第9章顏色科學(xué)及其應(yīng)用2什么是顏色什么是顏色？美國光學(xué)學(xué)會（OpticalSocietyofAmerica）的色度學(xué)委員會曾經(jīng)把顏色定義為：顏色是除了空間的和時間的不均勻性以外的光的一種特性，即光的輻射能刺激視網(wǎng)膜而引起觀察者通過視覺而獲得的景象。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB5698-85，顏色的定義為：色是光作用于人眼引起除形象以外的視覺特性。3色與光的關(guān)系沒有光就沒有色，光是人們感知色彩的必要條件，色來源于光。光是色的源泉，色是光的表現(xiàn)。

“物體的顏色是偉大的光賦予的”4光的物理性質(zhì)由它的波長和能量來決定波長決定了光的顏色能量決定了光的強度（色彩的明暗)什么是顏色5英國人Newton，三棱鏡實驗英國科學(xué)家牛頓在1666年發(fā)現(xiàn)，把太陽光經(jīng)過三棱鏡折射，然后投射到白色屏幕上，會顯出一條象彩虹一樣美麗的彩色光帶（稱為光譜spectrum）

證明了白光是所有不同波長可見光的組合色散現(xiàn)象不同波長折射系數(shù)不同折射后投影在屏上的位置也不同什么是顏色6什么是顏色光譜中不能再分解的色光叫做單色光由單色光混合而成的光叫做復(fù)色光

光色波長λ（nm)代表波長紅（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黃（Yellow）600～570580綠（Green）570～500550青（Cyan）500～470500藍（Blue）470～420470紫（Violet）420～380420

7什么是顏色可見光譜人眼能看到的光波波長約380－780納米的光波色被損壞的光8人的色彩感覺信息傳輸途徑人們色彩感覺形成的四大要素光源彩色物體眼睛大腦光源的輻射能和物體的反射是屬于物理學(xué)范疇大腦和眼睛是生理學(xué)研究的內(nèi)容9顏色視覺的生理基礎(chǔ)人眼形狀直徑為20mm的球體晶狀體鏡頭(lens)視網(wǎng)膜(retina)成象面屈光系統(tǒng)（聚焦控制）角膜、房水、晶狀體、玻璃體感光細胞錐狀細胞(ConeCells)感受彩色，僅有三種顏色感受值送到大腦桿狀細胞(RodCells)感受單色，夜視晶狀體視網(wǎng)膜10ColorVisionTheoryYoung-Helmholtz的三原色學(xué)說

Hering的對立顏色學(xué)說（四色學(xué)說）階段學(xué)說顏色視覺機理形成的機理11Young-Helmholtz的三原色學(xué)說

建立在顏色混合的物理學(xué)規(guī)律之上，來自生物學(xué)的證據(jù)“在人眼視網(wǎng)膜上存在感受紅、綠、藍色的感色的錐體細胞，分別對紅、綠、藍三種光最敏感，一切顏色特性都由這些錐狀體的響應(yīng)量的比例來表示”它們?nèi)吖餐饔?，使人產(chǎn)生了不同的顏色感覺。顏色視覺機理形成的機理GRB三種錐狀體的光譜靈敏度曲線光譜靈敏度波長12Young-Helmholtz的三原色學(xué)說

已為現(xiàn)代解剖學(xué)的發(fā)現(xiàn)所證實能夠充分解釋顏色混合現(xiàn)象彩色電影、彩色電視的理論基礎(chǔ)不足不能滿意的解釋色盲現(xiàn)象按照其理論，紅色盲、綠色盲和藍色盲應(yīng)單獨存在紅-綠色盲者應(yīng)該不會有黃色感覺和中性灰色的感覺不能解釋顏色為什么會存在補色不能解釋為什么觀察不到偏綠的紅色，而能觀察到偏黃的紅色顏色視覺機理形成的機理13Hering的對立顏色學(xué)說（四色學(xué)說）由視覺現(xiàn)象總結(jié)出的規(guī)律“在人眼視網(wǎng)膜上存在三種對立視素：紅-綠、黃-藍、白-黑，所有的顏色特性都由這三組對立顏色的響應(yīng)量的比例來表示，這三種視素的代謝作用包括建設(shè)（同化）和破壞（異化）兩種對立的過程”CIELab和CIELuv色彩空間坐標(biāo)顏色視覺機理形成的機理14Hering的對立顏色學(xué)說（四色學(xué)說）能很好的解釋各種顏色感覺解釋色盲為什么通常成對出現(xiàn)

缺少紅-綠視素——紅綠色盲缺少黃-藍視素——黃藍色盲缺少兩對視素——全色盲顏色為什么會存在補色為什么觀察不到偏綠的紅色，而能觀察到偏黃的紅色CIE的Lab系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)不足對紅綠藍三原色產(chǎn)生所有可見光譜色彩的現(xiàn)象不能解釋顏色視覺機理形成的機理15顏色視覺機理形成的機理階段學(xué)說三色學(xué)說與四色學(xué)說的統(tǒng)一G.E.Muller和Judd提出紅-綠神經(jīng)反應(yīng)黑-白神經(jīng)反應(yīng)黃-藍神經(jīng)反應(yīng)信息加工信息接收視網(wǎng)膜上的錐體細胞是一個三色系統(tǒng)在視覺信息向大腦皮層視覺中樞的傳導(dǎo)通路中變成了四色系統(tǒng)顏色感覺錐體細胞視神經(jīng)細胞16人眼視覺現(xiàn)象暗適應(yīng)明適應(yīng)顏色適應(yīng)閃光盲色弱和色盲顏色辨別顏色對比顏色恒定顏色錯覺17人眼視覺現(xiàn)象暗適應(yīng)從光亮處到暗處，眼睛的感受能力逐步增強的現(xiàn)象可見光中的紅色光只對視錐細胞起作用，對視桿細胞不起作用，所以暗室工作的人去光亮環(huán)境帶紅色眼鏡，就不需要重新暗適應(yīng)重要的信號燈、車輛的尾燈、駕駛艙的儀表盤采用紅燈18人眼視覺現(xiàn)象明適應(yīng)由于強光的作用，引起視網(wǎng)膜對光的刺激的敏感度下降的現(xiàn)象19人眼視覺現(xiàn)象顏色適應(yīng)先看到的色彩對后看到的色彩的影響所造成的顏色視覺變化將白紙從日光下拿到白枳燈下，紙張先黃后白20人眼視覺現(xiàn)象閃光盲人眼突然受到高強度光的刺激時，引起的暫時性視覺不敏感現(xiàn)象。因事故埋在地下幾天的人獲救后，要蒙上眼睛21人眼視覺現(xiàn)象色弱色覺輕度異常對光譜上紅色和綠色區(qū)域顏色的分辨力較差只有當(dāng)波長有較大變化且光波強度較強時才能分辨色盲色覺嚴重異常紅綠色盲黃藍色盲全色盲（只有明暗的感覺，僅桿狀細胞起作用）22人眼視覺現(xiàn)象顏色辨別人眼能分辨100多種顏色對490nm的青綠色和590nm的橙黃色的光波變化最敏感在可見光譜的兩端最不敏感23人眼視覺現(xiàn)象顏色對比相鄰區(qū)域的不同顏色相互影響在一定背景中觀察，或是幾種色彩并列，或是先看某種色彩再看另一種色彩，與單獨見到的色彩是不一樣是由是視覺殘留效應(yīng)引起的24人眼視覺現(xiàn)象色彩對比同時對比繼時對比邊界對比色相對比明度對比純度對比25人眼視覺現(xiàn)象同時對比（Simultaneouscontrast）Twoobjectswithdifferentsurroundingscouldhaveidenticalluminancebutdifferentbrightness26人眼視覺現(xiàn)象亮度（luminance/lightness）指光的強度、能量，可以用光度計測量與人的視覺無關(guān)的客觀數(shù)值明度（brightness

）從感覺上來說明顏色的性質(zhì)顏色的亮度在人們視覺上的反映27人眼視覺現(xiàn)象繼時對比當(dāng)看了一種色彩再看一種色彩時，會把前一種色彩的補色加到后一種色彩上——負后像看了綠色再看黃色時，黃色就有鮮紅的感覺時間運動過程中發(fā)生的顏色對比現(xiàn)象這種顏色不穩(wěn)定現(xiàn)象只是視覺器官的感受，不是顏色真的發(fā)生的變化28人眼視覺現(xiàn)象繼時對比當(dāng)看了一種色彩再看一種色彩時，會把前一種色彩的補色加到后一種色彩上——負后像看了綠色再看黃色時，黃色就有鮮紅的感覺時間運動過程中發(fā)生的顏色對比現(xiàn)象這種顏色不穩(wěn)定現(xiàn)象只是視覺器官的感受，不是顏色真的發(fā)生的變化29人眼視覺現(xiàn)象邊界對比兩種顏色對比時，在兩種顏色的邊界對比效果最強烈。MachBandEffect明度高的越高，明度低的越低；越接近邊界線，影響越強烈人眼視覺現(xiàn)象邊界對比尤其是兩種顏色互為補色時，對比更強烈兩色的邊緣感覺帶有一種耀眼的邊線，實際上是沒有邊線的在設(shè)計中要緩和這種對比通常采用漸變、加白邊、或加陰影等辦法31人眼視覺現(xiàn)象色相對比同類色對比缺乏生動感、鮮明感和吸引力鄰近色對比和諧統(tǒng)一、優(yōu)雅輕柔、清新自然對比色對比不易調(diào)和互補色對比具有沖擊力、原始粗曠、強烈鮮明、充滿個性、具有刺激性180°互補色90~120°對比色45°鄰近色15°同類色32人眼視覺現(xiàn)象明度對比因明度差異形成的對比。同一明度的色彩，在白底上顯得暗，而在黑色背景上卻顯得更亮33人眼視覺現(xiàn)象純度對比因純度差異形成的對比。同一純度的顏色，在幾乎等明度、等色相而純度不同的兩種顏色背景上時，在純度低的背景色上的會顯得鮮艷一些，而在純度高的背景色上會顯得灰濁。34人眼視覺現(xiàn)象顏色恒定對一些常見物體的顏色的認識是恒定的記憶色紅花、綠樹、藍天35人眼視覺現(xiàn)象顏色錯覺（Colorillusions）色彩能夠造成心理上各種不同的錯覺感大小、遠近、重量……同化現(xiàn)象色彩的視認性色彩的醒目性色彩的進退色彩的冷暖色彩的脹縮色彩的面積色彩的重量色彩的軟硬色彩的情緒36人眼視覺現(xiàn)象同化現(xiàn)象

在灰色背景上畫黑線紋樣，灰色背景感覺偏黑。同樣的灰色，畫上白色紋樣，感覺就偏白在紋樣細小，面積細小的時候就會出現(xiàn)，而且效果剛好和明度對比相反當(dāng)配色的色相、明度接近時，同化現(xiàn)象的效果越明顯37人眼視覺現(xiàn)象色彩的視認性

指在一定的背景中的色彩在多長距離范圍內(nèi)能夠看清楚的程度，和在多長時間內(nèi)能夠被辨別的程度。對色彩視認性影響最大的是色彩和背景之間的明度差主頁的設(shè)計38人眼視覺現(xiàn)象色彩的醒目性

特別突出某些部分的色彩，例如路邊的一些交通警示牌，包裝上的標(biāo)志等明亮的、純度高的、暖色調(diào)的色彩醒目性高與背景色明度差大、接近補色關(guān)系的配色醒目性大醒目性從高到低的順序：白背景：紫、藍、綠、紅、橙、黃灰背景：黃、橙、紅、藍、綠、紫黑背景：黃、橙、紅、綠、藍、紫39人眼視覺現(xiàn)象色彩的進退（距離感）

遠距離凝視，你會發(fā)覺色塊有前有后。特別是黃色，在白色背景上，好像是在最后面，而在灰色和黑色背景上，就變成了最前面了當(dāng)前景色與背景色明度或者色相對比較大時，有進的感覺；反之，有退的感覺40人眼視覺現(xiàn)象色彩的冷暖

在色相環(huán)中，以紫色和綠色兩個中性色為界，可以分成暖色系和冷色系冷色給人陰涼、寧靜、深遠的感覺暖色給人溫暖、熱烈、活躍的感覺中性暖色和中性冷色配色，可起到協(xié)調(diào)作用41人眼視覺現(xiàn)象色彩的脹縮

看起來比實際大的顏色稱為膨脹色看起來比實際小的顏色稱為收縮色一般來說，暖色比冷色顯得大，明亮的顏色比深暗的顯得大，周圍明亮?xí)r候，中間的顏色顯得小。從膨脹色到收縮色的順序如下：

白、黃、紅、綠、紫、藍、黑42人眼視覺現(xiàn)象色彩的面積

黑色物體感覺面積小，白色物體感覺面積大同一種色彩，面積越大，明度、純度越強，面積越小，明度、純度越低。面積大的時候，亮色顯得更輕，暗色顯得更重。43人眼視覺現(xiàn)象色彩的重量明度高、較淡的顏色顯得輕明度低、較深的顏色顯得重觀察者喜歡的顏色感覺輕，不喜歡的顏色感覺重44人眼視覺現(xiàn)象色彩的軟硬明色軟、暗色硬中純度色感軟，高純度和低純度色感硬中性灰色感軟，黑與白色感硬45人眼視覺現(xiàn)象色彩的情緒藍色使人情緒穩(wěn)定、放松綠色能緩解疲勞紫色可以鎮(zhèn)定褐色升高血紅色使人興奮，還有增加食欲的作用明度高而鮮艷的暖色容易使人疲勞，明度低而柔和的冷色，給人以穩(wěn)重和寧靜的感覺暖色調(diào)的色彩使人興奮，冷色調(diào)的色彩使人平靜明亮的暖色給人以輕快活潑的感覺，深暗渾濁的冷色給人以憂郁沉悶的感覺46人眼視覺現(xiàn)象不是絕對的感覺不同的人，生理和心理狀況不同，對以上色彩的感覺也稍微有一定差異第8章顏色科學(xué)及其應(yīng)用（二）哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院蘇小紅48顏色混合規(guī)律色光混合按色光來源不同可分為兩類：光源發(fā)出的光直接混合物體反射的光間接混合色料混合根據(jù)色料呈現(xiàn)的狀態(tài)的不同透明色彩層的疊合色料的混合49顏色混合規(guī)律色光直接混合不依賴于視覺器官混合，在達到視覺感受器官之前完成色光混合例如，舞臺上的燈光色光間接混合靜態(tài)混合在印刷上體現(xiàn)得最為充分動態(tài)混合（時間混合）不同顏色以很快速度交替呈現(xiàn)50顏色混合規(guī)律色料顏料和染料透明色彩層的疊合濾色片透過本色光，吸收其他色光透明的印刷油墨對光選擇性吸收色料的混合將兩種或幾種色料混合在一起得到一種新顏色一次色、二次色、三次色專色油墨51顏色混合規(guī)律濾色片疊合呈色原理白光紅光綠光黃光白光紅光綠光紅光白光紅光綠光紅光52彩色油墨疊印呈色原理紅綠藍白白紙紅綠藍黃=白-藍紅綠藍黑=白-藍-綠-紅紅綠藍紅=白-藍-綠顏色混合規(guī)律53彩色油墨疊印呈色原理顏色混合規(guī)律白紙白紅白紙白藍白紙白綠白紙白白54RGB模型Red（紅）Green（綠）Blue(蘭)加色模型應(yīng)用彩色CRT數(shù)碼相機投影機掃描儀測色計面向硬件的顏色模型55面向硬件的顏色模型CMY模型Cyan（青）Magenta（品紅）Yellow（黃）每一種顏色都用百分比來表示，而不是256級灰度形式減色模型應(yīng)用繪畫攝影印刷印染56面向硬件的顏色模型為什么引入黑色為了得到更純正的黑色節(jié)省墨水57RGB彩色空間和CMY彩色空間轉(zhuǎn)換關(guān)系58面向硬件的顏色模型RGB系統(tǒng)的優(yōu)越之處與人眼對色彩的反應(yīng)情況非常相似大部分可視色彩都可用RGB重現(xiàn)出來，而其它的色彩既不能重現(xiàn)也不能打印59面向硬件的顏色模型RGB系統(tǒng)的不足之處未被標(biāo)準(zhǔn)化，除一些特殊值外，還沒有任何協(xié)議規(guī)定某個RGB值對應(yīng)哪種顏色RGB值0，255，255的色彩為青色，對R值進行增加，它會變得越來越紅或黑，越來越不飽和，最終變成純白色這是B=255的RGB級，從左到右，綠色增加，從上到下紅色增加這是B=125左右的RGB級，從左到右，綠色增加，從上到下，紅色增加60面向硬件的顏色模型為什么打印出來的圖像色彩不及原來計算機屏幕上顯示的圖像鮮亮？色光加色混合使得光的能量增加色料對光的選擇性吸收，使得反射或透射的光能量下降61從人的視覺系統(tǒng)看色彩的三要素色相：色調(diào)與光波的波長有直接關(guān)系飽和度：與光波的幅度有關(guān)亮度：與光波的幅度有關(guān)色彩的三要素62面向色彩設(shè)計的顏色模型HSI模型H(Hue)：色調(diào)S(Saturation)：飽和度I(Intensity)：亮度近似的圓柱坐標(biāo)系應(yīng)用用戶調(diào)色板色彩設(shè)計63面向色彩設(shè)計的顏色模型RGB→HSI為使H在[0,1]之間可以進行H=H/360的變換64面向色彩設(shè)計的顏色模型為避免三角函數(shù)運算65面向色彩設(shè)計的顏色模型優(yōu)點H分量對色彩的描述能力相對來說最余人的視覺感知接近，區(qū)分能力也比較強將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換到HSI空間，利用H分量在!-D空間檢索，運算量小，計算速度快缺點存在奇異點（I軸上，S值為0，而H沒有定義）奇異點附近，RGB值得微小變化會引起HIS值得明顯變化66面向色彩設(shè)計的顏色模型HSV(B)模型H(Hue)：色調(diào)S(Saturation)：飽和度V(Value或Brightness)：明度對應(yīng)于圓柱坐標(biāo)系的一個圓錐形子集，一般用六棱錐表示應(yīng)用用戶調(diào)色板色彩設(shè)計藝術(shù)家常用

67面向色彩設(shè)計的顏色模型色調(diào)是相對連續(xù)變化的用一個園環(huán)來表現(xiàn)色譜的變化，就構(gòu)成了一個色調(diào)連續(xù)變化的色環(huán)68面向色彩設(shè)計的顏色模型飽和度增加白光成分，相當(dāng)于增加光能，因而變得更亮，但飽和度降低增加黑色光成分，相當(dāng)于降低光能，因而變得更暗，飽和度也降低69明度指各種純正的色彩相互比較所產(chǎn)生的明暗差別在純正光譜中黃色的明度最高，最亮其次是橙、綠再次是紅、藍紫色明度最低，最暗

同一物體因受光不同會產(chǎn)生明度上的變化不同顏色的光，強度相同時照射同一物體也會產(chǎn)生不同的亮度感覺面向色彩設(shè)計的顏色模型70面向色彩設(shè)計的顏色模型優(yōu)點理解起來非常容易，色彩分類簡單自然通過改變HSV值獲得的效果非常清晰而且可預(yù)見

色調(diào)變化（0－360）亮度變化0…100固值S-7071面向色彩設(shè)計的顏色模型RGB→HSV歸一化72面向色彩設(shè)計的顏色模型將256色調(diào)色板中的顏色設(shè)置為：飽和度和亮度相同的不同色相，按照赤、橙、黃、綠、青、藍、紫的變化順序進行排列

for(i=1;i<256;i++)

{

hsv[i][0]=(int)(i*360.0/256.0);

hsv[i][1]=1;

hsv[i][2]=0.9;

hsv2rgb(hsv[i],rgb[i]);

r=64*rgb[i][0];g=64*rgb[i][1];b=64*rgb[i][2];}73

for(i=0;i<8;i++){for(j=0;j<32;j++){if(i==0&&j==0){ hsv[0][0]=0; hsv[0][1]=0; hsv[0][2]=0.9; hsv2rgb(hsv[0],rgb[0]); r=64*rgb[0][0]; g=64*rgb[0][1]; b=64*rgb[0][2]; continue; } hsv[i*32+j][0]=(int)(j*360.0/32.0); hsv[i*32+j][1]=0.3+0.1*i; hsv[i*32+j][2]=0.9; hsv2rgb(hsv[i*32+j],rgb[i*32+j]); r=64*rgb[i*32+j][0]; g=64*rgb[i*32+j][1]; b=64*rgb[i*32+j][2]; } }將256色調(diào)色板中的顏色設(shè)置為：

256個顏色按照亮度相同而飽和度由低向高變化被分成8組，每一組中的32個顏色的飽和度相同，而色相按照赤、橙、黃、綠、青、藍、紫的變化順序進行排列74獨立于設(shè)備的顏色系統(tǒng)CIE1931RGB色度系統(tǒng)RGB色度系統(tǒng)的色彩匹配函數(shù)在某些波長上出現(xiàn)負值，表示需加負的色光才能匹配出目標(biāo)色而實際中不存在負光強，難于理解，不易實現(xiàn)

75獨立于設(shè)備的顏色系統(tǒng)CIE1931XYZ色度系統(tǒng)

一種假想的“標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者”的原刺激某色光的光譜分布76獨立于設(shè)備的顏色系統(tǒng)CIE1931XYZ色度系統(tǒng)

usedinbothPostScriptandPDF為了在二維平面上表示色彩間的關(guān)系

y黃綠橙紅黃x光譜軌跡線紫色線紫藍青綠ABCD65EA在2856K時充氣鎢燈絲的暖色B中午陽光的光色C陰天天空的光色，在NTSC制電視監(jiān)控器中被用作校準(zhǔn)白色D65黑體輻射器在6504K時發(fā)出的光色，它是一種略帶綠色的白色，在PAL制電視監(jiān)控器中被用作校準(zhǔn)白色E等能白光點

CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體77獨立于設(shè)備的顏色系統(tǒng)獲得一種光譜色的補色（波長）只需從該點通過C點作一條直線求出其與對側(cè)光譜軌跡的交點兩種補色按一定比例相加得白色求一種顏色的主波長只要連接顏色所在位置與C點的直線直線與位于顏色同側(cè)的光譜軌跡線交點如果交點在紫色線上，則主波長應(yīng)是位于顏色反側(cè)的光譜軌跡線交點C1和C2互為補色C3的主波長為C4C5的主波長為反側(cè)的C778獨立于設(shè)備的顏色系統(tǒng)CIE1931XYZ色度系統(tǒng)

MacAdam橢圓對應(yīng)的坐標(biāo)變化量不均勻，給衡量顏色差別帶來不便79獨立于設(shè)備的顏色系統(tǒng)CIE1931Lab色度系統(tǒng)建立在人對色彩感知的基礎(chǔ)上對立色坐標(biāo)描述的心理顏色空間紅色和綠色，黃色和藍色用三組數(shù)值表示色彩：L：心理明度，從0到100a：心理色度，紅色和綠色兩種原色之間的變化區(qū)域，數(shù)值從-120到+120b：心理色度，黃色到藍色兩種原色之間的變化區(qū)域，數(shù)值從-120到+120

80獨立于設(shè)備的顏色系統(tǒng)在很多專業(yè)的設(shè)計軟件中，都提供有Lab色彩模型在目前通用的點位圖文件格式中，只有TIFF格式支持Lab24位真彩81獨立于設(shè)備的顏色系統(tǒng)優(yōu)點：相同值的L、a、b在任何都可以產(chǎn)生同樣的色彩相對均勻性缺點：不適用于圖片處理，很難理解當(dāng)L、a、b值改變時，其變化結(jié)果是很難甚至是無法預(yù)測的計算起來也是非常復(fù)雜82為什么彩色電視監(jiān)視器不使用紅、綠、藍三種信號？向后兼容黑白電視彩色電視信號必須與標(biāo)準(zhǔn)的黑白電視兼容要求在彩色電視上看起來完全不同的兩種顏色在黑白電視上應(yīng)呈現(xiàn)為不同的灰度節(jié)約帶寬廣播電視信號的帶寬是有限的例如，我國每一頻道的帶寬為8MHz，美國為6MHz。應(yīng)用于電視廣播系統(tǒng)的顏色空間83彩色電視國際制式TV制式NTSCPALSECAM幀頻（Hz）302525行/幀525625625亮度帶寬（MHz）4.26.06.0色度帶寬（MHz）1.3(I)，0.6(Q)1.3(U)，1.3(V)>1.0(U)，>1.0(V)電視的制式電視信號的標(biāo)準(zhǔn)NTSC制式——正交平衡調(diào)幅制

美國、加拿大等大部分西半球國家以及中國的臺灣、日本、韓國、菲律賓PAL制式——逐行倒相正交平衡調(diào)幅西德、英國等一些西歐國家，新加坡、中國大陸及香港，澳大利亞、新西蘭等SECAM

法國、東歐和中東應(yīng)用于電視廣播系統(tǒng)的顏色空間84AmericanYIQ模型Y：亮度I：色差Q：色差應(yīng)用NTSC制式電視廣播系統(tǒng)Y:I:Q=4:0.5:1.5Total=6MY:I:Q=4:1:1Total=6M應(yīng)用于電視廣播系統(tǒng)的顏色空間85YIQ與RGB的關(guān)系？電視臺RGB信號EncoderYIQ信號家庭RGB信號DecoderYIQ信號應(yīng)用于電視廣播系統(tǒng)的顏色空間86EuropeanYUV模型Y：亮度U：色差V：色差應(yīng)用PAL制式電視廣播系統(tǒng)應(yīng)用于電視廣播系統(tǒng)的顏色空間87YCrCb顏色空間由YUV色彩空間衍生而來Y仍為亮度而Cr和Cb則是將U和V做少量調(diào)整而得到的，Cr表示紅色分量，Cb表示藍色分量主要用于數(shù)字電視系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)上的JPEG圖片采用此色彩空間88RGB系統(tǒng)三基色的CIE色度坐標(biāo)系統(tǒng)基色xy1931CIE-RGB系統(tǒng)紅綠藍0.73470.27370.16650.26530.71740.0089PAL制RGB系統(tǒng)紅綠藍0.6400.2900.1500.3300.6000.060NTSC制RGB系統(tǒng)紅綠藍0.6700.2100.1400.3300.7100.080彩色CRT監(jiān)視器RGB系統(tǒng)紅綠藍0.6280.2680.1500.3460.5880.070顏色模型89數(shù)字圖像顏色類型

真彩色（True-color）圖像深度為24時，R、G、B各用8bit來表示偽彩色（Pseudo-color）圖像的每個像素值實際上是一個索引值，該索引值作為CLUT中某一項的入口地址根據(jù)該地址可查找出實際R、G、B的灰度值調(diào)配色（Direct-color）將每個像素點的R、G、B分量分別單獨作為索引值，經(jīng)相應(yīng)的CLUT找出各自的基色灰度用查表找到的R、G、B灰度值調(diào)配出該像素的顏色值第10章計算機動畫91內(nèi)容提要

動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用傳統(tǒng)動畫計算機動畫計算機動畫中常用技術(shù)簡介常用的動畫軟件及動畫文件格式92動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用 是計算機圖形學(xué)和藝術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物綜合利用計算機科學(xué)、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和其它相關(guān)學(xué)科的知識93動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用1831年，法國人J.A.Plateau發(fā)明傳統(tǒng)的圖片動畫Phenakistoscope機器1909年，美國人W.McCay制作世界第一部卡通動畫片，《恐龍專家格爾梯》雖然片子時間很短，但McCay卻用了大約一萬幅畫面。94動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用1913至1917年間，美國卡通系列動畫片以由P.Sullivan制作的《小貓菲利斯》最為著名。在1928至1938年間，美國人WaltDisney制作《米老鼠和唐老鴨》等系列動畫片，1928年制作的第一個《米老鼠》短片是第一部具有同步音響效果的影片95動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用計算機動畫是二十世紀60年代中期發(fā)展起來的1974年，在法國嘎納電影節(jié)上，PeterFoldes以他的計算機動畫片《饑餓》獲得評委會獎。96動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用二十世紀90年代，計算機動畫在好萊塢掀起了一場電影技術(shù)的風(fēng)暴

詹姆斯.卡麥隆在影片《深淵》試驗了計算機動畫的可行性之后詹姆斯.卡麥隆導(dǎo)演《終結(jié)者Ⅱ》創(chuàng)下了全球5.14億美元的非凡票房收入追趕主角的窮兇惡極的液態(tài)金屬機器人可以從一種形狀神奇地變化成另外一種形狀97動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用1991年，曾代表了全球手繪動畫的最高水準(zhǔn)的WaltDisney公司向人們證明了不僅僅局限在科幻、爆炸等題材的電影中《美女與野獸》是第一部被提名為奧斯卡最佳影片獎的動畫片舞廳場景，動畫人員借助傳統(tǒng)的賽璐珞動畫技術(shù)將正在跳舞的角色“插入”到三維場景中98動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用 獅子王角馬們奔竄驚逃的壯觀場面800只以上的角馬以各自的姿態(tài)向前方狂奔這組長度為2分半的鏡頭耗費了由動畫師和程序員組成的5人制作小組兩年半的時間在SGI工作站上，利用softimage軟件構(gòu)造角馬的三維模型99動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用1993年，導(dǎo)演斯皮爾伯格開始制作影片《侏羅紀公園》

當(dāng)他看過由ILM（IndustrialLight&Magic）實驗室的斯坦·溫斯頓帶領(lǐng)的一組計算機動畫人員制作的恐龍片斷后榮膺該年度的奧斯卡最佳視覺效果獎100動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用101動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用1996年，世界上第一部完全用計算機動畫制作的電影《玩具總動員》上映3000萬美元的投資獲得了破記錄的3.5億美元的票房收入還獲得奧斯卡最佳劇本獎的提名其意義不在于觀賞性

給電影制作開辟了全新道路102動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用 1998年是全三維CG影片豐收的一年《昆蟲的一生》和《蟻哥正傳》

為了豐富角色表情，將斯塔隆等大牌明星的神韻巧妙地合成于螞蟻之上(與《寶蓮燈》有些類似)蟻哥Z-4195和芭拉公主在野外一先一后被枝葉上落下的水珠吸入其中，隨著水珠落地又奮力掙脫出來的鏡頭，代表了當(dāng)時全三維CG電影制作最高水準(zhǔn)103國內(nèi)動畫技術(shù)的發(fā)展1990年，北京11屆亞運會，中央電視臺、北京電視臺在當(dāng)時的電視轉(zhuǎn)播中首次采用了計算機3D動畫技術(shù)來制作節(jié)目片頭92年，北方工大CAD中心，電影《相似》（SGI工作站，用C語言編寫），93年北京科教廠優(yōu)秀電影特別獎，93年廣電部科技進步二等獎兒童寓言電視片《咪咪釣魚》（386上，C語言編寫），10分鐘，5人10個月中科院軟件所、浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室中國動畫片的主要生產(chǎn)部門有：上海美術(shù)電影制片廠、中央電視臺青少年節(jié)目中心動畫片部、北京科學(xué)教育電影制片廠、北京電視臺青少年中心的動畫片部，等等104國內(nèi)動畫技術(shù)的發(fā)展電視系列片《藍貓?zhí)詺?000問》全部通過電腦制作完成湖南三辰影庫卡通節(jié)目發(fā)展有限公司制作，全部3000集、總長45000分鐘，創(chuàng)造了最長動畫片的中國吉尼斯紀錄這一紀錄打破了1986年出品的美國動畫片《辛普森》保持的242集的世界吉尼斯紀錄。“藍貓”的高產(chǎn)、快產(chǎn)正得益于三辰卡通的秘密武器—自主開發(fā)的一套“網(wǎng)絡(luò)動畫集成技術(shù)”。使動畫的制作速度比傳統(tǒng)動畫提高了10倍。實現(xiàn)了動畫制作全計算機化，即“無紙化作業(yè)”。三辰卡通是國內(nèi)唯一完全利用計算機進行動畫制作的廠商105計算機動畫的應(yīng)用商業(yè)廣告制作建筑裝潢設(shè)計娛樂（電腦游戲制作）影視特技制作醫(yī)療衛(wèi)生（醫(yī)學(xué)康復(fù)動作分析）可視化教學(xué)（運動員的動作訓(xùn)練）國防軍事、工業(yè)制造、、法律（如事故分析）、飛行模擬、生物工程、藝術(shù)等106計算機動畫的未來（1/8）規(guī)?；瘧?yīng)用范圍廣而應(yīng)用水平和產(chǎn)生的效益高標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)在動畫制作軟件和動畫技術(shù)呈現(xiàn)出一種百家爭鳴的形勢，各有特色但相互間的兼容則做得不夠，因此，隨著技術(shù)的日益成熟，標(biāo)準(zhǔn)化是大勢所趨網(wǎng)絡(luò)化表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電腦動畫技術(shù)間的相互促進107計算機動畫的未來（2/8）從技術(shù)的發(fā)展方向看，體視動畫會是未來的熱點現(xiàn)在一些通過立體眼鏡能夠呈現(xiàn)立體效果的游戲就是體視動畫的應(yīng)用目前人們正在研究降低立體眼鏡的成本、提高圖像質(zhì)量的方法和有關(guān)的替代技術(shù)未來我們很可能不用立體眼鏡的幫助也能欣賞逼真的立體效果108計算機動畫的未來（3/8）另一個熱點是虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)與一般的動畫相比，VR的特點在于沉浸（Immerse

）、想象（Imagine

）和交互（Interact）VR中的場景會隨參觀者的位置、視點變化而實時動態(tài)生成，并具有人機交互的能力109計算機動畫的未來（4/8）從應(yīng)用角度最令人激動不已的當(dāng)屬影視制作方面展望1虛擬演員美國沃爾特·迪斯尼公司就曾預(yù)言:21世紀的明星將是一個聽話的計算機程序，它們不再要求成百上千萬美元的報酬或頭牌位置110計算機動畫的未來（5/8）“聽話的計算機程序”就是虛擬角色，也稱為虛擬演員(VirtualActor)廣義上它包含兩層含義：用電腦處理手法使已故的著名影星“起死回生”

完全由電腦塑造出來的電影明星如《蟻哥正傳》中的蟻哥

111計算機動畫的未來（6/8）全三維CG電影堪稱電影業(yè)中當(dāng)之無愧的真正的“高科技板塊”最引人關(guān)注的當(dāng)屬“虛擬真人演員”（數(shù)碼動畫演員）《最終幻想》電影版迄今為止技術(shù)手法最先進、技術(shù)難度最高的全CG影片112計算機動畫的未來（7/8）展望2交互式電影(InteractiveMovie)

VR是實現(xiàn)途徑由觀眾親涉其間，控制角色的舉動，從而對場景產(chǎn)生互動后果

113計算機動畫的未來（8/8）展望3以前采用程序設(shè)計語言編程制作今后面向動畫師的界面良好的交互式系統(tǒng)

基于人工智能理論的面向用戶的動畫系統(tǒng)文景轉(zhuǎn)換基于自然語言描述的腳本，用計算機自動產(chǎn)生動畫空間關(guān)系確定三維場景建模中實體自動擺放技術(shù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘇小紅第10章計算機動畫115內(nèi)容提要

動畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用傳統(tǒng)動畫計算機動畫計算機動畫中常用技術(shù)簡介常用的動畫軟件及動畫文件格式116

傳統(tǒng)動畫

什么是動畫？世界著名的動畫大師JohnHalas曾經(jīng)說過：“動畫的本質(zhì)在于運動”動畫是指將一系列靜止、獨立而又存在一定內(nèi)在聯(lián)系的畫面（Frame）連續(xù)拍攝到電影膠片上再以一定的速度（一般不低于24幀/秒）放映來獲得畫面上人物運動的視覺效果。動畫就是動態(tài)的產(chǎn)生一系列景物畫面的技術(shù)，其中當(dāng)前畫面是對前一幅畫面某些部分作的修改117

計算機動畫

隨著計算機動畫技術(shù)的發(fā)展，尤其是以實時動畫為基礎(chǔ)的Vidiogame的出現(xiàn)不全面，局限動畫不只是產(chǎn)生運動的效果還包括變形、變色、變光等118每秒24-30幀，18幀創(chuàng)意：描述故事：故事梗概、劇本、故事版。制作動畫的傳統(tǒng)方法梗概腳本故事版序列場景1鏡頭n鏡頭1鏡頭1鏡頭m場景1傳統(tǒng)動畫主要是生產(chǎn)二維卡通動畫片

描述故事的大致內(nèi)容描述一個完整的故事，但不包括拍片的任何注釋繪制出配有適當(dāng)解說詞以表現(xiàn)劇本大意的一系列主體草圖119制作動畫的傳統(tǒng)方法設(shè)計：根據(jù)故事版，確定具體場景，設(shè)計演員動作，完成布景的繪畫，繪制背景的設(shè)計草圖音軌：動畫制作之前完成錄音工作，對話、音樂與動作保持同步動畫制作：核心是幀的制作，主動畫師繪制關(guān)鍵幀（52集動畫連續(xù)劇《西游記》繪制了100萬張原畫、近2萬張背景，共耗紙30噸、耗時整整5年）中間（插補）幀制作：助理動畫師繪制主要的插補幀，其余由插補員完成手工繪制生產(chǎn)過程復(fù)雜需要大量人力120制作動畫的傳統(tǒng)方法6.靜電復(fù)制和墨水加描：使用特制的靜電復(fù)制攝像機，將鉛筆繪制的草圖轉(zhuǎn)移到醋酸纖維膠片上，手工用墨水加描線條7.繪制（渲染），著色8.檢查與拍攝9.剪輯：膠片的匯總、分類及拼接10.配音及復(fù)制：選擇音響效果配合影片中的人物動作，對聲音進行復(fù)制，將人物對話、音樂、音響混合在一個聲道內(nèi)，記錄在膠片或錄像帶上121電影拍攝與電視拍攝基本原理相同，不同之處主要表現(xiàn)在：存儲介質(zhì)不同

播放速度不同

電影每秒24幀電視：PAL制：每秒25幀NTSC制：每秒30幀

122特殊效果（1/2）慢動作高速拍攝、正常播放快動作低速拍攝、正常播放123運動序列中畫面的切換直接切換淡入(fadein):漸漸從黑暗處顯現(xiàn)，變清晰淡出(fadeout):漸漸變暗，變模糊推拉（zoom）:變焦，接近或遠離搖移（pan）:攝像機水平移動俯仰（Tilt）:攝像機垂直移動軟切，溶鏡(dissolve):第一個鏡頭隨著時間而融化在第二個鏡頭中，第一個鏡頭的最后一格淡出，第二個鏡頭的第一格淡入劃變(splitscreen)：將后一個場景逐漸滑入到前一個場景中，場景分界線由多種形式特殊效果（2/2）124計算機在動畫中所起的作用（1/2）

早期：主要表現(xiàn)在幀的制作上關(guān)鍵幀通過數(shù)字化采集方式得到，或者用交互式圖形編輯器生成，對于復(fù)雜的形體還可以通過編程來生成插補幀不再由助理動畫師和插補員來完成，而是利用計算機自動完成插補幀的制作，包括復(fù)雜的運動也由計算機直接完成。125計算機在動畫中所起的作用（2/2）

隨著三維造型技術(shù)和計算機動畫技術(shù)的發(fā)展

在著色方面，畫面圖像通過交互式計算機系統(tǒng)由用戶選擇顏色，指定著色區(qū)域，并由計算機完成著色工作在拍攝方面，用計算機控制攝像機的運動，也可用編程的方法形成虛擬攝像機模擬攝像機的運動在后期制作階段，用計算機完成編輯和聲音合成126計算機動畫系統(tǒng)的分類根據(jù)系統(tǒng)的功能分五級五級四級一級二級 三級交互式造型、著色，相當(dāng)于一個圖形編輯器計算并生成插補幀，代替插補員的工作模擬虛擬攝像機操作定義角色，動畫形體具有學(xué)習(xí)能力，有待于人工智能技術(shù)的發(fā)展

127計算機輔助二維動畫設(shè)計腳本繪制關(guān)鍵畫面加層控制中間畫面實時預(yù)演著色渲染生成文件進行編輯輸出到錄像帶計算機輔助制作動畫的系統(tǒng)與動畫師的關(guān)系就像文字處理機與文字作家的關(guān)系一樣128計算機輔助三維動畫（1/2）二維動畫：仍然基于人的手在平面上繪制畫面效果在很大程度上取決于人的繪畫水平繪畫過程只是在平面中表現(xiàn)，表現(xiàn)力受限三維動畫：三維動畫模擬一個真實的攝影舞臺這個舞臺上既包括拍攝的主體對象還包括燈光、背景、攝像機等129計算機輔助三維動畫（2/2）進行創(chuàng)意，形成動畫制作的腳本建立畫面中各種物體的三維線框模型確定并調(diào)整物體的顏色、材質(zhì)、紋理等屬性調(diào)整燈光，確定背景、環(huán)境模擬虛擬攝像機的運動，讓目標(biāo)運動起來對動畫進行預(yù)演加工處理將存儲在計算機中的圖像序列錄制到錄像帶

130實時動畫和逐幀動畫逐幀動畫：制作一幀需要幾分鐘甚至更長的時間，這些幀錄制好后，以每秒24幀的速度放映實時動畫：動畫的生成是直接的，用戶可以用交互式的方式讓畫面中的形體快速移動用戶現(xiàn)場選擇的時刻就是實現(xiàn)的時刻，結(jié)果直接反映到計算機屏幕上131主要的動畫技術(shù)參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)樣條驅(qū)動技術(shù)變形技術(shù)過程動畫技術(shù)關(guān)節(jié)動畫與人體動畫技術(shù)基于物理模型的動畫技術(shù)行為動畫技術(shù)運動捕獲技術(shù)132主要的動畫技術(shù)（1/21）1.參數(shù)keyframe給出兩幅關(guān)鍵幀，計算機生成中間畫面剛體運動模擬早期僅僅用來插值幀與幀之間卡通畫的形狀后來對運動參數(shù)插值，實現(xiàn)對動畫的運動控制133主要的動畫技術(shù)（2/21）可歸結(jié)為關(guān)鍵參數(shù)的插值問題位置、色彩、紋理9個運動參數(shù)決定位置參數(shù)：Tx,Ty,Tz,方向參數(shù)：Rx,Ry,Rz,比例參數(shù)：Sx,Sy,Sz134主要的動畫技術(shù)（3/21）與純數(shù)學(xué)插值問題不同：一個特定的運動從空間軌跡來看可能是正確的但從運動學(xué)或動畫設(shè)計角度看，則可能是錯誤的關(guān)鍵幀插值要求：能產(chǎn)生逼真的運動效果用戶能方便有效地控制運動的運動學(xué)特性例如，通過調(diào)整插值函數(shù)改變運動的速度和加速度135例一：勻速運動的模擬假定需在時間段t1與t2之間插入n(n=5)幀終始關(guān)鍵幀之間的時間段被分為n+1個子段其時間間隔為:

△t=(t2–t1)/(n+1)

則任一插值幀的時刻為: tfj=t1+j△t,j=1,2,…,n

主要的動畫技術(shù)（4/21）136例二：加速運動的模擬為使幀間的時間間隔增加可使用下列三角加速函數(shù)來得到增加的間隔：

1-cosθ,0<θ<π/2

對于插值幀來說，第j個插值幀的時刻可由下式得到:tfj=t1+Δt[1–cos(jπ/(2(n+1)))]j=1,2,…,n

主要的動畫技術(shù)（5/21）137例三：減速運動的模擬使用下列三角減速函數(shù)來得到減少的間隔：

sinθ,0<θ<π/2,

則第j個插值幀的時間位置被定義成：

tfj=t1+Δtsin(jπ/(2(n+1)))j=1,2,…,n

主要的動畫技術(shù)（6/21）138例四：混合增減速度的模擬先增加插值時間間間隔后減少時間間隔所使用的時間變化函數(shù)是:

1/2

(1–cosθ) 0<θ<π得到第j個插值幀的時刻為:tfj=t1+Δt{1/2[1–cos(jπ/(n+1))]}j=1,2,…,n

主要的動畫技術(shù)（7/21）139主要的動畫技術(shù)（8/21）關(guān)鍵幀動畫存在的主要問題

交互響應(yīng)慢輕微地修改動畫劇本，都需要將整幅動畫重新制作

物體運動的物理正確性和自然真實性難以保證關(guān)鍵幀插值不考慮物體的物理屬性和力學(xué)特性物體運動的物理正確性和自然真實性只能依賴動畫師的技巧

140主要的動畫技術(shù)（9/21）2.樣條驅(qū)動技術(shù)基于運動學(xué)描述用戶事先指定一條物體運動的軌跡通常用三次參數(shù)樣條表示指定物體沿該軌跡運動

也稱運動軌跡法所要解決的基本問題通過對樣條曲線等間隔采樣求出物體在某一幀的位置從而生成整個動畫序列

141主要的動畫技術(shù)（10/21）如果直接對參數(shù)空間進行等間隔采樣，勢必帶來運動的不均勻性勻速運動時，需要對樣條進行弧長參數(shù)化142主要的動畫技術(shù)（11/21）為解決插值的時間控制問題Steketee提出用雙插值方法位置樣條空間軌跡曲線

物體位置對關(guān)鍵幀的函數(shù)運動樣條速度曲線

關(guān)鍵幀對時間的函數(shù)從速度曲線上找到給定時刻對應(yīng)的弧長（即關(guān)鍵幀）使物體沿空間軌跡曲線運動該弧長距離為了求得某一時刻物體在空間軌跡曲線上的位置143主要的動畫技術(shù)（12/21）3.變形技術(shù)

柔性物體（softobject）動畫技術(shù)許多商用動畫軟件都提供變形工具Softimage、Alias、Maya、3DSMAX

144主要的動畫技術(shù)（13/21）Morphing技術(shù)指將一個給定的數(shù)字圖像或者幾何形狀S以一種自然流暢的、光滑連續(xù)的方式漸變?yōu)榱硪粋€數(shù)字圖像或者幾何形狀T?；谖矬w表示的變形技術(shù)適用于物體拓撲結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的變形操作145主要的動畫技術(shù)（14/21）基本思想：移動頂點，通過頂點改變，達到變形給出物體形變的幾個狀態(tài)如兩個物體或兩幅畫面之間特征的對應(yīng)關(guān)系以及相應(yīng)的時間控制關(guān)系物體沿給定的插值路徑進行線性或非線性的形變146主要的動畫技術(shù)（15/21）多邊形的變形男人變女人147主要的動畫技術(shù)（16/21）自由變形技術(shù)（FFD）FreeFormDeformationSederberg和Parry1986年提出基本思想不對物體直接進行變形而是對物體所嵌入的空間進行變形引入一種基于三變量B樣條體的變形工具lattice148主要的動畫技術(shù)（17/21）優(yōu)點：最實用，適用面最廣間接的與物體表示無關(guān)的變形方法物體的變形是任意的，可由動畫師任意控制對變形的可控性更強缺點：缺乏對變形的細微控制，如人臉表情149主要的動畫技術(shù)（18/21）4.過程動畫技術(shù)ProceduralAnimation或RandomAnimation物體的運動和變形可由一個過程來控制物體的變形不是任意的遵循一定的數(shù)學(xué)模型或物理規(guī)律用數(shù)學(xué)模型控制物體的幾何形狀和運動如水波隨風(fēng)的運動復(fù)雜的變形，基于彈性理論、動力學(xué)、碰撞檢測150主要的動畫技術(shù)（19/21）另一類過程動畫是粒子系統(tǒng)動畫（Particlesystem）Reeve