【光学】
系列文章目录
文章目录
- 系列文章目录
- 前言
- 一、色度学
- 1、光学与视觉
- 2、颜色与视觉
- 3、颜色与视觉
- 4、色的心理效应
- 5、CIE标准色度系统
- 四、Lab模型概述
- 1、Lab模型概述
- 2、Lab模型定义
- 3、Lab模型性质
- 4、Lab模型二次编码
- 附录一、CIE1931标准色度学系统
- 1、CIE1931 RGB系统
- 附录二、CIE1964标准色度学系统
- 1、CIE1964 标准色度学系统
- 总结
前言
一、色度学
在日常生活中，每天都接触到各种各样颜色，颜色是什么？如何测量？如何应用？
色度学：包含物理学、视觉生理、视觉心理、心理物理
1、光学与视觉
光是一定波长范围内的电磁辐射，电磁波辐射的波长范围很广。
能为人眼感受并产生视觉的光学辐射，称为可见辐射。不能为眼睛感受，不能产生视觉，称为不可见辐射。
可见光的波长在380~780nm之间，在一定条件下，人眼的感受范围可扩大到红外和紫外线部分，实验室测量结果为：用高能量的辐射照射眼睛，视觉范围可扩大到312.5nm的紫外线及1150nm的红外线。但为了能看到1000nm波长的光，光强度要比562nm波长的光增加 10-10^12倍以上。
2、颜色与视觉
在可见光谱范围内，不同波长的辐射引起人的不同颜色感觉。
在两个相邻的颜色范围的过渡区域，人眼还能看到各种中间色。实验证明：人辨别颜色的能力在不同波长是不一样的，在光谱480nm和680nm附近，只要改变1nm人能便能看出颜色差别，其它部分要变化1-2nm才能看出变化。对于某些波长，人眼看到的颜色和波长的关系并不是固定的，因为颜色受光强的影响，随光强度而变化，随光强的增加略香向红或蓝变化。如660nm红色的视网膜照度由2000减到100时就必须减少34nm才能保持原来的色调。
3、颜色与视觉
黑白特性：
纯白是理想的完全反射物体，其光的反射率等于0，现实中并没有纯白和纯黑的物体，但氧化镁接近纯白，黑绒接近纯黑。黑白系列的非彩色代表物体的光反射率的变化，在视觉上是明度的变化，越接近白色，明度越高，反之越接近黑色，明度越低。
当物体表面对可见光谱所有波长辐射的反射率在80%-90%时，该物体为白色，有很高的明度。
非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化，白光亮时人眼感觉是白的，亮度低时，人眼感觉是发灰的，无光是是黑的。一般情况下明度的变化相当于亮度的变化。
彩色特性：
彩色有三种特性：明度、色调、饱和度
明度，彩色的光的亮度越高，人眼感觉越明亮，就是说有较高的明度。彩色物体表面的光反射率越高，其明度越高，黄褐色物体在光谱的各波长都比红色物体表面反射更多的辐射，所以对人眼产生更高的亮度。或有更高的明度。
色调，色调是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱不同波长的辐射在视觉上表现为红橙黄绿蓝靛紫等。光源的色调决定于辐射的光谱组成和物体表面对反射的各波长光的比例对人眼所产生的感觉。
饱和度，饱和度是指彩色的纯洁性，可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺入白光成分越多时，越不饱和，物体色的饱和度决定于物体表面反射光谱辐射的选择性程度。
4、色的心理效应
颜色不仅与人的视觉有关，并且可以影响人的情绪和行为，同时还可以影响人的工作效率。色温低的光源（如早、晚太阳光），一般是长波占优势，光色偏于黄红，使人有一种温暖的感觉，称黄、橙、红为暖色调。
色温高的光源，则以短波占优势，光色偏于青、蓝（天空光）使人有清凉与寒冷的感觉，称青、蓝、绿等为冷色调。
不同的工作环境，可根据不同情况，采用冷或暖色调的材料来装饰，以使得工作者有良好的心理效应。
5、CIE标准色度系统
物体颜色的定量是很复杂的，因为它涉及视觉生理、心理及照明和观察条件等许多因素，为了能够得到一致的度量结果，国际照明委员会（CIE）规定了一套颜色测量原理、数据和计算方法，称为CIE标准色度系统，它是一种混色系统，是基于每一种颜色都能用三个选定的原色按适当的比例混合而成建立起来的。
1.颜色混合
把两个颜色调节到视觉上相同的方法叫做颜色匹配。
实验证明：任何颜色都可以用红、绿、蓝三种色混合而成，故称红、绿、蓝为三原色（三原色的条件：三个原色中任意两个相混合的结果不能是第三个色）。
色度学莫基者格拉斯曼（H.Grassmann）总结出了颜色混合的定性规律：
（1）人的视觉只能分辨颜色的三种变化，明度、色调、饱和度。
（2）在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续地变化，混合色的外貌也连续变化。
若两个成分互为补色，以适当比例混合，便产生白色或灰色，若按其他比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。
若任何两个非补色相混合，便产生中间色，中间色的色调及饱和度随这两种颜色的色调及相对数量不同而变化。
同时提出，只要感觉上颜色是相似的，便可以互相代替而得到同样的视觉效果，尽管他们二者的光谱成分是不一样的。
例如：A+B=C如没有B但知X+Y=B则A+（X+Y）=C根据这个定律可以充分利用各种颜色混合，进行代数式的相加和相减得出所需的各种颜色。
格拉斯曼上述定律，适用于各种颜色光的相加混合，染料和涂料的混合不适用。
四、Lab模型概述
1、Lab模型概述
Lab模式是根据Commission International Eclairage(CIE)在1931年所指定的一种测定颜色的国际标准建立的，于1976年被改进，并且命名为一种色彩模式。Lab颜色弥补了RGB和CMYK两种色彩模式的不足。它是一种设备无关的颜色模型，也是一种基于生理特征的颜色模型。Lab颜色模型由三个要素组成，一个要素是亮度（L），a 和b是两个颜色通道。a包括的颜色是从深绿色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到亮粉红色（高亮度值）；b是从亮蓝色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到黄色（高亮度值）。因此，这种颜色混合后将产生具有明亮效果的色彩。
2、Lab模型定义
Lab模式既不依赖光线，也不依赖于颜料，它是CIE组织确定的一个理论上包括了人眼可以看见的所有色彩的色彩模式。Lab模式弥补了RGB和CMYK两种色彩模式的不足。同RGB颜色空间相比，Lab是一种不常用的色彩空间。它是在1931年国际照明委员会（CIE）制定的颜色度量国际标准的基础上建立起来的。1976年，经修改后被正式命名为CIELab。它是一种设备无关的颜色系统，也是一种基于生理特征的颜色系统。这也就意味着，它是用数字化的方法来描述人的视觉感应。
Lab颜色空间中的L分量用于表示像素的亮度，取值范围是[0,100],表示从纯黑到纯白；
a表示从红色到绿色的范围，取值范围是[127,-128]；
b表示从黄色到蓝色的范围，取值范围是[127,-128]。
3、Lab模型性质
Lab颜色空间比计算机显示器、打印机甚至比人类视觉的色域都要大，表示为 Lab 的位图比 RGB 或 CMYK 位图获得同样的精度要求更多的每像素数据。虽然我们在生活中使用RGB颜色空间更多一些，但也并非Lab颜色空间真的一无所有。例如，在 Adobe Photoshop图像处理软件中，TIFF格式文件中，PDF文档中，都可以见到Lab颜色空间的身影。而在计算机视觉中，尤其是颜色识别相关的算法设计中，rgb,hsv,lab颜色空间混用更是常用的方法。
Lab颜色空间比计算机显示器甚至比人类视觉的色域都要大 ，表示为Lab的位图比RGB或CMYK位图获得同样的精度需要要求更多的像素数据。Lab模式所定义的色彩最多，且与光线及设备无关并且处理速度与RGB模式同样快，比CMYK模式快很多。因此，可以放心大胆的在图象编辑中使用Lab模 式。而且，Lab模式在转换成CMYK模式时色彩没有丢失或被替换。因此，最佳避免色彩损失的方法是：应用Lab模式编辑图像，再转换为CMYK模式打印 输出。
4、Lab模型二次编码
- 第一阶段：人眼里的RGB视觉细胞识别RGB信号；
- 第二阶段：神经网络对RGB信号重新编码，形成黑-白，红-绿，黄-蓝三个新通道的信号；
- 黑-白通道被命名为L通道，取值0到255；
- 红-绿通道被命名为a通道，取值-127到128；
- 黄-蓝通道被命名为b通道，取值-127到128；
为了方便描述，把它视为一个地球仪。那么南极点就是最暗的黑色，北极点就是最亮的白色。亮度L沿着南极到北极的轴心线，从暗到亮变化。
沿着赤道把地球仪切开，切出来的圆就是色域最大、饱和度最高的颜色。
- a轴和b轴分别是红-绿色和黄-蓝色。
- A为正值的时候，是红色。B为正值的时候为黄色。
这样，一个圆形就被分为四个象限。第一象限是红色和黄色的过渡，第二象限是黄色和绿色的过渡。以此类推。
如果用极坐标的角度来看的话，色调就随着极角H的变化而变化，饱和度就随着极径C的变大而变大（这就是在Lab的基础上演变来的LCH色空间）。
- 当a和b为0的时候，就是理论上的中性灰。所谓中性灰，就意味着这个灰色既不偏黄，也不偏蓝，既不偏红，也不偏绿。
从图上可以看到，a、b通道的绝对值越大，颜色的饱和度就越大。越靠近中点，颜色饱和度越小，越接近灰色。并且，真正的中性灰其实范围是很小的，大量的灰色都是所谓的暖灰、冷灰等非中性灰（带一点颜色的灰色）。
附录一、CIE1931标准色度学系统
1、CIE1931 RGB系统
附录二、CIE1964标准色度学系统
1、CIE1964 标准色度学系统
总结
孟子曰：“君子所以异于人者，以其存心也。君子以仁存心，以礼存心。仁者爱人，有礼者敬人。爱人者人恒爱之，敬人者人恒敬之。”（《孟子·离要下》）
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- 一、色度学
- 1、光学与视觉
- 2、颜色与视觉
- 3、颜色与视觉
- 4、色的心理效应
- 5、CIE标准色度系统
- 四、Lab模型概述
- 1、Lab模型概述
- 2、Lab模型定义
- 3、Lab模型性质
- 4、Lab模型二次编码
- 附录一、CIE1931标准色度学系统
- 1、CIE1931 RGB系统
- 附录二、CIE1964标准色度学系统
- 1、CIE1964 标准色度学系统
- 总结
前言
一、色度学
在日常生活中，每天都接触到各种各样颜色，颜色是什么？如何测量？如何应用？
色度学：包含物理学、视觉生理、视觉心理、心理物理
1、光学与视觉
光是一定波长范围内的电磁辐射，电磁波辐射的波长范围很广。
能为人眼感受并产生视觉的光学辐射，称为可见辐射。不能为眼睛感受，不能产生视觉，称为不可见辐射。
可见光的波长在380~780nm之间，在一定条件下，人眼的感受范围可扩大到红外和紫外线部分，实验室测量结果为：用高能量的辐射照射眼睛，视觉范围可扩大到312.5nm的紫外线及1150nm的红外线。但为了能看到1000nm波长的光，光强度要比562nm波长的光增加 10-10^12倍以上。
2、颜色与视觉
在可见光谱范围内，不同波长的辐射引起人的不同颜色感觉。
在两个相邻的颜色范围的过渡区域，人眼还能看到各种中间色。实验证明：人辨别颜色的能力在不同波长是不一样的，在光谱480nm和680nm附近，只要改变1nm人能便能看出颜色差别，其它部分要变化1-2nm才能看出变化。对于某些波长，人眼看到的颜色和波长的关系并不是固定的，因为颜色受光强的影响，随光强度而变化，随光强的增加略香向红或蓝变化。如660nm红色的视网膜照度由2000减到100时就必须减少34nm才能保持原来的色调。
3、颜色与视觉
黑白特性：
纯白是理想的完全反射物体，其光的反射率等于0，现实中并没有纯白和纯黑的物体，但氧化镁接近纯白，黑绒接近纯黑。黑白系列的非彩色代表物体的光反射率的变化，在视觉上是明度的变化，越接近白色，明度越高，反之越接近黑色，明度越低。
当物体表面对可见光谱所有波长辐射的反射率在80%-90%时，该物体为白色，有很高的明度。
非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化，白光亮时人眼感觉是白的，亮度低时，人眼感觉是发灰的，无光是是黑的。一般情况下明度的变化相当于亮度的变化。
彩色特性：
彩色有三种特性：明度、色调、饱和度
明度，彩色的光的亮度越高，人眼感觉越明亮，就是说有较高的明度。彩色物体表面的光反射率越高，其明度越高，黄褐色物体在光谱的各波长都比红色物体表面反射更多的辐射，所以对人眼产生更高的亮度。或有更高的明度。
色调，色调是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱不同波长的辐射在视觉上表现为红橙黄绿蓝靛紫等。光源的色调决定于辐射的光谱组成和物体表面对反射的各波长光的比例对人眼所产生的感觉。
饱和度，饱和度是指彩色的纯洁性，可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺入白光成分越多时，越不饱和，物体色的饱和度决定于物体表面反射光谱辐射的选择性程度。
4、色的心理效应
颜色不仅与人的视觉有关，并且可以影响人的情绪和行为，同时还可以影响人的工作效率。色温低的光源（如早、晚太阳光），一般是长波占优势，光色偏于黄红，使人有一种温暖的感觉，称黄、橙、红为暖色调。
色温高的光源，则以短波占优势，光色偏于青、蓝（天空光）使人有清凉与寒冷的感觉，称青、蓝、绿等为冷色调。
不同的工作环境，可根据不同情况，采用冷或暖色调的材料来装饰，以使得工作者有良好的心理效应。
5、CIE标准色度系统
物体颜色的定量是很复杂的，因为它涉及视觉生理、心理及照明和观察条件等许多因素，为了能够得到一致的度量结果，国际照明委员会（CIE）规定了一套颜色测量原理、数据和计算方法，称为CIE标准色度系统，它是一种混色系统，是基于每一种颜色都能用三个选定的原色按适当的比例混合而成建立起来的。
1.颜色混合
把两个颜色调节到视觉上相同的方法叫做颜色匹配。
实验证明：任何颜色都可以用红、绿、蓝三种色混合而成，故称红、绿、蓝为三原色（三原色的条件：三个原色中任意两个相混合的结果不能是第三个色）。
色度学莫基者格拉斯曼（H.Grassmann）总结出了颜色混合的定性规律：
（1）人的视觉只能分辨颜色的三种变化，明度、色调、饱和度。
（2）在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续地变化，混合色的外貌也连续变化。
若两个成分互为补色，以适当比例混合，便产生白色或灰色，若按其他比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。
若任何两个非补色相混合，便产生中间色，中间色的色调及饱和度随这两种颜色的色调及相对数量不同而变化。
同时提出，只要感觉上颜色是相似的，便可以互相代替而得到同样的视觉效果，尽管他们二者的光谱成分是不一样的。
例如：A+B=C如没有B但知X+Y=B则A+（X+Y）=C根据这个定律可以充分利用各种颜色混合，进行代数式的相加和相减得出所需的各种颜色。
格拉斯曼上述定律，适用于各种颜色光的相加混合，染料和涂料的混合不适用。
四、Lab模型概述
1、Lab模型概述
Lab模式是根据Commission International Eclairage(CIE)在1931年所指定的一种测定颜色的国际标准建立的，于1976年被改进，并且命名为一种色彩模式。Lab颜色弥补了RGB和CMYK两种色彩模式的不足。它是一种设备无关的颜色模型，也是一种基于生理特征的颜色模型。Lab颜色模型由三个要素组成，一个要素是亮度（L），a 和b是两个颜色通道。a包括的颜色是从深绿色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到亮粉红色（高亮度值）；b是从亮蓝色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到黄色（高亮度值）。因此，这种颜色混合后将产生具有明亮效果的色彩。
2、Lab模型定义
Lab模式既不依赖光线，也不依赖于颜料，它是CIE组织确定的一个理论上包括了人眼可以看见的所有色彩的色彩模式。Lab模式弥补了RGB和CMYK两种色彩模式的不足。同RGB颜色空间相比，Lab是一种不常用的色彩空间。它是在1931年国际照明委员会（CIE）制定的颜色度量国际标准的基础上建立起来的。1976年，经修改后被正式命名为CIELab。它是一种设备无关的颜色系统，也是一种基于生理特征的颜色系统。这也就意味着，它是用数字化的方法来描述人的视觉感应。
Lab颜色空间中的L分量用于表示像素的亮度，取值范围是[0,100],表示从纯黑到纯白；
a表示从红色到绿色的范围，取值范围是[127,-128]；
b表示从黄色到蓝色的范围，取值范围是[127,-128]。
3、Lab模型性质
Lab颜色空间比计算机显示器、打印机甚至比人类视觉的色域都要大，表示为 Lab 的位图比 RGB 或 CMYK 位图获得同样的精度要求更多的每像素数据。虽然我们在生活中使用RGB颜色空间更多一些，但也并非Lab颜色空间真的一无所有。例如，在 Adobe Photoshop图像处理软件中，TIFF格式文件中，PDF文档中，都可以见到Lab颜色空间的身影。而在计算机视觉中，尤其是颜色识别相关的算法设计中，rgb,hsv,lab颜色空间混用更是常用的方法。
Lab颜色空间比计算机显示器甚至比人类视觉的色域都要大 ，表示为Lab的位图比RGB或CMYK位图获得同样的精度需要要求更多的像素数据。Lab模式所定义的色彩最多，且与光线及设备无关并且处理速度与RGB模式同样快，比CMYK模式快很多。因此，可以放心大胆的在图象编辑中使用Lab模 式。而且，Lab模式在转换成CMYK模式时色彩没有丢失或被替换。因此，最佳避免色彩损失的方法是：应用Lab模式编辑图像，再转换为CMYK模式打印 输出。
4、Lab模型二次编码
- 第一阶段：人眼里的RGB视觉细胞识别RGB信号；
- 第二阶段：神经网络对RGB信号重新编码，形成黑-白，红-绿，黄-蓝三个新通道的信号；
- 黑-白通道被命名为L通道，取值0到255；
- 红-绿通道被命名为a通道，取值-127到128；
- 黄-蓝通道被命名为b通道，取值-127到128；
为了方便描述，把它视为一个地球仪。那么南极点就是最暗的黑色，北极点就是最亮的白色。亮度L沿着南极到北极的轴心线，从暗到亮变化。
沿着赤道把地球仪切开，切出来的圆就是色域最大、饱和度最高的颜色。
- a轴和b轴分别是红-绿色和黄-蓝色。
- A为正值的时候，是红色。B为正值的时候为黄色。
这样，一个圆形就被分为四个象限。第一象限是红色和黄色的过渡，第二象限是黄色和绿色的过渡。以此类推。
如果用极坐标的角度来看的话，色调就随着极角H的变化而变化，饱和度就随着极径C的变大而变大（这就是在Lab的基础上演变来的LCH色空间）。
- 当a和b为0的时候，就是理论上的中性灰。所谓中性灰，就意味着这个灰色既不偏黄，也不偏蓝，既不偏红，也不偏绿。
从图上可以看到，a、b通道的绝对值越大，颜色的饱和度就越大。越靠近中点，颜色饱和度越小，越接近灰色。并且，真正的中性灰其实范围是很小的，大量的灰色都是所谓的暖灰、冷灰等非中性灰（带一点颜色的灰色）。
附录一、CIE1931标准色度学系统
1、CIE1931 RGB系统
附录二、CIE1964标准色度学系统
1、CIE1964 标准色度学系统
总结
孟子曰：“君子所以异于人者，以其存心也。君子以仁存心，以礼存心。仁者爱人，有礼者敬人。爱人者人恒爱之，敬人者人恒敬之。”（《孟子·离要下》）