目录 第3章影色基本原理.………1 S3.1光与色觉.…1 3.11可见光与色彩 312视微 3 3.1.3颜色视觉 ..5 S3.2颜色的光学合成..7 3.2.1颜色合成的基本原理 3.2.2颜色匹配方程. 8 3.2.3颜色光学合成的方法. .9 S3.3颜色的表示与度量方法................11 3.3.1孟塞尔颜色系统 .11 33.2CIE标准色度学系统 .13
目 录 第 3 章 彩色基本原理.......................... 1 §3.1 光与色觉 ................................... 1 3.1.1 可见光与色彩................................................................................................ 1 3.1.2 视觉.............................................................................................................. 3 3.1.3 颜色视觉....................................................................................................... 5 §3.2 颜色的光学合成 .............................. 7 3.2.1 颜色合成的基本原理..................................................................................... 7 3.2.2 颜色匹配方程................................................................................................ 8 3.2.3 颜色光学合成的方法..................................................................................... 9 §3.3 颜色的表示与度量方法 ........................ 11 3.3.1 孟塞尔颜色系统...........................................................................................11 3.3.2 CIE 标准色度学系统................................................................................... 13
第3章彩色基本原理 现代遥感技术尽管可以在不同的空间高度，用各种探测方法获得目标物的信息资料， 但最终都是以影像的形式提供给用户。那么影像上的色调是怎样产生的，人眼又是如何感 觉到这些色彩的，以及进行各种光学、数据图像处理的原理是什么？为解释这些问题，我们 介绍一些彩色的基本知识。 §3.1光与色觉 3.1.1可见光与色彩 1可见光 电磁辐射中能引起视觉反映的一定波长范围的波段称为可见光谱或可见辐射，简称光， 其波长范围一般为0.38μm~0.76μm。来自外界的可见辐射刺激人的视觉器官，在大脑 中产生光、颜色、形状等视觉现象，而获得对外界的认识。 色彩是可见光作用到人眼里，并刺激了色觉神经而产生的一种主观感觉。可见光的波 长不同，产生的色觉不同，如0.7μm为红色、0.58μm为黄色、0.51um为绿色、0.47u 为蓝色。可见光是不同波长可见辐射的混合，其颜色决定于进入人眼的可见光谱不同波 长辐射的相对功率分布。 可见光在一定条件下可以进行分解，最常用的分解方式是棱镜色散，其原理是电磁波 由一种介质进入另一种介质时产生折射，不同波长折射系数不同。色散结果，光被分解成 各种色光。不能被棱镜再分解的、单一波长的光叫单色光，也叫光谱色。它仅表现为一种 颜色。自然界中的单色光很少，多数情况是各种色光的混合，人眼能感觉到的七种色光的 波长范围如表31所示。 表3-1各国可见光谱划分标准 中 颜色 紫蓝一青绿黄橙红 波长（μm) 0.38-0.455-0.492-0.577-0.597-0.622-0.78 英 颜色 紫蓝蓝绿绿黄黄红浅红红深红 美 波长(um)0.38-0.41-0.48-0.52-0.55-0.58-0.62-0.66-0.72-0.78 颜色 固波长（μm) 0.40-0.43-0.47-0.49-0.55-0.59-0.64-0.72 2物体的颜色 根据物体发射电磁辐射的辐射通量密度，我们可以把物体分成发光体和非发光体两大
1 第 3 章 彩色基本原理 现代遥感技术尽管可以在不同的空间高度，用各种探测方法获得目标物的信息资料， 但最终都是以影像的形式提供给用户。那么影像上的色调是怎样产生的，人眼又是如何感 觉到这些色彩的，以及进行各种光学、数据图像处理的原理是什么?为解释这些问题，我们 介绍一些彩色的基本知识。 §3.1 光与色觉 3.1.1 可见光与色彩 1 可见光 电磁辐射中能引起视觉反映的一定波长范围的波段称为可见光谱或可见辐射，简称光， 其波长范围一般为 0.38μｍ～0.76μｍ。来自外界的可见辐射刺激人的视觉器官，在大脑 中产生光、颜色、形状等视觉现象，而获得对外界的认识。 色彩是可见光作用到人眼里，并刺激了色觉神经而产生的一种主观感觉。可见光的波 长不同，产生的色觉不同，如 0.7μｍ为红色、0.58μｍ为黄色、0.51μｍ为绿色、0.47μ ｍ为蓝色。可见光是不同波长可见辐射的混合，其颜色决定于进入人眼的可见光谱不同波 长辐射的相对功率分布。 可见光在一定条件下可以进行分解，最常用的分解方式是棱镜色散，其原理是电磁波 由一种介质进入另一种介质时产生折射，不同波长折射系数不同。色散结果，光被分解成 各种色光。不能被棱镜再分解的、单一波长的光叫单色光，也叫光谱色。它仅表现为一种 颜色。自然界中的单色光很少，多数情况是各种色光的混合，人眼能感觉到的七种色光的 波长范围如表 3-1 所示。 表 3-1 各国可见光谱划分标准 中 国 颜 色 紫 蓝—青 绿 黄 橙 红 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 波长（μm） 0.38—0.455—0.492—0.577—0.597—0.622—0.78 英 美 颜 色 紫 蓝 蓝绿 绿 黄 黄红 浅红 红 深红 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 波长 0.38—0.41—0.48—0.52—0.55—0.58—0.62—0.66—0.72—0.78 (μｍ) 俄 国 颜 色 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 波长 0.40—0.43—0.47—0.49—0.55—0.59—0.64—0.72 (μm) 2 物体的颜色 根据物体发射电磁辐射的辐射通量密度，我们可以把物体分成发光体和非发光体两大
类。发光体的颜色由它所发出的可见辐射的波长而定，非发光体的颜色则取决于它们对可 见光所固有的吸收、反射和透射性能。光源发出的光照射到非发光体上时，由于物体的表 面特性和内部组成不同，其对各种波长单色光的吸收、反射以及透射的多少也不同，被物 体反射出来的色光混合起来就构成了该物体所呈现的颜色。一般根据物体的吸收和反射情 况，将所有物体分为两类，彩色物体和消色物体。 (1)消色物体 消色物体也称非彩色物体，它对入射的白光没有分解能力，呈无选择吸收和反射，当 吸收少，反射多时呈白色：吸收多反射少时呈黑色，中间状态时为各种灰色。它们可以从 白到黑组成一个系列，称为灰阶，一般分为10级，如表3-2所示。 表3-2灰阶系列 灰阶10 98 76 543 2 1 吸收率 0-10% 10-20%20-30%30-40% 40-50% 50-60% 60-70% 70-80% 090% -100% 反射率 p=1-a100-90% 90-80%80-70%70-60%60-50% 50-40% 40-30% 30-20% 20-10%10-0% 色调白灰白淡灰浅灰灰暗灰深灰淡黑浅黑黑 实际上，消色物体的反射光在成分上与入射光完全一样，只是强度有所改变，在视觉 上就是明度的变化。愈接近白色，明度愈高，愈接近黑色，明度愈低。 (2)彩绝物体 彩色物体对入射的白光有分解能力，呈选择性吸收和反射。这时的反射光与入射光相 比，不仅在强度上减弱，而且光谱成分也改变了，即反射光变成了与入射光各波段辐射强 度比例不同的色光，结果使物体呈现出色彩。例如，在阳光下，植物主要反射了可见光中 的绿色光，吸收了其余部分色光，本身呈现绿色：沙漠大量反映黄色光，呈现黄色：海水 反射蓝色光，呈现蓝色。 上述彩色感觉是由于物体选择性吸收和反射入射光而引起的，因此，光源的颜色色光 成分)势必对物体颜色有很大影响。例如，青草在白光下呈绿色，但在钠光灯下不呈现绿色， 因为钠光成分中没有绿色光可以被其反射。所以我们可以说，物体对入射光具有确定的吸 收与反射特性，但没有固定的颜色，物体的颜色是随入射光的成分不同而变化的，光源的 色光成分不同，同一物体可呈现出不同的颜色。因此，只有在测准遥感时光源的光谱成分 的条件下，同时测量出各种不同地物的反射光谱特性时，彩色信息才具有确定的意义。 3彩色的特性 要确切地描述一种彩色，需要从色别、饱和度和明度三个特性方面进行，所以它们又 称彩色的三要素
2 类。发光体的颜色由它所发出的可见辐射的波长而定，非发光体的颜色则取决于它们对可 见光所固有的吸收、反射和透射性能。光源发出的光照射到非发光体上时，由于物体的表 面特性和内部组成不同，其对各种波长单色光的吸收、反射以及透射的多少也不同，被物 体反射出来的色光混合起来就构成了该物体所呈现的颜色。一般根据物体的吸收和反射情 况，将所有物体分为两类，彩色物体和消色物体。 (1)消色物体 消色物体也称非彩色物体，它对入射的白光没有分解能力，呈无选择吸收和反射，当 吸收少，反射多时呈白色；吸收多反射少时呈黑色，中间状态时为各种灰色。它们可以从 白到黑组成一个系列，称为灰阶，一般分为 10 级，如表 3-2 所示。 表 3-2 灰阶系列 灰阶 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 吸收率 α 0-10% 10-20% 20-30% 30-40% 40-50% 50-60% 60-70% 70-80% 80-90% 90-100% 反射率 ρ=1-α 100-90% 90-80% 80-70% 70-60% 60-50% 50-40% 40-30% 30-20% 20-10% 10-0% 色调 白 灰白 淡灰 浅灰 灰 暗灰 深灰 淡黑 浅黑 黑 实际上，消色物体的反射光在成分上与入射光完全一样，只是强度有所改变，在视觉 上就是明度的变化。愈接近白色，明度愈高，愈接近黑色，明度愈低。 (2)彩色物体 彩色物体对入射的白光有分解能力，呈选择性吸收和反射。这时的反射光与入射光相 比，不仅在强度上减弱，而且光谱成分也改变了，即反射光变成了与入射光各波段辐射强 度比例不同的色光，结果使物体呈现出色彩。例如，在阳光下，植物主要反射了可见光中 的绿色光，吸收了其余部分色光，本身呈现绿色；沙漠大量反映黄色光，呈现黄色；海水 反射蓝色光，呈现蓝色。 上述彩色感觉是由于物体选择性吸收和反射入射光而引起的，因此，光源的颜色(色光 成分)势必对物体颜色有很大影响。例如，青草在白光下呈绿色，但在钠光灯下不呈现绿色， 因为钠光成分中没有绿色光可以被其反射。所以我们可以说，物体对入射光具有确定的吸 收与反射特性，但没有固定的颜色，物体的颜色是随入射光的成分不同而变化的，光源的 色光成分不同，同一物体可呈现出不同的颜色。因此，只有在测准遥感时光源的光谱成分 的条件下，同时测量出各种不同地物的反射光谱特性时，彩色信息才具有确定的意义。 3 彩色的特性 要确切地描述一种彩色，需要从色别、饱和度和明度三个特性方面进行，所以它们又 称彩色的三要素
(1)色别(Hue) 色别也叫色调，指彩色的类别，是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱中不同波长的 辐射，在视觉上表现为各种色调，一般将红、黄、绿、青、蓝、紫红六种颜色定为基本的 色别一一标准色。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉：物体的色调 则决定于光源的光谱组成及其强度，物体表面所反射或透射的各波长辐射的比例及其主波 长对人眼所产生的感觉。例如某物体对可见光的长波辐射有较强的反射，而吸收了大部分 580nm以下的短波辐射，该物体表现为红色。人眼能分辨出的色别约有100多种， (2)饱和度(Chroma) 饱和度是指彩色的纯洁性，它表示一种彩色的浓淡程度。一般来讲，色彩越鲜艳，饱 和度越大：反之，饱和度低。可见光谱中各种光谱色是最饱和的彩色。饱和度的变化是随 光谱色中混入白光的比例多少而定的，光谱色中掺入的白光越多，就愈不饱和。本质上 物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。物体对光谱某一较窄波段 的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，这 一颜色的饱和度就高。越饱和的颜色越与灰色不相同。 (2)明度Value) 明度是指颜色的明暗程度，它决定于发光体的辐射强度和物体表面对光反射率的高低。 反射率愈高，它的明度就愈高。对不同的色别，由于其反射率不同，人跟对其敏戒情况不 同，因此表现为不同的明度。如黄褐色物体表面在光谱的各波长上都比红色物体反射更多 的辐射，因而对人眼产生更高的亮度，所以比红色物体有更高的明度。 非彩色只有明度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。 3.1.2视觉 1视觉的生理基础 (1)眼睛的构造 人的眼睛是一个前后直径大径23mm的似近球状体，由眼球内容物和眼球壁构成， 如图31所示。 ①)表球壁眼球壁由三层组成：最外层 脉络膜 是角膜和巩膜，其主要作用是收集光线，保 睫状肌 护眼球。中层包括虹膜、睫状体和脉络膜， 作用是吸收杂散光线，调节瞳孔和品体。内 层包括视网膜和神经内段，视网膜是眼球的 感觉部分，为一透明薄膜，其中有视觉感光 细胞 一维体细胞与杆体细胞。在视网膜中 央有一锥体细胞特别密集的区域称黄斑，黄 前房 虹 巩膜 状液 图3-1人眼的构造
3 图 3-1 人眼的构造 睫状肌 脉络膜 角膜 视轴 巩膜 玻璃状液体 虹膜 前房 视网膜 水晶体 视网膜 中央窝 盲点 视神经 (1)色别(Hue) 色别也叫色调，指彩色的类别，是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱中不同波长的 辐射，在视觉上表现为各种色调，一般将红、黄、绿、青、蓝、紫红六种颜色定为基本的 色别 —— 标准色。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉；物体的色调 则决定于光源的光谱组成及其强度，物体表面所反射或透射的各波长辐射的比例及其主波 长对人眼所产生的感觉。例如某物体对可见光的长波辐射有较强的反射，而吸收了大部分 580ｎｍ以下的短波辐射，该物体表现为红色。人眼能分辨出的色别约有 100 多种。 (2)饱和度(Chroma) 饱和度是指彩色的纯洁性，它表示一种彩色的浓淡程度。一般来讲，色彩越鲜艳，饱 和度越大；反之，饱和度低。可见光谱中各种光谱色是最饱和的彩色。饱和度的变化是随 光谱色中混入白光的比例多少而定的，光谱色中掺入的白光越多，就愈不饱和。本质上， 物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。物体对光谱某一较窄波段 的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，这 一颜色的饱和度就高。越饱和的颜色越与灰色不相同。 (2)明度(Value) 明度是指颜色的明暗程度，它决定于发光体的辐射强度和物体表面对光反射率的高低。 反射率愈高，它的明度就愈高。对不同的色别，由于其反射率不同，人眼对其敏感情况不 同，因此表现为不同的明度。如黄褐色物体表面在光谱的各波长上都比红色物体反射更多 的辐射，因而对人眼产生更高的亮度，所以比红色物体有更高的明度。 非彩色只有明度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。 3.1.2 视觉 1 视觉的生理基础 (1)眼睛的构造 人的眼睛是一个前后直径大径２３ｍｍ的似近球状体，由眼球内容物和眼球壁构成， 如图 3-1 所示。 ①眼球壁 眼球壁由三层组成：最外层 是角膜和巩膜，其主要作用是收集光线，保 护眼球。中层包括虹膜、睫状体和脉络膜， 作用是吸收杂散光线，调节瞳孔和晶体。内 层包括视网膜和神经内段，视网膜是眼球的 感觉部分，为一透明薄膜，其中有视觉感光 细胞——锥体细胞与杆体细胞。在视网膜中 央有一锥体细胞特别密集的区域称黄斑，黄
斑中央有一小凹，叫中央窝。视网膜神经纤维从四周向黄斑一侧汇集成一园盘状，叫视神 经乳头（官点），视神经纤维由视神经乳头穿过脉络膜和巩膜壁而成为视神经 ②眼球内容物眼球内容物包括晶体、房水和玻璃体，它们都是曲光介质。晶体是 扁球形的弹性透明体，位于玻璃体与虹膜之间，睫状肌的收缩可改变晶体的屈光能力，使 外界的对象能在视网膜上形成清楚的影像。角膜和品体之间是前房，虹膜和品体之间是后 房，其内部都充填着房水。玻璃体在晶体后，视网膜前，占眼球内容物的4/5，是一种 胶状的透明体。 (2)视网膜像的形成 当眼睛注视外界物体时，由物体发出的光线通过角膜、房水、晶体及玻璃体，使物像 聚焦在视网膜上。视网膜的感光细胞接受光刺激，转化为神经冲动，经视神经到丘脑的外 侧膝状体，再传导到大脑枕叶皮层的高级视觉中枢，就产生了物体大小、形状和颜色的感 觉。视网膜成像的基本原理相似于诱镜成像，如图32所示。 人的视觉能看清不同距离的物体， 由于眼睛调节机制的作用。眼睛的调节机 制是依据所看到的物体的远近，增大和减 小晶体的曲率，以使不同距离的物体在视 网膜上形成清晰的影像。 图3-2物体AB在视网膜上的成像 2视觉现象 (1)明视觉与暗视觉 视网膜上的不同细胞执行着不同的视觉 功能，在光亮条件下，锥体细胞能够分辨颜 色和物体的细节，杆体细胞只在较暗条件下 起作用，适宜于微光视觉，不能分辨颜色和 细节。即视觉有两重功能，明视觉和暗视觉。 人对不同波长的可见光的感受性是不同 的，同样功率的辐射在不同的光谱段表现为 不同的明亮程度，通常用光诣效幸函数V(λ) 米表示，如图3-3。V(入)代表波长入的单色 辐射所引起的明亮感觉的程度。 V(λ)=Φx=/中， (3-1) 式中Φ、和中，分别为波长入m和λ的辐射 量。(21)式表达的意思是：波长λ的单色 绿 黄橙红 辐射的光谱光效率V(λ)是在特定的光度条 蓝长《 件下，当波长m和波长入的单色光的明亮 图3-3明视觉与暗视觉的光谱光效率 感觉相等时，二者辐射量之比。入m是产生 相同明亮感觉时所需辐射量最小的波长
4 斑中央有一小凹，叫中央窝。视网膜神经纤维从四周向黄斑一侧汇集成一园盘状，叫视神 经乳头(盲点)，视神经纤维由视神经乳头穿过脉络膜和巩膜壁而成为视神经。 ②眼球内容物 眼球内容物包括晶体、房水和玻璃体，它们都是曲光介质。晶体是一 扁球形的弹性透明体，位于玻璃体与虹膜之间，睫状肌的收缩可改变晶体的屈光能力，使 外界的对象能在视网膜上形成清楚的影像。角膜和晶体之间是前房，虹膜和晶体之间是后 房，其内部都充填着房水。玻璃体在晶体后，视网膜前，占眼球内容物的４／５，是一种 胶状的透明体。 (2)视网膜像的形成 当眼睛注视外界物体时，由物体发出的光线通过角膜、房水、晶体及玻璃体，使物像 聚焦在视网膜上。视网膜的感光细胞接受光刺激，转化为神经冲动，经视神经到丘脑的外 侧膝状体，再传导到大脑枕叶皮层的高级视觉中枢，就产生了物体大小、形状和颜色的感 觉。视网膜成像的基本原理相似于透镜成像，如图 3-2 所示。 人的视觉能看清不同距离的物体，是 由于眼睛调节机制的作用。眼睛的调节机 制是依据所看到的物体的远近，增大和减 小晶体的曲率，以使不同距离的物体在视 网膜上形成清晰的影像。 2 视觉现象 (1)明视觉与暗视觉 视网膜上的不同细胞执行着不同的视觉 功能，在光亮条件下，锥体细胞能够分辨颜 色和物体的细节，杆体细胞只在较暗条件下 起作用，适宜于微光视觉，不能分辨颜色和 细节。即视觉有两重功能，明视觉和暗视觉。 人对不同波长的可见光的感受性是不同 的，同样功率的辐射在不同的光谱段表现为 不同的明亮程度，通常用光谱效率函数 V(λ) 来表示，如图 3-3。V(λ)代表波长λ的单色 辐射所引起的明亮感觉的程度。 V(λ)＝Φλｍ／Φλ (3-1) 式中Φλｍ和Φλ分别为波长λm 和λ的辐射 量。（2-1）式表达的意思是：波长λ的单色 辐射的光谱光效率 V(λ)是在特定的光度条 件下，当波长λm 和波长λ的单色光的明亮 感觉相等时，二者辐射量之比。λm 是产生 相同明亮感觉时所需辐射量最小的波长。 图 3-2 物体ＡＢ在视网膜上的成像 图 3-3 明视觉与暗视觉的光谱光效率