如何创建私人网站,山西省建筑工程网,网站不提交表单,现货平台在中国合法吗一些计算摄像技术知识内容的整理#xff1a;颜色视觉与感知特性、颜色空间和基于彩色滤镜阵列的彩色感知。 文章目录 一、颜色视觉与感知特性 #xff08;1#xff09;色调 #xff08;2#xff09;饱和度 #xff08;3#xff09;明度 二、颜色空间 #xff08;1… 一些计算摄像技术知识内容的整理颜色视觉与感知特性、颜色空间和基于彩色滤镜阵列的彩色感知。 文章目录 一、颜色视觉与感知特性 1色调 2饱和度 3明度 二、颜色空间 1RGB 颜色空间 2HSV 颜色空间 3YCbCr 颜色空间 ① RGB444 ② RGB422 ③ RGB411 ④ RGB420 4CMY 颜色空间 三、基于彩色滤镜阵列的彩色感知 1Bayer 格式的 CFA 彩色滤镜阵列设计 一、颜色视觉与感知特性
人眼除了能够分辨可见光的明暗亮度以外还能分辦颜色。一直以来人眼如何分辨颜色的机理是最吸引研究者的研究领域之一。颜色是通过肉眼、大脑和人们的生活经验所产生的一种对光的视觉效应对颜色的感觉不仅由光的物理性质決定还包括人的心理等许多因素。 1802年杨(Thomas Young)提出了三色学说。约半个世纪后亥姆霍兹 (Hermann von Helmholtz对其进行了定量发展和完善。三色学说的核心观点是假定人眼视网膜上存在三种能够感受红、绿、蓝三原色的光接收器每种接收器受到刺激后引起的兴奋响应都能产生一种原色的感觉而颜色感受都由兴奋响应量的比例确定。需要注意的是三色学说不是理论推导的学说而是建立在颜色混合实验规律的基础上即不同比例的红、绿、蓝三原色可以混合出几乎所有的颜色。
颜色可分为彩色和非彩色两大类。 非彩色是指白色、黑色和介于黑白之间的各种深浅不同的灰色。非彩色只有描述白光亮度变化的明亮度的差异。彩色是除了黑、白、灰以外的各种颜色。 不同的彩色通过三种特征属性描述色调、饱和度、明度。
1色调
色调hue是视觉系统对物体呈现出的颜色的感觉用红 (red)、橙 (orange、黄 (yellow、绿(green、青 Coyan、蓝blue、靛 (indigo、紫 (violet等术语刻画黑、灰、白为无色彩。
不同波长的单色光具有不同的色调。发光物体的色调取决于其辐射光的光谱组成非发光物体的色调则取决于照明光源的光谱组成和物体的反射透射光谱特性。可以总结为色调取决于可见光的光谱构成它是颜色彼此区分的外观特性与颜色明暗无关。色调数目由多达 1000 万种。
2饱和度
饱和度(saturation是对颜色纯度的刻画。可见光光谱中的各种单色光是完全饱和的颜色。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现出的颜色当一种颜色掺入其他光成分越多时光谱带越宽颜色越不饱和。反过来光的光谱带越窄颜色的饱和度就越高。
3明度
明度brigbtness是人眼感受物体明暗程度的描述明度是视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知程度。 发光物体的亮度越高明度就越高非发光物体的反射比越高明度也就越高 黑色没有光的明度最低白色的明度最高在这两个极端之间的是不同明度的灰色地带。
需要注意的是明度是一个主观感觉值无法用物理设备测量但可以用亮度即辐射的能量来度量。根据国际照明委员会 (International Commission on TIlumination CIE的定义亮度是用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率并在555nm处达到峰值它的幅度与物理功率成正比。但是亮度虽然更容易度量但它与明度并不是同一概念它可以认为是光的强度与明度的关系并不是简单的线性关系。 上图所示的三维空间的纺锤体可以把色调、饱和度和明度这三个颜色的基本特征属性表示出来。 垂直轴代表从白到黑的颜色明度变化。水平圆盘剖面的径向表示颜色饱和度变化。从圆心向圆周画一条直线段其上的色调和明度保持不变但从内向外饱和度越来越高。水平圆盘剖面上的每个圆周用于表示具有相同饱和度和明度的连续变化的色调最大半径的圆周表示的是可见光谱中完全饱和的单色光的各种不同色调。 实验证实人的视觉系统能感受颜色但不能感知和区分组成特定颜色刺激的光谱成分。只要是色度、饱和度和明度属性给人的感觉相同视觉系统就认为这是同一种颜色这就形成了同色异谱现象。
1854 年格拉斯曼 Grassmann在大量混色实验的基础上总结得到定性描述颜色混合规律的格拉斯曼定律。格拉斯曼定律是现代色度学的重要基础共包括以下四条定律。 (1人的视觉只能分辨颜色的三种变化即色调、饱和度和明度。 (2在由两种成分组成的混合色中如果一种成分连续变化混合色的外貌也连续变化。 (3颜色外貌相同的光不管它们的光谱组成是否相同在颜色混合中具有相同的效果。 (4混合色光的总亮度等于组成混合色的各种色光的亮度总和。 二、颜色空间
为了便于对颜色认知的交流需要一些规定的方法量化精确表征各种颜色。颜色的定量表征涉及观察者的视觉生理和心理、照明与观察物理条件等诸多复杂因素。那么如何实现与人的颜色视觉特性一致的颜色量化表示技术以满足对颜色特性定量化和标淮化的需要呢
经过长期的探索实验国际照明委员会在1931年提出了 CIE 1931标准色度系统形成了RGB 颜色空间。此后在此基础上陆续提出了许多满足不同需求的颜色空间或颜色模型。
颜色空间是表示颜色的一种数学方法用表示颜色的基本参数描述和记录颜色通常用三维模型定义颜色空间空间中的颜色用代表三个颜色属性参数的三个维度的坐标指定这些三维参数描述颜色在颜色空间中的位置但并没有明确是什么颜色其颜色取决于使用的坐标。
定义颜色空间使用的属性参数根据颜色空间针对不同对象和应用目的的不同而变化多样。例如对于人可以通过色调、饱和度和明度定义颜色对于CRT 显示设备可以用红、绿和蓝磷光体的发光量定义颜色对于打印或印刷设备可以使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收指定颜色。
理论上可定义表示颜色的颜色空间的数目是无穷的。颜色空间有设备相关颜色空间与设备无关颜色空间之分。设备相关的颜色空间是指生成的颜色与生成颜色的设备有关最常见的RGB 颜色空间就是指与显示设备相关的颜色空间。计算机显示器用 RGB 显示颜色用像素值 R250、G123、B23 生成的颜色将随具体显示器的亮度和对比度的改变而改变。设备无关的颜色空间是指该颜色空问中与生成的颜色及生成颜色的设备无关。
1RGB 颜色空间
几乎所有的颜色空间都是从 RGB ( red, green, blue颜色空间导出的。RGB 颜色空间利用红、绿和蓝三基色的不同比例相加合成产生各种不同的颜色。 R、G、B取值范围都是 0.0~1.0。在大部分 RGB 颜色空间应用中R、G、B的取值常用8bit表示因此代表三基色的红、绿、蓝通道分别用 0~255 的整数量表示强度。 0表示无光最暗255 表示强度最大最亮。因为三种颜色都有 256 个亮度水平级经叠加可形成 1670 万种颜色。对于人眼分辨颜色能力而言通过 RGB 颜色空间足以再现绚丽的世界。
RGB 颜色空间是混合加色型颜色空间在电视机和计算机的图像颜色显示系统中有广泛应用。例如主要用在显示器、扫描仪等设备上。对于 CRT 显示器R、G、B分别表示显示器红、绿、蓝三种荧光粉受到电子枪轰击后激励产生的颜色对于扫描仪R、G、B分别表示光电转换接收的通过红、绿、蓝滤光片的色彩。
RGB 颜色空间的优点是原理简单使用 RGB 生成颜色容易实现。但缺点是 RGB 颜色空间是与设备相关的颜色空间在RGB 颜色空间中对颜色指定不够直观。在RGB 颜色空间中度量颜色时视觉对颜色的感知是非线性的R、G、B通道的相关性也比较强。 2HSV 颜色空间
HSVhue, saturation, value颜色空间是根据颜色的直观特性定义的也被称为HSI颜色空间。在HSV 中色调日用水平圆周上的角度度量取值范围为 0°360°。按逆时针方向计算红色为 0°绿色为 120°蓝色为 240°它们对应的补色色调取值分别为青色180°品红色 300°黄色 60°。
饱和度S用水平圆周的从圆心到边缘的径向表示取值范围为 0.0~1.0。亮度值 V 自底向上取值范围为 0.0~1.0对应从黑色到白色。同样在用8bit表示H、S、V通道的取值时也把它们转换成 0255 之间的整数。HSV 颜色空间属于强度、饱和度和色调型颜色空间是面向计算机绘图时颜色编辑使用的较直观的颜色空间。HSV 是设各相关的颜色空间其优点在于用色调和饱和度描述对色彩的感知指定颜色的方式和对颜色的解释非常直观而且对消除光亮度的影响很有用。 3YCbCr 颜色空间
YCbCr 颜色空间是在ITU-R BT.601 和 BT.709 等标准中明确定义的是数字电视颜色空间主要用于优化彩色视频信号的传输。其中Y是亮度由 RGB 输入信号的特定部分叠加得到Cr、Cb 表示色度用于描述颜色的色调和饱和度。其中Cr反映RGB中红色部分与Y亮度值之间的差异而Cb反映 RGB 中蓝色部分与Y亮度值之间的差异。YCrCb 颜色空间的重要性体现在亮度信号Y和色度信号Cr、Cb是分离的如果只有Y分量而没有Cb、Cr分量那么图像就是黑白灰度图像。如果 YCbCr 取值用8比特表示Y的取值范围为 16~23516 表示黑电平235 表示白电平Cb、Cr的取值范围为 16~240使用128 的偏移时范围为-112112。
因为人眼对区域内色差的变化没有对灰度的变化敏感。在图像质量损失忽略不计的前提下可以降低Cb、Cr 通道的采样率从而有效压缩 Cb、Cr通道的数据量。常见的 YCbCr采样频率格式包括 4:4:4、4:2:2、4:1:1及4:2:0。
① RGB444
444是指 YCbCr三个通道的采样率相同因此在采用 YCbCr颜色空间 4:4:4格式生成的图像里每个像素的三个分量信息完整经8比特量化后未经压缩的每个像素占用 3个byte。
② RGB422
422是指图像中水平方向的色度采样率是444中的一半即每个色差通道 Cb 和 Cr 水平方向采样率为亮度通道Y的一半。对非压缩的8比特量化图像每两个水平方向相邻的像素占用 4个byte。
③ RGB411
411是指和亮度Y相比在水平方向上对色度 Cb 和 Cr 只进行 4:1的采样对非压缩的8比特量化图像每四个水平方向相邻的像素占用 6个byte其视觉效果对低端用户和消费类产品仍可接受。
④ RGB420
420并不是说只有 Y、Cb而没有 Cr 分量。而是对图像每行而言只有一种色度分量以相对于Y分量21的采样率采集或存储而上下相邻的两行存储不同的色度分量即如果上一行 YCbCr是420下一行YCbCr 就是402再下一行又是420以此类推。对非压缩的8比特量化图像每个2行2列相邻的4像素块占用 6个byte。 可见YCbCr颜色空间最大的优点是表示图像数据时只需占用较少空间。 类似的还包括 YUV、YIQ、YPbPr 等颜色空间都属于亮度 / 色度型电视系统颜色空间。其中YUV 是用在 PAL 和 SECAM 模拟彩色电视制式中的颜色空间Y表示亮度也就是灰阶值U和V表示色度或色差分量。YIQ是用在 NTSC 模拟彩色电视制式中的颜色空间YPbPr是用于高清晰度电视的颜色空间。 无论是面向数字电视还是模拟电视的亮度、色度型颜色空间主要用途都是电视信号传输都是把 RGB 颜色空间变换成亮度和色度将亮度和色度分离用一个分量表示非色彩的亮度感知用两个独立的分量表示色彩感知目的是通过压缩色度数据在有效播送彩色电视图像的前提下显著压缩信号传播过程中图像的数据量。 当需要黑白图像时也非常方便。这些颜色空间都是与设备相关的而且在闭环系统中的使用条件也相当严格。 4CMY 颜色空间
当背景光照射到物体表面时物体将吸收一部分光线并将剩下的光线反射回来反射的光线就是人们看到的物体的颜色这是一种减色色彩模式。CMY (cyan, magenta, yellow颜色空间就是描述减色混合模式的适合印刷用的一种颜色空间在印刷机和打印机在纸张或其他印刷材料上再现色彩时使用。有时也称为 CMYK (cyan, magenta, yellow, black颜色空间。其中C代表青色M代表品红色Y代表黄色K代表黑色。
CMYK 颜色空间的优点是基于三基色理论简单在印刷领域使用时容易生成颜色。但CMYK 颜色空间是与设备或印刷过程相关的如工艺方法、油墨特性、纸张特性等不同条件有不同的印刷结果。因此CMYK 也是与设备相关的颜色空间颜色指定也不够直观。同样视觉对颜色的感知是非线性的。此外CMYK 空问具有多值性对同一种具有相同绝对色度的颜色在相同的印刷过程前提下可以用多种CMYK 数字组合来表示和印刷出来。 三、基于彩色滤镜阵列的彩色感知
在彩色光电摄影中可以通过分光使用三个传感器分别捕获红、绿、蓝三个通道的颜色分量。但为了降低成本绝大部分成像系统中采用单芯片 CMOS、CCD 传感器结合彩色滤镜阵列 (color filter array CFA的方式捕获彩色图像虽然牺牲了物理分辦率但显著简化了结构降低了价格。做法是在每个感光像素的上面覆盖一个与物理像素相同面积大小但分别只让红、绿、蓝光线透过的滤镜。
1Bayer 格式的 CFA 彩色滤镜阵列设计
Bryce Bayer 于 1976 年发明了Bayer格式彩色滤镜阵列并注册了专利的。Bayer格式彩色滤镜阵列被广泛运用于现代数码相机、摄像机和手机摄像头中是实现单片 CCD 或 CMOS 传感器拍摄彩色图像的主要技术之一。 Bayer阵列模拟人眼对色彩的敏感程度采用1红2绿1蓝的排列方式将灰度信息转换成彩色信息。 彩色光线经过 Bayer格式彩色滤镜阵列后传感器实际获取的每个物理像素仅有一种颜色信息形成的扩展名为 .raw 格式的图像有明显的红、绿、蓝间隔的马赛克感觉。那么如何得到每个物理像素位置处的 RGB 通道分量并去除马赛克呢 每个像素仅包括光谱的一部分必须通过插值实现每个像素的 RGB 值。为了从 Bayer格式得到每个像素的 RGB 格式需要通过插值填补缺失的两个色彩通道分量。 反马赛克算法需要利用特定插值计算根据每个像素旁边像素的红、绿、蓝通道值通过加权平均插值算出每个像素点缺失的颜色通道取值获得最终图像。插值的方法有很多典型的如邻域、线性、3×3插值等在具体方案中通过速度与质量的权衡决定最终采用哪种插值的方法。不同插值补偿算法的差异取决于参与插值的邻近像素的数目和各自的权重。
