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1、计算机图形学计算机图形学第1页，本讲稿共68页色度学基本常识色度学基本常识第2页，本讲稿共68页可见光谱与电磁波谱n光具有波动性和粒子性。n人类可见光谱段仅在整个电磁波谱中极窄的一段u低端 780 nmu高段 380 nm第3页，本讲稿共68页眼球的构造n眼是动物用来观察环境的感觉器管，节肢动物生长有复眼，而脊椎动物和人类的眼球结构相同，为单眼球.第4页，本讲稿共68页两类视觉细胞n人类视网膜上存在着两类不同的视觉细胞，锥体细胞和杆体细胞。这两种细胞都能感知光线。n其中只有锥体细胞能感知光线的颜色.第5页，本讲稿共68页三种锥体细胞n锥体细胞按灵敏感光波长可分为三种：u红色 580 nm 绿色
2、 545 nm 蓝色 440 nm 第6页，本讲稿共68页颜色感知过程第7页，本讲稿共68页人类的视觉功能n人类能够感知光线的以下特性：u明度(Lightness):彩色光的亮度u色调(Hue):彩色光的波长特性u饱和度(Saturation):彩色光包含的白光比例n人类的视觉功能和生存环境相适应，是生物进化的结果.第8页，本讲稿共68页Grassman混色定理n1854年 H.Grasman总结出颜色混合定律：u人的视觉只能分别颜色的明度、色调、饱和度。u两个成份的混合色中，其中一个成份的连续，整个混合色也发生连续变化。u外貌相同的混合光可以由不同的色光组成。u混合色总亮度等于组成混合色的各
3、颜色光亮度的总和。第9页，本讲稿共68页明视觉和暗视觉n视网膜灵敏度的变化是由于光线强度不同引起的.n杆体细胞比锥体细胞高.n暗视觉水平：u10-3 cd/m2n明视觉水平：u几个cd/m2以上n黄斑区锥体细胞较多.第10页，本讲稿共68页色适应和色觉恒常色适应和色觉恒常n当照明条件发生变化时，视觉系统有一种尽量使当照明条件发生变化时，视觉系统有一种尽量使感知色的差别趋于最小的倾向，这叫作色觉恒常感知色的差别趋于最小的倾向，这叫作色觉恒常第11页，本讲稿共68页人类视觉的生理特性人类视觉的生理特性n色彩的冷暖色彩的冷暖n色彩的记忆色彩的记忆n色彩的爱好色彩的爱好第12页，本讲稿共68页色彩的冷
4、暖色彩的冷暖n色彩按色调可分为暖色调和冷色调色彩按色调可分为暖色调和冷色调n人们对色彩冷暖的感受受环境温度、体人们对色彩冷暖的感受受环境温度、体质和年龄的影响。质和年龄的影响。n不同冷暖的色块放在一起，会产生冷退暖进不同冷暖的色块放在一起，会产生冷退暖进的感觉效果，同样面积的暖色块看起来会比的感觉效果，同样面积的暖色块看起来会比冷色块大一些。冷色块大一些。第13页，本讲稿共68页色彩的记忆色彩的记忆n不同色调的色彩在人脑中记忆的程度是不同色调的色彩在人脑中记忆的程度是不同的。不同的。n色纯度或称为色饱和度高的色彩容易被记色纯度或称为色饱和度高的色彩容易被记忆，灰色调就较难易记忆。忆，灰色调就较
5、难易记忆。n电子器件采用的色环标记就是用：黑、棕、电子器件采用的色环标记就是用：黑、棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白这十种红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白这十种色彩来表示色彩来表示 0-9 数字。数字。第14页，本讲稿共68页色彩的爱好色彩的爱好n色彩的爱好在各个不同地区和不同民族是各色彩的爱好在各个不同地区和不同民族是各不相同的。不相同的。n城市建筑的色彩要和当地的自然环境、气候城市建筑的色彩要和当地的自然环境、气候和住民的文脉相适应。和住民的文脉相适应。n工业化的大都市的灰色调在阴天的环境下只工业化的大都市的灰色调在阴天的环境下只能产生抑郁的感觉，特别是在空气污染程度能产生抑郁的感觉，特别
6、是在空气污染程度较高的地区。较高的地区。n城市色彩系列的确定要作现场的测试和公众城市色彩系列的确定要作现场的测试和公众评议来确定。评议来确定。第15页，本讲稿共68页色度学色度学n色度学是建立在色度学是建立在统计实验的基础统计实验的基础上的学科，它的上的学科，它的基本方法是进行基本方法是进行心理和物理测量心理和物理测量.nCIECIE色度图：色品坐标色度图：色品坐标XYZXYZux=X/(X+Y+Z)x=X/(X+Y+Z)uy=Y/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)uz=Z/(X+Y+Z)z=Z/(X+Y+Z)nX,Y,ZX,Y,Z为光谱三刺激值为光谱三刺激值第16页，本讲稿共68页CIEC
7、IE色度图色度图n在在CIECIE色度图上用英语色度图上用英语彩色对应的首字母组合彩色对应的首字母组合来标示色名来标示色名n色度图中表示的是色色度图中表示的是色彩的色度座标。彩的色度座标。n中点色饱和度最低，愈中点色饱和度最低，愈向边缘色饱和度愈高。向边缘色饱和度愈高。n不能反映色光的强度不能反映色光的强度.第17页，本讲稿共68页色光的混合色光的混合nCIECIE色度图可以用来求几个不同色度坐标的色光的色度图可以用来求几个不同色度坐标的色光的混合结果混合结果第18页，本讲稿共68页CIECIE色度空间色度空间nCIECIE色度空间色度空间(x,y,Y)(x,y,Y)：用用Y Y轴来表示色光的
8、强度轴来表示色光的强度u马克亚当限：马克亚当限：CIE CCIE C光源照射下非荧光，非自发光物体散射或透射光光源照射下非荧光，非自发光物体散射或透射光第19页，本讲稿共68页普郎克黑体轨迹普郎克黑体轨迹物体加热到一定温物体加热到一定温度将向外界辐射能度将向外界辐射能量，部份能量将进量，部份能量将进入可见光谱段。在入可见光谱段。在色度图上带开氏温色度图上带开氏温标的标的(反映绝对黑体反映绝对黑体的辐射随温度升高的辐射随温度升高的关系的关系)曲线曲线叫作黑叫作黑体轨迹或普郎克规体轨迹或普郎克规迹。迹。第20页，本讲稿共68页光源的色温光源的色温n灯光的色度可以近似地用它的色温来表示。灯光的色度可
9、以近似地用它的色温来表示。nCRTCRT显示器的显示器的标准白场标准白场当于荧光屏中心亮度为当于荧光屏中心亮度为100100尼尼特时的色温特时的色温6300K6300K，现代，现代数控数控CRTCRT色温可调。色温可调。第21页，本讲稿共68页RGBRGB模式模式nRGBRGB模式是针对模式是针对显示器的，是显示器的，是加法混色。加法混色。n色光混色可用色光混色可用矢量加法来实矢量加法来实现现n它和它和CMYCMY的关系的关系可表示为：可表示为：第22页，本讲稿共68页CMYCMY模式模式nCMYCMY模式针对彩模式针对彩色印刷，它是减色印刷，它是减法混色法法混色法n混色可用矢量加混色可用矢量
10、加法来实现法来实现n它和它和RGBRGB的关系的关系可表示为：可表示为：第23页，本讲稿共68页彩色的物理记录方法彩色的物理记录方法n彩色胶卷摄影（模拟记录）彩色胶卷摄影（模拟记录）u正负片的概念正负片的概念u透射扫描方法透射扫描方法uCRTCRT显示器的伽玛校正显示器的伽玛校正n电视摄像机原理电视摄像机原理n油画、铜版彩色印刷技术油画、铜版彩色印刷技术第24页，本讲稿共68页彩色的物理记录彩色的物理记录n彩色电视摄象机原理彩色电视摄象机原理uRGBRGB分光系统分光系统u摄象管和系统传输的伽玛校正摄象管和系统传输的伽玛校正第25页，本讲稿共68页彩色的物理重现彩色的物理重现n色光的混合（加法
11、混色）色光的混合（加法混色）uCRTCRT阴极射线管的原理阴极射线管的原理uEBUEBU彩色荧光粉标准彩色荧光粉标准uCRTCRT显示器的色温和白色平衡显示器的色温和白色平衡uCRTCRT显示器显示器RGBRGB与与CIECIE色度坐标的转换色度坐标的转换uCRTCRT显示器的伽玛校正显示器的伽玛校正n颜料的混合颜料的混合(减法混色减法混色)u从红黄兰到从红黄兰到CMYKCMYKu彩色喷墨绘图机原理彩色喷墨绘图机原理u彩色矢量和最小二乘法优化彩色矢量和最小二乘法优化n油画、彩色印刷及油画、彩色印刷及CRTCRT显示器彩色重现的能力显示器彩色重现的能力第26页，本讲稿共68页彩色的物理重现彩色的
12、物理重现n彩色电视显象管彩色电视显象管第27页，本讲稿共68页彩色电视显象管彩色电视显象管第28页，本讲稿共68页彩色电视图象信号彩色电视图象信号n彩色电视电视信号传输彩色电视电视信号传输亮度信号亮度信号和和色差信号色差信号n发送端从发送端从 RGB RGB 转换到转换到 YIQYIQn接收端从接收端从 YIQ YIQ 转换到转换到 RGBRGB第29页，本讲稿共68页彩色的物理重现彩色的物理重现n颜料的混合颜料的混合(减法混色减法混色)：从红黄兰到：从红黄兰到CMYKCMYKu点彩画点彩画第30页，本讲稿共68页彩色喷墨打印原理彩色喷墨打印原理n彩色喷墨打印机是依靠彩色喷墨打印机是依靠 CM
13、YKCMYK 四种不同的墨水点四种不同的墨水点按不同的排列和组合方式来形成混色效果的。按不同的排列和组合方式来形成混色效果的。u用有限的彩色矢量组合来打印真彩色必需进行矢量用有限的彩色矢量组合来打印真彩色必需进行矢量优化，优化，使彩色误差尽可能小。优化，优化，使彩色误差尽可能小。第31页，本讲稿共68页从从XYZXYZ色度坐标向色度坐标向RGBRGB转换转换nCIECIE推荐的推荐的XYZXYZ色度坐标相对于色度坐标相对于PALPAL制制RGBRGB系系统的转换公式为：统的转换公式为：uR=3.065X-1.394Y-0.476ZR=3.065X-1.394Y-0.476ZuG=-0.969X
14、+1.876Y-0.042ZG=-0.969X+1.876Y-0.042ZuB=0.068X-0.229Y+1.070ZB=0.068X-0.229Y+1.070Zn同样也可以推出逆向的转换式同样也可以推出逆向的转换式第32页，本讲稿共68页MUSELL标色体系标色体系n19051905年美国美术年美国美术教师孟塞尔建立教师孟塞尔建立了以他的名字命了以他的名字命名的颜色系统。名的颜色系统。n19431943年美国光学年美国光学学会对孟塞尔系学会对孟塞尔系统进行改进，建统进行改进，建立了孟塞尔新坐立了孟塞尔新坐标系统标系统第33页，本讲稿共68页建筑色卡建筑色卡第34页，本讲稿共68页参考书籍参
15、考书籍第35页，本讲稿共68页参考书籍参考书籍第36页，本讲稿共68页参考书籍参考书籍第37页，本讲稿共68页参考书籍参考书籍第38页，本讲稿共68页图像的数字化原理图像的数字化原理图象文件及其格式图象文件及其格式第39页，本讲稿共68页综综 述述n模拟图象和数字图象模拟图象和数字图象u从从连续到离散连续到离散第40页，本讲稿共68页取样的概念取样的概念n脉冲取样：脉冲取样：单位冲激函数单位冲激函数（狄拉克（狄拉克 函数）函数）第41页，本讲稿共68页模数和数模转换模数和数模转换F连续函数与阶梯函数连续函数与阶梯函数F数字量化的概念数字量化的概念F模拟量转换成数字模拟量转换成数字-模入模入F数
16、字转换成模拟量数字转换成模拟量-模出模出第42页，本讲稿共68页数字图象的再现数字图象的再现第43页，本讲稿共68页图象文件的格式图象文件的格式n图象文件采用二进制格式(Binary)u文件头F图象的尺寸（Pixel）F图象的彩色模式(RGB,CMYK,INDEX COLOR)F图象的压缩标记彩色索引表u数据部F关于象素点 Pixel 的数据信号F如果是压缩模式则为按某种压缩算法压缩过的数据或彩色索引值第44页，本讲稿共68页光线和浓淡模型光线和浓淡模型第45页，本讲稿共68页综综 述述n物体的亮度决定于u面的照度u反射u透射及吸收n计算机图形学中利用物体对三个不同的波长光线的反射，透射及吸收
17、特性系数来构造彩色模型。n计算机模拟彩色系统能较确切的反映客观世界的连续光谱特性。n不能完全地反映人类视觉的其它生理特性。第46页，本讲稿共68页计算机图形学中的表面光学模型计算机图形学中的表面光学模型n漫反射n镜面反射n透射n折射第47页，本讲稿共68页漫反射漫反射(diffuse reflection)原理原理n朗伯特(Lambert)余弦定理 在漫反射环境下，不管物体是样放置，观测者看到它是同样的亮度 Ip 光源的强度 kd 漫反射系数(0-1)光线的入射角第48页，本讲稿共68页漫反射漫反射(diffuse reflection)原理原理n环境光(ambient light):由大气里
18、的尘埃漫反射产生的光线，它没有方性，它存在时，上式转换成n考虑到距离的影响，物质的明暗可由下式给出：第49页，本讲稿共68页镜面反射镜面反射（specular reflection）原理原理n镜面反射：所有光线均被反射回来，观测者只有在一定的角度范围中才能看到明显的亮度第50页，本讲稿共68页镜面反射镜面反射（specular reflection）原理原理n面的法线n中途矢量n入射方向n反射方向n观测方向n夹角n幂指数第51页，本讲稿共68页表面亮度的计算公式表面亮度的计算公式n如果加上距离的影响：n对于彩色光线可以定义一个列向量n其中 为青色光，为红光，为黄色光的漫反射系数。第52页，本讲
19、稿共68页纹理纹理(TEXTURE)(TEXTURE)的算法的算法n颜色纹理：由物体表面的颜色色彩和明暗度的变化来表示出来的纹理图案效果。具体形成时是对表面的亮度按选定的图案规律调制n凸包纹理：由物体表面微小的凹凸来表现的纹理，具体形成时是对反射光线的法矢量作选定规律的微扰.n 第53页，本讲稿共68页RENDERRENDER的算法的算法n光影跟踪(RAYTRACE)n辐射法(RADIOSITY)第54页，本讲稿共68页光影跟踪光影跟踪 RAYTRACEWhitted 1980第55页，本讲稿共68页面的着色方法面的着色方法nFlatnGouraudnPhongnBlinnnMetal第56页
20、，本讲稿共68页Phong照明模型（照明模型（1973）第57页，本讲稿共68页3DMAX中关于中关于Phong着色特点的描述着色特点的描述第58页，本讲稿共68页Blinn照明模型（照明模型（1977）第59页，本讲稿共68页3DMAX中关于中关于Blinn着色特点的描述着色特点的描述第60页，本讲稿共68页辐射法辐射法RADIOSITY F1984 Cornell 大学和日本广岛大学大学和日本广岛大学第61页，本讲稿共68页现实世界中的光源现实世界中的光源n太太阳光阳光(DayLight)(DayLight)u经度与纬度的变化经度与纬度的变化u节气对应的赤纬角变化节气对应的赤纬角变化n天空
21、漫反射光天空漫反射光u全阴天空、平均天空、全晴天空全阴天空、平均天空、全晴天空n人工照明光源人工照明光源u点点、线、面光源、线、面光源n专专业的渲染软件要能处理上述各种光源业的渲染软件要能处理上述各种光源第62页，本讲稿共68页光源的显色性光源的显色性n光源的显色性是光源的显色性是指光源还原物体指光源还原物体本来颜色的能力，本来颜色的能力，用显色指数来描用显色指数来描述述.n右图为自然光照右图为自然光照和钠灯照射下的和钠灯照射下的同一物体同一物体第63页，本讲稿共68页光源的发光效率光源的发光效率n光源的发光效率光源的发光效率是指光源转换能是指光源转换能量的能力。即光量的能力。即光功率功率/电功率电功率.n右图为右图为PHLIPSPHLIPS公公司产品逐年的光司产品逐年的光效率变化，这和效率变化，这和当时的制造水平当时的制造水平相关相关第64页，本讲稿共68页常见光源的发光效率常见光源的发光效率第65页，本讲稿共68页照明器的空间光度分布曲线照明器的空间光度分布曲线专业的渲染软件可专业的渲染软件可以描述照明器的空以描述照明器的空间光度分布特性间光度分布特性Photometric web第66页，本讲稿共68页参考书籍参考书籍第67页，本讲稿共68页结结 束束第68页，本讲稿共68页