色度学基础：彩色三要素和三基色原理

1.光的颜色与彩色三要素

光的颜色取决于客观与主观两方面的因素。客观因素是它的功率波谱分布，光源的颜色直接取决于它的辐射功率波谱Φ（λ），而彩色物体的颜色不仅取决于它的反射特性ρ（λ）和透射特性τ（λ），而且还与照射光源的功率波谱Φ（λ）有密切关系。主观因素是人眼的视觉特性，不同的人对于同一Φ（λ）的光的颜色感觉可能是不相同的。

在色度学中，任一彩色光可用亮度、色调和色饱和度这三个基本参量来表示，称为彩色三要素。

亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉。

色调是指颜色的类别，通常所说的红色、绿色、蓝色等，就是指色调。色调与光的波长有关，改变光的波谱成分，就会使光的色调发生变化。

饱和度是指彩色光所呈现色彩的深浅程度（或浓度）。

色调与色饱和度合称为色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。

非彩色只有亮度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。

2.三基色原理及应用

三基色原理是指自然界中常见的大部分彩色都可由三种相互独立的基色按不同的比例混合得到。三基色原理包括如下内容：

1）选择三种相互独立的颜色基色，即不能以其中两种混合而得到的第三种颜色作为基色，将这三基色按不同比例进行组合，可获得自然界各种彩色感觉。如彩色电视技术中选用红（R）、绿（G）和蓝（B）作为基色，印染技术中选用黄（Y）、品红（M）、青（C）作为基色。

2）任意两种非基色的彩色相混合也可以得到一种新的彩色，但它应该等于把两种彩色各自分解为三基色，然后将基色分量分别相加后再相混合而得到。

3）三基色的大小决定了彩色光的亮度，混合色的亮度等于各基色分量亮度之和。

4）三基色的比例决定了混合色的色调，当三基色混合比例相同时，色调相同。

利用三基色原理，将彩色分解和重现，最终实现在视觉上的各种不同彩色，是彩色图像显示和表达的基本方法。相加混色和相减混色是两种基本的颜色合成方法。

（1）相加混色

相加混色不仅运用三基色原理，还进一步利用人眼的视觉特性，产生较相减混色更宽的彩色范围。常用的相加混色方法有以下三种：(www.xing528.com)

●时间混色法：将三基色按一定比例轮流投射到同一屏幕上。由于人眼的视觉惰性，只要交替速度足够快，产生的彩色视觉与三基色直接相混时一样。这是时序制彩色电视图像显示的基础。

●空间混色法：将三基色同时投射到彼此距离很近的点上，利用人眼分辨力有限的特性而产生混色，或者使用空间坐标相同的三基色光同时投射产生合成光。这是彩色电视图像和计算机图像显示器的显示基础。

●生理混色法：利用两只眼睛分别观看两个不同颜色的同一景象，也能获得混色效果。

（2）相减混色

相减混色利用了滤光特性，即在白光中减去不需要的彩色，留下所需要的颜色，如印染、颜料等都是采用相减混色。

三基色原理是彩色电视的基础，人眼的彩色感觉和彩色光的光谱成分有密切关系，但不是决定性的，只要引起的彩色感觉相同，都可以认为颜色是相同的，而与它们的光谱成分无关。因此，在彩色视觉重现的过程中，并不一定要求重现原景象的光谱成分，而是应获得与原景象相同的彩色感觉。对于千变万化的彩色景象，无需按其光谱成分及强度的真实分布情况来传送，只要传送其中能合成它们的三种基色就可以完全等效，并能获得与原景象相同的彩色视觉。利用三基色原理就可以大大简化彩色电视信号的传输。

3.配色方程与亮度公式

假定三个基色采用NTSC制显像三基色，则配出光通量为1lm（流明）的C_白光时，需要红基色光0.299lm，绿基色光0.587lm，蓝基色光0.114lm。若规定红、绿、蓝三个基色单位为[R]、[G]、[B]，它们分别代表0.299lm红基色光、0.587lm绿基色光、0.114lm蓝基色光，则1lm的C_白光可表示为

F_1C=1[R]+1[G]+1[B] （1-2）

对于任意给定的彩色光F，可表示为

F=R[R]+G[G]+B[B] （1-3）

上式称为配色方程，R、G、B分别为红、绿、蓝基色单位数，称为色系数。三基色单位数（三色系数）的比例关系决定了所配彩色光的色度（三者相等时为C_白光）；而它们的数值则决定了所配彩色光的光通量。根据三基色单位所代表的光通量，彩色光F的光通量可表示为

F=0.299R+0.587G+0.114B （1-4）

在色度学中，通常把由配色方程式配出的彩色光F的亮度用光通量来表示，即

Y=0.299R+0.587G+0.114B （1-5）

这就是常用的亮度公式。