顏色的預測和再現

1、顏色的混合

將不一樣的顏色混合在一塊兒而造成另一種顏色的過程稱爲混色(color mixture)。彩色印刷、彩色攝影、彩色電視、彩色複製等領域的顏色再現都是基於三原色原理的混色過程。顏色混合的方法一般分爲加法混色和減法混色兩個大類,正如前面所介紹的,色度學的基礎就是加法混色原則。爲了提升顏色再現的性能,須要不斷改善混色的技術,所以在加法混色與減法混色之間還能夠有更多的細化和分類。

1.一、混色的種類

顏色能夠分爲如光源發出的光那樣的發光色(luminous color)和從物體表面反射或透過物體的光那樣的非發光色(non-luminous color)兩大類,所以,顏色的混合也有發光色的混色與非發光色的混色之分。當發光色混合時,隨着參與混合的成分色數量的增長,混合成的顏色的明亮度相加增大而變得更亮,因此稱爲加法混色(additive color mixing) ;而對於產生非發光色的色料或濾色片,隨着參混成分數量的增長,混合色的明亮度相減下降而變暗,於是稱之爲減法混色(subtractive color mixing)。

加法混色時,若是多個色光是同時混合在一塊兒的,則稱爲同時混色(也稱光譜功率混合法)。除了同時混色法之外,還能夠採用其餘的方法實現加法混色。例如,將紅色和綠色分別塗於一個圓盤的兩半圓表面,而後使該色盤高速旋轉,因爲人眼具備視覺暫留的特性,能夠觀察到紅色與綠色造成的加混色即黃色,這樣的混色稱爲繼時混色(也稱時間混合法)。另外,對於在空間上很是靠近排列的色點如紅色和綠色,當其離開人眼有必定的距離並對人眼的視覺張角小於1'時,人眼就沒法分辨這些色點,只能觀察到它們混合成的黃色,這種現象也是加法混色的一種,稱爲空間混色。彩色電視、彩色印刷等的顏色再現以及一些印象派畫家採用的點描畫方法等都是應用空間混色法的原理而達到混色效果的。通常來講,同時混色獲得的混合色的亮度是參混色的亮度之和,而繼時混色或空間混色獲得的混合色其亮度則爲參混色亮度的中間值,因此繼時混色和空間混色有時也稱爲平均混色(average color mixture)。

實際上,減法混色獲得的混合色的亮度並非真的按照減法規律產生的。例如,將平均光譜透射比爲50%的兩塊中性濾色片疊合在一塊兒,若按減法規則計算,即1.0-0.5-0.5=0,則其混合色彷佛應變成全黑色,然而事實並不是如此,其亮度是按照乘法規律減少的，即0.5*0.5=0.25,因此混合色的最後亮度變爲原來的25%。儘管如此,這種顏色混合的方法仍習慣性成爲減法混色。其實，一般減法混色中的亮度變化既不是簡單的減法也不是單純的乘法，而是由參混成分的光譜反射比或光譜透射比的複雜函數所決定的。

1.二、加法、減法混色及其計算方法（公式較多，直接貼原文了）

2、色適應

2.一、色適應過程

前面已經提到過人眼對照明光環境的亮度和顏色的變化都具備視覺適應現象,前者稱爲亮度適應(luminance adaptation),其中包括亮適應和暗適應,後者則稱爲色適應(chromatice adaptation)。這種視覺適應現象的產生是因爲人眼有較強的適應性,因此當照明體的光強和光譜分佈變化時,人眼的視覺機能並不受多大的影響,仍能正常獲取信息。例如,在日光下黑人皮膚的亮度高於在陰暗處白人皮膚的亮度,但因爲亮度適應的做用人們仍感到黑人的皮膚較黑。另外,由於色適應現象的存在,對於灰色、膚色等的顏色即便改變照明光仍感到其顏色沒有多大的變化,這是在平常生活中常常體驗到的事實。這種當照明條件發生變化時,雖然感知色貌會有些差異,可是視覺系統儘可能使感知色的差異趨於最小的現象稱爲顏色恆常性(color constancy)。色適應過程並非瞬間完成的，而是分三個階段進行的，即：照明體色偏移（S_D→S_A）、適應色偏移（S_A→S_D‘）和綜合色偏移（S_D→S_D‘）。

照明體色偏移和適應色偏移幾乎是反方向同等程度發生的，當它們徹底相等時就是所謂的顏色恆常性成立的狀況。然而，顏色恆常性並不徹底成立，故意表現爲綜合色偏移。

在拍攝彩色照片或彩色視頻時，因爲接受光亮度和顏色信息的不是人眼而是照相機或攝像機的感光材料或光電傳感器、其對照明光的變化不存在顏色恆常性機能,於是會出現問題例如,彩色攝影時把日光下獲得的彩色負片放在白熾燈照明下進行印相,就會因照明體的色,移獲得帶有黃色的彩色照片。爲此,在印相過程當中應進行至關於照明體色偏移的修正,或者在攝影時採用改變照明體光譜分佈的色溫變換濾光片進行預先修正。對於則應進行白場平衡(white balance)的調整,經過調節紅、綠、藍色光電接收器的光譜靈敏度達到對照明體色偏移預先補償的目的。

2.二、色適應公式

因爲顏色恆常性並不徹底成立,因此在日光照明下和在白熾燈照明下觀察同一物體時,即便是在充分色適應的狀態下也會感到其顏色是有一些差別的。其實,在白熾燈照明下看起來與在日光照明下「相同」的顏色只是日光下顏色的對應色,所以它與在日光照明下的實際顏色仍是有一些差別的。可見,定量地求出對應色在實際應用中很重要,而對應色的計算就是色適應預測的過程。迄今爲止,已有許多的色適應預測公式被提出,其中沃恩克里斯色適應預測公式是各類色適應預測公式的基礎。

 沃恩克里斯色適應預測公式：，其中，其通常形式爲：，其中矩陣元素a_ij爲由測試照明體和參照照明體的三刺激值所肯定的常數。

沃恩克里斯的色適應預測公式基本上說明了色適應的現象,可是對於如下幾種色適應現象卻沒法解釋。

(1)黑爾森-賈德( Helson-Judd)效應:用彩色光照明灰色標尺時,在明亮的灰色處可感覺到照明光的色調、在暗的灰色處會感覺到照明光的補色色調;

(2)史蒂文斯(Stevens)效應:改變照度照明多種非彩色物體時,在高照度下會感到明亮的灰色更白、暗灰色更黑；

(3)亨特(Hunt)效應:改變照度照明彩色物體時,隨着照度的增長會感到彩度(多彩性)增長。

爲了說明上述效應,納谷(Nayatani)等人提出了一種將沃恩克里斯色適應預測公式所創建的線性過程與按幕指數適應而創建的非線性過程進行組合的色適應預測公式,該公式能更精確地解釋上述色適應現象,於是被國際照明委員會正式推薦爲CIE色適應預測公式。

3、顏色視覺模型

根據人眼的生理結構和視覺功能而創建的用於說明各類顏色視覺現象的數學模型稱爲顏色視覺模型(color vision model),不一樣的學者經過各自的研究提出了許多種顏色視覺模型。而這些模型幾乎都是基於近代色覺理論的階段學說(stage theory)而構成的,其中包括錐體細胞產生三色響應的第一階段和在視神經層進行顏色信號變換的第二階段,其中比較典型的古斯(Guth)顏色視覺模型。古斯的顏色視覺模型其原型所採用的色匹配函數與CIE的色匹配函數稍有不一樣,可是色匹配函數的細微差異對模型的計算影響不大,古斯顏色視覺模型分爲如圖5-12所示的三個階段,其中第一階段的錐體細胞響應,第二階段的顏色信號交換，第三段則是大腦內的感知。

4、顏色再現的目標

顏色再現(color reproduction)是指在彩色印刷、彩色攝影、彩色電視等應用中,根據顏色匹配的原理製做出被攝物體或彩色原稿等原物的復現圖像的過程。顏色匹配的方法有光譜匹配和三刺激值匹配兩類,故顏色再現也分爲對應的兩種。當採用光譜顏色匹配方法時,因爲原物與再現顏色的光譜特性一致,因此在任何條件下都能保證二者的顏色相同或匹配;而三刺疊值匹配方法只是在必定條件下使顏色的外貌一致,若是條件變化則沒法保證二者的顏色匹配,因此這種顏色再現的正確性是條件受限的。

因爲光譜顏色匹配方法在除了某些特殊場合外的通常狀況下難以實現,所以彩色印刷、彩色攝影、彩色電視等的顏色匹配一般都採用三刺激值匹配方法。三刺激值匹配也稱條件等色,其方法就是使原色與再現色的三刺激值相等,而由前面的介紹可知三刺激值的計算中將徹底漫反射體的Y設定爲100進行歸一化處理的,即其中沒有充分地包含顏色亮度的絕對值,所以做爲顏色再現的目標必須考慮將絕對亮度包含在內。亨特(Hunt)在分析和總結了各類各樣的條件以後,根據顏色再現的目標將其分紅了如表5-1所示的6個類別,表中R(λ)表示光譜反射比或光譜透射比,P(λ)爲照明體的光譜分佈,L是亮度,下標「1"和「2"分別表示原色和再現色,記號「~」表示顏色外貌一致, (X,Y,Z,L)則表示喜愛色的三刺激值和亮度。

5、基於加（減）色法的顏色再現和顏色再現性的評價

顏色再現的目標是各類各樣的,因此對應的顏色再現方法也各不相同。結合色度顏色再現與亮度的變化等能夠對相應的顏色再現進行預測,因此首先應該瞭解色度顏色再現。另外,色度顏色再現的理論分析比較方便,於是下面將以色度再現爲基礎來討論顏色再現的理論。顏色再現是以混色的方式進行的,而顏色的混合又有加法混色和減法混色之分,因此顏色再現的理論也相應地分爲兩類分別處理。加色法使用R、G、B三個信號通道對原色產生相應，而減色法則採用青色C、品紅M、黃色Y（這裏不做詳細顏色再現方法的介紹）。其中，彩色印刷、彩色攝影、彩色電視等的顏色再現系統如圖5-16所示,其中包括圖像輸入系統(如彩色掃描儀、彩色膠捲、電視攝像機等)、顏色信號處理系統、圖像輸出系統(如彩色印刷、彩色相紙、彩色電視等)幾個部分。

此外，經過顏色再現的方法獲得的再現色的質量稱爲顏色再現性(color reproduction quality),而顏色再現性的評價最終固然應該以人的心理評價爲準。可是,心理評價容易受到觀察者我的差異或實驗條件的影響,因此一般仍是利用測色儀器來進行定量分析和比較。影響顏色再現性的因素主要有再現系統的光譜靈敏度、色調的再現性以及所採用的三原色等,所以爲了改善顏色的再現性能夠對這三個因素分別進行獨立的評價。然而,這些影響因素其實是相互關聯共同做用的,因此獨立的評價未必恰當。爲此,在通常狀況下,對顏色再現性的評價並不採用各因素分別評價的方法,而是直接對最後獲得的再現色進行綜合評價。

通常的作法爲：採用標準色卡做爲輸入圖像,再將輸出的再現色與原物色卡的顏色進行比較。具體而言,利用測色儀器分別測定原色和再現圖像的光譜反射比或光譜透射比,並計算出相應的三刺激值X,Y,Z,而後採用合適的均勻顏色空間以原色與再現色之間的色差來評價二者顏色的一致性。關於均勻顏色空間,目前主要有CIELAB和CIELUV等標準顏色空間,而對於物體色的評價通常多選用CIELAB顏色空間的色度值L*,a*,b*。另外,若是是對顏色的簡單比較,能夠經過對R,G,B密度以及視覺密度等的直接考察來進行。在顏色再現性評價中採用的色卡,應該選擇相互之間比較容易實現的標準色卡。目前有多種標準色卡存在,如孟塞爾色卡等是常常被應用的,可是近來麥克白色卡(Macbeth color checker Classic)有被普遍採用的趨勢。該麥克白色卡包括6級灰色共24種顏色,色卡的表面消光澤(無光澤),每一個色塊的尺寸約爲40mm×40mm。