第10章 颜色模型

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光栅系统中的颜色模型
• 颜色模型
– 三维颜色空间的子集
• 面向硬件的颜色模型
– RGB模型、CMYK模型、YIQ模型
• 面向用户的颜色模型
– HSV模型
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光栅系统中的颜色模型
• RGB模型
– Red（红）、Green（绿）、Blue(兰) – 应用：彩色CRT – 加色模型
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因此，1931年的CIE-XYZ系统利用三种假想的标准原色X （红）、Y（绿）、Z（蓝），以便使我们能够得到的颜色 匹配函数的三刺激值都是正值。类似地，该系统的光颜色 匹配函数定义为如下的一个式子： C=xX+yY+zZ 在这个系统中，任何颜色都能由三个标准原色的混合 （三刺激值是正的）来匹配。这样我们就解决了用怎样 的三原色比例混合来复现给定的颜色光的问题，下面我 们来介绍一下得到的上述比例是否唯一的问题。
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光栅系统中的颜色模型
– RGB模型
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• CMYK模型
– Cyan（青）、Magenta（品红）、Yellow （黄） – 应用：硬拷贝设备 – 减色模型
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光栅系统中的颜色模型
– 与RGB模型的关系
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颜色缓存（Color Buffer） 颜色缓存
• 颜色缓存通常指的是图形要画入的缓存，其中 内容可以是颜色索引，也可以是RGB颜色数据 （包含Alpha值也可）。若读者所用OpenGL系 统支持立体视图，则有左、右两个缓存；若不 支持立体视图，则只有左缓存。同样，双缓存 OpenGL系统有前台和后台两个缓存，而单缓 存系统只有前台缓存。每个OpenGL系统都必 须提供一个左前颜色缓存。
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光栅系统中的颜色模型
– 与RGB模型的关系？
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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
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颜色转换
当用计算机产生图象时，经常要从一个颜色空间转换到另 一个颜色空间。这主要是由于创作过程通常既在基于光的颜色 环境中，又在基于颜料的颜色环境中。当我们描述相片和图纸 时，使用基于颜料的颜色；当我们处理存在的图象或在屏幕上 产生新图象时，使用基于光的颜色；当在纸上输出一个图象时， 再一次使用基于颜料的颜色。 在大多数情况下，这种颜色的转换是由我们使用的计算机 系统自动完成。很明显，这些颜色转换的质量各个程序会有所 不同。如果我们对计算机系统的颜色输出大体上满意，就没必 要涉及颜色的转换过程；如果对自动或缺省的颜色转换不满意， 则需要颜色平衡和校色。
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 12/13/2011 9 相对量，也就是三刺激的值。
图4.1.5 标准三原色匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线
在上面的曲线中我们发现，曲线的一部分三刺激值是负数，这表 明我们不可能靠混合红、绿、蓝三种光来匹配对应的光，而只能 在给定的光上叠加曲线中负值对应的原色，来匹配另两种原色的 混合。对应于在式（4.1.1）中的权值会有负值，由于实际上不 存在负的光强，而且这种计算极不方便，不易理解，人们希望找 出另外一组原色，用于代替CIE-RGB系统，
彩色模型
• 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
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CIE色度图
由三色学说的原理我们知道，任何一种颜色可以通过红、绿、 蓝三原色按照不同比例混合来得到。可是，给定一种颜色，采 用怎样的三原色比例才可以复现出该色，以及这种比例是否唯 一，是我们需要解决的问题，只有解决了这些问题，我们才能 给出一个完整的用RGB来定义颜色的方案。 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：
C 1 R M = 1 − G Y 1 B
– CMYK模型
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光栅系统中的颜色模型
• HSV模型
– H(Hue)：色彩，S(Saturation)：饱和度， V(Value) V(Value)：明度 – 应用：用户调色板 – 模型
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帧缓存
• 屏幕上所绘的图形都是由象素组成的，每个象素都有 屏幕上所绘的图形都是由象素组成的， 一个固定的颜色或带有相应点的其它信息，如深度等。 一个固定的颜色或带有相应点的其它信息，如深度等。 因此在绘制图形时， 因此在绘制图形时，内存中必须为每个象素均匀地保 存数据， 存数据，这块为所有象素保存数据的内存区就叫缓冲 又叫缓存（ ）。不同的缓存可能包含每个 区，又叫缓存（buffer）。不同的缓存可能包含每个 ）。 象素的不等数位的数据，但在给定的一个缓存中， 象素的不等数位的数据，但在给定的一个缓存中，每 个象素都被赋予相同数位的数据。 个象素都被赋予相同数位的数据。存贮一位象素信息 的缓存叫位面（ ）。系统中所有的缓存统称为 的缓存叫位面（bitplane）。系统中所有的缓存统称为 ）。 帧缓存（ ），可以利用这些不同的缓存进 帧缓存（Framebuffer），可以利用这些不同的缓存进 ）， 行颜色设置、隐藏面消除、 行颜色设置、隐藏面消除、场景反走样和模板等操作
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模板缓存（Stencil Buffer） 模板缓存（ ）
• 模板缓存可以保持屏幕上某些部位的图形不变， 模板缓存可以保持屏幕上某些部位的图形不变， 而其它部位仍然可以进行图形绘制。比如说， 而其它部位仍然可以进行图形绘制。比如说， 可以通过模板缓存来绘制透过汽车挡风玻璃观 看车外景物的画面。首先， 看车外景物的画面。首先，将挡风玻璃的形状 存贮到模板缓存中去，然后再绘制整个场景。 存贮到模板缓存中去，然后再绘制整个场景。 这样，模板缓存挡住了通过挡风玻璃看不见的 这样， 任何东西， 任何东西，而车内的仪表及其它物品只需绘制 一次。因此，随着汽车的移动， 一次。因此，随着汽车的移动，只有外面的场 景在不断地更改。 景在不断地更改。
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在三维空间中，我们可以用一个纺锤 体把颜色的三种基本特性来表示出来 （4.1.1）。在颜色纺锤体的垂直轴 线上表示白黑系列的亮度变化，顶部 是白色，到底部是黑色。在垂直轴线 上，从下向上，亮度越来越大。色调 由水平圆周表示，圆周上不同角度的 点代表了不同色调的颜色，如红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫等，圆周中心的 色调是中灰色，它的亮度和该水平圆 周上各色调的亮度相同。从圆心向圆 周过渡表示同一色调下饱和度的提高。 在颜色纺锤体的一个平面圆形上，它 们的色调和饱和度不同，而亮度是相 同的。
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
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三色学说
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。 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。 12/13/2011 7
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深度缓存（Depth Buffer） 深度缓存
• 深度缓存保存每个象素的深度值。深度 深度缓存保存每个象素的深度值。 通常用视点到物体的距离来度量， 通常用视点到物体的距离来度量，这样 带有较大深度值的象素就会被带有较小 深度值的象素替代，即远处的物体被近 深度值的象素替代， 处的物体遮挡住了。深度缓存也称为z处的物体遮挡住了。深度缓存也称为 buffer，因为在实际应用中，x、y常度量 ，因为在实际应用中， 、 常度量 屏幕上水平与垂直距离， 常被用来度 屏幕上水平与垂直距离，而z常被用来度 量眼睛到屏幕的垂直距离。 量眼睛到屏幕的垂直距离。
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用R、G、B三原色(实际上是CIE-XYZ标准原色)的单位向量可以定 义一个三维颜色空间(图4.1.6)，一个颜色刺激(C)就可以表示为这 个三维空间中一个以原点为起点的向量，我们把该三维向量空间称 为(R、G、B)三刺激空间，该空间落在第一象限，该空间中的向量 的方向由三刺激的值确定，因而向量的方向代表颜色。为了在二维 空间中表示颜色，我们取一个截面，该截面通过(R)、(G)、(B)三 个坐标轴上离原点长度为1的点，可 知截面的方程为(R)＋(G)＋(B)＝1。 该截面与三个坐标平面的交线构成 一个等边三角形，它被称为色度图。 每一个颜色刺激向量与该平面都有 一个交点，因而色度图可以表示三 刺激空间中的所有颜色值，同时交 点的个数是唯一的，说明色度图上 的每一个点代表不同的颜色，它的 空间坐标表示为该颜色在标准原色 下的三刺激值，该值是唯一的。