颜色的物理基础

光电磁辐射的可见光谱

不同频率（波长）的振荡

频谱功率分布 (SPD)

测光的显着特性

光源的光谱功率分布

按波长描述能量分布

光谱功率分布的线性

什么是颜色？

颜色的生物学基础

视网膜感光细胞：视杆细胞和视锥细胞

① 视杆细胞(Rod cells)是非常弱光（“暗”条件下）的主要受体,例如昏暗的月光

② 视锥细胞(Cone cells)是典型光照水平下的主要受体（“明视”）

视锥细胞的光谱响应

三种锥细胞类型的分数差异很大

色彩的三色理论

人类视锥细胞的光谱响应

人类视觉系统

感光流程

同色异谱

异构体

① 色彩再现/匹配

② CIE RGB配色实验

CIE RGB 颜色匹配函数

颜色空间

标准色彩空间

通用色彩空间：CIE XYZ

设计图

分离亮度、色度

CIE色度图

色域

sRGB 是常用的色彩空间

感知组织的色彩空间

颜色的感知维度

① CIELAB 空间（又名 L*a*b*）

② 互补色彩理论

③ CMYK：减色空间

• 如果混合 C、M 和 Y 得到 K，为什么需要K？

第二十节课: 颜色和感知

颜色的物理基础

光电磁辐射的可见光谱

• 不同频率（波长）的振荡

频谱功率分布 (SPD)

测光的显着特性

• 每个波长的光量

• 单位：辐射单位/纳米（例如瓦特/纳米），也可以是无单位的

• 当绝对单位不重要时，通常使用缩放到最大波长的“相对单位”进行跨波长比较

日光光谱功率分布变化

光源的光谱功率分布

按波长描述能量分布

光谱功率分布的线性

spectral radiometer(光谱辐射仪)记录光的光谱

图一蓝光被记录到, 图二黄光被记录到, 图三蓝光和黄光都被记录, 就是线性累加

什么是颜色？

• 颜色是人类感知的一种现象。它不是一个光的普遍属性

• 不同波长的光不是“颜色”

颜色的生物学基础

人眼解剖

视网膜是光线最终到达的地方

视网膜感光细胞：视杆细胞和视锥细胞

① 视杆细胞(Rod cells)是非常弱光（“暗”条件下）的主要受体,例如昏暗的月光

• 约 1.2 亿条眼杆

• 只感知灰色阴影，没有颜色(灰度图)

② 视锥细胞(Cone cells)是典型光照水平下的主要受体（“明视”）

• 约 6-7 百万个视锥细胞

• 三种视锥细胞，每种视锥细胞具有不同的光谱灵敏度

• 提供色彩感

视锥细胞的光谱响应

视锥细胞的三种分类：S、M 和 L（对应于短、中、长波长的峰值响应）

ps: wavelength(波长) nomalized reponse(对光的感知能力,叫做响应曲线)

三种锥细胞类型的分数差异很大

12 名具有正常色觉的不同人的中央凹边缘视锥细胞分布

注意不同视锥细胞类型百分比的高度可变性(不一致性) （假彩色图像）

色彩的三色理论

人类视锥细胞的光谱响应

现在我们有了三个检测器（S、M、L 锥细胞），每个检测器都有不同的光谱响应曲线

人类视觉系统

• 人眼无法测量，大脑无法接收有关每种光波长的信息

• 相反，眼睛只“看到”三个响应值（S、M、L），而这只是大脑可用的信息

感光流程: 光线有光谱, 进入人眼, 反映到视网膜上, 被视网膜上的三种感光细胞感知到, 形成三个数, 送到人脑, 人就认为看到什么颜色.

同色异谱

异构体

Metamers 是两个不同的光谱 (∞-dim)，它们投射到相同(S,M,L) (3-dim) 进行响应。

• 这些对人类来说似乎具有相同的颜色同色异谱的存在对于色彩再现至关重要

• 不必再现真实世界场景的全部范围

• 示例：同色异谱器可以在只有三种颜色的像素的显示器上再现真实场景的感知颜色

配色背后的理论

光谱不一样, 却有相同的配色.

① 色彩再现/匹配

• 给定一组主光源，每个光源都有自己的光谱分布（例如 R、G、B 显示像素）：sR(λ)、sG(λ)、sB(λ)

• 调整这些灯的亮度并将它们加在一起：R sR(λ) + G sG(λ) + B sB(λ)

• 颜色现在由标量值描述：红、绿、蓝

RGB使用的是加色法, 染料颜色是减色法

左: 我们说需要“负”值的 p2 来进行匹配，因为我们可以看作它添加到了测试颜色的一侧。

右: 匹配所需的原色数量

② CIE RGB配色实验

与之前的加色匹配设置相同，但原色是单色光（单波长）

测试灯也是单色灯

CIE RGB 颜色匹配函数

图表绘制了每个 CIE RGB 初级光必须组合多少才能匹配 x 轴上给定波长的单色光

具有匹配功能的色彩再现

对于任何光谱 s，感知颜色由以下用于缩放 CIE RGB 原色的公式匹配

颜色空间

标准色彩空间

标准化 RGB (sRGB)

• 制定特定显示器的 RGB 标准

• 其他颜色设备通过校准模拟该显示器

• 至今广泛采用

• 色域有限

通用色彩空间：CIE XYZ

一组假想的标准原色 X、Y、Z - 通过颜色结果模拟出的

• 不存在具有这些匹配功能的原色

• Y 是亮度（与颜色无关的亮度）

设计成下图所示

• 匹配函数严格为正

• 跨越所有可观察的颜色

分离亮度、色度

亮度：Y

色度：x，y，z，为了使它能用坐标轴来显示, 通过归一化令x,y -> z , 定义为

① 由于x + y + z = 1，我们只需要记录三个中的两个

② 通常选择 x 和 y，得到特定亮度 Y 处的 (x, y) 坐标

CIE色度图

• 命名光谱轨迹

• 弯曲的边界对应单色光（每个点代表单一波长的纯色）

• 边界里面的任何颜色都不那么纯净, 即混合

• 最中间的白色, 最为不纯净

色域

色域是由一组原色生成的一组色度, 不同的色彩空间代表不同的色彩范围, 所以他们有不同的色域，即它们覆盖色度图上的不同区域

sRGB 是常用的色彩空间

在整个互联网

-在不同的色域, 所能表示的颜色不一样

感知组织的色彩空间

• HSV 色彩空间（色相饱和度值）

• 轴对应颜色的艺术特征

• 广泛用于“颜色提取器”

颜色的感知维度

① 色调

• 颜色的“种类”，与属性无关

• 比色相关：主波长

• 艺术家相关：所选颜料颜色

② 饱和度

• “多彩”

• 比色相关：纯度

• 艺术家相关：彩色管中的颜料比例

③ 亮度（或价值）

• 总光量

• 比色相关：亮度

• 艺术家相关：色调较浅，阴影较深

① CIELAB 空间（又名 Lab*）

一种常用的色彩空间，力求感知均匀

• L* 是亮度

• a* 和 b* 是颜色-对手对

• a* 为红绿色(+a红与 -a绿是颜色互补)

• b* 为蓝黄色

② 互补色彩理论

• 一个证据：你可以有浅绿色、深绿色、黄绿色或蓝绿色，但你不能有红绿色（只是没有意义）

• 因此红色是绿色的互补

• 另一个证据：残像（幻灯片）

③ CMYK：减色空间

减色模型

• 混合得越多，颜色就越深(越黑)

青色、品红色、黄色广泛用于印刷

• 如果混合 C、M 和 Y 得到 K，为什么需要K？

因为打印, 印刷普遍需要黑色, 使用混合颜色制成成本太高.

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颜色的物理基础

光电磁辐射的可见光谱

• 不同频率（波长）的振荡

频谱功率分布 (SPD)

测光的显着特性

光源的光谱功率分布

按波长描述能量分布

光谱功率分布的线性

什么是颜色？

颜色的生物学基础

视网膜感光细胞：视杆细胞和视锥细胞

① 视杆细胞(Rod cells)是非常弱光（“暗”条件下）的主要受体,例如昏暗的月光

② 视锥细胞(Cone cells)是典型光照水平下的主要受体（“明视”）

视锥细胞的光谱响应

三种锥细胞类型的分数差异很大

色彩的三色理论

人类视锥细胞的光谱响应

人类视觉系统

感光流程: 光线有光谱, 进入人眼, 反映到视网膜上, 被视网膜上的三种感光细胞感知到, 形成三个数, 送到人脑, 人就认为看到什么颜色.

同色异谱

异构体

① 色彩再现/匹配

② CIE RGB配色实验

CIE RGB 颜色匹配函数

颜色空间

标准色彩空间

通用色彩空间：CIE XYZ

设计成下图所示

分离亮度、色度

CIE色度图

色域

sRGB 是常用的色彩空间

感知组织的色彩空间

颜色的感知维度

① CIELAB 空间（又名 L*a*b*）

② 互补色彩理论

③ CMYK：减色空间

• 如果混合 C、M 和 Y 得到 K，为什么需要K？

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