第五章 虚拟环境的绘制技术 第四节 颜色视觉.pptVIP

第五章 虚拟环境的绘制技术 第四节 颜色视觉 ??? 对于真实感图形学，要产生具有高度真实感的图象，颜色是其中的最重要的部分。在我们的光照明模型中，我们通常只要分别计算R、G、B三个分量的光强值，就可以得到某个象素点上颜色值，给人以某种颜色的感觉，这个过程看起来很简单，可是为什么简单的通过三个分量的计算就可以产生颜色感觉，却包含着许多很复杂的概念，其中涉及到了物理学、心理学、生理学、美学等不同的学科。为了使读者更好的理解我们后面所讲的光照明模型以及有关真实感图形学的内容，我们首先从人体视觉的角度出发，介绍计算机图形学中颜色视觉的一些 相关知识。 ?? 4.1 基本概念 ??? 颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉，因而物体的颜色不仅取决于物体本身，而且还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统都有关系。 ??? 从心理学和视觉的角度出发，颜色有如下三个特性：色调（Hue）,饱和度（Saturation）和亮度（Lightness）。所谓色调，是一种颜色区别于其他颜色的因素，也就是我们平常所说的红、绿、蓝、紫等；饱和度是指颜色的纯度，鲜红色的饱和度高，而粉红色的饱和度低；而亮度就是光的强度，是光给人的刺激的强度。 与之相对应，从光学物理学的角度出发，颜色的三个特性分别为：主波长（Dominant Wavelength），纯度（Purity）和明度（Luminance）。主波长是产生颜色光的波长，对应于视觉感知的色调；光的纯度对应于饱和度，而明度就是光的亮度。这是从两个不同方面来描述颜色的特性。 ?? 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表示出来（图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，沿着灰度过渡，到底部是黑色。在垂直轴线的上下方向上，越往上，亮度越大。色调由水平的圆周表示，圆周上的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。 由于颜色是因外来光刺激而使人产生的某种感觉，我们有必要了解一些光的知识。从根本上讲，光是人的视觉系统能够感知到的电磁波，它的波长在400nm到700nm之间，正是这些电磁波使人产生了红、橙、黄、绿、蓝、紫等的颜色感觉。 某种光可以由它的光谱能量分布来表示，当一束光的各种波长的能量大致相等时，我们称其为白光；若其中各波长的能量分布不均匀，则它为彩色光；一束光只包含一种波长的能量，而其他波长都为零时，它是单色光。它们的光谱能量分布分别如图4.1.2、图4.1.3、图4.1.4所示。 由光线的光谱能量分布来定义我们的颜色是十分麻烦的，而且由实验结果知道，光谱与颜色的对应关系是多对一的，也就是说，具有不同光谱分布的光产生的颜色感觉是有可能一样的。我们称两种光的光谱分布不同而颜色相同的现象为“异谱同色”。也是由于这种现象的存在，我们必须采用其他的定义颜色的方法，使光本身与颜色一一对应。 4.2 三色学说 ??? ??? 通过以往的在物理学上对光与颜色的研究，我们发现: 颜色具有具有恒常性，人们可以根据物体的固有颜色来感知它们，而不会受外界条件变化的影响，颜色之间的对比效应能够使人区分不同的颜色。 同时，颜色还具有混合性，牛顿在十七世纪后期用棱镜把太阳光分散成光谱上的颜色光带，用实验证明了白光是由很多颜色的光混合而成；十九世纪初，Yaung提出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的假设，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他任何波长的光，而它们等量混合就可以产生白光。 后来Maxwell用旋转圆盘所作的颜色混合实验也验证了Yaung的假设。在此基础上，1862年，Helmhotz进一步提出颜色视觉机制学说，即三色学说，也称为三刺激理论。到现在，用三种原色能够产生各种颜色的三色原理已经成为当今颜色科学中最重要的原理和学说。 近代的三色学说研究认为，人眼的视网膜中存在着三种椎体细胞，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，第一种椎体细胞是专门感受红光的红胞，相似的，第二和第三种椎体细胞则分别感受绿光和蓝光。它们三者共同作用，使人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、绿两种椎体细胞几乎相同的反应，而只引起蓝细胞很小的反应，这三种不同椎体细胞的不同程度的兴奋程度的结果产生了黄色的感觉，这正如颜色混合时，等量的红和绿加上极小量的蓝可以复现黄色是相同。