
2019/8/16
反射光的光谱能量分布
F() ()L()
2019/8/16
光效率函数
杆状细胞与暗视觉 锥状细胞与明视觉 光效率函数:感受各种波长的光的灵敏度
V ()
亮度
780
Y (F ) F ()V ()d 350
三基色
三维颜色空间的一组基 三基色的例子：红、绿、兰三基色
来自生物学的证据
视网膜中存在三种锥状 细胞，分别对红、绿、兰 三基色敏感
2019/8/16
三色学说:视网膜中存在着三种椎体细胞，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.
第一种椎体细胞:感受红光的红胞， 第二和第三种椎体细胞则分别感受绿光和蓝光。它们三者共同作
常数
Yi1 Yi
r
Yi1
rYi
Yi
r iY0
结论
最大灰度值Yn
r nY0
1
r
(1 Y0
1
)n
ni
Yi Y0 n
给定n和 Y0 ，得到合理分布的灰度序列
2019/8/16
单色模型
半色调技术
问题：在硬件条件有限的情况下，如何产生更多的灰度（颜 色）等级？
2019/8/16
2019/8/16
CIE色度图
给定一种颜色，采用如何的三原色比例才可以复现出该色，以 及这种比例是否唯一 ？
CIE（国际照明委员会）选取的标准红、绿、蓝三种光的波长分
别为：红光，R， ；绿光，G，
；蓝光，B，
。
而光颜色的匹配可以用式子表示为：
其中权值r、g、b为颜色匹配中所需要的R、G、B三色光的相对 量，也就是三刺激的值 。
2019/8/16
单色模型
选择灰度（亮度）
显示器的灰度范围 [Y0 ,1] 问题：如何产生均匀分布的n+1级灰度？
方案一
亮度均匀分布
{Yi
}n i0
明度C分布不均匀
灰度看以来是均匀的要求明度分布均匀
2019/8/16
单色模型
方案二
ຫໍສະໝຸດ Baidu
明度均匀分布
{Ci
}n i0
Ci1 Ci
颜色
可见光刺激人的视觉系统产生的心理感觉
2019/8/16
亮度与明度的关系
亮度相同的小正方形区域具有不同的明度 Webe定律： 明度C与亮度Y,明度差dC为常数时，dY/Y 也为常数,其中 dY是物体与周围环境的亮度差。 即存在a1使得 a1*dY/Y=dC 上式两端积分得到： C=a2+a1logY
2019/8/16
颜色纺锤体
2019/8/16
RGB和HSV
RGB和CMY颜色模型都是面向硬件的，相比较而言， HSV(Hue,Saturation,Value)颜色模型是面向用户的，该模型对应于圆柱 坐标系的一个圆锥形子集
2019/8/16
RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法
CMY立方体
2019/8/16
2019/8/16
CIE-RGB
2019/8/16
CIE-XYZ
为了避免颜色匹配系统RGB非负， 取三基色XYZ 所有的可见光对应的颜色在XZY坐标系中组成了一个锥体，
2019/8/16
色度坐标：
是原点与（X，Y，Z）的直线与平 面X+Y+Z=1的交点，投影到XY平面 上，得到CIE-XYZ色度图 图中舌形线纯度为100%的单色光， 每一点是单色光的主波长。C点对 应校准白光，色度坐标近似（ 1/3，
向后兼容黑白电视 节约带宽
Y:I:Q = 4 : 1.5 : 0.6 Total = 6M
YIQ模型与RGB模型的关系？
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
HSV模型：面向用户
H(Hue)：色彩，S(Saturation)：饱和度，V(Value)：明度 应用：用户调色板 模型
颜色与纹理
主要内容
颜色与视觉 光的特性 单色模型 彩色模型 光栅系统的颜色模型 纹理 纹理映射
2019/8/16
颜色与视觉
颜色：外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。 确定物体的颜色的因素：物体本身、光源、周围环境的颜色、视觉系统。 从心理学和视觉的角度出发，颜色有如下三个特性：色调（Hue）,饱和
1/3， 1/3）。
2019/8/16
主波长，色纯度和补色的计算
两种颜色混合叠加，两种颜色 的连线上。
若将颜色A看作校准白光与纯色 B的混合，A与B的主波长相同。
|AC|/|BC|为颜色A的纯度
2019/8/16
颜色域定义
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
颜色模型
三维颜色空间的子集
细节多层次（mipmap）
回顾纹理过滤
纹理图单元（纹元，texel）和屏幕像素单元大小往往不是一 对一的匹配
2019/8/16
细节多层次（mipmap）
mipmap实际上就是预过滤，预先生成一批由大到小的 纹理图，根据物体所占像素的大小，选择对应的纹理 进行映射
又称为LoD（Level of Detail）技术
RGB立方体
C 1 R
M
1
G
Y 1 B
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
颜色的交互指定
菜单 调色板
颜色差插图形的绘制
动画 反混淆
2019/8/16
纹理与纹理映射
2019/8/16
模拟物体表面细节
面向硬件的颜色模型
RGB模型 CMY模型（Cyan青、Magenta品红、Yellow黄） YIQ模型（Y：亮度，I、Q：色差）
面向用户的颜色模型
HSV模型（H(Hue)色彩，S(Saturation)饱和度，V(Value)明度）
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
RGB模型
表面细节多边形 纹理映射 法向扰动法
2019/8/16
表面细节多边形
方法
根据代生成的纹理构造细节多边形 将细节多边形贴到物体表面
2019/8/16
复杂情形如何处理？
2019/8/16
纹理映射一般针对前两个几何层次进行
在宏观层次，使用颜色纹理映射可为物体表面贴上真实的色 彩花纹
方法：半色调技术、颜色抖动 以空间分辨率增加灰度等级。
例子：画笔
2019/8/16
彩色模型
颜色的描述
视觉
色彩(Hue)、饱和度(Saturation)、明度
物理学
主波长、色纯度、亮度
2019/8/16
彩色模型
，1862年，Helmhotz 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。
Red（红）、Green（绿）、Blue(兰) 应用：彩色CRT 加色模型
2019/8/16
显示彩色图象用RGB相加混色模型
颜色＝R(红色的百分比)＋G(绿色的百分比)＋B(蓝色 的百分比)
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
CMY模型
Cyan（青）、Magenta（品红）、Yellow（黄） 应用：硬拷贝设备 减色模型
2019/8/16
如何找到纹理与物体表面之间的对应关系？
2019/8/16
2019/8/16
纹理映射
纹理的表示
图象纹理：将二维纹理图案映射到三 维物体表面，绘制物体表面上一点时， 采用相应的纹理图案中相应点的颜色 值。
函数纹理：用数学函数定义简单的二 维纹理图案，如方格地毯。或用数学 函数定义随机高度场，生成表面粗糙 纹理即几何纹理。
2019/8/16
纹理映射（续）
当物体表面是多边形时
直接给定多边形顶点的纹理坐标
2019/8/16
纹理映射（续）
当物体表面是参数曲面时
给定参数与纹理坐标之间的关系
2019/8/16
纹理映射（续）
步骤
1、将屏幕像素的四个角点映射到景物坐标空间中可见的物体表 面上
2、将景物坐标空间映射到纹理坐标空间 3、将像素所对应的纹理坐标空间中的四边形内的所有纹素的值
在亚宏观层次，则采用更为精细的纹理映射技术表现凹凸不 平的表面纹理细节，如凹凸纹理映射，BTF（双向纹理函数） 等等
2019/8/16
为什么要进行纹理映射
仅有光照的场景看上去并不很真实 模型的多边形可能有些粗糙、不平滑 纹理可以对很多外观效果因素进行调制,如
反射效果，表面颜色，镜面高光，透明度，表面细节……
作加权平均，结果作为物体表面的漫反射系数参与颜色计算
2019/8/16
纹理映射（续）
2019/8/16
纹理坐标的指定
2019/8/16
纹理图象模拟国际象棋上黑白相间的方格
2019/8/16
常用的纹理映射方法
圆柱面映射 反求参数
2019/8/16
2019/8/16
球面映射 反求参数
用户定制物体表面细节
2019/8/16
纹理与纹理映射
纹理是物体表面的细小结构，它可以是光滑表面的花 纹、图案，是颜色纹理
纹理的特征？ 纹理还可以是粗糙的表面(如桔子表面的皱纹)，它们
被称为几何纹理，是基于物体表面的微观几何形状的 表面纹理，一种最常用的几何纹理就是对物体表面的 法向进行微小的扰动来表现物体表面的细节
2019/8/16
光的属性
光（可见光）：人的视觉系 统能感受到的电磁波，波长 范围350nm~780nm
光谱能量分布 白光
2019/8/16
光学特性
主波长（Dominant Wavelength），纯度（Purity）和明度（Luminance）。 主波长是产生颜色光的波长，对应于视觉感知的色调； 光的纯度对应于饱和度， 明度就是光的亮度。
用，使人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、绿两种椎体细胞几乎相同的反应，而只引起蓝细胞很 小的反应，这三种不同椎体细胞的不同程度的兴奋程度的结果产 生了黄色的感觉，这正如颜色混合时，等量的红和绿加上极小量 的蓝可以复现黄色是相同。
2019/8/16
视网膜：杆状和椎状 杆状细胞提供视觉相应（称为暗视觉）
光亮度: 既表示光能大小又表示其色彩组成的物理量. 光学中光谱分布，表示一束光中不同波长光所占的比例.光谱分布唯一决
定了相应可见光的色彩 亮度(Luminance)、照度
不考虑物体周围环境的影响，即与周围环境无关。
明度(Brightness)
视觉系统感知到的亮度， （亮度与明度的关系见后面）
度（Saturation）和亮度（Lightness）。 色调，是一种颜色区别于其他颜色的因素：红、绿、蓝、紫等； 饱和度是指颜色的纯度，鲜红色的饱和度高，而粉红色的饱和度低； 亮度就是光的强度，是光给人的刺激的强度。
2019/8/16
颜色的恒常性 颜色的混合性 牛顿的实验
2019/8/16
两步法纹理映射
Bier和Sloan提出，应用于三维曲面上 方法：
先映射到一个简单的三维曲面上，如平面，柱面，球面或者立方体 上（中介曲面）
把变形后的得映射结果映射到最终曲面上
4种从中介曲面到物体表面的映射方式
反射光线法 物体法向法 物体中心法 中介表面法向法
2019/8/16
打印彩色图象用CMY相减混色模型
2019/8/16
光栅系统中的颜色模型
YIQ模型
Y：亮度，I、Q：色差 应用：电视传播系统
RGB信号
电
视 台
Encoder
YIQ信号
2019/8/16
RGB信号 用
Decoder 户
YIQ信号
光栅系统中的颜色模型
为什么采用YIQ模型？
2019/8/16
环境映射
Blinn和Newell提出 环境被映照到一个大的球面上。 方法：
从视点出发，向待绘制的物体表面上一点发出一条光线，求 在该点的反射光线与环境球面的交点。
平面情况处理，用虚视点方法 效果比光线跟踪差，但计算量要很多。
2019/8/16
2019/8/16
物体的表面几何存在三种基本的度量层次
宏观结构层次（macrostructure）
物体的几何模型，一般用多边形、参数曲面描述
亚宏观结构层次（mesostructure）
相当小但仍看得见的几何细节，如砖墙上的凹凸部分
微观结构层次（microstructure）
描述肉眼看不到的表面细节和光学特性