1、目 录第 3 章 彩色基本原理 .13.1 光与色觉 .13.1.1 可见光与色彩 .13.1.2 视觉 .33.1.3 颜色视觉 .53.2 颜色的光学合成 .73.2.1 颜色合成的基本原理 .73.2.2 颜色匹配方程 .73.2.3 颜色光学合成的方法 .93.3 颜色的表示与度量方法 .113.3.1 孟塞尔颜色系统 .113.3.2 CIE 标准色度学系统 .121第 3 章 彩色基本原理现代遥感技术尽管可以在不同的空间高度，用各种探测方法获得目标物的信息资料，但最终都是以影像的形式提供给用户。那么影像上的色调是怎样产生的，人眼又是如何感觉到这些色彩的，以及进行各种光学、数据图像处
2、理的原理是什么?为解释这些问题，我们介绍一些彩色的基本知识。3.1 光与色觉3.1.1 可见光与色彩1 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，其波长范围一般为 0.380.76。来自外界的可见辐射刺激人的视觉器官，在大脑中产生光、颜色、形状等视觉现象，而获得对外界的认识。色彩是可见光作用到人眼里，并刺激了色觉神经而产生的一种主观感觉。可见光的波长不同，产生的色觉不同，如 0.7为红色、0.58为黄色、0.51为绿色、0.47为蓝色。可见光是不同波长可见辐射的混合，其颜色决定于进入人眼的可见光谱不同波长辐射的相对功率分布。可见光在一定条件下可以进行分解
3、，最常用的分解方式是棱镜色散，其原理是电磁波由一种介质进入另一种介质时产生折射，不同波长折射系数不同。色散结果，光被分解成各种色光。不能被棱镜再分解的、单一波长的光叫单色光，也叫光谱色。它仅表现为一种颜色。自然界中的单色光很少，多数情况是各种色光的混合，人眼能感觉到的七种色光的波长范围如表 3-1 所示。表 3-1 各国可见光谱划分标准颜 色中国 波长（m）紫 蓝青 绿 黄 橙 红 0.380.4550.4920.5770.5970.6220.78颜 色英美 波长()紫 蓝 蓝绿 绿 黄 黄红 浅红 红 深红 0.380.410.480.520.550.580.620.660.720.78颜
4、色俄国 波长(m)紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 0.400.430.470.490.550.590.640.722 物体的颜色根据物体发射电磁辐射的辐射通量密度，我们可以把物体分成发光体和非发光体两大2类。发光体的颜色由它所发出的可见辐射的波长而定，非发光体的颜色则取决于它们对可见光所固有的吸收、反射和透射性能。光源发出的光照射到非发光体上时，由于物体的表面特性和内部组成不同，其对各种波长单色光的吸收、反射以及透射的多少也不同，被物体反射出来的色光混合起来就构成了该物体所呈现的颜色。一般根据物体的吸收和反射情况，将所有物体分为两类，彩色物体和消色物体。(1)消色物体消色物体也称非彩色物体，它对入
5、射的白光没有分解能力，呈无选择吸收和反射，当吸收少，反射多时呈白色；吸收多反射少时呈黑色，中间状态时为各种灰色。它们可以从白到黑组成一个系列，称为灰阶，一般分为 10 级，如表 3-2 所示。表 3-2 灰阶系列灰阶 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1吸收率 0-10% 10-20% 20-30% 30-40% 40-50% 50-60% 60-70% 70-80% 80-90% 90-100%反射率=1- 100-90% 90-80% 80-70% 70-60% 60-50% 50-40% 40-30% 30-20% 20-10% 10-0%色调 白 灰白 淡灰 浅灰 灰 暗灰 深灰
6、淡黑 浅黑 黑实际上，消色物体的反射光在成分上与入射光完全一样，只是强度有所改变，在视觉上就是明度的变化。愈接近白色，明度愈高，愈接近黑色，明度愈低。(2)彩色物体彩色物体对入射的白光有分解能力，呈选择性吸收和反射。这时的反射光与入射光相比，不仅在强度上减弱，而且光谱成分也改变了，即反射光变成了与入射光各波段辐射强度比例不同的色光，结果使物体呈现出色彩。例如，在阳光下，植物主要反射了可见光中的绿色光，吸收了其余部分色光，本身呈现绿色；沙漠大量反映黄色光，呈现黄色；海水反射蓝色光，呈现蓝色。上述彩色感觉是由于物体选择性吸收和反射入射光而引起的，因此，光源的颜色(色光成分)势必对物体颜色有很大影响
7、。例如，青草在白光下呈绿色，但在钠光灯下不呈现绿色，因为钠光成分中没有绿色光可以被其反射。所以我们可以说，物体对入射光具有确定的吸收与反射特性，但没有固定的颜色，物体的颜色是随入射光的成分不同而变化的，光源的色光成分不同，同一物体可呈现出不同的颜色。因此，只有在测准遥感时光源的光谱成分的条件下，同时测量出各种不同地物的反射光谱特性时，彩色信息才具有确定的意义。3 彩色的特性要确切地描述一种彩色，需要从色别、饱和度和明度三个特性方面进行，所以它们又称彩色的三要素。(1)色别(Hue)色别也叫色调，指彩色的类别，是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱中不同波长的辐射，在视觉上表现为各种色调，一般将红、
8、黄、绿、青、蓝、紫红六种颜色定为基本的3图 3-1 人眼的构造脉络膜睫状肌角膜视轴玻璃状液体巩膜虹膜前房视网膜水晶体视网膜 中央窝盲点视神经色别 标准色。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉；物体的色调则决定于光源的光谱组成及其强度，物体表面所反射或透射的各波长辐射的比例及其主波长对人眼所产生的感觉。例如某物体对可见光的长波辐射有较强的反射，而吸收了大部分580以下的短波辐射，该物体表现为红色。人眼能分辨出的色别约有 100 多种。(2)饱和度(Chroma)饱和度是指彩色的纯洁性，它表示一种彩色的浓淡程度。一般来讲，色彩越鲜艳，饱和度越大；反之，饱和度低。可见光谱中各种光谱色是最
9、饱和的彩色。饱和度的变化是随光谱色中混入白光的比例多少而定的，光谱色中掺入的白光越多，就愈不饱和。本质上，物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。物体对光谱某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，这一颜色的饱和度就高。越饱和的颜色越与灰色不相同。(2)明度(Value)明度是指颜色的明暗程度，它决定于发光体的辐射强度和物体表面对光反射率的高低。反射率愈高，它的明度就愈高。对不同的色别，由于其反射率不同，人眼对其敏感情况不同，因此表现为不同的明度。如黄褐色物体表面在光谱的各波长上都比红色物体反射更多的辐射，因而对人眼产生更高的亮度，
10、所以比红色物体有更高的明度。非彩色只有明度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。3.1.2 视觉1 视觉的生理基础(1)眼睛的构造人的眼睛是一个前后直径大径的似近球状体，由眼球内容物和眼球壁构成，如图 3-1 所示。眼球壁 眼球壁由三层组成：最外层是角膜和巩膜，其主要作用是收集光线，保护眼球。中层包括虹膜、睫状体和脉络膜，作用是吸收杂散光线，调节瞳孔和晶体。内层包括视网膜和神经内段，视网膜是眼球的感觉部分，为一透明薄膜，其中有视觉感光细胞锥体细胞与杆体细胞。在视网膜中央有一锥体细胞特别密集的区域称黄斑，黄斑中央有一小凹，叫中央窝。视网膜神经纤维从四周向黄斑一侧汇集成一园盘状，叫视神经乳头(盲点
11、)，视神经纤维由视神经乳头穿过脉络膜和巩膜壁而成为视神经。眼球内容物 眼球内容物包括晶体、房水和玻璃体，它们都是曲光介质。晶体是一扁球形的弹性透明体，位于玻璃体与虹膜之间，睫状肌的收缩可改变晶体的屈光能力，使外界的对象能在视网膜上形成清楚的影像。角膜和晶体之间是前房，虹膜和晶体之间是后4房，其内部都充填着房水。玻璃体在晶体后，视网膜前，占眼球内容物的，是一种胶状的透明体。(2)视网膜像的形成当眼睛注视外界物体时，由物体发出的光线通过角膜、房水、晶体及玻璃体，使物像聚焦在视网膜上。视网膜的感光细胞接受光刺激，转化为神经冲动，经视神经到丘脑的外侧膝状体，再传导到大脑枕叶皮层的高级视觉中枢，就产生了
12、物体大小、形状和颜色的感觉。视网膜成像的基本原理相似于透镜成像，如图 3-2 所示。人的视觉能看清不同距离的物体，是由于眼睛调节机制的作用。眼睛的调节机制是依据所看到的物体的远近，增大和减小晶体的曲率，以使不同距离的物体在视网膜上形成清晰的影像。2 视觉现象(1)明视觉与暗视觉视网膜上的不同细胞执行着不同的视觉功能，在光亮条件下，锥体细胞能够分辨颜色和物体的细节，杆体细胞只在较暗条件下起作用，适宜于微光视觉，不能分辨颜色和细节。即视觉有两重功能，明视觉和暗视觉。人对不同波长的可见光的感受性是不同的，同样功率的辐射在不同的光谱段表现为不同的明亮程度，通常用光谱效率函数V()来表示，如图 3-3。
13、V( )代表波长 的单色辐射所引起的明亮感觉的程度。V() (3-1)式中 和 分别为波长 m 和 的辐射量。 （2-1）式表达的意思是：波长 的单色辐射的光谱光效率 V() 是在特定的光度条件下，当波长 m 和波长 的单色光的明亮感觉相等时，二者辐射量之比。m 是产生相同明亮感觉时所需辐射量最小的波长。(2)暗适应在黑暗中视觉感受性逐步增强的过程叫做暗适应。当照明条件改变时，眼睛可以通过一定的生理过程对光的强度进行适应，以获得清晰的视觉。人由光亮地方转到黑暗地方时，起初视觉感受性很低，然后逐渐提高，提高的速度开始较快，后期变慢，暗适应的全过程约 40 分钟。暗适应包括两种生理过程：瞳孔大小的
14、变化及视网膜感光化学物质的变化。瞳孔的变图 3-2 物体在视网膜上的成像图 3-3 明视觉与暗视觉的光谱光效率5化范围很有限，为，暗适应的主要生理机制是视觉二重功能的作用，即黑暗中由中央视觉转为边缘视觉的结果。3.1.3 颜色视觉1 颜色视觉现象(1)辨色区域由于视网膜中央和边缘部位的结构不同，中央视觉主要是锥体细胞起作用，边缘视觉主要是杆体细胞起作用，所以视网膜不同区域的颜色感受性也有所不同。具有正常视觉的人的视网膜中央能分辨各种颜色，这一区域称颜色区。由中央向外围过渡，锥体细胞减少，杆体细胞增多，对颜色的分辨能力逐渐减弱，直到对颜色的感觉消失，先丧失红、绿色的感受性，视觉呈红绿色盲，形成红
15、绿盲区，然后丧失蓝、黄色的感受性，而成为全色盲区，在盲区只有明暗感受，颜色被看成不同明暗的灰色。(2)颜色辨认颜色视觉正常的人在光亮条件下能感受到可见光谱的各种颜色，从长波到短波的顺序是红(700 nm)、橙(620 nm)、黄(5800 nm)、绿(5100 nm)、蓝(470 nm)、紫(420 nm)，在两个相邻颜色之中间还有许多中间色。我们看到的颜色和波长的关系并不总是完全固定的，随着光强的变化而变化，如图 3-4 所示。总的规律是：光谱上除了三点，黄(572)、绿(503)和蓝(478)是不变颜色之外，其它颜色在光强度增加时，都略向红色或蓝色变化。此外对颜色的辨别能力在不同波谱段也不
16、相同。(3)颜色对比和颜色适应在视场中，相邻区域不同颜色的互相影响叫做颜色对比，每一颜色都在其周围诱导出其补色。如果在一块颜色背景上放置另一颜色，两颜色互相影响，使一颜色的色调向另一颜色的补色方向变化。不变颜色点图 3-4 各种波长的恒定颜色线视网膜照度（楚兰德）黄波长（nm）绿 蓝20001000400010020106人眼在颜色刺激的作用下所造成的颜色视觉变化，叫颜色适应。对某一颜色光适应以后再观察另一颜色时，后者会发生变化，而带有适应光的补色成分。一般对某一颜色光适应后，再观察其它颜色，则其它颜色的明度和饱和度都会降低。2 颜色视觉理论解释眼睛具有颜色视觉的理论有两大类：一个是杨赫姆霍尔
17、兹的三色学说，另一个是赫林的“对立”颜色学说，前者从颜色混合的物理学规律出发，后者从视觉现象出发。(1)三色学说三色学说根据红、绿、蓝三原色可以产生各种色调及灰色的颜色混合规律，假设在视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉，光作用于视网膜上能同时引起三种纤维的兴奋，但是光谱的不同波长引起三种纤维不同比例的兴奋。三种纤维不同程度的同时活动就产生相应的色觉(如图 3-5)。三色学说的最大优越性是能充分说明各种颜色的混合现象，用简明的三种神经纤维的假设,使颜色实践中颜色混合这一核心问题得到满意的解释，构成现代色度学的基础。这个学说的最大问题是不能满意地解释色盲现象。(2)对立
18、颜色学说对立颜色学说也叫四色学说，它是根据眼睛观察到的颜色总以红绿、黄蓝、黑白成对关系产生的现象，假定视网膜中有三对视素：白黑视素、红绿视素、黄蓝视素，这三对视素的代谢作用包括建设(同化) 和破坏(异化) 两种对立的过程。光刺激破坏白黑视素，引起神经冲动产生白色感觉；无光刺激时白黑视素便重新建设起来，所引起的冲动便产生黑色感觉。对红绿视素，红光起破坏作用，绿光起建设作用。对黄蓝视素，黄光起破坏作用，蓝光起建设作用。三种视素的对立过程的组合产生各种颜色的混合现象。四色学说能对色盲现象作出很好的解释，但是对三原色能够产生光谱一切颜色这一现象没有予以说明。图 3-5 人眼的视觉光谱 图 3-6 颜色
19、视觉机制示意图(3)现代颜色视觉理论三色学说和对立颜色学说虽然都有一定的科学道理，但也存在明显不足，对一些色觉现象和混色规律无法做出合理的解释。现代色度学理论认为：视网膜上的锥体细胞分为三种感色单元，每种单元的细胞具有不同的光谱敏感特性，有选择地吸收光谱不同波长的辐光谱效率（）夜 昼波长（）7射，它们分别对红色、绿色和蓝色敏感，同时又可单独产生白和黑的反应(第 1 阶段，三色学说)。在神经兴奋由锥体细胞向视觉中枢的传导过程中，这三种反应又重新组合，结果形成三对对立性的神经反应，即红或绿、黄或蓝、白或黑反应(第 2 阶段，四色学说) 。最后在大脑皮层中枢进行合成，产生颜色感觉，如图 2-6，这也
20、叫阶段论学说。3.2 颜色的光学合成3.2.1 颜色合成的基本原理1 三基色原理颜色的光学合成是建立在三基色原理上的。根据色觉理论，光谱相同的光引起相同的色觉，而光谱不同的光，也能引起相同的色觉，光和色有单一的对应关系，反之色和光没有相应的对应关系。实验证明，只存在三种独立的色，其它色都可由它们匹配出来，这三种色被称为三基色或三原色。反过来说，任何一种颜色都可以分解为三基色或三原色。三基色的选择不是唯一的，条件是三个基色中的任何一个不能由其余两个相加混合出来；用它们合成颜色方法简单、稳定，合成的颜色较多。现在三基色一般选择红色、绿色、蓝色，CIE 规定：红基色光(R)波长 0.7，绿基色光(G
21、)波长 0.5461，蓝基色光(B)波长 0.4358。2 格拉斯曼定律颜色合成有两种方式：色光混合和染料混合。格拉斯曼在 1854 年根据色光混合现象总结成颜色混合定律：人的视觉只能分辩颜色的三种变化，色别、饱和度和明度。在由两个颜色组合成的混合色中，如果一个色的成分连续地变化，混合色的外貌也连续地变化。由此导出两个定律：补色律：以适当比例混合后能产生白色或灰色的两种色互为补色，每一种颜色都有一个补色，互为补色的颜色如果按其比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。间色律：任何两个非补色相混合，便产生中间色(间色) ，其色调决定于两色的相对数量，饱和度决定于两者在色调顺序上的距离，距离
22、近饱和度高，距离远饱和度低。色貌相同的光，在颜色混合中具有相同的效果，即在视觉上相同的颜色都是等效的，由此导出颜色的代替律。代替律：相似色混合后仍然相似，如颜色颜色，颜色颜色，则颜色颜色颜色颜色。代替律表明，只要在视觉上颜色是相似的，便可以互相代替，所得的视觉效果是同样的。根据代替律，可以利用颜色混合方法来产生或代替各种所需要的颜色，该定律是一条非常重要的定律，现代色度学就是建立在此基础上的。混合色的亮度等于组成混合色的各颜色光亮度的总和亮度相加定律。上述格拉斯曼颜色混合定律是色度学的一般规律，适用于各种颜色光的相加混合，但不适用于染料或涂料的混合。83.2.2 颜色匹配方程任何一种颜色除了用
23、三特性表示外，还可用三基色含量描述，根据格拉斯曼颜色混合定律，三基色的数量可通过颜色匹配实验准确决定。所谓颜色匹配是指把两个颜色调到视觉上相同或相等的方法。1 颜色匹配实验配色实验是通过三基色相加混合的方法，改变一个或两个基色的色调，饱和度和明度三特性，使二者达到匹配。实验常用下面两种方式进行（如图 3-7，8 所示） 。图 3-7 是利用颜色转盘进行颜色混合来实现颜色匹配的示意图。颜色转盘由几块不同颜色的圆盘做成，通常用红()、绿()、蓝（）三种颜色和一种黑色，其中黑扇面的作用是改变红、绿、蓝三色扇形面积的比例，以及调节明度。当转盘快速旋转时，眼睛便看到一个混合色。把被匹配的颜色()放在转盘
24、的中心部位，把四色扇面放在转盘的外围，调节三颜色的比例，就可以使外围的混合色与中心的颜色看起来相似。这时就实现了颜色匹配。配色实验中，为了匹配某一特定颜色所需的三原色数量叫做“三刺激值” 。图 3-7 颜色转盘配色实验 图 3-8 颜色光的匹配实验比较精密的配色实验是用颜色光实现的，图 3-8 是颜色光配色实验示意图，用三基色照射在白色屏幕的同一位置上，光线经过屏幕的反射达到混合，混合后的光线作用到视网膜上便产生一个新的颜色。如同时投射一个被匹配的特定色光于屏幕的另一侧，则调节三基色光的强度比例，便可产生看起来与被匹配色光相同的颜色。如果待配色很饱和，用三基色(光)匹配不成，此时可将一种基色(
25、光)加到被匹配的色(光)上，而用另两种基色(光)进行匹配，当调节到适当比例时，便可达到颜色的匹配。需要注意的是，在上述颜色光的匹配实验中，由三原色合成的颜色的光谱组成与被匹配的颜色光的光谱组成可能很不一致。因此，三原色混合形成的颜色只表达被匹配颜色光的外貌，而不能表达它的光谱组成。2 颜色匹配方程将颜色匹配的关系用代数式的形式描述，所得到的等式叫颜色匹配方程。以代表被匹配的颜色，以(） 、 （） 、 （）代表红、绿、蓝三原色，、分别代表红、绿、蓝匹配时的数值(刺激值)，则颜色匹配方程为：9H R（R） G（G） B（B） （3-2）式中， “”代表匹配，即视觉上相等。其中三刺激值之一可以是负值
26、或零。关于三基色的单位，根据颜色匹配实验有流明(W)0.30 流明 (R)0.59 流明(G)0.11 流明(B) (3-3)为了标准化，CIE 规定：单位红() 0.30 流明，单位绿 ()0.59 流明，单位蓝()0.11 流明，于是T（W ）T(R)T（G ）T（B ） （3-4 ）即匹配等能白光的 R、G、B 三基色的亮度值各为一个单位。而一个单位的三基色之间绝对数量并不相等。3 色度坐标在色度学中，我们不直接用三原色数量来表示颜色，而用三原色各自在 RGB 总量中的相对比例表示颜色。三原色各自在 RGB 总量中的相对比例叫做色度坐标。某一特定颜色的色度坐标、g、为： b (3-5)B
27、GR由于，所以只用和即可表示一个颜色，某一特定颜色的一个单位()的方程可写成：1（H）r（R ）g（G ）b（B） （3-6 ）3.2.3 颜色光学合成的方法1 相加混色两种或两种以上的基色光同时作用于人眼，可以产生另一种色觉，叫做色光的相加或相加混色，颜色相加的基本原理是：混合色的三刺激值为各组成色三刺激值各自之和。如R 、G 、B 为第一个颜色光的三刺激值，R 、G 2、B 为第二个颜色光的三刺激值，R、G、B 为两颜色光混合后的三刺激值，相加混色的基本规律如下：RR R GG G (3-7)BB B (1)原色光混合两种原色光等量相加得另一原色光的补色光，三原色光等量相加得消色。RGY GBCRBM RG BW 式中：Y、M、C、W 分别代表黄、品红、青色和消色，称为间色光。(2)间色光混合两个间色光混合得另一间色光的补色光 复色光。YMR YC GCMB YMCW（3-8）(3-9)
