《彩色基本原理》PPT课件.ppt

彩色基本原理,可见光与色彩颜色的光学合成颜色的表示与度量方法遥感影像对应颜色的法则,灰色图像与彩色图像,亮度对比,视觉颜色度量颜色再现,1 可见光与色彩,1.1 可见光可见光：电磁辐射中能引起视觉反映的一定波长范围的波段称为可见光谱或可见辐射，简称光。（0.380.76m）波长不同，产生的色觉也不同。,各国可见光谱划分标准,光是色的源泉，色是光的表现。,1.2 物体的颜色,发光体的颜色：物体发射可见光谱特点火、灯非发光体的颜色：消色物体：对入射的白光呈无选择吸收和反射。彩色物体：对入射的白光呈有选择吸收和反射。此外，物体颜色随入射光源的光谱成分不同而发生变化，如霓虹灯下物体的颜色可见，物体颜色的决定因素:入射光源、发射、反射、透射可见光谱特点。,彩色三要素：表示颜色的类别与深浅程度。色别（hue）：又称色调，指彩色的类别，是彩色彼此相互区分的特性。饱和度(Saturation)：彩色的纯度，即浓淡程度明度(value)：颜色的明暗程度。色度：色调（Hue）和饱和度(Saturation)的通称。,1.2 物体的颜色,明度,同一物体因受光不同会产生亮度上的变化,照射的光越强，反射光也越强，看起来越亮。显然，如果彩色光的强度降到使人看不到了，在亮度标尺上它应与黑色对应。同样，如果其强度变得很大，那么亮度等级应与白色对应。亮度是非彩色属性，彩色图像中的亮度对应于黑白图像中的灰度。,1.2 物体的颜色,饱和度（纯度）,对于同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，相反则越淡。,在饱和的彩色光中增加白光的成分，相当于增加了光能，因而变得更亮了，但是它的饱和度却降低了。若增加黑色光的成分，相当于降低了光能，因而变得更暗，其饱和度也降低了。,1.2 物体的颜色,不同颜色物体的光谱分布,蒙塞尔颜色立体,中央轴代表无彩色黑白系列中性色的明度等级，黑色在底部(0)，白色在顶部(10)，称为蒙塞尔明度值。中央轴上的饱和度为0，离开中央轴愈远，饱和度愈大(5-12)。,蒙塞尔颜色立体水平剖面,蒙塞尔颜色立体水平剖面上表示10种基本色。它含有5种原色：红（R）、黄（Y）、绿（G）、蓝（B）、紫（P）和5种间色：黄红（YR）、绿黄（GY）、蓝绿（BG）、紫蓝（PB）、红紫（RP）。在上述10种主要色的基础上再细分为40种颜色，全图册包括40种色相样品。,颜色标定的方法,任何颜色都可以用颜色立体上的色相、明度值和彩度这三项坐标来标定，并给一标号。标定的方法是先写出色相H，再写明度值V，在斜线后写彩度C。HVC色相明度值彩度例:10Y812：色相是黄（Y）与绿黄（GY）的中间色，明度值是8，彩度是12。对于非彩色的黑白系列（中性色）用N表示，在N后标明度值V，斜线后面不写彩度。NV中性色明度值例:N5：明度值是5的灰色。,2 颜色的光学合成,三基色：任何色光可由三种独立的色匹配得到，这三种色称为三基色或三原色。CIE规定的色光三原色：红（R）0.70 m；绿（G）0.5461 m；蓝（B）0.4358 m。,2.1 三基色原理,加色法:由两种以上色光相混合，呈现另一种色光的方法，称为色光加色法。加色法本质：具有不同能量的色光混合时，可以导致混合色光能量的变化 任意颜色：H=r（R）+g（G）+b（B）（R）、（G）、（B）表示三原色的单位量，r、g、b是用来匹配某一特定颜色所需要的红、绿、蓝三原色的量，叫做三刺激值。,2.3 颜色的光学合成,一、加色法,彩色合成,red+green=yellowgreen+blue=cyanred+blue=magenta,互补色,1.人的视觉只能分辨颜色的三种变化：色相、明度和饱和度。2.在由两个色光的混合匹配中，如果其中一个色光连续变化，则混合色的外貌也会发生连续变化。补色率：以适当比例混合后能产生白色或灰色的两种色互为补色.最基本的互补色有三对：红-青，绿-品红，蓝-黄 间色律：任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色调决定于两色的相对数量，其纯度决定于二者在色调顺序上的的距离。,1931年CIE组织建立了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值都是正值，而x、y、z的表达方式仍类似上面的那组公式。由此衍生出的便是1931 CIE-XYZ系统（如图4），这个系统是色度学的实际应用工具，几乎关于颜色的一切测量、标准以及其他方面的延伸都以此为出发点，因而是颜色视觉研究的有力工具。,3 颜色表示与度量方法,3 颜色表示与度量方法,1）RGB空间如果将 R、G、B 看成三个变量,就形成一个三维彩色空间。可以用一个三维的立方体来表示它们能组成的所有颜色。RGB色彩空间采用物理三基色表示，因而物理意义很清楚，适合彩色显象管工作。用 RGB 坐标系表示颜色也有不方便之处。由于不能直接得到亮度,所以在转换成黑白图像时稍有不便之处。,6)几种彩色座标系之间的关系,2 颜色表示与度量方法,2）HIS空间,HSI色彩空间和RGB色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系，如公式所示。,色度：色调（Hue）和饱和度(Saturation)的通称。用来表示颜色的类别与深浅程度。由于人的视觉对亮度（Intensity）的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI色彩空间，它比RGB色彩空间更符合人的视觉特性。在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在HSI色彩空间中方便地使用，它们可以分开处理而且是相互独立的。因此，在HSI色彩空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。,3 颜色表示与度量方法,HIS模型,HSI模型量化颜色三属性H色相：取值0-360S饱和度：取值0-1或0-100I亮度：取值0-1或0-100,RGBHSI,HSIRGB,0 H=120,120 H=240,240 H=360,3）YUV（Lab）色彩空间 在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色CCD（点耦合器件）摄像机，它把摄得的彩色图像信号，经分色、分别放大校正得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号RY、BY，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这就是我们常用的YUV色彩空间。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图就是黑白灰度图。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号。,3 颜色表示与度量方法,根据美国国家电视制式委员会，NTSC制式的标准，当白光的亮度用Y来表示时，它和红、绿、蓝三色光的关系可用如下：Y0.3 R+0.59 G+0.11B 这就是常用的亮度公式。色差U、V是由BY、RY按不同比例压缩而成的。YUV色彩空间与RGB色彩空间的转换关系如下：,3 颜色表示与度量方法,遥感影像色彩与反射率的对应,传感器接收电磁能量，用化学方法、光电转换方法将能量记录下来。但是无论是胶片上各点化学反应的程度、还是数字记录，人还是无法直接从中快速获取信息。因此，人们通过一定的规则：对记录介质上的记录值与色彩之间建立对应关系.如何建立这种对应关系？对于胶片通过特定的冲洗技术实现，对于数字矩阵通过数值与色彩对应实现。,遥感影像对应颜色的法则,单个工作波段上的影像显示为黑白影像:反射率越大用越明亮的白色，反射率越小用越接近黑色的灰色，反射率居中则用不同程度的灰色表示。单个工作波段上的影像表示为某种不同明度的颜色:用某种颜色的不同明度（色阶）实现，明亮度最低代表在反射率最低，明亮度最大代表反射率最高，不同程度明亮度代表中间过度的反射率。单个工作波段上的影像表示为彩色:反射率越大要选用越明亮的色彩，反射率越小要选用明亮度越小的色彩。三个工作波段的影像可以叠加显示为彩色：利用三原色原理，每个工作波段影像选用一个原色，用该原色的不同明度表示；三幅影像叠加在一起，则得到彩色效果。,遥感影像对应颜色的法则,单个工作波段上的影像显示为黑白影像:单个工作波段上的影像表示为某种不同明度的颜色:单个工作波段上的影像表示为彩色:反射率：大-中-小 明亮：白色-灰色-黑色 单色：暗红-淡红-鲜红 彩色：黑-彩色-白色三个工作波段的影像可以叠加显示为彩色：利用三原色原理，每个工作波段影像选用一个原色，用该原色的不同明度表示；三幅影像叠加在一起，则得到彩色效果。,遥感图像彩色合成,彩色合成,常见颜色组合,黑色RGB(0,0,0)白色RGB(255,255,255)红色RGB(255,0,0)绿色RGB(0,255,0)蓝色RGB(0,0,255)黄色RGB(255,255,0)紫色RGB(255,0,255)青色RGB(0,255,255)暗灰色RGB(128,128,128)亮灰色RGB(192,192,192),单波段图像,TM1,TM2,TM3,TM4,TM5,TM6,TM7,波段组合,TM3,TM4,TM5,通道,通道,通道,TM 5+4+3,多波段图像,TM7,4,1,TM5,7,2,TM5,4,3,TM4,3,2,通道,通道,通道,242,56,254,传感器记录的信息,传感器的记录信息的形式:数字影像：记录在磁性介质之上的数字矩阵，能够被计算机存储、处理和使用，又称为数字量。模拟影像：基于光学原理，利用感光胶片来曝光成像，通过光学摄影获得的物质胶片、相片；又称为模拟量（对现实的模拟）。模拟影像和数字影像之间的转换称为模数转换，A/D转换；反之，称数模转换，D/A转换。A：analog signals；D：digital signals.,二、减色法,减色法：两种或三种颜色的物质重叠后产生的反射光谱作用于人眼后产生色觉的方法。减色法本质：颜色物质从白光中选择吸收性色光减色三原色：色料三原色 青、品红、黄 相减混色规律：YW B Y+MW B-GMW G C+MW R G CW R Y+C W B R Y+M+C W B G R BL（黑）Y+M+C W B少 G少 R少 H（灰）,减色法,减色法：白光中减去一些色光，从而显示为剩余色光综合后的颜色，即相减混合。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、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。,4）CMYK 色彩空间,彩色印刷或彩色打印的纸张是不能发射光线的，因而印刷机或彩色打印机就只能使用一些能够吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或颜料。油墨或颜料的三基色是青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow），简称为CMY。青色对应蓝绿色；品红对应紫红色。理论上说，任何一种由颜料表现的色彩都可以用这三种基色按不同的比例混合而成，这种色彩表示方法称CMY色彩空间表示法。彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY色彩空间。由CMY混合的色彩又称为相减混色。因为CMY空间正好与RGB空间互补，也即用白色减去RGB空间中的某一色彩值就等于同样色彩在CMY空间中的值。RGB空间与CMY空间的互补关系.,3 颜色表示与度量方法,3 颜色表示与度量方法,实际应用中，一幅图像在计算机中用RGB空间显示；用RGB或HIS空间编辑处理；打印输出时要转换成CMY空间；如果要印刷，则要转换成CMYK四幅印刷分色图，用于套印彩色印刷品。,3 颜色表示与度量方法,左图是一些典型设备在1931 CIE-XYZ系统中所能表现的色彩范围（色域）。其中，三角形框是显示器的色彩范围，灰色的多边形是彩色打印机的表现范围。从色域图上可以看到，沿着x轴正方向红色越来越纯，绿色则沿y轴正方向变得更纯，最纯的蓝色位于靠近坐标原点的位置。所以，当显示器显示纯红色时，颜色值中的x值最大；类似地，显示绿色时y值最大；根据系统的定义，在显示蓝色时则是1-x-y的结果最大。,2 颜色表示与度量方法,