顏色科學(xué) 課件 -08 色貌與色貌模型

第八章色貌與色貌模型

西安理工大學(xué)鄭元林2012-06-04（本科生可以不講本章）學(xué)習(xí)目標(biāo)本章不作為本科教學(xué)的必學(xué)內(nèi)容，可以根據(jù)教學(xué)大綱靈活安排了解色度和色貌的區(qū)別了解色貌現(xiàn)象了解色貌模型的結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)MarkD.Fairchild．ColorAppearanceModels，JohnWiley&Sons,Inc.2004MoroneyN，etal．TheCIECAM02colorappearancemodel[C]．//TenthColorImagingConference:ColorScienceandEngineeringSystems,Technologies,andApplications．Scottsdale,Arizona：Citeseer，2002ofConference：23-27．石俊生．CIECAM02色貌模型應(yīng)用存在的問題及建議解決的方法[J]．激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，(04)：18-25．LiChangjun,etal．DifferentmatricesforCIECAM02[J]．ColorResearch&Application，2014，39(2)：143-153．1、基本術(shù)語色相（色調(diào)，Hue）明度（Lightness）飽和度（Saturation）彩度（Chroma）視明度（Brightness）視彩度（Colorfulness）1.1明度與視明度明度(Lightness)：指觀察者對所觀察顏色的刺激所感知到的視明度相對于同一照明條件下完全漫反射體視明度的比值，明度是一個相對量

Lightness視明度Brightness白點(diǎn)的視明度視明度(Brightness)：指觀察者對所觀察的顏色刺激在明亮程度上的感受強(qiáng)度，或認(rèn)為是刺激色輻射出光亮的多少，過去也曾經(jīng)稱為主觀亮度。視明度是一絕對量，其大小變化對應(yīng)于顏色刺激表現(xiàn)為從亮（brightordazzling）變?yōu)榘?dimordark)或從暗變?yōu)榱痢?.2視彩度和彩度視彩度（colorfulness）是指某一顏色刺激所呈現(xiàn)色彩量的多少或人眼對色彩刺激的絕對響應(yīng)量。一般情況下，照度增加，物體變得更明亮，人眼對其的色彩知覺也相應(yīng)變得更強(qiáng)烈，即視彩度增加。如果某顏色為沒有色彩刺激的中性顏色，則其視彩度為0。彩度（chroma）彩度是相對量，等于視彩度（colorfulness）與相同照明條件下的白色物體視明度（brightness）之比。1.3飽和度

飽和度（saturation）是一種相對量，等于色刺激的視彩度與視明度之比。對于給定的照明條件，在明視覺照度水平下，一個顏色大體上具有恒定的飽和度，除非視明度特別高。1.4相關(guān)色和非相關(guān)色相關(guān)色(RelatedColor)與背景有關(guān)的顏色非相關(guān)色(UnrelatedColor)與背景無關(guān)的顏色1.5各屬性間關(guān)系彩度/飽和度彩度/飽和度完整描述一個顏色色相（色調(diào)，Hue）明度（Lightness）彩度（Chroma）視明度（Brightness）視彩度（Colorfulness）視明度/彩度vs.明度/色彩當(dāng)預(yù)測的顏色要在不同的觀測條件下匹配時，視明度-彩度匹配是不同于明度-色彩匹配的。參見Nayatanietal.(1990).對于一般的顏色和典型的條件，在實(shí)際中都選擇視明度-彩度匹配（復(fù)制）。高照度下的復(fù)制低照度下的復(fù)制2、色貌現(xiàn)象當(dāng)兩個顏色的三刺激值相同，如果這兩個顏色的外貌不同，那肯定就是它們的觀察條件不同.不同的色貌現(xiàn)象描述了觀察條件的改變和色貌改變的關(guān)系Bezold-BrückeHueAbney效應(yīng)(ShiftAbneyEffect)Helmholtz-Kohlrausch效應(yīng)(Helmholtz-KohlrauschEffect)Hunt效應(yīng)(HuntEffect)Stevens效應(yīng)(StevensEffect)同時對比（SimultaneousContrast）CrispeningHelson-JuddEffectBartleson-BrenemanEquationsChromaticAdaptationColorConstancyMemoryColorObjectRecognition2.1同時對比背景變化顏色變化更暗更亮紅綠黃藍(lán)更亮更暗綠紅藍(lán)黃背景會影響在其中的顏色的外貌顏色（刺激）背景下表是顏色和背景的相互作用和適應(yīng)性JosefAlbers圖復(fù)雜的空間交互作用2.2Hunt效應(yīng)

照度和色彩的變化關(guān)系(非真實(shí)數(shù)據(jù))對于一個固定的顏色，其色彩感覺會隨著照度(luminance)的增加而增加。隨著照度的提高，就要降低顏色的色度以保持和原來的刺激一樣。下圖表明視覺處理過程的非線性化2.3Stevens效應(yīng)

隨著照度的提高，感知亮度對比也隨之提高，即暗色越暗，亮色越亮。左圖說明了照度的非線性化Stevens&Hunt效應(yīng)2.4Bartleson-Breneman效應(yīng)對于不同的照度環(huán)境，亮度是照度的函數(shù)復(fù)雜刺激（圖像）的對比度隨著環(huán)境照度的提高而提高。降低環(huán)境照度會提高所有圖像的明度，對暗色效果比較明顯。左圖是對比效果（重設(shè)了白點(diǎn)）環(huán)境效果示例背景從暗到白，則感知對比隨之降低2.5適應(yīng)明適應(yīng)(LightAdaptation):提高照度就會降低視覺敏感度暗適應(yīng)(DarkAdaptation):降低照度就會提高視覺敏感度色適應(yīng)(ChromaticAdaptation):顏色視覺的獨(dú)立敏感規(guī)律局部適應(yīng)線性映射感知映射色適應(yīng)

三種錐體細(xì)胞(LMS)相互對立接收刺激。(在更高水平機(jī)制上，適應(yīng)也會出現(xiàn)。)

色反應(yīng)的程度視適應(yīng)的狀態(tài)（局部的、空間的、時間的）而定。視覺殘留證明了這一點(diǎn)。CIE國際照明委員會在1987年對色適應(yīng)做了定義：當(dāng)色彩刺激改變，特別是在照明改變時，視覺保持彩色物體色彩近似的補(bǔ)償程序。2.6恒常性(Discounting)

當(dāng)照明的顏色發(fā)生了很大的變化時，我們依然感覺物體的顏色沒有發(fā)生變化。?事實(shí)上發(fā)生了變化?色適應(yīng)?一定的顏色記憶?認(rèn)知上忽略光源的特性DiamondsWithTipsOnBackgroundsBothTips&Backgrounds!2.7Purves“Brown”現(xiàn)象3、色適應(yīng)模型色適應(yīng):三種錐體細(xì)胞接收刺激是獨(dú)立的色適應(yīng)模型色適應(yīng)模型輸出原始圖像適應(yīng)后的感知圖像色適應(yīng)轉(zhuǎn)換輸出A光源圖像轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的D65外貌D65光源下的圖像A光源下的圖像色適應(yīng)模型分析優(yōu)點(diǎn):?顏色對應(yīng)?可以進(jìn)行色彩復(fù)制?簡單缺點(diǎn):?沒有外貌屬性(如，色相、亮度、彩度)?不能編輯、Gamut映射等

既然色適應(yīng)模型僅僅提供了名義上的尺度，因此，就不可能考慮所有的觀察條件，也就永遠(yuǎn)不可能知道一個顏色的刺激應(yīng)該是什么樣子。但是，色適應(yīng)模型可以根據(jù)顯色系統(tǒng)的索引（標(biāo)號）來確定顏色外貌。錐體細(xì)胞興奮它們是怎樣被發(fā)現(xiàn)的??二色視覺者Copunctal點(diǎn)?色適應(yīng)?視網(wǎng)膜的選擇性?視網(wǎng)膜色素吸收測量?遺傳學(xué)為什么很重要??參數(shù)第一階段的顏色信號?受顏色適應(yīng)機(jī)制的控制XYZ到LMS的轉(zhuǎn)換JohannesvonKriesJohannesvonKries“色適應(yīng)模型之父"“如果有一天可以直接用眼去客觀的識別和分辨光的不同效果，人們也許會面帶可憐的微笑去回憶幾十年來為了理解這種現(xiàn)象走的曲折的道路?！眝onKries假設(shè)“可以這樣設(shè)想，視覺器官的各個組成部分相互之間完全獨(dú)立，每一個部分根據(jù)它自己的功能可能產(chǎn)生疲憊或比較興奮。

-vonKries,1902La=kLLMa=kMMSa=kSSVonKries認(rèn)為這種平衡理論作為Grassmann理論的延伸，跨越了二種觀察條件?，F(xiàn)代“vonKries”模型一些CATs方程N(yùn)ayatanietal.非線性模型Fairchild(1991)&(1994)模型Bradford模型CIELAB&CIELUVCAT02Fairchild(2001)線性CATs能夠完成任務(wù)，如Bradford通過矩陣優(yōu)化，而不是LMS和“光譜銳化”（SpectralSharpening）關(guān)聯(lián)CalabriaandFairchild(2001)CATs成組微不足道的差別CAT02inCIECAM02簡化的vonKies(100年后!)非LMS矩陣線性CATs簡化的vonKries模型“優(yōu)化和”XYZ-to-RGB轉(zhuǎn)換MCAT定義了這種轉(zhuǎn)換選擇CATVariousTechniquesusedtoDeriveMCATCalabria&Fairchild(2001)“HerdingCATs”O(jiān)nlyLMSSignificantlyDifferentTC8-01CompromisedonMCAT02BasisofCIECAM02外貌怎么樣？

WhatAboutAppearance?色適應(yīng)模型沒有提供色貌尺度。兩種在它們各自觀察條件中的刺激可以相互匹配。但是，它們是什么顏色呢？外貌需要色貌模型得到下列屬性的間隔和比例尺度：明度(Lightness),視明度(Brightness),色相(Hue),彩度(Chroma),視彩度(Colorfulness).4、色貌模型

色貌模型提供了把刺激和觀察環(huán)境的物理量轉(zhuǎn)換為顏色的相關(guān)感覺屬性（如亮度、彩度、色相等）的函數(shù)。色貌模型主要解決不同媒體在不同照明條件、不同背景、不同環(huán)境、不同觀察者下的顏色真實(shí)復(fù)制的問題。4.1色貌模型的結(jié)構(gòu)色適應(yīng)轉(zhuǎn)換

相應(yīng)的顏色顏色空間構(gòu)造錐體細(xì)胞反應(yīng)對立反應(yīng)外貌關(guān)聯(lián)舉例：CIELABCIELAB可以:?色適應(yīng)建模ModelChromaticAdaptation?響應(yīng)壓縮建模ModelResponseCompression?包含了相關(guān)的明度、彩度、色相?包含了色差公式CIELAB不能夠:?預(yù)測基于照度的效果?預(yù)測背景或環(huán)境的效果?進(jìn)行精確地適應(yīng)轉(zhuǎn)換作為色貌模型的CIELAB色適應(yīng)X/Xn,Y/Yn,Z/Zn對立反應(yīng)X-YY-Z均勻性常量116,500,200立方根CIELAB方程CIELAB明度(Lightness)CIELAB彩度NeutralsHaveZeroChroma,C*=0.0CIELAB的飽和度由于缺少相關(guān)的色度圖，CIELAB的飽和度并未給出官方的定義然而，由彩度（色彩/白的明度）亮度（明度/白的明度）飽和度（色彩/明度）的定義得出Saturation=C*/L*CIELAB色相Note:Thenumberofdiscriminablehuestepsisnotequalbetweeneachoftheuniquehues.相對色相范圍—紅在哪里?NCS各主要色相的色相角R—24°Y—90°G—162°B—246°CIELAB性能為什么不僅僅是CIELAB?優(yōu)點(diǎn):?解釋了色適應(yīng)?在近日光照明體下工作的很好(也需要中性灰環(huán)境背景和中等照度水平)?“錯誤的”vonKries轉(zhuǎn)換從日光進(jìn)行大幅度的轉(zhuǎn)換時效果很差不足:?不能夠解釋如下變化:背景環(huán)境照度認(rèn)識?不能夠預(yù)測明度和色彩?恒定色相預(yù)測要改進(jìn)（特別是藍(lán)）CIELAB是進(jìn)行和其它模型比較的很好很簡單的基準(zhǔn)在CIELAB基礎(chǔ)上的改進(jìn)更精確的色適應(yīng)轉(zhuǎn)換考慮照度?考慮背景?明度和色彩?色相線性(Hunt,Nayatani,RLAB,LLAB,CIECAM97s,CIECAM02)擴(kuò)展CIELAB主要限制是“錯誤是”vonKries選用更精確的色適應(yīng)轉(zhuǎn)換模型CIELAB在日光下是非常好的顏色空間CIELAB和CAT融合CIELAB和結(jié)合CAT舉例步驟1:獲得刺激和觀測條件的色度數(shù)據(jù)步驟2:在D65照明體和1000lux照度下用CAT02計(jì)算相關(guān)的顏色步驟3:用步驟2中得到的顏色和D65光源計(jì)算CIELAB色度坐標(biāo)步驟4:CIELABL*C*h就是相關(guān)的色貌4.2早期的色貌模型Hunt模型Nayatani模型RLAB模型LLAB模型早期色貌模型特種比較HuntNayataniRLABLLAB視網(wǎng)膜三色接收器響應(yīng)√√√√視覺形成的對立色響應(yīng)√√錐體細(xì)胞響應(yīng)√√√√桿體細(xì)胞響應(yīng)√錐體細(xì)胞響應(yīng)函數(shù)Estevez錐體細(xì)胞響應(yīng)函數(shù)歸化所用的照明體ED65D65CIELAB公式的擴(kuò)展√√用于顏色復(fù)制時需要推導(dǎo)反模型√√模型直接面向顏色復(fù)制過程√√背景顏色要求無中性，Y≥18中性中性模型中預(yù)置的顯色模式約束參數(shù)√模型中預(yù)置的背景亮度約束參數(shù)√模型能計(jì)算得到的色貌屬性全面全面一般較全面模型需要設(shè)定的參考適應(yīng)場作計(jì)算中介√√模型計(jì)算中采用的色適應(yīng)變換VonKriesBFD對非相關(guān)色色貌的預(yù)測√4.3CIECAM97s模型1997年，CIETC1-34不足：對靠近中性軸的顏色彩度預(yù)測過渡對飽和度預(yù)測欠佳對固定色度的顏色刺激，所預(yù)測的飽和度有較大的變化?1996年維也納專家論壇(ViennaExpertsSymposium)?工業(yè)需求?實(shí)踐中的均勻性(如CIELAB)歷程?任務(wù)分配給TC1-34(1996)?1997年5月完成CIECAM97s!?幾個改進(jìn)建議?TC8-01被指派提出修改建議(1998)?2002年11月公布CIECAM02色貌模型CIECAM97s來自何方?模型來源主要包括：?Bradford色適應(yīng)轉(zhuǎn)換(Lam,1985;Luo,1997)?短波的不同指數(shù)(Nayatanietal.,1982)?局部適應(yīng)因數(shù)(Fairchild,1996;Nayatani,1997)?錐體細(xì)胞敏感度(Estevez;seeHuntandPointer,1985)?雙曲線響應(yīng)函數(shù)(SeimandValberg,1986)?R-G和Y-B尺度(Hunt,1994;Nayatani,1995)?環(huán)境效應(yīng)(BartlesonandBreneman,1967)?沒有負(fù)的亮度預(yù)測(Nayatani,1995,Fairchild,1996)?彩度彩度(Hunt,1994)CIECAM97s和CIECAM97c?全面版本包含很多的視覺現(xiàn)象?簡化版(完全兼容)足以滿足實(shí)際應(yīng)用?有了CIECAM97s模型(May,1997)?CIECAM97c不存在(沒有顯著需求?)考慮到的變化(TC8-01)?Nc中環(huán)境異常的修正?0照度下J的調(diào)整?線性適應(yīng)轉(zhuǎn)換(簡化版)?連續(xù)可變環(huán)境補(bǔ)償?降低了近中性灰的彩度尺度的擴(kuò)展?定義了直角(Rectangular

)坐標(biāo)?參考和總結(jié)(提交到CR&A/TC8-01)</fairchild/PDFs/CIECAM97sRev.pdf>CIECAM02模型?CIECAM97s的修正?進(jìn)行了簡化和改進(jìn)?因?yàn)闆]有CIECAM02c模型，所以不用標(biāo)“s”輸入?yún)?shù)LA:適應(yīng)場照度，單位cd/m2(常常是白的照度的20%)XYZ:樣品的三刺激值XwYwZw:白的三刺激值Yb:背景的亮度(Luminance)D:規(guī)定了適應(yīng)的程度:D=1.0,(完全適應(yīng))D=0.0,(不適應(yīng))D=0.0~1.0,(不完全適應(yīng)的不同程度)刺激?一致的色塊，2°視場(AngularSubtense)?圖像中的一個像素呢??需要測量

XYZ(CIE2°)背景?領(lǐng)近刺激的背景的視場要大于10°?圖像的平均值(20%的灰)?需要測量

Y(標(biāo)為Yb)環(huán)境?超出背景的視覺區(qū)域?需要測量常常這樣分類一般(>20%)暗(0-20%)黑(0%)適應(yīng)刺激?設(shè)置適應(yīng)狀態(tài)的刺激?白(灰)?場景平均?需要測量絕對XYZ(CIE2°,cd/m2)

或相關(guān)XYZ和LA(cd/m2)參數(shù)表c:環(huán)境影響Nc:色感應(yīng)因數(shù)F:適應(yīng)程度因數(shù)觀測條件cNcF一般環(huán)境0.691.01.0暗環(huán)境0.590.90.9黑環(huán)境0.5250.80.8連續(xù)變化的環(huán)境適應(yīng)度刺激是否在光源下觀察？(Discounting)or自發(fā)光(NoDiscounting)?需要的參量是:D=1.0否:用方程計(jì)算沒有適應(yīng):D=0.0現(xiàn)實(shí)的Discounting模型結(jié)構(gòu)輪廓?色適應(yīng)轉(zhuǎn)換相應(yīng)的顏色?顏色空間構(gòu)造錐形反應(yīng)對立反應(yīng)外貌關(guān)聯(lián)色適應(yīng)色適應(yīng)轉(zhuǎn)換:CAT02?vonKries標(biāo)準(zhǔn)化?線性化(正常是vonKries)?“銳化”“錐形”反應(yīng)(最優(yōu)化)?一般來講性能很好

(不同于CIECAM97s)轉(zhuǎn)換到RGB“銳化”“錐形”相對于CIECAM97s的變化：RGB(CAT02)略微不同于RGB(B)適應(yīng)轉(zhuǎn)換顏色空間?基于Hunt模型和CIECAM97s的結(jié)構(gòu)?在不同參數(shù)的基礎(chǔ)上得到了增強(qiáng)，等等?雙曲線的非線性化?色差信號?外貌關(guān)聯(lián)中間參數(shù)這些參數(shù)是供以后計(jì)算用的FL:照度水平適應(yīng)因數(shù)n:背景感應(yīng)因數(shù)Nbb和Ncb:明度和色背景因數(shù)z:非線性化指數(shù)適應(yīng)的錐形反應(yīng)對立響應(yīng)外貌關(guān)聯(lián)?明度、視明度?視彩度、彩度、飽和度?色相?用來符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?需要6個參數(shù)中的5個完全符合描述的外貌色相色相就是把一個刺激接近紅綠藍(lán)黃的程度紅:h=20.14,e=0.8,H=0or400,黃:h=90.00,e=0.7,H=100,綠:h=164.25,e=1.0,H=200,藍(lán):h=237.53,e=1.2,H=300

明度(Lightness)一個刺激的明度相當(dāng)于在相似的觀測條件下白的刺激的明度視明度感覺的刺激散發(fā)出的光的數(shù)量彩度一個刺激的色彩相當(dāng)于在相似觀測條件下白刺激的明度視彩度(Colorfulness)刺激中感受到的色相（不同于灰）的數(shù)量隨著照度的提高，色彩也提高飽和度刺激的色彩相當(dāng)于它的明度顏色空間(直角坐標(biāo)系)?CIECAM02是圓柱形坐標(biāo)系統(tǒng),JCh?需要就需就需坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?可選用的組合(QMh,Qsh,Jsh)反向模型?對于復(fù)制顏色是必須的?應(yīng)用/ICC流程圖反向?CIECAM97s不能很好地反向計(jì)算15個步驟都有1個近似值?CIECAM02可以反向線性CAT修正了這個缺點(diǎn)!Eqs.在CIE報(bào)告中;參見</tc8-01/>.5、基于CIECAM02的均勻顏色空間Ref.M.RonnierLuo,GuihuaCui,ChangjunLi．UniformcolourspacesbasedonCIECAM02colourappearancemodel．ColorResearch&Application，2006，31(4):320-330．自學(xué)！6、圖像色貌模型CIECAM02是CIECAM97s的發(fā)展新的應(yīng)用需要一個新的方法…下一代的CAM？什么是圖像色貌模型?圖像外貌模型擴(kuò)展了色貌模型，包含空間視覺、時間視覺和圖像差別/質(zhì)量屬性它們解釋了高度自動狀況下視覺相應(yīng)的更加復(fù)雜的變化原有的CAM缺少什么空間視覺(過濾和適應(yīng))場景說明計(jì)算的環(huán)境效應(yīng)顏色/圖像差別度量圖像處理效率其它的空間模型S-CIELAB(Zhang&Wandell)CVDM(Fengetal.)Sarnoff模型(Lubinetal.)空間ATD(Granger)MOM(Pattanaiketal.)模數(shù)圖像差別(Johnsonetal.)MOMPattanaik,Ferwerda,Fairch