VCI - 2: 颜色,颜色感知与可视化

颜色

颜色是光的属性,是人类视觉系统对不同波长光的感知。可见光的波长范围大约在400纳米到700纳米之间,不同波长对应不同的颜色。例如,波长约为400-450纳米的光被感知为紫色,450-495纳米为蓝色,495-570纳米为绿色,570-590纳米为黄色,590-620纳米为橙色,620-700纳米为红色。

相加混色和相减混色

颜色的混合可以通过两种主要方式实现:相加混色和相减混色。

  • 相加混色:这是光的混合方式。当不同颜色的光叠加在一起时,会产生新的颜色。例如,红光、绿光和蓝光(RGB)混合可以产生白光。相加混色常用于显示器和投影仪等设备。

  • 相减混色:这是颜料或染料的混合方式。当不同颜色的颜料叠加在一起时,会吸收(减去)某些波长的光,反射出其他波长,从而产生新的颜色。例如,青色、品红色和黄色(CMY)混合可以产生黑色。相减混色常用于印刷和绘画等领域。

颜色的生理机制和感知

  • 视杆细胞: 主要感知光线的明暗

  • 视锥细胞:集中分布于视网膜中央凹,主要感知颜色

人类的视网膜中有三种类型的视锥细胞,分别对红光(L-cones)、绿光(M-cones)和蓝光(S-cones)敏感。

  • 颜色的恒长性:颜色恒长性是指在不同光照条件下,物体的颜色看起来相对稳定的现象。例如,一张白纸在阳光下和阴影中看起来仍然是白色,尽管光线的强度和色温有所不同。颜色恒长性是由大脑通过对比和记忆等机制实现的。

  • 色诱导:色诱导是指一种颜色会影响我们对另一种颜色的感知。例如,在一个红色背景上,白色看起来可能带有一点蓝色调,而在一个绿色背景上,白色看起来可能带有一点红色调。这种现象是由于大脑在处理颜色信息时,会受到周围颜色的影响。(体现其补色)

  • 色觉缺陷:

    • 单色视觉(完全色盲):视锥细胞不可用,只能使用视杆细胞,只能感知一种颜色,通常是黑白灰。
    • 双色视觉(Protanopia, Deuteranopia, Tritanopia):缺少一种类型的视锥细胞,导致对某些颜色的感知异常。例如,红绿色盲(Protanopia和Deuteranopia)使得红色和绿色难以区分,而蓝黄色盲(Tritanopia)使得蓝色和黄色难以区分。

颜色空间

RGB颜色空间

RGB颜色空间是一种基于红、绿、蓝三种颜色通道的颜色表示方式。

  • 优势:与发光原理相同
  • 劣势:不符合人类视觉感知

HSV颜色空间

HSV颜色空间是一种基于色调(Hue)、饱和度(Saturation)和明度(Value)的颜色表示方式。

  • 优势:更符合人类的颜色感知方式,便于理解和操作颜色
  • 劣势:不如RGB颜色空间直观,转换复杂

色域

HDR(高动态范围)图像可以表示比标准动态范围(SDR)图像更多的亮度级别和颜色细节。

Gamma校正

Gamma校正是一种非线性操作,用于调整图像的亮度和对比度,以匹配人类视觉系统对亮度的感知。人眼对亮度的感知是非线性的,对暗部细节更敏感,而对亮部细节不太敏感。通过应用Gamma校正,可以使图像在显示设备上看起来更自然和真实。

颜色在数据可视化中的应用

  • 颜色直接叠加
  • 加入噪声



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