第二章 人类视觉和色度学
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最新第二章【颜色视觉形成】幻灯片
猫头鹰是人们比较常见的一种鸟类，在夜间或黄昏出来活动猎食。
猫头鹰的视力很强。猫头鹰的眼睛构造特殊，与一般白天活动的各种鸟 类不同。在猫头鹰的视网膜上，分布着两种感觉细胞——视杆细胞和视 锥细胞。视杆细胞对光线有很大的敏感性；视锥细胞有感觉颜色的能力。 猫头鹰眼睛的特点，就是视杆细胞特别多，视锥细胞特别少。所以，每 当夜幕降临或晨光曦微的时候，它能够看到我们所能看到的一切，从而 进行捕食和避敌等活动。科学家曾对长耳鸮作过试验，发现其能够在全 黑的环境里捉到活的老鼠，也能够在只有微弱的光线时发现死老鼠，若 换作人类，就必须增加１０～１００倍的光线才能看到。
实验表明：在明亮光的条件下，人眼对波长为555nm处的 黄绿光感受性最高，即这个波长的光只需要较小的能量便可以 和标准光源的明度进行匹配。
1.0
暗视觉V’（λ）
0.5
明视觉V（λ）
0
380
510 555
780
在实验中，分别在明光条件和暗光条件下进行测试，并将结果中人眼对不 同波长的光波的光能量产生光感觉的效率与波长之间的关系描绘成上图。
三、彩色物体与选择性吸收[补充]
当白光照射在物体上时，物体对不同波长的光具有不同 的吸收率，对某些波长的光吸收多些，对另一些吸收少些， 这种吸收称为选择性吸收。具有选择性吸收的物体呈现彩 色。因为经过选择性吸收以后，其反射或透射的光与入射 光比较，不仅能量上有所减弱，光谱成分也发生了改变。
彩色物体由于选择性吸收了某些光谱，反射光谱也是有 选择的。反射光谱的成分决定了彩色物体呈现的颜色。同 时，反射光强降低，使物体色比光源色灰暗一些，亮度有 所减弱。
2．若辐通量（亮度）相等Φe(λ1)=Φe(λ2) 可得： V(λ1)/V(λ2)=Φv(λ1)/Φv(λ2) 当辐通量相等时，光视效率与光通量成正比。
现代色度学-第二章 CIE标准色度系统part1
第二章CIE标准色度系统(CIE calorimetric system)Three Parties in Colorimetry物体（Objects ）–观察模式（Viewing geometries ） 观察者（Observers ）–标准观察者（Standard observers ） 照明（Illuminants ）–光源（Light sources ）黑体辐射（Black-body radiators ）CIE 照明（CIE illuminants）图1-9. 人眼知觉颜色三要素：光源、物体、人眼(及大脑)图1-10. 视觉知觉颜色过程∫=λλλd E L L )()(∫=λλλd E M M )()(∫=λλλd E S S )()(（1-1）人眼三种类型的锥细胞，每一种锥细胞吸收光后，将入射到它上面的所有波长的光谱融合编码成三种信号L 、M 、S ，分别对应每个锥细胞吸收光的数量。
这一过程也成为所有颜色测量及辐射探测器的设计原理。
其中E (λ)是入射光谱，L (λ)、M (λ)、S(λ)分别是L 、M 、S 锥细胞光谱响应。
Color当我们使用颜色时，需要一个标准目录（6课时）2.1 前言2.2 颜色匹配实验（CIE Color Matching Experiment）2.3 CIE 1931-RGB2.4 CIE 1931-XYZ （2°视场XYZ）2.5 CIE 1964 补充标准色度系统（10°视场X10Y10Z10）2.6 CIE 标准照明体和标准光源2.7 均匀色空间(uniform color space)2.7.1 亮度与明度2.7.2 颜色分辨力2.7.3 CIE 1960 UCS均匀色空间2.7.4 CIE 1964W*U*V*均匀色空间及色差公式2.7.5 CIE 1976L*u*v*均匀色空间及色差公式2.7.6 CIE 1976L*a*b*均匀色空间及色差公式2.7.7 其它色差公式(Colour difference formula) 研究题目λ物体的颜色。
第二章(1) 数字图像基(人类视觉)础
30
坐标系
为组成某种颜色所需的红、绿、蓝的量称为3个刺激量，分 别用R、G、B表示。
[C] R[R] G[G] B[B]
颜色还可以用色品值r、g、b（相对色系数）表示， 定义如下
R , RG B B b , RG B r
g
G , RG B
r g b 1
2013年7月25日7时13分
视觉生理特点对图像 处理方法的影响很大
2013年7月25日7时13分
第二章 数字图像处理基础
16
锥状（cone）视觉：白昼视觉，色彩； 杆状（rod）视觉：夜视觉，低照度敏感。
视锥细胞和视杆细胞在视网膜上的分布
2013年7月25日7时13分
第二章 数字图像处理基础
17
眼睛中图像的形成
成像的几何原理 视觉信息的产生 视觉信息的传递 视觉信息的加工处理
2013年7月25日7时13分
第二章 数字图像处理基础
12
视觉基础讲述内容
人类视觉感知过程
视觉的简单数学模型
色度学知识
2013年7月25日7时13分
第二章 数字图像处理基础
13
1.1人类视觉感知过程
人眼结构
眼睛中图像的形成
视觉特性
2013年7月25日7时13分
第二章 数字图像处理基础
2013年7月25日7时13分
第二章 数字图像处理基础
11
5、人类视觉机制今后的研究方向
从基础研究逐步转到和图像相关的视觉综合化、体系
化的研究。 – 搞清决定图像质量的主观因素，做出其总的结构模 型； – 找出人脑真正接收信息的容量，大脑有效接收图像 的显示方式； – 弄清图像信源和信宿的结构，建立起包括人的因素 在内的信息论； – 研究视觉和其它感觉的相乘作用，即视觉和其它感 觉的互相影响； – 开发自组织作用的综合研究，进一步建立发展“思 考过程”； – 研究视觉和行为的关系。
色构——2色彩与视知觉
第一节：色彩与空间
色彩构成
三.色彩的呼应：
色彩显现于视觉范围，总会有一个相对的色彩环境， 任何色彩均不会孤立的显现，总会有别的色彩来比较、 衬托和显现（色立体除外），需要有同种同类或近似的 色彩在构图所占的空间布局内做上下、左右、前后等方 位的呼应。
色彩知觉现象
A. 黑色背景易见度的顺序为： 白——黄——黄橙——橙——红——绿——蓝
色彩构成
E. 黄色背景易见度的顺序为： 黑——红——蓝——蓝紫——黄绿——绿——白
B. 白色背景易见度的顺序为： 黑——红——紫——红紫——蓝——绿——黄
F. 绿色背景易见度的顺序为： 白——黄——红——黑——黄橙——蓝——紫——黑
E. 黄色背景易见度的顺序为： 黑——红——蓝——蓝紫——黄绿——绿——白
F. 绿色背景易见度的顺序为： 白——黄——红——黑——黄橙——蓝——紫——黑
G.紫色背景易见度的顺序为： 白——黄——黄橙——橙——绿——蓝——黑——红
F.灰色背景易见度的顺序为： 黄——黄绿——橙——紫——蓝——黑
色彩的易见度顺序排列
色彩构成
四 .色彩的同化：
色的同化性也是知觉色彩时的一种现象，这种现象 是视觉寻求平衡、从生理上的平衡过度到心理上的平衡 的过程，也就是当一种小面积颜色被围于其他颜色当中 并与周围颜色相近时，看起来该颜色相似于周围颜色的 现象，这当中仍存在着视错觉的因素。
色彩同化现象在实际的设计活动中与色彩对比形成 相辅相成的重要手段。我们可以总结出一定的规律： ⑴色彩同化与距离有关。 ⑵色彩同化与光的强度与明度对比有关。 ⑶色彩同化与色与色之间的面积大小及分布情况有关。
第一节：色彩知觉现象
二 .色彩的错觉 ：
色彩构成
光学与视觉基础知识
光电图像处理
2.1 辐射度学基本知识
2.1.4 辐射亮度
辐射亮度Le，表示的是面辐射源沿不同方向 的辐射能力的差异，也就是单位面积单位立体角内 的辐射通量。其计算公式如下：
Le ,
dI e dS cos
dS
d2Φe dΩ cos
（2-1）
其中，有一种特殊的辐射体，其辐射强度在空
间的分布上满足余弦关系，这种辐射体的辐射亮度 是均匀的，与方向角θ无关。太阳、漫反射面都可以 看作是余弦辐射体。
辐射强度Ie表示的是在给定方向上单位立体角 的辐射通量，辐射强度的单位是：瓦/球面度。辐射 强度反映了辐射源能量分布的各向异性的特点，也 就是说Ie随方向改变而改变。
图2-1辐射强度
光电图像处理
2.1 辐射度学基本知识
2.1.3 辐射出射度与辐射照度
辐射出度Me，指的是面辐射源的辐射能 力及单位面积的辐射通量。另外一个与之比 较相近的量辐射，辐射照度Ee，定义也基本 类似，它指的是，辐射接收面上单位面积接 受的辐射通量。它们的单位都是瓦/平方米， 计算公式也一致。但要注意它们两者之间的 区别。
（2-5）
光电图像处理
2.3 光度学的概念与物理量
2.3.2 光度量的基本物理量
表2-1 光度量与辐射度量的对应关系
辐射度量
符号
单位名称
光度量
符号
辐［射］能
Qe
辐［射］通量
或
Φe
辐［射］功率
焦耳 (J) 瓦 (W)
光能
Qv
光通量
或
Φv
光功率
辐［射］照度
Ee
瓦/平方米 (W·m-2) [光]照度
Ev
光电图像处理
2.4 色度学基础知识
2.1 辐射度学基本知识
2.1.4 辐射亮度
辐射亮度Le，表示的是面辐射源沿不同方向 的辐射能力的差异，也就是单位面积单位立体角内 的辐射通量。其计算公式如下：
Le ,
dI e dS cos
dS
d2Φe dΩ cos
（2-1）
其中，有一种特殊的辐射体，其辐射强度在空
间的分布上满足余弦关系，这种辐射体的辐射亮度 是均匀的，与方向角θ无关。太阳、漫反射面都可以 看作是余弦辐射体。
辐射强度Ie表示的是在给定方向上单位立体角 的辐射通量，辐射强度的单位是：瓦/球面度。辐射 强度反映了辐射源能量分布的各向异性的特点，也 就是说Ie随方向改变而改变。
图2-1辐射强度
光电图像处理
2.1 辐射度学基本知识
2.1.3 辐射出射度与辐射照度
辐射出度Me，指的是面辐射源的辐射能 力及单位面积的辐射通量。另外一个与之比 较相近的量辐射，辐射照度Ee，定义也基本 类似，它指的是，辐射接收面上单位面积接 受的辐射通量。它们的单位都是瓦/平方米， 计算公式也一致。但要注意它们两者之间的 区别。
（2-5）
光电图像处理
2.3 光度学的概念与物理量
2.3.2 光度量的基本物理量
表2-1 光度量与辐射度量的对应关系
辐射度量
符号
单位名称
光度量
符号
辐［射］能
Qe
辐［射］通量
或
Φe
辐［射］功率
焦耳 (J) 瓦 (W)
光能
Qv
光通量
或
Φv
光功率
辐［射］照度
Ee
瓦/平方米 (W·m-2) [光]照度
Ev
光电图像处理
2.4 色度学基础知识
2第二章 色彩与视知觉(一)
第二章 色彩与视知觉
本章重点：色彩的易见度、 明暗适应、 颜色适应、 色的同化性觉现象主要有：色彩的适应、色的易见度、色的颜色适应、色的同 化性、色的恒常性、色的错觉等。
一 、视觉适应：人的感觉器官适应能力在视
觉生理上的反应叫做视觉适应。视觉适应有四种情况。
(三)颜色适应
▪ 关于颜色适应我们可以用这样的一个实验来说明。 当你戴上有色眼镜观察外界景物时，开始一切景物似 乎都带有镜片的颜色。经过相当一段时间后，镜片的 颜色在感觉中会自然消失，外界的景物会受色彩经验 的影响又恢复成近似原来生活中的颜色。但是当你突 然摘下有色眼镜，景物的颜色又会感觉失真。这种视 觉现象叫做颜色适应。
▪ (一)距离适应 ▪ (二)明暗适应 ▪ (三)颜色适应 ▪ (四)色的恒常性
(二)明暗适应
▪ 暗适应：当从明处走到暗处，顿时感觉一片黑暗，要好 长时间才逐渐 看清物体形状和颜色，这种现象叫做暗适应。 这个过程要5至10分钟。 明适应：从暗处走到明处，顿时一片白光耀眼，稍过一 会儿，对物体形状色彩的辨认才恢复正常，这种现象叫明适 应。这个过程约需0.2至0.14秒。 原理：眼睛在暗适应过程中，瞳孔直径扩大，使进眼球 的光线增加10-20倍，视网膜上的视杆细胞的感受性迅速兴 奋，视敏度不断提高，从而获得清晰的视觉，完成视觉暗适 应的过程大约需要20分钟。明适应是视网膜在光刺激由弱到 强的过程中，视锥细胞和视杆细胞的功能需要迅速转换，适 应时间比暗适应短得多，大约只需要1秒钟。
(四)色的恒常性
▪ 指人们头脑中和记忆中对体验过的事物所形成的 色彩印象与色彩知觉度的联系。如红旗在人们的色彩 印象中是红色的，当红旗处在黄光、蓝光的照射下， 我们也感觉它是红色的，这种现象就是色的恒常性的 具体表现。
本章重点：色彩的易见度、 明暗适应、 颜色适应、 色的同化性觉现象主要有：色彩的适应、色的易见度、色的颜色适应、色的同 化性、色的恒常性、色的错觉等。
一 、视觉适应：人的感觉器官适应能力在视
觉生理上的反应叫做视觉适应。视觉适应有四种情况。
(三)颜色适应
▪ 关于颜色适应我们可以用这样的一个实验来说明。 当你戴上有色眼镜观察外界景物时，开始一切景物似 乎都带有镜片的颜色。经过相当一段时间后，镜片的 颜色在感觉中会自然消失，外界的景物会受色彩经验 的影响又恢复成近似原来生活中的颜色。但是当你突 然摘下有色眼镜，景物的颜色又会感觉失真。这种视 觉现象叫做颜色适应。
▪ (一)距离适应 ▪ (二)明暗适应 ▪ (三)颜色适应 ▪ (四)色的恒常性
(二)明暗适应
▪ 暗适应：当从明处走到暗处，顿时感觉一片黑暗，要好 长时间才逐渐 看清物体形状和颜色，这种现象叫做暗适应。 这个过程要5至10分钟。 明适应：从暗处走到明处，顿时一片白光耀眼，稍过一 会儿，对物体形状色彩的辨认才恢复正常，这种现象叫明适 应。这个过程约需0.2至0.14秒。 原理：眼睛在暗适应过程中，瞳孔直径扩大，使进眼球 的光线增加10-20倍，视网膜上的视杆细胞的感受性迅速兴 奋，视敏度不断提高，从而获得清晰的视觉，完成视觉暗适 应的过程大约需要20分钟。明适应是视网膜在光刺激由弱到 强的过程中，视锥细胞和视杆细胞的功能需要迅速转换，适 应时间比暗适应短得多，大约只需要1秒钟。
(四)色的恒常性
▪ 指人们头脑中和记忆中对体验过的事物所形成的 色彩印象与色彩知觉度的联系。如红旗在人们的色彩 印象中是红色的，当红旗处在黄光、蓝光的照射下， 我们也感觉它是红色的，这种现象就是色的恒常性的 具体表现。
《电气照明第二章视觉与颜色》55
物体的颜色是物体对光源的光谱辐射有选 择性地反射或透射对人眼所产生的感觉。
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《电气照明第二章视觉与颜色》55
3 颜色
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• (a)白炽灯、 卤钨灯
• (b)荧光灯 • (c)荧光高
压汞灯 • (d)高压钠
灯
• 图2-8 常用照明电光源的相对光谱功率 分布
《电气照明第二章视觉与颜色》55
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《电气照明第二章视觉与颜色》55
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《电气照明第二章视觉与颜色》55
•4 颜色显色
• 色温和照明水平
• 人们通过经验得知，用暖色（低色温）光源 产生的低照明水平可以使室内形成缓和的气 氛，而工作环境则可以用冷色（高色温）光 源产生的高照明水平来形成。
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《电气照明第二章视觉与颜色》55
3 颜色
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• 图2-9 颜色适应
《电气照明第二章视觉与颜色》55
3 颜色
(三) 彩色对人的生理、心理作用 • 生理方面
蓝、紫色最易引起疲劳，红、橙色次之， 黄绿、蓝绿、淡青等颜色最小。设备外壳颜色 宜采用黄绿、蓝绿等颜色
眼睛对黄色较为敏感，常用黄与黑与蓝相 间的色彩作为危险部位的警告色标。 ۞ 心理方面
☻阈限对比Ct：亮度差别阈限与背景亮度之
比。
☻对比敏感度Sc：阈限对比的倒数。
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《电气照明第二章视觉与颜色》55
2 视觉特性
(三) 可见度 －能见度 人眼确定物体存在或形状的难易程度。 在室内应用时，以目标与背景的实际亮度
对比C与阈限对比Ct来描述。
在室外应用时，以人眼恰可看到标准目标 的距离定义。
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3 颜色
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• (a)白炽灯、 卤钨灯
• (b)荧光灯 • (c)荧光高
压汞灯 • (d)高压钠
灯
• 图2-8 常用照明电光源的相对光谱功率 分布
《电气照明第二章视觉与颜色》55
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•4 颜色显色
• 色温和照明水平
• 人们通过经验得知，用暖色（低色温）光源 产生的低照明水平可以使室内形成缓和的气 氛，而工作环境则可以用冷色（高色温）光 源产生的高照明水平来形成。
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3 颜色
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• 图2-9 颜色适应
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3 颜色
(三) 彩色对人的生理、心理作用 • 生理方面
蓝、紫色最易引起疲劳，红、橙色次之， 黄绿、蓝绿、淡青等颜色最小。设备外壳颜色 宜采用黄绿、蓝绿等颜色
眼睛对黄色较为敏感，常用黄与黑与蓝相 间的色彩作为危险部位的警告色标。 ۞ 心理方面
☻阈限对比Ct：亮度差别阈限与背景亮度之
比。
☻对比敏感度Sc：阈限对比的倒数。
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2 视觉特性
(三) 可见度 －能见度 人眼确定物体存在或形状的难易程度。 在室内应用时，以目标与背景的实际亮度
对比C与阈限对比Ct来描述。
在室外应用时，以人眼恰可看到标准目标 的距离定义。
机器视觉第二章
2.2 感受野
• 我们称直接或间接影响某一特定神经细胞的光感 受器细胞的全体为该特定神经细胞的感受野 (receptive field)。 • 感受野一般是由中心的兴奋区域和周边的抑制区 域构成的同心圆结构，称为On－型感受野，还有 一类感受野是由中心抑制和周边兴奋区域的同心 圆构成，称为Off－型感受野。图2.7所示的是猫 视网膜GC的感受野及其反应形式，中心兴奋CG 与中心抑制GC的感受野组织正好相反。
2.1.2 视觉பைடு நூலகம்路
到达视网膜的光线经杆体和锥体细胞转换为神经 信号，并经视网膜中的神经节细胞加工，传出视网膜。 神经节细胞轴突在外膝体换神经元后，由外膝体神经 元直接经放射到视皮层，这时视束的大部分纤维去向， 称为视觉的第一视通路。视束的一小部分纤维走向内 方，经上丘臂，到达上丘和顶盖前区。上丘浅层神经 元再透射到丘脑枕换元后，再透射到视皮层，上丘还 有纤维直接透射到视皮层。由于这条通路不经过外膝 体，故称为第二视通路。
研究表明： 猴和人的视网膜中，含有三种不同的锥体细胞， 每一种锥体细胞对不同的光谱，其敏感性也是不同的。 三种锥体细胞对光谱的敏感峰值分别在430纳米，540 纳米和570纳米。这三个峰值段正对应着光谱中的红、 绿、蓝区域。实验进一步表明，当三种颜色按一定比 例同时刺激人眼时，会产生各种颜色感觉。其中有一 种比例会使得颜色感觉完全消失，只有亮度感觉。这 就是所谓的色觉三变量性(tri-variance of color vision )， 说明颜色只取决于三个基本的输入量，这也是色觉三 基色原理的基础。
注：在视觉皮层中，除了同心圆状的感受野外， 还有更复杂的感受野响应特性 ，它们对其感受野中的 特定方向的线段敏感．所有视觉通道上的神经细胞，按 其感受野在一个视网膜或两个视网膜上，可分为单眼神 经细胞和双眼神经细胞．所有神经节细胞、外膝体细胞 和简单细胞都是单眼的，复杂细胞约有半数为单眼，半 数为双眼．双眼细胞又可进一步分为右眼主导、左眼主 导和双眼均衡的三种．
视觉及光度色度学基础ppt课件
13.08.2020
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75
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颜色方程表示： C = R（R）+ G（G）+ B（B）
来自外界的一切视觉形象，如物体的形状、空间、位置以及
它们的界限和区别都由色彩和明暗关系来反映
色彩是一种视觉感受，色彩在人们的社会活动中具有十分重 要的意义。色彩感觉总包含着色彩的心理和生理作用的反映。
人的色彩感觉信息传输途径是光源、彩色物体、眼睛和大脑， 这是人们色彩感觉形成的四大要素。
13.08.2020
1.光通量 V
( lm ) 流明
1.辐通量 e
瓦［特］
2.光出射度 M V
( lm/m2)流明每平方米
3.光照度 E V
( lx )勒克斯= 流明每平方米
2.辐出度 Me
瓦［特］每平方米
3.辐照度 Ee
瓦［特］每平方米
4.发光强度 I V
( cd )坎德拉=流明每球面度
4.辐射强度 Ie
瓦［特］每球面度
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光度学和色度学
2.2 光度学
光度学——研究光的强弱的学科称为光度学（包括光的辐射、 吸收、照射、反射、散射、漫射等有关光的度量） 人眼可见的图像可以用光度学来度量， f(x,y)——表示 (x,y)点处，图像的光强度。
几个重要概念：
发光强度I（intensity）
光源发光的功率称为发光强度。其单位主要有两种：
亮度的衡量有两种不同单位 A－以每单位面积上的发光强度来表示的。尼特 1尼特＝1cd/m2 B- 以每单位面积发出的光通量来表示的。朗伯 1朗伯＝1lm/cm2
一些实际情况下的光照度值（单位：lx）
对比度（contrast） 图像中最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比。
C1 Bmax / Bmin
（对绿色最敏感、红色次之、蓝色最弱，所以常作为三基色） – 人类利用它分辨物体细节。
• 杆状体（柱细胞）---夜视觉（适暗视觉）
– 约75,000,000～150,000,000个； – 对颜色不敏感，适应于低照度；
– 柱细胞主要提供视野的整体视象。
因此看到的物体白天有色彩，夜里看不到色彩
（2）人眼的亮度感觉特性
• 亮度表示光的强度，物体表面或光源的亮度越高，人感觉到的明度就越 高。但两者的关系并不固定； • 光谱是由不同波长的光组成的，不同波长所引起的不同感觉就是色调； • 纯色是指没有混入白色的窄带单色光，在视觉上就是高饱和度的颜色。 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺入白光成分越多时， 就越不饱和。
object物体
• 物体对照射光 – 反射 – 吸收 – 折射 • 对着色剂进行混合， 可以控制看到的颜 色 – 反射光的颜色决 定物体颜色 – 着色剂不一样， 反射、吸收不同 波长的光，影响 物体的颜色