颜色原理(一) 三基色原理

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本文导读目录：

1、颜色原理(一) 三基色原理

2、颜色原理

3、三基色原理及混色

　　颜色原理 　　讲到绘画、图像，自然离不开谈颜色，所有的图案都是由基本形状和颜色组成，颜色构成了我们图像处理的一个重要部分，下面我们将要了解颜色的原理,它将是我们美工的基础。 　　(一) 三基色原理 　　在中学的物理课中我们可能做过棱镜的试验，白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱，颜色依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这就是可见光谱。其中人眼对红、绿、蓝为敏感，人的眼睛就像一个三色接收器的体系，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的基本原理，即三基色原理。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。红绿蓝是三基色，这三种颜色合成的颜色范围为广泛。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色。 　　红色+绿色=黄色 　　绿色+蓝色=青色 　　红色+蓝色=品红 　　红色+绿色+蓝色=白色 　　黄色、青色、品红都是由两种及色相混合而成，所以它们又称相加二次色。另外： 　　红色+青色=白色 　　绿色+品红=白色 　　蓝色+黄色=白色 　　所以青色、黄色、品红分别又是红色、蓝色、绿色的补色。由于每个人的眼睛对于相同的单色的感受有不同，所以，如果我们用相同强度的三基色混合时，假设得到白光的强度为100%，这时候人的主观感受是，绿光亮，红光次之，蓝光弱。 　　除了相加混色法之外还有相减混色法。在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。也就是： 　　白色-红色=青色 　　白色-绿色=品红 　　白色-蓝色=黄色 　　另外，如果把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，由于颜料吸收了红色和蓝色，而反射了绿色，对于颜料的混合我们表示如下： 　　颜料(黄色+青色)=白色-红色-蓝色=绿色 　　颜料(品红+青色)=白色-红色-绿色=蓝色 　　颜料(黄色+品红)=白色-绿色-蓝色=红色 　　以上的都是相减混色,相减混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的颜色的。所以有把青色、品红、黄色称为颜料三基色。颜料三基色的混色在绘画、印刷中得到广泛应用。在颜料三基色中，红绿蓝三色被称为相减二次色或颜料二次色。在相减二次色中有： 　　(青色+黄色+品红)=白色-红色-蓝色-绿色=黑色 　　用以上的相加混色三基色所表示的颜色模式称为RGB模式,而用相减混色三基色原理所表示的颜色模式称为CMYK模式,它们广泛运用于绘画和印刷领域。 　　RGB模式是绘图软件常用的一种颜色模式，在这种模式下，处理图像比较方便，而且，RGB存储的图像要比CMYK图像要小，可以节省内存和空间。 　　CMYK模式是一种颜料模式,所以它属于印刷模式,但本质上与RGB模式没有区别,只是产生颜色的方式不同。RGB为相加混色模式，CMYK为相减混色模式。例如，显示器采用RGB模式，就是因为显示器是电子光束轰击荧光屏上的荧光材料发出亮光从而产生颜色。当没有光的时候为黑色，光线加到大时为白色。而打印机呢?它的油墨不会自己发出光线。因而只有采用吸收特定光波而反射其它光的颜色，所以需要用减色法来解决。　　(一) 三基色原理 　　在中学的物理课中我们可能做过棱镜的试验，白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱，颜色依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这就是可见光谱。其中人眼对红、绿、蓝最为敏感，人的眼睛就像一个三色接收器的体系，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。红绿蓝是三基色，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色。 　　红色+绿色=黄色 　　绿色+蓝色=青色 　　红色+蓝色=品红 　　红色+绿色+蓝色=白色 　　黄色、青色、品红都是由两种及色相混合而成，所以它们又称相加二次色。另外： 　　红色+青色=白色 　　绿色+品红=白色 　　蓝色+黄色=白色 　　所以青色、黄色、品红分别又是红色、蓝色、绿色的补色。由于每个人的眼睛对于相同的单色的感受有不同，所以，如果我们用相同强度的三基色混合时，假设得到白光的强度为100%，这时候人的主观感受是，绿光最亮，红光次之，蓝光最弱。 　　除了相加混色法之外还有相减混色法。在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。也就是： 　　白色-红色=青色 　　白色-绿色=品红 　　白色-蓝色=黄色 　　另外，如果把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，由于颜料吸收了红色和蓝色，而反**绿色，对于颜料的混合我们表示如下： 　　颜料(黄色+青色)=白色-红色-蓝色=绿色 　　颜料(品红+青色)=白色-红色-绿色=蓝色 　　颜料(黄色+品红)=白色-绿色-蓝色=红色 　　以上的都是相减混色,相减混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的颜色的。所以有把青色、品红、黄色称为颜料三基色。颜料三基色的混色在绘画、印刷中得到广泛应用。在颜料三基色中，红绿蓝三色被称为相减二次色或颜料二次色。在相减二次色中有： 　　(青色+黄色+品红)=白色-红色-蓝色-绿色=黑色 　　用以上的相加混色三基色所表示的颜色模式称为RGB模式,而用相减混色三基色原理所表示的颜色模式称为CMYK模式,它们广泛运用于绘画和印刷领域。 　　RGB模式是绘图软件最常用的一种颜色模式，在这种模式下，处理图像比较方便，而且，RGB存储的图像要比CMYK图像要小，可以节省内存和空间。 　　CMYK 模式是一种颜料模式,所以它属于印刷模式,但本质上与RGB模式没有区别,只是产生颜色的方式不同。RGB为相加混色模式，CMYK为相减混色模式。例如，显示器采用RGB模式，就是因为显示器是电子光束轰击荧光屏上的荧光材料发出亮光从而产生颜色。当没有光的时候为黑色，光线加到最大时为白色。而打印机呢？它的油墨不会自己发出光线。因而只有采用吸收特定光波而反射其它光的颜色，所以需要用减色法来解决。 　　(二)、HLS(色相、亮度、饱和度)原理 　　HLS 是Hue(色相)、Luminance(亮度)、Saturation(饱和度)。色相是颜色的一种属性，它实质上是色彩的基本颜色，即我们经常讲的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种，每一种代表一种色相。色相的调整也就是改变它的颜色。 　　亮度就是各种颜色的图形原色（如RGB图像的原色为R、G、B三种或各种自的色相）的明暗度，亮度调整也就是明暗度的调整。亮度范围从 0到255，共分为256个等级。而我们通常讲的灰度图像，就是在纯白色和纯黑色之间划分了256个级别的亮度，也就是从白到灰，再转黑。同理，在RGB 模式中则代表个原色的明暗度，即红绿蓝三原色的明暗度，从浅到深。 　　饱和度是指图像颜色的彩度.对于每一种颜色都有一种人为规定的 标准颜色，饱和度就是用描述颜色与标准颜色之间的相近程度的物理量。调整饱和度就是调整图像的彩度。将一个图像的饱和度条为零时，图像则变成一个灰度图像，大家在电视机上可以试一式调整饱和度按钮。 　　另外还有一个概念,就是对比度。对比度是指不同颜色之间的差异。对比度越大，两种颜色之间的相差越大，反之，就越接近。如，一幅灰度图像提高它的对比度会更加黑白分明，调到的极限时，变成黑白图像，反之，我们可以得到一幅灰色的画布。 　　我们了解了颜色的原理,我们在图像处理中就不会茫然，并且对于调整颜色也可以更快，更准确。　　来源：雪球App，作者： 书生剑客，（https://xueqiu.com/3993902801/181044336） 　　前面我们有讲到，人眼的锥状细胞由红、绿、蓝三种感光细胞组成，当三种色觉细胞同时接受红、绿、蓝三种光激发时，人将产生白色的色觉，即人眼的三种细胞也有混色效应，也就是所谓的生理相加混色法。今天我们详细学习关于三基色和混色方法的内容。 　　在颜色视觉实验中，最重要的是混色实验。自然界中，绝大多数的彩色都可以由三种基色按不同比例相加混合得到；反之，任何彩色也可分解为比例不同的三种基色。选择三种基色的要求是：三种基色彼此独立，即其中任一种基色不能用其他的两种基色混合得到。用三基色混合成的彩色，其色调和色饱和度皆由三基色的比例决定。混合色的亮度等于参与混色的基色的亮度的总和。光谱中的色光混合是相加混色，实验已经证实，由红、绿、蓝三种基色以适当的比例混合可得到多种彩色。例如，将红色光与绿色光混合可得到黄光；又如，将红色光与蓝色光相混合可得到品红色光（或称紫色光，严格地说，品红色与色谱中的紫色不同）。红、绿、蓝三色光称为相加三基色；相加混色的结果，可用下图表示： 　　当两种颜色混合得到白色（或灰色）时，这两种颜色称为互补色。红与青互为补色，绿与紫互为补色，蓝与黄互为补色。 　　红色+青色=白色 　　绿色+紫色=白色 　　蓝色+黄色=白色 　　需要注意的是，上述混色式只是一种简便的表达，实际混色比上述结果要复杂得多。因为混色的两种光的强度不同，结果也会不同。 　　格拉斯曼（H.Grassman）于1953年总结出色光混合的基本定律： 　　人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调和饱和度两种颜色混合，如果一种颜色成分连续变化，混合色的外貌也连续变化补色律：每一种颜色都有相应补色中间色律：两种非互补颜色混合，将产生两颜色的中间色，其色调决定于两颜色的比例颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中等效；凡是视觉上相同的颜色是等效的。颜色A=颜色B颜色C=颜色D颜色A+C=颜色B+D在混色中，某种颜色用外貌相同的另外颜色代替，最后效果不变代替律：相似色混合，混合色仍相似混合色的总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：假定参加混色各色光亮度分别为L1、L2…Ln，则混合色光的光亮度L为L=L1+L2+…+Ln。 　　经过大量的实验证明，采用红、绿、蓝三种基色的混色效果最好，而且这三种基色中的红色分布在可见光谱的高端，蓝色分布在低端，而绿色分布在中部。把这三种基色光按一定比例投射重叠在一起（即相加混色），便可得到白光。对人眼识别颜色的研究表明，视觉系统对于不同方法的色刺激具有相加混合的能力，并产生一种合成的色感觉，这样就构成了实现相加混色的几种方法。 　　1．时间混色法：三种基色交替出现；三种基色光（红、绿、蓝）以一定顺序轮流投射到同一平面，由于人眼有视觉惰性，故看到的不是基色，而是混合色。 　　2．空间混色法：三种基色同时出现；三种基色光分别投射到同一表面上的相邻三点，只要三点相隔足够近，由于人眼的分辨力有限，故看到的不是三种基色光而是它们的混合光。传统的彩色显像管的显像就利用了空间混色法。 　　3．生理混色法：两只眼睛分别观看不同色彩；两只眼睛分别观察不同的颜色（例如，左眼观察红光，右眼观察绿光），人们所感觉到的彩色不是两种单色，而是它们的合成彩色。立体彩色电视的显像方法就是这种显像方法。 　　4．全反射法：三种基色同时投射在一块反射面上，也叫直接混色；三种基色光以不同比例同时投射到一块全反射表面。由此构成了投影彩电。比如多媒体教室中的前投彩电、家电中的背投彩电的显像就是这种显像方法。 　　彩色电视重现景物的彩色，通常是靠彩色显像管荧光屏上的三种荧光粉在电子束轰击下发出各自的基色光而完成的，即它们分别发出红、绿、蓝三种基色光，并混合成彩色图像，就是利用了三基色的空间混色原理。彩色显像管中的荧光粉粒本身是发光体，它的混色规律是遵从相加混色法，即以彩色光的互相叠加来实现混色产生另一种新的彩色光。彩色显像管电视的显示结构如下图所示： 　　如显示彩条图像的时候，RGB三基色图像与信号见下图： 　　上面我们主要讨论了R、G、B相加混色的原理来产生色彩的方法，在日常生活中，我们常见到的用颜料、油漆等按不同的颜色比例混合得出的颜色与相加混色得到的颜色不是一样的。例如，将黄色颜料和蓝色颜料混合得到的颜色是黑色而不是白色。这种通过颜料的反射或吸色性质，将两种不同颜色的颜料相混合，混合颜料将会具有新的反射或吸色性质，从而得到新的颜色。这称为相减混色。相减混色可用物体对光的吸收特性来解释。例如，红色颜料，它因为反射白光中的红光而吸收白光中的绿光和蓝光，故呈红色。黄色颜料，它是从入射的白光中吸收了蓝光而反射红光与绿光，红与绿两种光引起黄色的感觉。又如，黄色颜料和青色颜料混合，因为黄色颜料吸收了蓝光，而青色颜料吸收了红光，即从白光中减去了红色与蓝色，因此得到了绿色。相减混色的三基色是黄、青、品红；相减混色的结果可用下图表示： 　　相减混色一般用于彩色印刷、印染、相纸行业等。彩色印刷或彩色打印中油墨或颜料的三基色是青色（Cyan）、品红色（Magenta）和黄色（Yellow），简称为CMY。理论上说，任何一种由颜料表现的色彩都可以用这三种基色按不同的比例混合而成，这种色彩表示方法称CMY色彩空间表示法。彩色打印机和彩色印刷系统都采用CMY色彩空间。 　　这种色彩模型一般称为相减混色模型，用这种方法产生的颜色之所以称为相减色，主要是因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光。 　　CMY空间正好与RGB空间互补，也即用白色减去RGB空间中的某一色彩值就等于同样色彩在CMY空间中的值。RGB空间与CMY空间的互补关系如下表所示： 　　下图是RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法： 　　下面是两种混色方法的一个直观比较： 　　在彩色电视中使用相加混色法；在印刷、彩色胶片和绘画中采用相减混色法。在相加混色中，混合后的彩色的亮度是增加的；而在相减混色中，混合后的彩色的亮度是减少的，减少的原因是混合色的反射率降低了。 　　除了常见的RGB色空间和CMY色空间，还有HSI色彩空间，它是从人的视觉系统出发，用色调（Hue）、色饱和度（Saturation）和亮度（Intensity/Brightness）来描述色彩。通常把色调和饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。由于人的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI色彩空间，它比RGB色彩空间更符合人的视觉特性。 　　在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在HSI色彩空间中方便地使用,可以大大简化图像分析和处理的工作量（主要是数字化处理）。HSI色彩空间和RGB色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系，如公式所示： 　　而在彩色电视制式中，一般使用YUV和YIQ模型来表示彩色图像。在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，其中的YUV不是哪几个英文单词的组合词，而是符号，Y表示亮度，UV用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量；在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。 　　YUV色彩空间的特点：用亮度信号Y和两个色差信号U、V表示图象的色彩；如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图就是黑白灰度图；彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号。普通复印机也可复印彩色照片。 　　Y: luminance明亮度，Y =0.299R + 0.587G + 0.114B； 　　U, V: chrominance色彩差异度，U = B – Y, V = R – Y。

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