GAMES101.闫令琪.11.颜色与感知(Lecture 20)

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颜色与感知、谱功率密度、响应函数、同色异谱、颜色生成、匹配函数、颜色空间（RGB、XYZ、HSV、CMYK）、
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颜色与感知

  • color and perception

光谱

  • spectrum

  • 可见光光谱：400 - 700nm（近似）

谱功率密度

  • SPD（Spectral Power Distribution）
  • 在不同的波长强度是多少
  • 单位
    • radiometric units / nanometer (e.g. watts / nm)
    • Can also be unit-less
  • 当绝对单位不重要的时候，使用相对强度（相对最大值归一化）

一些不同场景的 SPD

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SPD 的性质

  • 线性：线性叠加

颜色

  • Color is a phenomenon of human perception; it is not a universal property of light
  • 颜色是人眼感知的一个结果，不是光本身的属性

人眼结构

  • pupil：瞳孔
  • lens：晶状体
  • Retinal Photoreceptor Cells：感光细胞
    • Rods：视杆细胞
      • 感知光的强度（灰度图）
    • Cones：视锥细胞
      • 感知光的颜色
      • 分为 3 类（S、M、L）
        • 响应曲线如下
        • 不同人 3 种细胞的分布都不太一样，数量有严重的个体差异

人眼感受颜色

  • 光在不同波长上的强度 \(s(\lambda)\)

\[ S=\int r_S(\lambda)s(\lambda)d\lambda \]

\[ M=\int r_M(\lambda)s(\lambda)d\lambda \]

\[ L=\int r_L(\lambda)s(\lambda)d\lambda \]

  • 人们看到的是这三个数，大脑处理形成感知的颜色
    • 每个人眼中的世界是不一样的，细胞分布不同

同色异谱

  • Metamerism
  • 光不一样，但是形成的颜色相同

Metamers

  • Metamers are two different spectra (\(\infty\)-dim) that project to the same (S,M,L) (3-dim) response
    • 光谱不同，感知到的颜色相同
  • 很有用
    • 颜色匹配 color matching
    • 我们可以通过调制光谱，得到我们想要的颜色，而这个调制的光谱不需要和原来的一模一样
      • 简单，不需要调制整个波段的光谱
        • Don’t have to reproduce the full spectrum of a real world scene
      • 例子：我们可以见到那的通过 3 基色在显示屏上调至出我们想要的颜色

颜色匹配

颜色生成 / 匹配

  • 计算机成像系统：加色系统
    • additive color
    • RGB 都调最大为白色

  • 画画：减色系统

加色系统

  • 给定 3 基色：\(s_R(\lambda),s_G(\lambda),s_B(\lambda)\)
  • 通过调整系数获得想要的颜色：\(Rs_R(\lambda)+Gs_G(\lambda)+Bs_B(\lambda)\)
  • 使用 \(R,G,B\) 来描述颜色即可

加色系统的匹配

  • 一边是目标颜色，一边是调制的颜色，通过调整 \(R,G,B\) 的值，将调制颜色调制到目标颜色
  • 调不出来？
    • 在目标颜色上加上一个颜色，好像就是在调制颜色把右边减去了某种颜色
      • 线性
      • 也就是说我们调制颜色的时候，某些系数可以是是负的

CIE RGB 匹配实验

  • CIE：一个组织
  • 匹配函数结果
    • 如何混合单色光得到任意波长的光（感知颜色上的一致）

  • 给定一个实际的 SPD 分布 \(s(\lambda)\)，怎么计算 \(R,G,B\)，是的感知上的光是一致的 \[ R_{CIE\ RGB}=\int \bar{r}(\lambda)s(\lambda)d\lambda \]

\[ G_{CIE\ RGB}=\int\bar{g}(\lambda)s(\lambda)d\lambda \]

\[ B_{CIE\ RGB}=\int\bar{b}(\lambda)s(\lambda)d\lambda \]

颜色空间

sRGB

  • standardzed RGB
  • 广泛应用于我们现在的显示设备
  • 制造方式
    • 先制造一台标准的显示器，测定它的匹配函数
    • 大家按照这个标准去制造，得到的结果就和标准的一致了
  • 形成的色域（gamut）是有限的

CIE XYZ

  • 科学上应用更广泛
  • 人造的颜色匹配系统，不是实验测出来的
  • 匹配函数曲线如下

  • 在设计上，由于绿色的曲线在可见光比较对称，覆盖范围基本全覆盖了，可以用其来表示图像的亮度
    • Y is luminance (brightness regardless of color)
  • 这种设计的结果
    • 红色虽然有两个峰值，但是没有负数
    • 覆盖到所有的可见光颜色

XYZ 可视化

  • 怎么在二维平面上可视化 XYZ
  • Luminance：Y
    • 亮度
  • Chromaticity：x，y，z
    • 色度
  • 归一化 \(x+y+z=1\)

\[ \begin{aligned} x&=\dfrac{X}{X+Y+Z}\\ y&=\dfrac{Y}{X+Y+Z}\\ z&=\dfrac{Z}{X+Y+Z}\\ \end{aligned} \]

  • 然后显示 \((x,y)\) 坐标即可
  • 但是实际上还是有 3 个变量，2 维本质只能显示 2 个变量
    • 由于 Y 表示的是亮度，我们固定 Y，通过改变 X、Z 来绘制出上图

色域

  • Gamut

  • 所有一个颜色空间可以显示的颜色

  • 上面这个图就是一个色域

  • 色域中心：白色（最不纯的颜色）

  • 边缘：纯色

  • 不同颜色空间表示的色域不一样

HSV

  • Hue-Saturation-Value
  • 色调、饱和度、颜色
  • 色调：不同颜色
  • 饱和度：接近单色还是白色
  • 颜色：亮度（黑色到有色）

标准定义

  • Hue
    • the “kind” of color, regardless of attributes
    • colorimetric correlate: dominant wavelength
    • artist’s correlate: the chosen pigment color
  • Saturation
    • the “colorfulness”
    • colorimetric correlate: purity
    • artist’s correlate: fraction of paint from the colored tube
  • Lightness (or value)
    • the overall amount of light
    • colorimetric correlate: luminance
    • artist’s correlate: tints are lighter, shades are darker

CIELAB Space

  • \(L\ast a\ast b\ast\)

  • \(L\ast\) is lightness (brightness)
  • \(a\ast\) and \(b\ast\) are color-opponent pairs
    • \(a\ast\) is red-green
    • \(b\ast\) is blue-yellow
  • 互补色

互补色理论

  • 红绿互补，蓝黄互补
  • 证据
    • 生活中有很多颜色，黄绿色、蓝绿色，但是没有听说过红绿色
    • 视觉暂留，当你盯着一幅画面久了之后，撤去画面你会看到互补色
  • 视觉暂留一个很好玩的例子
    • 两幅相同的图片，第一幅图为上色颜色的互补色，第二幅图为灰度图
    • 看第一张图久了之后，然后换成第二张，人眼会自动上色

视错觉

  • 人的感知是相对亮度
    • A，B 是一样亮的

减色系统

  • 颜色混得越多越黑

CMYK

  • CMYK 是一个典型的减色系统
    • Cyan, Magenta, Yellow, and Key
    • 青色、品红色、黄色、黑色
  • 用于打印，墨水
  • CMY 可以混合出黑色，为什么一定要带上 K
    • 成本问题，黑色墨水便宜

其他问题

颜色空间对比

  • RGB 好用
  • XYZ 理论性质好，色域大
  • HSV 好调色