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图形输出颜色模型

标准颜色模型 XYZ 模型

  • XYZ 颜色模型
    • 加色空间：三基色 XYZ 为虚颜色
    • 一组彩色匹配函数：描述任意光谱色所需每种基色的量
    • $F = X +Y[Y]+Z[Z]$
      • $X,Y,Z$ 匹配 $F$ 色需要的基色的权
      • $ ,[Y],[Z]$: 三维加色空间向量
  • CIE-XYZ （国际照明委员会 CIE 1931）
    • 色度：平面 $X+Y+Z=1$
    • 亮度值：分量 $Y$
    • 规范化基色权向量得到 $(x,y,z)$ 在平面 $X+Y+Z=1$ 上
    • 色度坐标 $(x,y)$: 原点与点 $(x,y,z)$ 连接线上所有颜色，决定色彩和纯度
    • 一种颜色的完整描述 $(x,y,Y)$
  • CIE-XYZ 色度图：将 $X+Y+Z=1$ 平面投影到 $XY$ 平面上
    • 舌头装曲线：边界和内部表示所有可见光色度值
    • 边界上的点：纯彩色
    • C 点：白色位置，约为 $(\frac{1}{3},\frac{1}{3},\frac{1}{3})$，为平均日光近似标准
    • 紫红线：不属于光谱
    • 不可能有一个三角形包含所有颜色
  • 速度图颜色特性
    • 互补色：位于 C 两侧且通过 C 的直线上两点
    • 主波长：与 C 连线交于非紫红线上点
  • 颜色模型：在摸个色彩空间中方便地生成指定颜色

颜色计算模型 Lab 模型

  • CIE Lab 模型描述正常视力的人能看到的颜色
    • 亮度成分
    • 色度成分 $[-120,+120]$
      • a 成分：红色到绿色的变化
      • b 成分：黄色到蓝色的变化
  • 与设备无关
  • 俗语宽阔

显示设备模型 RGB 模型

  • 加色模型，单位立方体

打印设备模型 CMY 模型

  • 减色模型
  • CMYK 模型
  • $(C, M, Y)=(1,1,1)-(R,G,B)$

用户交互模型 HSV 模型

  • HSV 模型
    • 色彩 H: 0 为红色，互补色 180 度
    • 饱和度 S：水平轴，白色纯度为 0，S=1 为纯彩色
    • 明度值 V：垂直轴，锥顶点为黑色
  • 加白色：S 减小，V 不变
  • 加黑色：V 减小，S 不变
  • 同时加白色和黑色：同时减小 V 和 S，可指定各种色调

Tektronix 公司 HLS 模型

  • 色彩 H：0 位蓝色
  • 亮度 L：垂直轴，L=0 为嘿，L=1 为白，L=0.5 为纯彩色
  • 饱和度 S

图形扫描现实原理

光栅扫描

  • 光栅扫描：从左到右，自上而下地逐个像素访问和设置

  • 扫描线：每个水平方向像素集

  • 图像帧：屏幕所有扫描线集

  • 刷新频率：单位时间的循环帧数（一般每秒 60-80 帧）

  • 扫描方式

    • 逐行扫描

      • 扫描线间切换：水平回归
      • 帧间切换：垂直回归

    • 各行扫描：奇场，偶场

    • 屏幕参数

      • 屏幕物理尺寸：对角线长给定

      • 分辨率：每个方向上单位长度可绘制的像素点数 $m\times $

      • 屏幕纵横比

        几何图形视错觉：垂直线比水平线要长些

  • 帧缓冲器

    • 储存单元位长 $n$
    • 灰度等级 $2^n$
    • 全彩色（真彩色系统）：每个像素对应的单元位长为 24 位
    • 帧缓冲器容量至少为 $m\times n\times\lceil \lg k\rceil$
      • 同时显示 $k$ 种颜色
    • 帧缓冲器实际容量远大于屏幕像素图

  • 彩色查找表（调色板）

    • 一维线性表
      • 地址长度：帧缓存器储存单位的位数决定，可同时显示的颜色数
      • 彩色表元素位长决定考研显示的颜色种类数

随机扫描

  • 图形定义：一组画线命令，存放在刷新显示文件储存区
  • 扫描：解释显示列表，按次序组成线条
  • 刷新：周期性的按显示列表的画线命令集，依次画出其组成线条
    • 刷新频率依赖于图形组成的线条数目，通常每秒 30 到 60 次画出所有线条
    • 高性能：正常刷新速下处理约 100000 条短线
    • 显示线条很少时，需延迟刷新周期，避免烧坏荧光层
  • 随机扫描为画线应用设计，不能显示逼真的，有阴影的场景

图形显示结构机理

阴极射线管 CRT

  • 电子枪发出电子束（阴极射线）-> 聚焦系统聚焦和加速电极加速 -> 偏转系统控制位置 -> 击打在荧光层上显示亮点
  • 荧光粉层
    • 余辉时间：荧光层发光层亮度衰减为光亮度十分之一的时间 $10\sim60\mu s$
    • 光电：强度呈高斯分布
      • 光电直径越小，相邻光电亮度重叠越少
      • 两相邻光电可区分条件：间隔大于中心强度60%处的亮点直径
    • 显示分辨率：两个光点间隔满足可区分条件时，荧光屏在水平和垂直方向单位长度上所分布的最大光点数
  • 彩色 CRT：利用产生不同颜色光的荧光小点的颜色组合来显示彩色图形
  • 随机扫描显示：电子束穿透法
    • CRT 荧光屏内涂覆有红绿两层荧光粉
    • 屏幕光点颜色取决于穿透荧光粉层的颜色及其混合色
  • 光栅扫描显示：荫罩法
    • CRT 荧光屏内层每个光点处按一定形式排列红绿蓝三个直径很小且考得很近的荧光小点
    • 传统：三角形
    • 线装：按扫描线状排列

平板式 液晶 LCD

  • 发射显示器：将电能转换为光
    • 等离子体/气体放电显示器
    • 薄片光显示器
    • 发光二极管
  • 非发射显示器：利用光学效应将光源的光转换为图形团
    • 液晶显示器：通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光
  • 不加电场：液晶分子无旋光能力，正交偏振片阻挡光线
  • 加电场：偏振光扭曲通过，像素呈现颜色
  • 液晶显示器的刷新控制
    • 扭曲向列型 TN（无源矩阵式）：液晶像素点由时序扫描直接控制
    • 薄膜晶体管型 TFT（激活矩阵式）：液晶像素由集成在其后的薄膜晶体管驱动

数字墨水 D-ink

  • 数字墨水：包含数百万个细如发丝的微小例子，粒子通电后上下漂动
  • 显示机理：双稳定态，白色颗粒透光，黑色颗粒遮光
  • InkML标准 （W3C）

三维显示 3DTV

  • 3D 效果
    • 运动视差：运动时视角变化
    • 两眼视差：左右眼影像差异从而感受到纵深(3D眼镜)
  • 眼镜立体感图形显示设备
    • 色差式：边缘突出高亮，凹下去遮挡暗色
    • 快门式：为每只眼睛给出不同视图
    • 偏光式：从震动着的柔性镜面反射或从双凸透镜汇总生成
  • 裸眼立体感图形显示设备
    • 光屏障式/狭缝光栅技术：液晶层和偏振膜构造出一系列几十微米宽的垂直条纹；显示时，在背光模块和液晶面板间形成垂直细条栅模式的“视差障壁”
    • 柱状透镜/透镜阵列技术
    • 导向光源技术

图形硬拷贝设备

  • 击打式：点阵打印头
    • 针的总数：图形质量
    • 不同颜色色带：有限彩色
  • 笔式绘图仪：多支笔安装在笔架上，各种彩色和不同粗细的笔用来产生各种阴影和线型
  • 喷墨法：充电荷墨水流受电场偏转产生点阵模式，三种颜色同时逐行喷射
  • 激光设备：激光束在涂覆光电材料的旋转鼓上建立电荷分布，调色剂施于鼓而后转印到纸上形成彩色
  • 静电设备：逐行地沿纸宽方向置负电荷于纸上，而后对充以整点的调色剂曝光
  • 图片质量
    • 可显示的点大小
    • 每英寸点数（dpi）