《机器视觉实用教程》-第二章基础光学-2.10 色度

石鑫华视觉 · 发表于 2020-3-21 22:45:14

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《机器视觉实用教程》-第二章基础光学-2.10 色度2.10 色度

色度学中所应用的方法和工具，都是以目视颜色匹配定律和国际上一致采用的标准为基础的。国际照明委员会（CIE），通过其色度学委员会，推荐了色度学方法和基本的标准。

三原色

三原色由三种基本原色构成。原色是指不能透过其他颜色的混合调配而得出的“基本色”。以不同比例将原色混合，可以产生出其他的新颜色。以数学的向量空间来解释色彩系统，则原色在空间内可作为一组基底向量，并且能组合出一个“色彩空间”。由于人类肉眼有三种不同颜色的感光体，因此所见的色彩空间通常可以由三种基本色所表达，这三种颜色被称为“三原色”。一般来说叠加型的三原色是红色、绿色、蓝色，而消减型的三原色是品红色、黄色、青色。

图16 红绿蓝三原色

三原色简介

原色，又称为基色，即用以调配其他色彩的基本色。原色的色纯度最高，最纯净、最鲜艳，可以调配出绝大多数色彩（理论上，三原色可以调配出所有的颜色），而其他颜色不能调配出三原色。色光加色法和色料减色法示意图中，左图是色光的三原色：红（red）、绿（green）、蓝（blue）；右图是色料（颜料）的三原色：黄（yellow）、品红（magenta）、青（cyan）。

图17 三原色

色光三原色是指红、绿、蓝三色,各自对应的波长分别为700nm,546.1nm,435.8nm，光的三原色和物体的三原色是不同的。光的三原色，按一定比例混合可以呈现各种光色。根据托马斯?杨和赫尔姆豪兹的研究结果．这三种原色确定为红、绿、蓝(相当于颜料中的大红、中绿、群青的色彩感觉)。彩色电视屏幕就是由这红、绿、蓝三种发光的颜色小点组成的。由这三原色按照不同比例和强弱混合．可以产生自然界的各种色彩变化。颜料和其他不发光物体的三原色是品红(相当于玫瑰红、桃红)、品青(相当于较深的天蓝、湖蓝)、浅黄(相当于柠檬黄)。由英国化学家富勃斯特(1781—1868)研究选定的这三原色可以混合出多种多样的颜色，不过不能调配出黑色，只能混合出深灰色。因此在彩色印刷中，除了使用的三原色外还要增加一版黑色．才能得出深重的颜色。

在美术上又把红、绿、蓝定义为色彩三原色，但是品红加适量黄可以调出大红（红=M100+Y100），而大红却无法调出品红；青加适量品红可以得到蓝（蓝=C100+M100），而蓝加绿得到的却是不鲜艳的青；用黄、品红、青三色能调配出更多的颜色，而且纯正并鲜艳。用青加黄调出的绿（绿=Y100+C100），比蓝加黄调出的绿更加纯正与鲜艳，而后者调出的却较为灰暗；品红加青调出的紫是很纯正的（紫=C20+M80），而大红加蓝只能得到灰紫等等。此外，从调配其他颜色的情况来看，都是以黄、品红、青为其原色，色彩更为丰富、色光更为纯正而鲜艳。（在3D MAX中，三原色为：红黄蓝）。

无论是从原色的定义出发，还是以实际应用的结果验证，都足以说明，把黄、品红、青称为三原色，较红、黄、蓝为三原色更为恰当。

三原色分类按材料分

色光三原色

　　光线会越加越亮，两两混合可以得到更亮的中间色：yellow黄，cyan青，magenta品红（或者叫洋红、红紫）。三种等量组合可以得到白色。

　　补色指完全不含另一种颜色，红和绿混合成黄色，因为完全不含蓝色，所以黄色就是蓝色的补色。两个等量补色混合也形成白色。红色与绿色经过一定比例混合后就是黄色了。所以黄色不能称之为三原色。

　　在法国19世纪印象主义画派出现以前，人们大都习惯的认为物体的颜色是固定不变的，这就是所谓物体的“固有色”。后来印象派画家大胆的提出不存在固有色，物体的颜色是随着光线的变化而变化的，从而否定了固有色。现在又有人提出不应当否定固有色，认为许多绘画就是根据固有色来着色的，固有色在绘画中有存在的价值。那么怎么看待“固有色”呢?从科学的角度来讲是不存在固有色的，因为物体只有固定的物理结构，具有吸收和反射特定波长光线的能力，但是显示什么颜色还是要决定于什么样光线的照射。

　　在同样的白光下，消色物体中，吸收全部色光的物体呈现黑色，反射全部色光的呈现白色。某些物体由于它们结构的特点不能分解白光，但是它吸收部分白光同时又反射部分白光，因而列入从浅灰、灰到深灰等不同消色系列，这些颜色都是物体对白光非选择性吸收的结果。

　　当白光照射在有色物体上时，这些物体对白光有选择的吸收和反射，反射出来的光谱成分也各不相同，这时人们就会看到不同色彩的物体。例如红花吸收白光中的黄、青、绿、蓝、紫等色光，而反射红光，所以看起来是红色，所以说人们看到的物体色，就是物体不吸收或少吸收而反射出来的不同颜色。当不同的光色映照物体时，它会呈现不同的颜色，日光下?肖色的物体也会变成有色物体。日光下呈现绿色的布料在红光下会变成黑色，因为绿布只反射绿光，而在红光下无绿光可反射所以呈现黑色。又如一张白纸，在白光下是白色，在红光下现红色，绿光下呈现绿色，如果同时打上红、绿两种色光，就会呈现黄色。只有发光体才具有其自己的固定不变颜色，不受其他光和周围环境反光颜色的影响。从这个意义上来说不发光的物体是不存在“固有色”的，其色彩是由其自身的物理结构和周围的光线条件所决定的，所以称之为条件色。我们在色彩画写生时，首先要认识并注意表现条件色。

颜料三原色

　　彩色印刷的油墨调配、彩色照片的原理及生产、彩色打印机设计以及实际应用，都是黄、品红、青为三原色。彩色印刷品是以黄、品红、青三种油墨加黑油墨印刷的，四色彩色印刷机的印刷就是一个典型的例证。在彩色照片的成像中，三层乳剂层分别为：底层为黄色、中层为品红，上层为青色。各品牌彩色喷墨打印机也都是以黄、品红、青加黑墨盒打印彩色图片的。按照定义，原色应该能调制出绝大部分的其他色，而其他色都调不出原色。

　　美术实践证明，品红加少量黄可以调出大红（红=M100+Y100），而大红却无法调出品红；青加少量品红可以得到蓝（蓝=C100+M100），而蓝加白得到的却是不鲜艳的青；用黄、品红、青三色能调配出更多的颜色，而且纯正并鲜艳。用青加黄调出的绿（绿=Y100+C100），比蓝加黄调出的绿更加纯正与鲜艳，而后者调出的却较为灰暗；品红加青调出的紫是很纯正的（紫=C20+M80），而大红加蓝只能得到灰紫等等。此外，从调配其他颜色的情况来看，都是以黄、品红、青为其原色，色彩更为丰富、色光更为纯正而鲜艳。

彩电三原色

　　彩色电视机的荧光屏上涂有三种不同的荧光粉，当电子束打在上面的时候，一种能发出红光，一种能发出绿光，一种能发出蓝光。制造荧光屏时，工人用特殊的方法把三种荧光粉一点一点的互相交替地排列在荧光屏上。你无论从荧光屏什么位置取出相邻三个点来看都一定包括红、绿、蓝各一点。每个小点只有针尖那么大，不用放大镜是看不出来的。由于小，又挨得紧，在发光的时候，用肉眼就无法分辨出每个色点发出的光了，只能看到三种光混合起来的颜色。

印刷三原色

　　印刷的颜色，实际上都是看到的纸张反射的光线，比如我们在画画的时候调颜色，也要用这种组合。颜料是吸收光线，不是光线的叠加，因此颜料的三原色就是能够吸收RGB的颜色，为青、品红、黄（CMY），他们就是RGB的补色。

　　把黄色颜料和青色颜料混合起来，因为黄色颜料吸收蓝光，青色颜料吸收红光，因此只有绿色光反射出来，这就是黄色颜料加上青色颜料形成绿色的道理。

按色感分

　　兴奋色与沉静色，红橙黄等鲜明的暖色使人兴奋；青绿、青紫、青给人以沉静的感觉。

　　轻色与重色，浅淡的颜色给人以轻快的感觉，低明度深重的浓色给人以沉闷的感觉。重色在下轻色在上，使人觉得安定；轻色在下重色在上，则给人以不稳定的感觉。

　　艳丽与朴素的色彩，明度、纯度高的颜色，给人以艳丽的感觉；明度低纯度也低的颜色给人以朴素无华的感觉。

　　前进色与后退色，处在同一平面上的颜色，有的颜色使人感觉突出，有的颜色给人以退向后方的感觉。前者称前进色，后者称为后退色，一般的暖色如红、黄有前进感；冷色如青、绿有后退感。浅底子上的小块深色感觉向后，而深底子上的小块浅色给人的感觉则相反。房间的墙壁及屋顶涂以后退色感觉屋子宽敞高大。

　　膨胀色和收缩色，有些颜色看起来比实际大，有些看起来比实际小。前者称为膨胀色，后者称为收缩色。膨胀色与前进色一致，暖色、明亮色显得大；收缩色与后退色相一致．冷色、暗色显得小。白底子上的黑色显得小；黑底子上的白字显得大。穿深色、冷色衣服的人显得瘦；穿浅色暖色衣人显得胖。

　　1925年的一个傍晚，帕基尼在书房里观看油画，随着天气逐渐变暗，光线越来越弱，会发觉眼睛对画面颜色的感觉，随着光度的减弱而发生变化，先是红颜色渐渐变得不明显，后来就只能看见蓝颜色，在暗光线下光波长的红，黄色感觉暗；光波短的青、绿色感觉亮，这种视觉色彩敏感度与亮光下相反的现象，被称为帕基尼现象。月光是太阳光的反射光，光色的组成与日光相同，但是亮度约为日光的五百分之一，在这种光线下，青绿色易于感知，红黄则难以辨认，所以人在月光下看红色是黑褐色，白色物体呈现青色，其他东西都带有一种青绿的调子，实际上月夜风景的独特色调不是月光光谱组成的变化，而是人的视觉对光谱中不同光色的感知度发生了变化。

　　视觉对明度也具备同样的恒常性感受。在直射日光下观看灰颜色的纸张，反射的光线强度，与在室内观看白纸时的亮度相比，要明亮许多倍，但人们都认为是灰纸。因为人们有在阳光下观察白纸的记忆与之相对照，从而在心理上自动调整了视觉感受。

　　色彩的恒常性还明显地表现在“固有色”观念上。人们在观察常见的物体时，由于受意识的影响，习惯地根据长久的经验积累，排除光线变化及环境色彩对物体的影响，把视觉的色彩感受调整到接近物体的常见色，如倾向于把皮肤看成肉色，把树叶看成绿色，把天空看成蓝色。这种固有色观念给人们地日常地工作和生活带来许多方便，但如果不能在特定情况下排除，就会给色彩观察带来相当不利的影响，涉及眼睛、视神经、心理对比，补色关系，色彩适应等。色彩爱好，色彩感情，色彩美感等，就不只限于视觉属性地范围，要扩展地联系到心理，个性，社会意识等许多因素来解释，只有全面地了解色彩的主题，才能正确理解色彩现象。

按属性分

色彩三属性：色相，明度，纯度。人类能够见到地颜色多种多样，有各种鲜艳，柔和，明亮，深重不同地颜色，绝大多数颜色具有三个方面的属性，色相，明度和纯度，颜色可以分为两大类：有色系列和消色系列，有色系列的颜色都具有这三个方面的属性，无彩色系列物体，既黑白灰色物体，不具有色相和纯度，只有明度属性，不过色彩地三属性既包括有色系列，也包括消色系列，人们可以根据这三个要素给任何一种颜色定性，定量，因为颜色是由物体反射光波而产生地，这三个要素实际上就是基于所反射光波地特征而划分。

色相

色相是指色光由于光波长，频率地不同而形成地特定色彩性质，也有人把它叫做色阶，色纯，彩度，色别，色质，色调等，按照太阳光谱的次序把色相排列在一个圆环上，并使其首尾衔接，就称为色相环，再按照相等地色彩差别分为若干主要色相，这就是红，橙，黄，绿，青，紫，等主要色相。

明度

　　明度是指物体反射出来地光波数量地多少，即光波的强度，它决定了颜色的深浅程度，某一色相的颜色，由于反射同一波长光波地数量不同而产生明度差别，例如粉红反射光波较多，其亮度接近浅灰的程度，比大红反射的光波量较少，其亮度接近深灰的明度，他们的色相相同，明度却不同，这里还有一个因素影响色彩亮度，人类的正常视觉对不同色光的敏感程度是不一致地，人们对黄、橙黄、绿色的敏感程度高，所以感觉这些颜色较亮，对蓝、紫、红色视觉敏感度低，所以觉得这些颜色比较暗，人们通常用从白到灰到黑的颜色划成若干明度不同地阶梯，作为比较其他各种颜色亮度地标准明度色阶。

纯度

纯度是指物体反射光波频率的纯净程度，单一或混杂的频率决定所产生颜色的鲜明程度。这是一个外来词汇，由于翻译的不同，也有把它翻译为：饱和度、彩度、色纯、色度、色阶，这些词的含义是一样的。当然，有些译法容易混淆，值得商榷。单一频率的色光纯度最高，随着其他频率色光的混杂或增加，纯度也随之减低。物体色越接近光谱中红、橙、黄、绿、青、蓝、紫系列中的某一色相，纯度越高；相反的。颜色纯度越低时，越接近黑、白、灰这些无彩色系列的颜色。

图18 色相、明度、纯度

三原色的计算

三原色：（红R、绿G、兰B）或（品红、绿、兰）

三原色不能由其他色混合得到，三原色的波长如下：

红：700nm，绿：546.1nm，蓝：435.8nm

由RGB构成白光，得亮度比为LR:LG:LB=1:4.5907:0.0601 Lm/(sr·m2)

色度坐标和色品坐标

三原色坐标：R，G，B，是三维色度坐标。（以下公式较多，用请看图片）

三原色的计算

图19 色匹配函数

图20 RGB颜色模型映射到一个立方体上

水平的x轴代表红色，向左增加。y轴代表蓝色，向右下方向增加。竖直的z轴代表绿色，向上增加。原点代表黑色，遮挡在立方体背面。

色度图及色品图

三原色坐标见图21-a,色品坐标见图21-b,实际色谱的色品则示于图21-c中。由图21-c可见，三原色系统的色品图中有很大部分出现负值，使用很不方便，为此，国际照明委员会建立了CIE标准色度系统，解决了这一问题。

图21 色度及色品图

CIE标准色度系统CIE1931色彩空间概述

在颜色感知的研究中，CIE1931 XYZ 色彩空间（也叫做 CIE1931 色彩空间）是其中一个最先采用数学方式来定义的色彩空间，它由国际照明委员会（CIE）于1931年创立。

CIE XYZ 色彩空间是从 1920 年代后期 W. David Wright (Wright 1928) 和 JohnGuild (Guild 1931) 做的一系列实验中得出的。他们的实验结果合并到了 CIE RGB 色彩空间的规定中，CIE XYZ 色彩空间再从它得出。本文即阐述这两种色彩空间。

三色刺激值

人类眼睛有对于短（S）、中（M）和长（L）波长光的感受器（叫做视锥细胞），所以原则上只要三个参数便能描述颜色感觉了。在三色加色法模型中，如果某一种颜色和另一种混合了不同份量的三种原色的颜色，均使人类看上去是相同的话，我们把这三种原色的份量称作该颜色的三色刺激值。 CIE 1931 色彩空间通常会给出颜色的三色刺激值，并以X、Y和Z来表示。

色彩空间是指任何一种替每个颜色关联到三个数（或三色刺激值）的方法，CIE 1931 色彩空间就是这种色彩空间之一。但是 CIE XYZ 色彩空间是特殊的，因为它是基于人类颜色视觉的直接测定，并充当很多其他色彩空间的定义基础。

在 CIE XYZ 色彩空间中，三色刺激值并不是指人类眼睛对短、中和长波（S、M 和 L）的反应，而是一组称为 X、Y 和 Z 的值，约略对应于红色、绿色和蓝色（但要留意 X、Y 和 Z 值并不是真的看起来是红、绿和蓝色，而是从红色、绿色和蓝色导出来的参数），并使用 CIE 1931 XYZ 颜色匹配函数来计算。两个由多种不同波长的光混合而成的光源可以表现出同样的颜色，这叫做“异谱同色”（metamerism）。当两个光源对标准观察者（CIE 1931 标准色度观察者）有相同的视现颜色的时候，它们即有同样的三色刺激值，而不管生成它们的光的光谱分布如何。

CIE xy 色度图

因为人类眼睛有响应不同波长范围的三种类型的颜色传感器，所有可视颜色的完整绘图是三维的。但是颜色的概念可以分为两部分：明度和色度。例如，白色是明亮的颜色，而灰色被认为是不太亮的白色。换句话说，白色和灰色的色度是一样的，而明度不同。

CIE XYZ 色彩空间故意设计得 Y 参数是颜色的明度或亮度的测量。颜色的色度接着通过两个导出参数 x 和 y 来指定，它们是所有三个三色刺激值 X、Y 和 Z 的函数所规范化的三个值中的两个：

导出的色彩空间用 x,y, Y 来指定，它叫做 CIE xyY 色彩空间并在实践中广泛用于指定颜色。

X 和 Z 三色刺激值可以从色度值 x 和 y 与 Y 三色刺激值计算回来：

下面的图像展示了相对色度图。外侧曲线边界是光谱轨迹，波长用纳米标记。注意这个色度图是指定人类眼睛如何体验给定频谱的光的工具。它不能指定物体的颜色（或印刷墨水），因为在观察物体的时候看到的色度还依赖于光源。

图22 CIE 1931 色彩空间色度图

外侧曲线边界是光谱（或单色）光轨迹，波长用纳米标记。注意描绘的颜色依赖于显示这个图象的设备的色彩空间，没有设备能有足够大色域来在所有位置上提供精确的色度表现。

数学上，x 和 y 是投影坐标，色度图的颜色占据了实投影平面的一个区域。

色度图展示了 CIEXYZ 色彩空间一些有趣性质：

色度图展示了对一般人可见的所有色度。这个用颜色展示的区域叫做人类视觉的色域。在 CIE 绘图上所有可见色度的色域是用颜色展示的马蹄铁形状。色域的曲线边界叫做“光谱轨迹”并对应于单色光，波长用纳米标记。色域底下的直线边界叫做“紫线”，这些颜色尽管在色域的边界上，但没有匹配的单色光。更少饱和的颜色位于图形内部而白色位于中央。

所有可见色度对应于 x、y 和 z 的非负值（因此对应于 X、Y 和 Z 的非负值）。

如果你在色度图上选择了任何两点，则位于这两点之间直线上任何颜色都可以用这两个颜色混合出来。这得出了色域的形状必定是凸形的。混合三个光源形成的所有颜色都可以在色度图内的源点形成的三角形内找到（对于多个光源也如是）。

两个同等明亮颜色的等量混合一般不位于这个线段的中点。用更一般术语说，在 xy 色度图上距离不对应于两种颜色之间的差别程度。设计了其他色彩空间（特别是CIELuv 和 CIELab）来满足这个问题。

给定三个真实光源，这些光源不能覆盖人类视觉的色域。几何上说，在色域中没有三个点可以形成包括整个色域的三角形，更简单的说，人类视觉的色域不是三角形。

平直能量频谱的光对应于点 (x,y) = (1/3,1/3)。

CIE XYZ 色彩空间定义实验结果 — CIE RGB 色彩空间

CIE RGB 色彩空间是 RGB 色彩空间之一，以单色（单一波长）原色的特定集合著称。

在 1920 年代，W. DavidWright (Wright 1928) 和 John Guild (Guild 1931) 独立进行了一系列人类视觉实验，提供了CIE XYZ 色彩空间规定的基础。

图23 CIE RGB 原色的色域和原色在 CIE 1931 xy 色度图上的位置

图23 CIE RGB 原色的色域和原色在 CIE1931 xy 色度图上的位置

实验使用 2 度视角的圆形屏幕。屏幕的一半投影上测试颜色，另一半投影上观察者可调整的颜色。可调整的颜色是三种原色的混合，它们每个都有固定的色度，但有可调整的明度。

观察者改变三种原色光的明度直到观察到混合的颜色匹配了测试颜色。不是所有颜色都可使用这种技术匹配。当没有匹配的时候，可变数量的一种原色被增加到测试颜色上，用余下两种原色混合与它匹配。对于这种情况，增加到测试颜色上原色的数量被认为是负值。通过这种方式，可以覆盖完整的人类颜色感知。当测试颜色是单色的时候，可以把使用的每种原色的数量绘制为测试颜色的波长的函数。这三个函数叫做这个特定实验的“颜色匹配函数”。

图24 CIE 1931 RGB 颜色匹配函数