术语

• 全彩色：用全彩色传感器获取的真实彩色
• 伪彩色：为特定灰度或灰度范围赋予颜色

电磁光谱

• 无色光：黑白
  • 属性：强度
  • 灰度级：表示强度的数值
• 彩色光：400nm~700nm 电磁波
  • 光谱色：单色光对应的颜色
• 单位
  • 辐射（能量）：$W$
  • 辐射强度（单位立体角内辐射功率）：$W$/steradian
  • 光通量（人眼对不同波长光的变化敏感度）：流明 lm
  • 光强（单位立体角内光通量）：坎德拉 cd = lm/steradian
  • 亮度（主观描绘，无单位）

光感受器（生物特性）

• 彩色视觉（color vision）：基于物体所反射、发出或透过的光的波长以区分物体
• 人的彩色视觉：脑响应当进入的光与眼中的若干种视锥细胞作用时所产生的刺激
  • 暗光照：光由视网膜上的视杆细胞 (500nm) 检测，在彩色视觉中只起很少的作用
  • 亮视觉：锥状细胞(1965)， 600~700 万个, L (575nm, 65%), M (535nm, 33%), L (445nm, 2%)

主颜色

• 主颜色 (国际照明委员会, CIE, 1931): R 700nm, G 546.1nm, B 435.8nm
• 次生色：主颜色叠加（无法生成所有颜色）
• 主波长：描述非纯色光的颜色
• 颜料的主颜色（吸收）：Yellow, Magenta, Cyan

CIE XYZ 色彩空间

三色值（CIE XYZ tristimulus values）：红色 X, 绿色 Y, 蓝色 Z，归一化为 $x,y,z$

• $x=\frac{X}{X+Y+Z}$
• $y=\frac{Y}{X+Y+Z}$
• $z=\frac{Z}{X+Y+Z}$
• $x+y+z=1$
• The xy chromaticity graph isn’t a color space; it’s a two dimensional projection of a color space designed to separate hue and saturation from luminosity

两点连线：所有可能的加性组合；任意三点无法覆盖全图

• 属性
  • 色调 hue：主波长
  • 亮度 brightness：强度，对应 lm
  • 饱和度 saturation：白光的比例
  • 色度 chromaticity：hue + saturation

彩色模型

• RGB 彩色模型（面向显示器）
  • 笛卡尔坐标系，$[0,1]$，黑色原点，白色在最远的角，中间虚线是灰色
  • 三幅分量图像
  • 全彩色图像：24 比特
  • 高端设备支持 24 比特 RGB 图像
  • 低端设备通常只能显示 256 种彩色
    • 稳定 RGB 色（通常 216 颜色）：每个 RGB 只有六种取值 00,33,66,99,CC,FF
• CYM 彩色模型（面向打印机）
  • $(C,M,Y)=1-(R,G,B)$
  • CYMK: 添加黑色(K)
• HSI/HSL（面向人，柱坐标系，将亮度和颜色信息解耦合）
  • 概念上可认为是双圆锥
  • hue 色调: 包含强度轴的面与强度轴的夹角，红 0，绿 120，蓝 240
  • intensity/lightness: white 1, black 0, saturated color at 0.5
    • 平行面与强度轴（灰色）的交点
  • satuaration 饱和度: 数值越大，颜色中的灰色越少，颜色越鲜艳，呈现一种从灰度到纯色的变化
    • 与强度轴距离
• HSB/HSV（画家，柱坐标系）
  • 概念上可认为是倒圆锥体
  • hue: 包含强度轴的面与强度轴的夹角，红 0，绿 120，蓝 240
  • brightness, value: black 0, saturated color at 1
  • satuaration
• Contrast 对比度: difference in luminance or color

彩色图像处理

伪彩色图像处理

• 灰度分层
• 独立变换 3 次
• 多光谱图像处理

全彩色图像处理

• 方法
  • 分别处理分量图像
  • 直接处理彩色像素
• 彩色变换：$g(x,y)=T(f(x,y))$
• 补色：合成为黑色的颜色
• 彩色分层：将不感兴趣的颜色设置为中性
• 色调和彩色校正
  • CIE $L^*a^b^$ 模型：设备无关的颜色模型
• 直方图处理
• 平滑与锐化

彩色图像分割

• HIS 颜色空间直观
  • 利用 $H$ 指定颜色
  • 利用 $S$ 进一步限定区域
  • $I$ 很少用来分割
• RGB 空间分割效果更好
  • 距离
  • 方形盒子：长度与标准差成比例
• 彩色边缘检测
  • $u=\frac{\partial R}{\partial x}r+\frac{\partial G}{\partial x}g+\frac{\partial B}{\partial x}b$
  • $v=\frac{\partial R}{\partial y}r+\frac{\partial G}{\partial y}g+\frac{\partial B}{\partial y}b$
  • $g_xx=u^Tu$
  • $g_yy=v^Tv$
  • $g_xy=u^Tv$
  • $\theta(x,y)$
  • $F_\theta(x,y)$

显示器

• CRT 显示器：RGB 叠加
• 可视角度
• 偏色程度 $\Delta E$: 平均（3 以下难以分辨，1 以内相当准确），最大
• 亮度
  • 黑暗下 $>80cd/m^2$
  • 室外 $>300cd/m^2$
• 像素密度: $>150$ PPI
• 色域覆盖
  • 色域标准
    • sRGB (Microsoft): 35% CIE
    • Adobe RGB: 50% CIE，改善青绿色覆盖
    • NTSC(1953): CRT 标准，淘汰
    • REC-709: sRGB 的影视行业名称
    • DCI-P3: 美国数字电影(2017)
    • REC-2020
  • 色彩管理
    • 操作系统仅支持 sRGB
    • Chrome 仅支持 sRGB