色貌模型与色貌现象

色貌模型与色貌现象主讲人：李志金、赵洋概述早期的色彩研究中并没有考虑到色貌现象，如此建立的色彩学对很多特殊情况是不适用的。随着色彩科学发展程度更广更深，色貌现象已经引起色彩研究工作者足够的重视，把色貌现象的影响也考虑进来。色外貌现象定义当两个颜色的CIE三刺激值（XYZ）相同时，人的视网膜的视觉感知这两个颜色是相同的。但两个相同的颜色，只有在周围环境、背景、样本尺寸、样本形状、样本表面特性和照明条件都相同的观察条件下，视觉感知才是一样的（匹配的）。一旦将两个相同的颜色置于不同的观察条件下，虽然三刺激值仍然相同，但人的视觉感知会产生变化，这就是所谓的色貌现象。观察颜色时通常都是在一个确定的环境中，各种环境因素都会影响到我们的视觉感知。样本的色相、明度和彩度都会随着照明条件等环境因素的不同而发生变化。色外貌的相关属性色相（Hue）：人眼依据某一刺激量，视觉感受出其所呈现出的一种主色彩表现的视觉属性。明度（Lightness）：人眼依据某一刺激量，视觉感受出其与周围白点或最亮区块之相对辉度比例值（相对值）。视明度（Brightness）：人眼依据某一刺激量，视觉感受出其所呈现出之光量的程度（绝对值）。色外貌的相关属性视彩度（Colorfulness）：人眼依据某一刺激量，视觉所感受出其在某一种主色相色彩表现之色味的浓厚值（绝对值）。饱和度（Saturation）：人眼依据某一刺激量，视觉感受出其视彩度与视明度的相对比例值（相对值）。彩度（Chroma）：人眼依据某一刺激量，视觉感受出其视彩度与周围白点或最亮区块视明度之相对比例值（相对值）。色貌现象色貌现象根据国内外的研究现状主要可以分为以下几种：色相偏移（Bezold-BrückeHue）艾比尼效应(ShiftAbneyEffect)赫尔姆霍-科耳劳奇效应（Helmholtz-KohlrauschEffect）亨特效应（HuntEffect）斯蒂文斯效应（StevensEffect）同时对比（SimultaneousContrast）勾边使图像轮廓鲜明（Crispening）赫尔森-贾德效应（Helson-JuddEffect）色貌现象Bartleson-Breneman等式（Bartleson-BrenemanEquations）颜色适应（ChromaticAdaptation）颜色的恒常性（ColorConstancy）记忆色（MemoryColor）色相偏移当亮度发生变化时，单色刺激的色相将产生漂移。即样本的色相在照明体的亮度发生变化时不保持恒常。当光源亮度值有变动时，色相会随着亮度变化而有所偏移。或许有人会问600nm的光是哪种颜色？大多数人对于这种问题好像有明确的答案，但至少赫尔姆霍在1867年已经认为这样的描述是不准确的。色貌偏移图1Bezold-Brucke色相偏移模拟图色貌偏移仔细观察不同色相的边界，特别是红色区域向橙色区域的过渡。随着亮度的提高和降低，不同色相的边界并不停留在同一个地方，在蓝色和紫色区域也是如此。如果随着亮度的增加和降低，边界并不左右移动，应该是由于显示器的效果不行。不论演示是否有效，在合适的条件下这种变化是肯定存在的。色相也同样要取决于亮度，不同亮度条件下的同一种波长的光有不同的色相。因此不能肯定的下结论，一种波长的光是何种颜色。艾比尼效应当一束单色光和白光混合后，施照态的色纯度将被改变。根据Bezold-Brucke色相漂移效应，样本的色相也将发生变化。这一现象被称为Abney效应。亦即色相会随着刺激纯度的改变而变动，例如某一种颜色中加入了白光而改变其原有的色彩纯度时，色相于人眼视觉上会随着纯度的不同而改变。下图都展示了艾比尼效应的存在。艾比尼效应赫尔姆霍-科耳劳奇效应根据以往的理论基础，人眼对于明度的感知只是取决于三刺激中的Y值。但事实上，经由Helmoltz的实验可知，明度值和色度值的改变均会影响视明度值。图4揭示了赫尔姆霍-科耳劳奇效应的存在。亨特效应物体的色貌随着整体的亮度变化发生明显的改变。即色度随着亮度的变化而变化，这就是所谓的Hunt效应。Hunt在实验中，发现当观测时光源亮度愈高时，色彩之色相也会相对的提高。例如物体的色貌在夏天的下午显得更加鲜艳和明亮，而在傍晚则显得柔和。在更亮的光源条件下，物体色看起来更加鲜艳，明暗对比更加强烈。视彩度随着亮度的增加而增加。在更亮的光源条件下，物体色看起来更加鲜艳，明暗对比更加强烈。在色度图上，点(0.35,0.33)在1000cd/m2的条件下，与在1cd/m2的条件下的点(0.55,0.33)相匹配。因此在评价颜色外貌时，必须把绝对亮度考虑在内。亨特效应图5表明了在照度改变的条件下相应的色度变化，x,y表示的都是色度坐标，揭示了亨特效应。图上点都用照度水平来标记。斯蒂文斯效应Stevens效应与Hunt效应是密切相关的。Hunt效应说明视彩度对比（Colorfulnesscontrast）随亮度的提高而提高。Stevens效应则说明视明度对比（Brightnesscontrast）或明度对比（Lightnesscontrast）随亮度的提高而提高。当明度增加时，色彩的对比也会随之提升，与Hunt效应所提出的结论是相似的。斯蒂文斯效应图6表明了，在相对照度提高的同时，相对明度也得到了提高，证明了Steven效应。同时对比相同物理刺激量的色彩放在不同背景下，人眼所接收到的刺激量，会因背景色的不同而有不同的视觉感受。同时对比带来的视觉现象是由人眼的视觉平衡生理平衡引起的。人类的眼睛对色彩具有自动调节的功能，即人的眼睛对任何一种特定的颜色都同时要求看到其相对补色。同时对比1、明度对比同样一个灰色图形，在白色的背景上看起来显得颜色深一些，在黑色的背景上显得颜色浅一些，这就叫做明度对比。在视觉研究中，经常用对比来表示被观察对象在视场中的清晰程度，艺术上常用明度对比来取得不同的艺术效果。同时对比2、边界对比在明暗图形轮廓边界部分发生的主观对比加强的现象，就成为边界对比。被加强的区域，总是发生在客观亮度变化最大的地方，这是1805年由奥地利科学家马赫发现的，故称为马赫效应。从心理学角度来说，也就是一种边缘对比效应。同时对比3、颜色对比在观察的视场中，人们对一颜色的感觉由于受到了它邻近的其它颜色的影响而发生变化的现象称为颜色对比。也即人的眼睛同时看两个色块，与将两个色块分开单独考虑的视觉效果是不一样的。中性灰色的颜色总是向背景颜色的补色方向变化，这种现象称为颜色同时对比。同时对比3、颜色对比同时对比效果不仅发生在一种灰色和一种强烈的色彩之间，并且也发生在任何两种并非准确地互补色之间。两种色彩都倾向使对方向自己的补色转变。通常红-绿、黄-蓝称为生理补色，这是一种生理现象，即在颜色视觉中，需要有相应的补色来对任何特定的色彩进行平衡。勾边使图像轮廓鲜明两个差异不大的色彩刺激量，同时置于与刺激量相似之背景下，人眼对于两刺激量的视觉差异会较原先来的大。图8灰色块勾边图9红色块勾边勾边使图像轮廓鲜明分析：由图8和图9，可以很明显地看到，两个有色貌比较近似的灰色色块在灰色的背景下，相比在黑色和浅灰色的背景下，两者之间的色貌差别看起来更大。而在另一幅图中，两个有一定色差的深红色色块，在红色背景下的色貌差别，相比黑色背景和白色背景，色相差别要大得多。赫尔森-贾德效应赫尔森-贾德效应是指在高彩度光源照明下，当一个无彩度（中性）的色样比其背景亮度时将呈现的光源的色调，反之，当色样比背景暗时将呈现光源互补色的色调。这种现象并不常见，但是有一些色貌模型如Hunter色貌模型等却对此现象有很好的预测效果。Bartleson-Breneman效应1967年，Bartleson和Breneman发现当一个复杂刺激（图像）的周围环境从黑→暗→亮发生变化时，图像的感知对比度也随着逐渐增加。Bartleson-Breneman效应鉴于Steven所提出的色彩对比会随着明度增大而增大的观点，Barleson和Breneman着手开始进行其相关的试验，将此理论应用于复杂影像上，以观察“影像对比如何随着环境光源的转变而转变”。最后，依照实验结果，推出了一系列会随着光源的转换而改变影响对比的“明度相依公式”。实验结果如下图：Bartleson-Breneman效应其中蓝线为黑条件下的实验结果，绿线表示模糊条件下实验结果，红线表示了平均亮度下的实验结果。可以很明显地看到，图像的对比度在亮的条件下更大。曲线表达了白点重新设置将引起对比度也发生变化。颜色适应由于物理刺激（光）对感受器（眼睛）的持续作用，而使感受性发生变化的现象叫适应性。在照明方式发生改变时，开始人眼会感觉到物体的颜色发生变化，色彩“失真”，但经过一些时间之后，眼睛便习惯于新的光源，物体又重新显示出它原始的不失真的外貌。通常人眼适应于一定的刺激后，再观察另一种颜色时，后者的色彩会发生变化，而带有原适应色的补色成分。先看到的色光对后看到的色彩的影响所造成的颜色变化叫做颜色适应。在印刷行业中广泛应用标准光源来判断色彩，目的就在于消除由光源光色而产生的颜色适应的影响。数码相机中的“自动白平衡”就是为了克服外界环境的影响，实现对色温的控制和校正，决定画面中的白平衡基准点，以此来达到白平衡调校。颜色的恒常性光源照度改变时，物体色外貌会因人眼视觉调试而感觉恒定不变的一种现象，称为颜色的恒常性。也即人眼视觉系统对于光源色照射至影像中“所造成影像色相的改变”会有自动补偿回原有色彩的机制。在日常生活中，每个具有正常色视觉的人都会同样的经验，就是大部分的自然物体色在不同自然光下都具有恒定的色外观，此现象即为色恒性。记忆色人们在长期实践中对某些颜色的认识形成了深刻的记忆，因此对这些颜色的认识有一定的规律并形成固有的习惯，这类颜色就称为记忆色。红苹果、灰云、蓝色天空、绿草地、绿树和黄柠檬的颜色都是常见的记忆色。深深地烙印在人们的大脑中多数人都知道何时这些颜色是对的还是错的。这些颜色在记忆中多数比实际颜色要更为鲜艳。