颜色模型浅谈(一）

一、光的电磁理论

　　众所周知，光是一种电磁波，它是由交替变化的电场和磁场组成的。由理论证明，对人眼以及感光仪器起作用的是电场强度E。对于光的强度一般用平均能流密度Î来描述，它是和电场强度振幅A的平方成正比，即：

Î∝A²

　　一般我们用来描述光源的三个基本要素分别是：色彩，纯度和亮度。

　　光有单色光和复色光之分，光的颜色是由它的频率决定的，若一束光中只包含单一的频率，则它就是单色光（通常所说的光谱颜色红、橙、黄、绿、青、靛、紫就是单色光）；反之若包含多种频率则是复色光，它的颜色则取决于它的主频率，即振幅最大的那个频率（白光就是复色光，它包含了全部频率的可见光）。

　　纯度是用来描述光的颜色有多少纯的物理量，显然单色光是最纯的，因为它不包含任何其它的颜色，而白色光是最不纯的。

　　光的亮度是个比较复杂的概念，其中包含了许多相关的概念，下面我一一阐述。

　　1.辐射通量ξ：它表示一束光通过单位面积的辐射功率，单位是瓦特。对于某一频率λ附近的光的相对辐射通量，我们用分布函数e(λ)来描述。这样对于某一波段λ的光，它的辐射通量可以表述为：

ξ=e(λ)dλ

　　2、视见函数ν(λ)：有了辐射通量还不足以描述光的亮度，因为相等辐射通量的光，由于频率不同，人眼感受到的视觉强度是不同的。人眼对黄绿光最敏感，对而红外线和紫外线等则不引起视觉。为了表征客观的辐射通量和人眼的主观感受之间的关系，我们引入了视见函数ν(λ)的概念。若有一波长为λ的光和一波长为555nm的光，产生相同亮、暗视觉所需的辐射通量分别为Δξλ和Δξ555nm，则比值:

ν(λ)=Δξλ/Δξ555nm

就称为视见函数。下图是由实验得出的视见函数曲线。

　　3、光通量Ф：有了视见函数，我们就可以研究光源辐射通量对人眼引起的视觉强度，即光通量Ф，它等于辐射通量与视见函数的乘积。这样对于某一波段λ的光，它的光通量可以表述为：

dФλ=kmν(λ)e(λ)dλ

　　式中km称为最大光效率，为一常数。光通量与辐射通量具有相同的量纲，但光通量的单位是流明（lumen），这个单位就是我们最常接触到的光强单位。

　　有了上述概念，对于我们研究颜色模型已经足够了，下面再顺带介绍一些相关的概念：

　　4、发光强度I：用来表征光源发出的光通量在空间的分布的物理量。
　　I＝dФ／dΩ
　　式中dΩ是点光源在某一方向所张的立体角元。
　　I的单位：坎德拉(Candela)，代号：坎(cd)，这就是国际单位制中七个基本单位之一。

　　5、照度E：用来表征受照面被照明程度的物理量。
　　E＝dФ／dσ
　　式中dσ表示一面积元。
　　E的单位：勒克斯(lux)，代号：勒(lx)。

　　6、亮度B：用来表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理量。
　　B＝dΩ／(dS cos qdΩ)
　　式中dS cos q是发光体面元的表观面积。
　　B的单位：尼特(nit)，代号：尼特(nt)。

　　明白了上述概念，那我们也就可以理解为什么把彩色转为灰度是Y=R*0.299+G*0.587+B0.144，而不是简单的Y=(R+G+B)/3。