計算機色彩模型應(yīng)用

摘要:人們在自然界中獲得色彩，為了能還原、再現(xiàn)或呈現(xiàn)出大腦中理想的色彩，根據(jù)色彩產(chǎn)生原理和色光的成因，用戶可以使用不同的顏色模型通過計算機監(jiān)視器，彩色廣播電視系統(tǒng)等來詮釋不同特征的色彩。

關(guān)鍵詞:計算機;顏色模型;RGB;CMY;HSV;HLS;YIQ

Computer Color Model Application

WANG Yu-jue

(Institute of Minjiang， Fuzhou 350011， China)

Abstract: People get colors from nature. In order to restore， recreate or show the ideal color in the brain， colors with different characteristics can be interpreted through computer monitors or color television broadcasting systems with different color models according to the color theory and the cause of shade created.

Key words: computer; color model; RGB; CMY; HSV; HLS; YIQ

生活在這個充滿色彩的世界中，認(rèn)識色彩是人們正確、全面認(rèn)識世界必不可少的途徑。

早些年人們對色彩的研究大部分是屬于物理學(xué)和生理學(xué)范疇，是形容在有光，有正常眼睛及正常的大腦視神經(jīng)系統(tǒng)前提下，由光在不同介質(zhì)中傳播，在物體表面上進行反射、折射、散射等現(xiàn)象影響，最終由色光的頻率與強度差異，在人眼中呈現(xiàn)出的五彩斑斕的真實色彩世界。

當(dāng)今世界是一個信息化快速更新的時代，人們生活在這個三維立體世界當(dāng)中，研發(fā)了可以再現(xiàn)三維物體及色彩的方法。通過計算機還原曾經(jīng)的一個或多個場景，還可以擬定未來仿真的三維世界。人們在自然界中獲得色彩，為了能還原、再現(xiàn)或呈現(xiàn)出大腦中理想的色彩，色彩模型便孕育而生滿足現(xiàn)代人們對色彩的種種需求。顏色模型是在計算機中解釋色彩的途徑和方法，當(dāng)然沒有單個一種色彩模型就能完全表達你所看到的或想到的所有色彩。所以我們可以使用不同的顏色模型來詮釋不同特征的色彩。

1 色彩模型體系成因

色彩是人們真確把握世界的必要條件。在客觀世界中色彩是通過三屬性明度(luminance)、純度(purity)和色相(hues)傳遞色彩信息的，明度是指色彩的明暗程度，或簡稱色彩的深淺;純度則是指同一色調(diào)下，含色量的百分比;色相則是指色彩的相貌(紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等)。而電腦在構(gòu)成色彩時主要是根據(jù)“三色學(xué)說”。十七世紀(jì)英國偉大的科學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)白天如果通過三棱鏡，可以把白色光線進行分解成多種色光，當(dāng)我們把這些絢麗的彩色光分解到最后只剩下了紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)三色不能再分解。這正是因為人眼視網(wǎng)膜中的椎體細(xì)胞含有特別針對紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)的三種感光蛋白元，每一種感光元的缺少或缺失都將導(dǎo)致色弱和色盲的產(chǎn)生。“三色學(xué)說”揭示了顏色的混合成色的現(xiàn)象，計算機顯示顏色正是采用了RGB組合成色。當(dāng)我們用放大鏡對著顯示器觀察時，我們會發(fā)現(xiàn)其實屏幕上成千上萬種顏色只剩下了紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)三種顏色。

在計算機中主要的顏色模型主要有(1)RGB(2)CMY(3)HSV(4)HLS(5)YIQ，其中一些模型是適用于硬件的，如用于彩色打印系統(tǒng)的CMY，用于彩色CRT(陰極射線管)監(jiān)視器的RGB，用于彩色廣播電視系統(tǒng)的YIQ;另一些模式是以現(xiàn)實結(jié)合，適用性為目的，能為用戶提供更直觀的顏色參數(shù)，如HSV和HSL。其中(1)RGB(2)CMY原色系統(tǒng)是計算機圖形學(xué)當(dāng)中最基礎(chǔ)和最重要的兩種原色混合系統(tǒng)，RGB是基于紅、綠、藍(lán)三個原色，通過在黑色中加入顏色來定義一種顏色的RGB加色系統(tǒng)。CMY是基于青、品紅、黃三個原色，通過白色中減去某種顏色來定義一種顏色的CMY減色系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)顏色互為補色:青—紅，品紅—綠，黃—藍(lán)。

2 基于紅、綠、藍(lán)色彩模型的構(gòu)成原理

RGB:根據(jù)光學(xué)三原色理論，通過波長為630nm(紅)、500nm(綠)、450nm(藍(lán))這三個不能再分解的單色光對人眼的刺激達到高峰，在光源中由光波長差異而引起強度的不同來感知與認(rèn)識真實的、五彩斑斕的世界的啟示，科學(xué)家研發(fā)了RGB色彩模型。RGB顏色模型常用于視頻監(jiān)視器上顏色的構(gòu)成。它采用直角坐標(biāo)系統(tǒng)，以一個單位立方體來表示，黑色在坐標(biāo)原點(0，0，0)，白色在坐標(biāo)為(1，1，1)的位置，立方體其它六個角點分別對應(yīng)紅、黃、綠、青、藍(lán)、品紅，在立方體中坐標(biāo)軸上的三個頂點為原色紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)，其余頂點為RGB原色對應(yīng)的補色青、品紅、黃還有黑白兩色。RGB顏色模型框架是一種加色形式，紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)分別在0~255之間取不同的數(shù)值，形成了256×256×256種屏幕顯示色彩，故我們可以得到一種顏色(C)的顯示表達式為C=R紅(x)+G綠(y)+B藍(lán)(z)，屏幕上呈現(xiàn)出的任何顏色都是由不同值的紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)組成。

3 基于青、品紅、黃色彩模型的構(gòu)成原理及用途

CMY:使用三基色青、品紅、黃來顯示硬拷貝輸出顏色的CMY顏色模型，由于屏幕組合光產(chǎn)生了視頻監(jiān)視器上不同的顏色，為了在紙面上產(chǎn)生色彩，還原屏幕色彩，繪圖儀之類的硬拷貝設(shè)備采用往紙面上涂顏料，再通過各色顏料對光的吸收與反射等的不同來產(chǎn)生彩色的圖片。我們知道CMY顏色模型是減色系統(tǒng)，故當(dāng)我們把黃色光進行分解時，得到了紅色光和綠色光，因為當(dāng)白色光從黃色墨水中反射出來，一定沒有了藍(lán)色，所以藍(lán)色被墨水吸收了，或成減掉了，得到了相應(yīng)的藍(lán)色。CMY顏色模型對應(yīng)的直角坐標(biāo)系與RGB顏色模型區(qū)別僅僅在于RGB原點對應(yīng)的是黑色，以通過往黑色中加入某些顏色來獲得其它顏色;而CMY原點對應(yīng)的是白色，以通過往白色中加入某些顏色來獲得其它顏色。在使用CMY顏色模型進行打印時，通過青(C)，品紅(M)，黃(Y)，黑(K)四個顏色的墨盒來產(chǎn)生一個顏色點，由于CMY混合后形成的是深灰色，所以K單獨顯示其中的黑色。

根據(jù)RGB與CMY顏色模型立方體組成的相似性，我們可以用變換矩形對RGB與CMY互換。

4 基于色相、飽和度、明度色彩模型的構(gòu)成原理及用途

HSV:HSV顏色模型根據(jù)的是手繪原理配色法，繪畫者在作畫時，通過改變色彩含量的多少和色彩明暗程度獲得不同的色彩，比如在含量為100%的紅色中加入白色，使其明度增加，呈現(xiàn)出亮調(diào)，輕松的感覺;而加入黑色，使其明度降低，呈現(xiàn)出暗調(diào)，壓抑的感覺。HSV顏色模型是一種基于色彩三屬性色相(Hue)、飽和度(Saturation)、明度(Value)直觀的對顏色描述的方法。它的三維模型是從RGB的立方體演變而來面向用戶的顏色模型。用戶可以選擇一種光譜色，加入一定量的白色和黑色從而得到不同的明暗、色澤和色調(diào)，整個HSV顏色模型呈現(xiàn)出一個六棱錐體。位于椎體頂點的六邊形中，各頂點分別表示六種純色:位于角度0°的紅色;120°的綠色;240°的藍(lán)色，以及和紅色對應(yīng)180°的補色青;和綠色對應(yīng)180°的補色品紅，和藍(lán)色對應(yīng)180°的補色黃，六邊形中心對應(yīng)位置為S=0，V=1，H=無定義的白色，圓錐頂點為V=0，H和S均為未定義的黑色，六邊形各頂點的顏色為V=1，S=1的純色。

人們生活在這個充滿色彩的世界中，人眼所能區(qū)分開的顏色相貌(Hue)大約有128種，色彩的飽和度(Saturation)大約有130種，對于自身明度較高的黃色明度(Value)大約能分辨出23種，對于自身明度較黃色低的藍(lán)色能分辨出16種。那么，人眼大概能分辨出128×130×23=382720種顏色，而對于用戶來說只需要使用到128(H)×8(S)×16(V)=16384種顏色就足夠了。所以，當(dāng)我們需要使用一些不常用的顏色時，用戶可以通過使用顏色查找表添加使用的顏色數(shù)量。

5 基于色相、亮度、飽和度色彩模型的構(gòu)成原理

HLS:HLS顏色模型和HSV顏色模型一樣，也是基于人眼容易感知和區(qū)分的色相(Hue)、亮度(Lightness)和飽和度(Saturation)為依據(jù)的，呈現(xiàn)出雙梭錐體，此模型是根據(jù)RGB立方體扭曲得到兩個六邊形面并和在一起得到的兩個相連的六棱錐，六邊形的六個頂點和HSV顏色模型相同，分別表示紅、綠、藍(lán)及它們各自相對應(yīng)的補色，雙棱錐的垂直軸表示亮度(L)，上頂點為L=1的白色，下底點為L=0的黑色，灰色在中軸上分布，亮度相應(yīng)在0~1之間變化。純色在L=0.5，S=1的平面上分布，S為相對純度，當(dāng)S=0時，顯示純灰色，用戶通過選定一種色相，更改其明暗(L)、飽和度(S)來獲得一個新的色彩。

6 基于亮度信息參數(shù)、色相信息參數(shù)、純度信息參數(shù)色彩模型的構(gòu)成原理及應(yīng)用

YIQ:標(biāo)準(zhǔn)彩色電視廣播系統(tǒng)的RGB監(jiān)視器通過紅、綠、藍(lán)呈色，故需要一個畫面由分開的紅、綠、藍(lán)信號組成新的視頻信號，美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(national television standards committee， NTSC)稱其為YIQ顏色模型。YIQ顏色模型的研發(fā)誕生避免了廣播信號頻帶寬度不同，而彩色信號一定要與標(biāo)準(zhǔn)黑白電視兼容所帶來的問題。Y表示亮度信息參數(shù)，I表示色相信息參數(shù)，Q表示純度信息參數(shù)。為了解決由各國各地區(qū)頻率寬度的限制，黑白電視與彩色電視的兼容，在色彩相貌與色彩明暗程度中轉(zhuǎn)換。根據(jù)人眼捕捉對色彩亮度比色度信息敏感的現(xiàn)象，Y在三個分量中占據(jù)了大部分頻率，亮度信息也包含在Y參數(shù)中，因此黑白監(jiān)視器僅僅使用Y信號。同時，Y參數(shù)中紅、綠、藍(lán)光學(xué)三原色的混合也可以得到標(biāo)準(zhǔn)光譜光效率曲線(亮度曲線);I參數(shù)包含了橙~青的色彩信息，提供鮮艷的皮膚色調(diào);Q參數(shù)包含了綠~品紅的色彩信息，提供其余色調(diào)。

一個RGB值可以映射變換為相應(yīng)的YIQ值，將RGB信號轉(zhuǎn)換為NISC電視信號，其表達方程如圖6所示。

由此方程可以看出，第一行矩陣元素為正值，第二、三行為負(fù)值，這樣亮度值占了主導(dǎo)地位，這樣在固定頻帶寬時，加大了信息傳送量。同時一個NISC視頻信號也可以用NTSC轉(zhuǎn)換為RGB信號，表達式如圖7所示。

7 色彩模式間的相互轉(zhuǎn)換

根據(jù)HLS、HSV是基于RGB立方體的變形，RGB和YIQ值能互換等啟發(fā)。我們得知彩色模型間是可以互換的，但由于各顏色模型的空間構(gòu)成存在著差異，所以當(dāng)我們從一個顏色模型轉(zhuǎn)換到另一個顏色模型時色彩將不完全相同，存在差異。

8 結(jié)束語

計算機色彩模式的開發(fā)與應(yīng)用，在當(dāng)今信息快速更新發(fā)展的趨勢下，對人們更加全面認(rèn)識、掌握現(xiàn)實世界，再現(xiàn)過去，模擬將來未知世界，起著必不可少的主導(dǎo)作用。了解計算機各個色彩模式，有助于用戶認(rèn)識世界，更好完成各項計算機工作。

參考文獻:

[1] 羅運和，戴青.計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國計量出版社，2007.

[2] 張怡芳，李繼芳，柴本成.計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用教程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[3] Francis S Hill， Jr. Stephen M Kelley.計算機圖形學(xué)[M].胡事民，劉利剛，劉永進，等，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[4] 何援軍.計算機圖形學(xué)[M].北京:中國計量出版社，2007.

[5] 張彩明，楊興強.李學(xué)慶.計算機圖形學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2005.