彩色成像的基础和应用 原理 Principles（一）

下面我将不定期尽可能出一系列（我觉的非常好）翻译的文章来解释颜色这们学科。【下图为此次翻译的书籍封面】                    
                      

 

 Introduction:

颜色是一种与光的物理学，物质的化学，物体的几何特性以及人类视觉感知和认知有关的现象。我们可以将阳光称为黄色，在这种情况下，我们称光为一种属性。汽车可以被涂成红色，在这种情况下，红色是汽车的一个属性。当光线进入眼睛时，一系列复杂的事件会导致颜色的感觉。最后，颜色可能会被记住，与事件相关联，并被推理出来。这些都是颜色的认知方面。颜色在不同的情况下意味着不同的东西。[814]。

注: [814]（Fundamentals of Color Science 这本书是汇集了不同领域的专家来解释不同领域的对颜色的解释。是一片非常不错的文章）

与此同时，很明显，对颜色的理解将会涉及到这些方面。因此，颜色理论及其应用的研究必须跨越几个不同的领域，包括物理学，化学，光学，辐射测量学，光度学，色度学，生理学，视觉科学，颜色外观建模和图像处理。因此，表面上似乎是一个相对简单的主题，却有许多隐藏的深度。也许这就是在计算机科学的实际应用中——计算机视觉、图形和图像处理——颜色的使用经常被未得到充分探索和误解的原因。

在我们看来，要有足够的深度来理解颜色，并能够将这些知识应用到你自己感兴趣的领域，仅仅阅读任何一个特定学科的文献都是不够的，无论是计算机图形学、计算机视觉、摄影、艺术等。相反，为了欣赏色彩的微妙性和复杂性，有必要走出自己的领域。

因此，本书的目的是解释色彩理论的发展和当前的最新技术，以及色彩理论在计算机制图、计算机视觉、摄影和电影等以工程为导向的学科中的实际应用。在此过程中，我们深入探讨了光的物理学及其与物质在原子层面上的相互作用，从而了解色彩的起源。我们发现，能级、轨道状态和电磁波之间的密切关系有助于理解为什么钻石会闪闪发光、红宝石是红色的、蓝鸦的羽毛是蓝色的。甚至在光线进入眼睛之前，很多事情就已经发生了。

当考虑到感知时，颜色的复杂性就会成倍增加。无论怎么想象，人的眼睛都不是一个简单的光探测器。人类视觉能够解决一个固有的不受约束的问题：它试图利用二维光学投影使三维世界有意义。要重建一个三维的世界，人类的视觉系统需要对世界的结构做出许多假设。考虑到找到一个只能部分复制这些成就的计算解决方案是多么的困难，这个系统的工作原理是相当值得注意的。

当违反这些假设时，人类的视觉系统就会被蒙蔽，感知到错误的东西。例如，如果从上方照亮一张人脸，那么这张人脸立刻就能被辨认出来。如果同一张脸从下面照过来，则几乎无法确定这是谁的脸。可以说，只要假设被打破，就会出现视觉错觉。因此，视错觉对于了解人类视觉系统如何运作非常重要。同时，视错觉也很重要，例如在计算机图形学中，它可以帮助我们了解哪些图像特征需要正确呈现，哪些特征可以近似呈现，同时又能保持真实感。

色彩理论是这本书的核心。所有其他主题都支持了在工程应用中正确使用颜色的重要性。我们发现，颜色经常被认为是理所当然的，和工程解决方案，特别是在计算机图形学和计算机视觉，因此显得不理想。为了纠正这种平衡，我们提供了详细介绍控制颜色及其感知的所有重要问题的章节，以及许多应用示例。

本文首先简要评估了色彩在自然和社会等不同环境中扮演的角色。

1.1 自然界中的颜色

生物体被嵌入在一个与它们相互作用的环境中。为了最大限度地生存，他们必须与这个环境保持一致。颜色在三个方面发挥着重要作用：
        ·生物可能默认为有色，但这并不会给它们带来特定的生存优势。例如，大多数植物都是绿色的（图 1.1），这是因为叶绿素是一种在光合作用中发挥作用的色素。
                                             

       
        ·在许多物种中，颜色与同一物种或其他物种的颜色视觉一起进化，例如伪装（图1.2），吸引伙伴（图1.3），吸引传粉者（图1.4），或者似乎对潜在的捕食者失去食欲（图1.5）。
       
        ·生化物质可能被优化以提供与颜色无关的特定功能。一个例子是血红蛋白，它由于其铁含量而染成血红色。这种功能性的颜色通常出现在体内，而不是在身体表面。

植物反射绿色，并吸收所有其他颜色的光。特别是，植物会吸收红光和蓝光，并利用所获得的能量来驱动碳水化合物的生产。据推测，这两种颜色被两种单独的机制吸收，使植物在不同的光照条件下以最大效率的光合作用[518,769]。
                                        

                                            
                                            

                                    

                                    

植物的颜色也有助于其他功能，如调节温度。在干旱的气候条件下，植物经常反射各种颜色的光线，因此出现轻微的颜色，如图1.6所示的沙漠玫瑰。

据说，人类的色觉是与水果的颜色共同进化而来的 [787,944]. 在工业化的白种人中，色觉缺陷的发生率相对较高。而在土地上劳作的人中，色觉发育得更好。因此，总的来说不依赖色觉生存的人的色觉会减弱[216]。

人的肤色主要是由黑褐素和白褐素等色素造成的。前者为棕色至黑色，后者为黄色至红棕色。人体皮肤的一些颜色来自散射和血管[520]。

光散射与黑色素沉着相结合，也是决定人类和哺乳动物眼睛颜色的机制。眼睛的颜色似乎与反应能力有关。在动物世界中，跟踪猎物的猎人眼睛颜色多为浅色，而以反应方式捕获猎物的猎人，如在飞行中捕捉昆虫的鸟类，眼睛则为深色。这种差异在人类中也有体现，深色眼睛的人对视觉和听觉刺激的反应速度往往快于浅色眼睛的人 [968]。

                                                      

                                                     

1.2 社会中的色彩

人类利用颜色进行交流的历史可能与人类本身一样悠久。考古学家在约 30 万年前直立人居住的遗址中发现了彩色材料，特别是不同色调的赭石[519]。

当然，颜色在艺术中仍然是一种重要的交流手段[695,1257,1291]（图1.7），即使是在颜色是由微妙的反射产生的情况下（图1.8）。

                                            

色彩在宗教中也扮演着重要角色，教堂窗户上的彩绘可以给教徒留下深刻印象。教堂的内部装饰反映了它所处的时代，有的明亮通风，有的阴暗沉闷（图 1.9）。

随着现代科技的发展，色彩的新用途已成为一种时尚。重要领域包括色彩再现[509]、照明设计[941]、摄影[697]以及电视和视频[923]。色彩在计算机制图、计算机视觉和其他工程学科中也发挥着至关重要的作用，但也许并没有发挥应有的作用。在本书中，我们将举例说明色彩在这些领域中的应用。

1.3 这本书内容

本书深入探讨了与色彩有关的各种主题。我们的意图是只解释色彩科学的一个子集，但会深入讨论我们选择的每个主题。我们所选择的主题旨在为那些在工作中需要对色彩有比一般理解更深的理解的人提供相关知识，我们设想这些人将从事计算机制图、计算机视觉、动画、摄影、图像处理和相关学科的工作。

任何学科中对色彩的使用，都或明或暗地以描述光的物理以及人类对光的感知的理论为基础。因此，我们在前几章中对光、光在真空和其他介质中的传播以及光与边界的相互作用进行了相当详细的阐述。

光的物理学受麦克斯韦方程组的支配，它是我们思考光的波性质的基础。没有这些方程，就不会有物理光学。由于辐射测量学和几何物理学中的几乎所有内容都源自麦克斯韦方程组，我们预计，如果没有这些方程组，更深层次的研究领域也将大相径庭。受影响的领域包括光度学、照明设计、计算机制图和计算机视觉。因此，我们在本书的开头详细介绍了电磁波，并展示了辐射测量学、几何光学和计算机制图的大部分内容是如何从电磁波中衍生出来的。

虽然光的波特性是理解光特性的有力模型，但电磁辐射理论并不能 解释所有可测量的光行为。特别是，光有时表现为 粒子，而电磁理论却无法捕捉到这一事实。因此，在第 3 章中，我们将简要介绍量子力学和分子轨道理论、 因为它们是理解光如何在原子尺度上与物质相互作用的基本工具。这种相互作用是吸收、发射、衍射和色散等各种行为的起因。这些理论有助于深入了解 为什么水是淡蓝色的 "和 "为什么红宝石是红色的，蓝宝石也可以是蓝色的 "等问题。因此，第 3 章的主要内容是解答有关颜色成因的问题。（彩色成像的基础和应用 二）讨论光的传播，（彩色成像的基础和应用 三）则主要讨论光与物质的相互作用。物质。

（彩色成像的基础和应用 四）简要介绍了人类视觉。书中介绍了眼睛的光学以及统称为人类视觉系统的神经生理学。这方面的科学文献浩如烟海，全面介绍视觉系统的神经元处理过程超出了本书的范围。不过，很明显，随着更复杂技术的出现，曾经相对简单的视觉皮层颜色处理理论已经变得不那么简单了。这种趋势一直持续到今天。早期根据单细胞记录做出的推断已被大量知识所取代，而这些知识往往相互矛盾，每项新的研究都会提出令人感兴趣的新问题。不过，总的来说，颜色似乎并不是作为单独的图像属性来处理的，而是与位置、大小、频率、方向和方位等其他属性一起处理的。

色彩也可以从感知的角度来推测。在这里，人类的视觉系统被视为一个黑盒子，其输出是可以测量的。在心理物理测试中，参与者被设定了一项任务，必须在视觉刺激出现时完成。通过将任务反应与呈现的刺激相关联，可以得出有关人类视觉系统的重要结论。（彩色成像的基础和应用 五）介绍了这一研究领域中与色彩理论相关的一些发现。其中包括视错觉、适应、视觉敏锐度、对比敏感度和恒定性。

在接下来的章节中，我们将以色彩理论的基本原理为基础。（彩色成像的基础和应用 六）讨论辐射测量和光度测量，（彩色成像的基础和应用 七）讨论色彩测量。针对不同用途的色彩空间进行了大量研究。（彩色成像的基础和应用 八）介绍了许多目前使用的色彩空间，并解释了每个色彩空间的优缺点。本章的目的是给出现有色彩空间之间的转换，并使人们能够为特定任务选择合适的色彩空间，同时认识到每个任务可能需要不同的色彩空间。

（彩色成像的基础和应用 九）讨论光源及其理论公式（称为光源）。（彩色成像的基础和应用 十）介绍色度适应，说明对彩色物体的感知不仅取决于物体的反射率，还取决于物体的颜色。对彩色物体的感知不仅取决于物体的反射率，还取决于物体的光照和观察者的适应状态、 还取决于物体的光照和观察者的适应状态。虽然 虽然比色法足以描述颜色，但还需要一个扩展模型来解释颜色所处的环境。尽管比色法足以描述颜色，但还需要一个扩展模型来解释观察颜色时所处的环境。颜色外观 模型的输入是光斑的颜色以及对环境的参数化描述。环境的参数化描述。然后，这些模型会根据环境计算出描述颜色感知属性的外观相关系数。颜色外观 模型将在（彩色成像的基础和应用 十一）中介绍。

文章第三部分的重点是图像，尤其是图像的捕捉和显示。这一部分的大部分内容涉及高动态范围图像的捕捉，因为我们认为这种图像越来越重要，很可能成为处理图像的所有应用中的事实标准。

（彩色成像的基础和应用 十二）涉及图像捕捉，包括对图像形成所涉及的光学过程以及数字传感器相关问题的深入描述。本章还包括有关相机特性和更专业的捕捉技术（如全息和光场数据）的章节。 （彩色成像的基础和应用 十三）讨论了捕捉高动态范围图像的技术。重点是多重曝光技术，因为这些技术目前 成本效益最高，只需要一台标准相机和适当的软件。

（彩色成像的基础和应用 十四）讨论了显示硬件，包括传统和新兴显示硬件。这里的重点是液晶显示设备，因为这些设备目前是主流的显示技术。此外，还讨论了显示屏校准技术。

（彩色成像的基础和应用 十五）专门讨论自然图像统计，该领域是帮助理解人类视觉系统的重要工具，也是帮助构建和改进图像处理算法的重要工具。本章还包括 还讨论了跨媒体显示技术、色域映射、伽玛校正以及校正显示设备反射光的算法。（彩色成像的基础和应用 十六）介绍了图像的色彩管理，重点是 ICC 配置文件。最后，（彩色成像的基础和应用 十七）介绍了色调再现方面的当前问题，这是准备在传统显示设备上显示高动态范围图像所需的算法集。

本章第三部分介绍的每个主题的重点都是色彩管理，而不是空间处理。因此，这些章节是对现有图像处理书籍的补充，而不是替代。

1.4 进一步阅读

Nassau 的书 [814] 描述了颜色的历史，而 MacAdam 的书 [717,720] 收集了一些颜色科学的历史。染料和颜料的历史概述可在《The Story of Dyes and Pigments》[245]中找到。 Lamb 和 Bourriau 编辑的论文集概述了艺术和科学中的色彩[642]。最后，Rolf Kuehni 的《Color Space and its Divisions: Color Order from Antiquity to Present》中收集了色彩顺序的历史，包括实际应用[631]。


Refrenece：
[814] K. Nassau. “Fundamentals of Color Science.” In Color for Science, Art and Technology, edited by K. Nassau. Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1998.

[518] J. B. Hutchings. “Colour and Appearance in Nature, Part 1.” Colour Research and Application 11 (1986), 107–111.

[769] H. McTavish. “A Demonstration of Photosynthetic State Transitions in Nature.” Photosynthesis Research 17 (1988), 247–247.
[787] J. D. Mollon. “‘Tho’ She Kneel’d in that Place where They Grew...’, The Uses and Origins of Primate Colour Vision.” Journal of Experimental Biology 146 (1989), 21–38.
[944] B. C. Regan, C. Julliot, B. Simmen, F. Vienot, P. Charles-Dominique, and J. D. Mollon. “Fruits,Foliage and the Evolution of Primate Colour Vision.” Philosophical Transactions of the RoyalSociety of London, B 356:1407 (2001), 229–283.

[216] R. Cruz-Coke. Colour Blindness — An Evolutionary Approach. Springfield, IL: Charles C Springfield, 1970.

[520] J. B. Hutchings. “Color in Plants, Animals and Man.” In Color for Science, Art and Technology,edited by K. Nassau. Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1998.

[968] A. H. Robins. Perspectives on Human Pigmentation. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1991.
[695] M. S. Livingstone. Vision and Art: The Biology of Seeing. New York: Harry N Abrams, 2002.

[1257] S. Wurmfeld. “Color in Abstract Painting.” In Color for Science, Art and Technology, edited by K. Nassau. Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1998.

[1291] S. A. Zeki. Inner Vision: An Exploration of Art and the Brain. Oxford, UK: Oxford University Press, 2000.
[519] J. B. Hutchings. “Color in Anthopology and Folklore.” In Color for Science, Art and Technology, edited by K. Nassau. Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1998.
[509] R. W. G. Hunt. The Reproduction of Colour, Sixth edition. Chichester, UK: John Wiley and Sons Ltd., 2004.
[941] M. S. Rea, editor. The IESNA Lighting Handbook: Reference and Application, Ninth edition.New York: The Illuminating Engineering Society of North America, 2000.

[697] B. London and J. Upton. Photography, Sixth edition. London: Longman, 1998.

[923] C. Poynton. Digital Video and HDTV: Algorithms and Interfaces. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 2003.

[814] K. Nassau. “Fundamentals of Color Science.” In Color for Science, Art and Technology, edited by K. Nassau. Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1998.

[717] D. L. MacAdam. Sources of Color Science. Cambridge, MA: MIT Press, 1970.

[720] D. L. MacAdam. “Introduction.” In Selected Papers on Colorimetry — Fundamentals, edited by D. L. MacAdam. Bellingham, Washington: SPIE Optical Engineering Press, 1993.
[245] F. Delamare and B. Guineau. Colors: The Story of Dyes and Pigments. New York: Harry N Abrams, 2000.
[642] T. D. Lamb and J. Bourriau, editors. Colour: Art and Science. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1995.

[631] R. G. Kuehni. Color Space and Its Divisions: Color Order from Antiquity to the Present. New York: Wiley-Interscience, 2003.