颜色基础及人类视觉的三基色

（一）彩色视觉

如图3-43所示，人眼的视网膜由感光细胞覆盖，类似于CCD芯片上的感受基。感光细胞吸收来自物体的光线，并通过晶体透镜和角膜聚焦在视网膜上，它们生成了神经脉冲，在传输过程中经过一层双极性细胞和一层神经节细胞。一百万左右的神经节细胞的轴突纤维形成了光神经，它们将图像数据传送到大脑。神经脉冲的频率代表了入射光线的强度。

图3-43　人眼球解剖结构示意图

感光细胞有两种类型，依其物理形状分别称为杆状光敏细胞和锥状光敏细胞。杆状光敏细胞较为敏感，它们感受光强，为我们提供感光能力强的单色夜视。锥状光敏细胞感受光强与颜色，提供在较高光学亮度下的彩色视觉。按照其将光信号转化为神经脉冲的感光化学特性区分，锥状细胞有三种形式（65%感受红光、33%感受绿光、2%感受蓝光）。图3-44是人类视觉系统中三类锥状细胞的光谱敏感曲线。锥状细胞将电磁波谱的可见光部分分为红、绿和蓝三个波段，因此这三种颜色被称为人类视觉的三基色。

图3-44　人类感光细胞对可见光谱的吸收特性曲线

（二）三色成像

由于人类视觉系统的特点，人们在三色系统方面投入了大量的人力和物力来进行电子成像，特别是电视摄像机、数字化仪、显示器及打印机。三色成像系统的常见例子包括彩色照相和彩色电视。在这种情况下，可见光谱被分为三个波段——红、绿和蓝，近似于人眼的光谱量化。在彩色照相机中，每幅图像由三层不同的摄像乳剂合成。在彩色电视摄像机中，使用了三个图像传感器，并在每个传感器前面放置了红、绿和蓝色滤光片。在显示时，红、绿和蓝色图像叠加在一起，形成彩色打印或彩色显示，如图3-45所示。这种叠加近似产生了真实场景在视网膜上的效果，因此人眼看起来是正常的。

虽然一幅三色数字图像可以认为是三个坐标（两个空间和一个光谱）的一个标量函数，但是一般情况下，将其看作是一幅二维图像，每个像素有三个亮度值（红、绿和蓝）更为方便。有时也将其看作三幅单色数字图像的叠加。如此，前面章节中讨论的许多针对灰度图像的概念和方法就可以直接应用于彩色图像了。

图3-45　三色成像

a）CRT结构示意图　b）荧光体点阵示意图

（三）颜色基础

人类和某些动物接收的物体的颜色一般是由其反射光的性质决定的。光是一种电磁波，早在17世纪，牛顿通过三棱镜研究对白光的折射就已发现：白光可被分解成一系列从紫到红的连续光谱，如图3-46所示，从而证明白光是由不同颜色（而且这些颜色并不能再进一步被分解）的光线相混合而组成的。图3-47是电磁波谱，可见光在电磁波谱中是一个相对较窄的波段（380nm～780nm）。如果一个物体反射的光在所有可见光波长范围内是平衡的，则观察者看到的物体是白色的。若一个物体只对有限范围的可见光谱反射，则物体呈现某种颜色。例如，绿色物体反射500nm～570nm范围的光，吸收其他波长的光；人眼感到最舒服的光波长是550nm（黄绿光）。(www.xing528.com)

图3-46　白光被三棱镜散射后形成的彩色光谱

图3-47　电磁波谱

颜色是外来光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境的颜色以及观察者的视觉系统有关系。

通常用以区别颜色的特性是色调（Hue）、饱和度（Saturation）和亮度（Brightness/Intensity）：

1）色调又称为色相或者色度，是当人眼看到一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉。它决定了彩色光的光谱成分，表示观察者接收的主要颜色，反映了彩色光在“质”方面的特征。它就是颜色的分类，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色。在色谱中，色调是连续变化的。

2）饱和度是指颜色的纯度，可用来区别颜色的深浅程度。纯光谱色的含量越多，其饱和度也就越高。饱和度与所加白光数量成反比，混入的白光越少，饱和度越高，颜色越鲜明。例如，纯谱色是全饱和的，而粉红色（红加白）和淡紫色（紫加白）则是欠饱和的。

3）亮度是人的视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。它决定了彩色光的强度，是色彩明亮度的概念，是彩色光在“量”方面的特性。它是一个主观描述子，实际上是不可能测量的。如图3-48所示，同一种色块，在不同强度的白光照射下，反射的光波波长一样（色调相同），但人眼感觉到的颜色不同。某一颜色的光，亮度很弱，趋于黑色；反之，则趋于白色。

图3-48　不同光照强度下人眼对同一色块感觉到不同的颜色

通常把色调和饱和度称为色度（Chromaticity）。亮度表示颜色的明亮程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。

为了标准化起见，国际照明委员会（CIE）规定用波长为700nm、546.1nm和435.8nm的单色光分别作为红（Ted，R）、绿（gTeen，G）和蓝（blue，B）三原色。三原色按照比例混合可以得到各种颜色。原色相加可以产生二次色，例如红色+蓝色=深红色或者品红色（magenta，M），绿色+蓝色=青色（cyan，C），红色+绿色=黄色（yellow，Y）（图3-49a）。颜料的颜色是吸收一种原色，反射另外两种原色，所以是一种二次色（图3-49b）。

形成任何特殊彩色所需要的红、绿、蓝的量称为三色值，并分别表示为X、Y和Z。进一步，一种颜色可以用它的三个三色值系数来表示，它们分别是：