光度学与色度学基础

视听信息系统导论 1陈健生清华大学电子工程系信息认知与智能系统研究所王东清华大学信息技术研究院语音和语言技术研究中心 第二章光度学与色度学基础Photometry and Colorimetry 2 光度学(Photometry): 度量人类视觉系统 感知可见光亮度的科学。辐射测量学(Radiometry):度量包括可见光在内 的电磁波辐射的科学。色度学(Colorimetry): 从物理上量化和描 述人类颜色知觉的科学。光谱学(Spectrophotometry): 对电磁波谱进行量 化研究的科学。 3 第二章光度学与色度学基础 4 光的特性与度量空间中的光表面上的光颜色感知与表示表色系统图像 信息系统原理2.13.1 Computer Vision a modern approach2.12.22.3 第二章光度学与色度学基础 5 光的特性与度量空间中的光表面上的光颜色感知与表示表色系统 光的特性与度量什么是光？光是人眼可见的电磁波辐射 (Electromagnetic radiation, EMR)。对于波长 的辐射，强度用R()表示，以瓦(watts)为单位。光场(Light Field)：描述一个给定场景的光场， 需要指定场景中每个点上来自各个方向的光辐 射强度。 6 可见光波长380780nm，不同波长呈现不 同的颜色，随着波长减小依次为：红橙黄 黄绿绿青蓝紫单色光：单一波长成分, 例555nm黄绿光。复合光：两种以上波长成分。380780nm 的光波给人以白光的综合感觉。如果白光中短波长的光能量较多则呈现偏 蓝色调的“冷”白光，而长波长的光能量 较多则呈现偏红橙色调的“热”白光。光的特性与度量 7 光谱颜色波长的范围颜色波长范围（nm）红620780橙590620黄560590黄绿530560绿500530青470500蓝430470紫380430光的特性与度量 8 光源热辐射体：光谱连续太阳辐射功率谱光的特性与度量 9 光源热辐射体：光谱连续非热辐射体：不以高温为发光基础，光谱不规则。Wavelength (nm)200 280 360 440 520 600 680 760Spectral Irradiance 光的特性与度量 10 黑体 (black body, Kirchhoff 1862) 辐射理想物体, 能吸收外来的全部电磁辐射辐射出的电磁波频率与能量完全取决于温度，由普 朗克（Planck）辐射定律以及由其推导出的斯特藩- 玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）描述随黑体温度升高，辐射功率谱向短波方向移动（Wien定律） 700K(Lord Kelvin)以下全黑,700K以上红色橙色 黄色白色蓝色光的特性与度量 11 普朗克 曲线光的特性与度量 12 5780K不同温度黑体辐射光谱光的特性与度量 13 5780K黑体辐射光谱光的特性与度量14 色温(color temperature)：光源的属性，数值等 于与光源同色度的黑体的温度。色温 光源温度 （通常：色温温度）光谱功率分布曲线不一定相同(同色异谱、相关色温)光源(相关)色温光源(相关)色温火柴1700 K演播室照明3400 K5600K蜡烛1850 K月光4100 K白炽灯2700 3300 K CRT屏幕9300 K光的特性与度量 15 光的特性与度量 16 标准光源：国际照明委员会(CIE)规定作为照 明光源的标准。 A (2854 K) B (4800 K) C (6770 K) D65 (6500 K)等能白光E光的特性与度量 17 辐射测量是不限于可见光的辐射物理学 参量的客观度量。光度测量是以对人产生“视感度”的可 见光波段的辐射量主观度量。两种相应的参量都用同样的字母，只是 用脚注加以区分：辐射用e，光度用v。光的特性与度量 18 辐射测量光度测量名称符号单位名称符号单位辐射能Q e焦 耳 ( J )光量Q v流明秒 (lms )辐射通量e瓦特 ( W )光通量v流明( lm )辐射强度I e瓦 / 球面度( W / sr )光强度I v坎德拉 ( cd )流明 / 球面度( lm / sr )辐射照度E e瓦 / 米 2 ( W / m 2 )照度E v勒克斯 ( lx )流明 / 米2( lm / m2 )辐射亮度L e瓦 / 米2 球面度 ( W / m2 sr )亮度L v坎德拉 / 米2 ( cd / m2 ) 辐 射 测 量 与 光 度 测 量 单 位光的特性与度量 19 辐射测量光度测量辐射能Radiant Energy光量Luminous Energy辐射通量Radiant Flux光通量Luminous Flux辐射强度Radiant Intensity光强度Luminous Intensity辐射照度Irradiance照度Illuminance辐射亮度Radiance亮度Luminance光的特性与度量 20 人眼对不同波长光具有不同的亮度感。感觉最 亮是黄绿色(555nm) ，其次是紫、蓝、红。光谱光效率函数(specturalluminousefficiencyfunction) 定义： 设人眼对某辐射亮度为E0 的 555nm波长光的亮度感为L；对一个波长为的 光, 要感受到同样的亮度L所需的辐射亮度E() 按光照条件，视觉过程主要可以分为明视觉和 暗视觉，相应有光谱光效率函数V()和V()。E 与E0的比例即为光效率：V E0光的特性与度量 21 ( CIE,1951)光的特性与度量22 光度学国际标准单位光强度 IV ： 基本单位cd (Candela), 定义为 555nm光辐射强度为每球面度1/683瓦时的光 强度。亮度LV：导出单位cd/m 2。照度Ev：导出单位 lx(Lux), 1lx = 1lm/m2 780光通量V：导出单位lm(Lumen),1lm= 1cdsr ； 假设光源波谱为e, 总的光通量：v 683 e V d380 光的特性与度量 23 光源的发光功效(LuminousEfficacy)与发 光效率（Luminous Efficiency)发光功效 = 光通量/功率 (lm/W)发光效率 = 发光功效/683光的特性与度量 24 光源发光功效发光效率蜡烛0.3 0.04%白炽灯15 2.2%荧光灯80 12%高压钠蒸汽灯150 22%日亚（nichia)白 光LED (2009) 249 36%光的特性与度量 25 光的特性与度量输入电力100%发光 再结合 48%蓝色光10%黄色光22%光损失16%芯片内损失22%半导体内部阻抗30%热损失68%白色 可见光 32% 26 光的特性与度量 27 28 光的特性与度量 LED lamps require less power to emit light than the older light souces. Efficiency is denoted in luminous flus (measured in lumen) per unit added power (meansured in watt). As about one fourth of world electricity consumption is used for lighting purposes, the highly energy-efficient LED lamps contribute to saving the Earths resources. The Nobel Prize in Physics 2014for the invention of efficient bluelight-emittingnabled bright diodes whichhas andenergy-savingwhite light sources 第二章光度学与色度学基础 29 光的特性与度量空间中的光表面上的光颜色感知与表示表色系统 空间中的光空间中的光 30表面上的光 亮度 什么是光的(辐射)亮度?如何去度量?光和表面之间如何相互作用?辐 射 测 量空间中的光 31 辐射亮度的测量W / m2 sr ?空间中的光32 空间中的光球 面 坐 标 与 立 体 角笛卡尔坐标 球面坐标 = 2 + 2 + 2 = acos( ) = atan2( , ) = cos( ) = sin( ) = ( ) 33 空间中的光球 面 坐 标 与 立 体 角 光通常是从空间中某个特定角度范围照射到物 体或者从光源辐射出去的弧度(radian)= d/r 34 空间中的光球 面 坐 标 与 立 体 角 光通常是从空间中某个特定角度范围照射到物 体或者从光源辐射出去的球面度(steradian)d= dA/r 2 35 空间中的光球 面 坐 标 与 立 体 角 立体角和球面坐标,的关系 = = 2 = = 2 36 = = 4 光 源投影缩减效应 (Foreshortening)空间中的光 37 光 源投影缩减效应 (Foreshortening)空间中的光 38 空间中的光 投 影 缩 减 面 积 (forshortened area) 39 空间中的光 辐射能 (Radiant Energy): 空间某个区域当中全 部的光辐射能量,可以想象为光子数目的多少, 单位是“焦耳” 40 空间中的光 辐射通量 (Radiant Flux): 单位时间内通过某片 区域(area)的辐射能，单位是“瓦特” = 41 空间中的光 辐射照度 (Irradiance): 单位面积上的辐射通量， 单位是“瓦特/平米” = 42 空间中的光 光 源43 空间中的光 辐射强度 (Radiant Intensity): 通过一个没有面 积的点的辐射通量难以用照度描述，因此考虑 一个立体角内的辐射通量，单位是“瓦特/球 面度” = 44 空间中的光 辐射亮度 (Radiance): radiant flux entering or leaving a surface per solid angle, per unit forshortened area, 单 位 “ /( 2)” 45 空间中的光 辐射亮度 强调是forshortenedarea,这和辐射照度有所不同( ) = = = 入射方向半球面积分( ) = 2 46 亮度(Luminance)光谱光效率函数辐射亮度(Radiance)空间中某点在某个指定方向上，单位 时间内，单位面积上（垂直于指定方 向），单位立体角内通过的能量。Sillion, 1994空间中的光 47 第二章光度学与色度学基础 48 光的特性与度量空间中的光表面上的光颜色感知与表示表色系统 表面上的光? 49 ? ? ?光线入射到一个不发光表面之 后会如何?一部分被吸收(转化成其他能量，例如：热、动能)一部分穿过了这个表面 (折射)一部分被反射出来 (多种反射方式) 表面上的光 50 表面上的光 51 表面上的光 52 C. Wylie首次在显示物体时加入光照效果，认为物体 表面某点的光强与该点到光源距离成反比 (1967)；Bouknight基于Lambert漫反射定律，提出首个光反射 模型，指出物体表面朝向是确定物体表面上一点光 强的主要因素 (Comm. of ACM, 1970)；Gourand提出用漫反射模型计算多边形顶点的光亮度， 再用增量法插值计算(IEEE Trans. on Comp., 1971)；Phong提出图形学中第一个有影响的光反射模型，进 一步考虑高光和法向插值。Phong模型虽然只是一个 经验模型，其真实度已达到可接受的程度(Comm. of ACM, 1975) 。 镜面反射部分漫反射理想漫反射 如何定量地描述光线在各个方向上 的反射情况？A B C表面上的光53 双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function ；BRDF)法线方向表面上的光 给定一个入射 方向和一 个 反 射 方 向，入射 光中的多大比例沿该反射方 向反射。 = 54(1) 法线方向表面上的光 = = 55 表面上的光BRDF 的性质光路可逆性(reciprocity)：交换入射和出射角 度不会改变BRDF的值 , , , = , , , 能量守恒：出射总能量不会超过入射总能量 1 56 表面上的光 BRDF 应用于渲染 = = = rendering equation 57 表面上的光Some visualized BRDF 58 漫反射 (diffuse reflection)没有光泽的粗糙的表面，例如粉笔等微表面将入射光分散反射出去完全漫反射：光线均匀的向各方向反射表面上的光 59 理想漫反射表面 (Lambertian surface)反射辐射亮度同观察角度无关辐射亮度和入射光的角度相关计算机视觉中最为常用的模型J.H. Lambert, 1760表面上的光 60 61 L, N, V 单位向量 Lr = 反射辐射亮度 Li = 入射辐射亮度Lamberts Law:Lr kd Li N Lkd - 漫反射系数(albedo)表面上的光理想漫反射表面的 BRDF = ( 1)computer vision .2.3.3 镜面反射 (specular reflection)理想的镜面，反射光从单一方向射出。近似理想的镜面，反射光围绕R形成高亮区。Li if V R 0 otherwiseLr insr sL k V R L表面上的光 62 移动入射光位置改变ns表面上的光 63 snsid k N L k V R L k LLr 表面上的光 Phong 反射模型 (B.T. Phong, 1975) 反射由三个部分共同组成：漫射项(diffuse)、 反射项(specular)、环境项(ambient) 64 表面上的光 65 “In trying to improve the quality of thesynthetic images, we do not display the object expect exactly to beas itable towould appear in reality,overcast shadows, with hope texture, only todisplay animage etc. We thatapproximates theprovid areal object closely enough to certain degree of realism.” B.T. Phong, 1975 表面上的光Cook-Torrance 模 型 (SIGGRAPH 1981)Oren-Nayar 模 型 (SIGGRAPH 1994)Walter 模 型 (ESG 2007) 66 67 表面上的光Cook-Torrance 模 型 (SIGGRAPH 1981)H LVD(H) : 微表面法线分布函数，即朝向为h 的微表面比例 阴影掩蔽折射 G(L ,V) : 几何衰减因子函数，光线可以从L入射反射到V的比例F(L ,H) : 菲涅尔方程，光线中被反射而非折射部分的比例(L,V) F(L,H) * G(L,V) * D(H)4 cos(i)cos(e)Robert L. Cook, Kenneth E. Torrance, A Reflectance Model for Computer Graphics, Proceedings of ShItGtGpRsA:P/H/ BRDF 的测量 反射计(Gonioreflectometer) 由可移动的光源和摄像头 组成。 Stanford light field gant 表面上的光 68 BRDF 的测量表面上的光“Light Stage”Debevec, 2000 69 Columbia-Utrecht Reflectance and Texture Database Database: http:/www.cs.columbia.edu/CAVE/software/curet/表面上的光 70 MERF BRDF Database: http:/ 71 第二章光度学与色度学基础 72 光的特性与度量空间中的光表面上的光颜色感知与混色表色系统 颜色视觉的机理三原色学说 (Young-Helmholtz, 1860)：眼睛有感 受R、G、B光的三类感光组织 (部分证实)。对立颜色学说 (Hering, 1878)：视网膜上存在红- 绿、黄-蓝、黑-白三种感觉物质，它们的响应(同 化与异化的程度)决定色度。阶段学说 (Vos and Walraven, 1971)：视觉细胞阶 段符合三色理论，视觉中枢的阶段符合对立色理 论。 颜色感知与混色 73 颜色感知与混色Blue and Black?White and Golden? 74 颜色感知与混色彩色参量：亮度(value)、色调(hue)、饱和度(saturation)色调变化： 人感知颜色的色调会随光强度变化 (Bezold-Brcke Shift, 1874)。不变点572nm、503nm、478nm 除外。 视网膜光刺激强度75 波长的分辨Wright & Pitt,1934 蓝和红色波长变化分辨差；青色和黄色区 特别好，其中最敏感波长(觉察1nm变化)：494nm(青色)、585nm(黄色)。颜色感知与混色7 6 光谱饱和度等级 Martin,Warburton,Morgan,1932可分辨的饱和度等级：最不敏感是黄色的饱和度 可区分4级，而对红色的饱和度则多达25级。颜色感知与混色77 心理物理色：用抽象的色刺激函数来确定，不分光源色 还是不发光的物体色，色度学中的方法。感知色：基于物体的色外观，是心理印象、主观感觉。 包含物体表面质感、距离感、周围环境等感知因素。孔径色：是通过小孔看到的色，视野限制在2(或10)周围为黑暗状态。物体色：属于物体本身并被感知的颜色，分光源发出 的光源色和不发光色(表面色、透过色)。色彩心理物理色感知色孔径色 物体色不发光色 光源色表面色 透过色颜色感知与混色 78 记忆色：对日常物体会记忆其特有颜色。例如天空 、草地、皮肤，一般亮度和饱和度高于实际色。主观色(Fechner 色): 高速旋 转(510圈/每秒)有特殊黑 白图案的Benham圆盘，可 以看到饱和度很低的不同 色环。可能是由于在视网 膜上三基色的色过渡时间 特性和空间特性不同，黑 白图案通过空间和时间上 的同时调制(通过条纹图形 和旋转)才显现出了彩色。颜色感知与混色 79 80色匹配方法（Hunt, 1987） 三基色原理：任意色刺激都可以用等于三 种感光组织响应量的三种色光的混色来与 其匹配(主观上形成等色 )。 白色标准：纯硫酸钡 粉压成的片( 光吸收 率约2% ， 且在可见 光范围与波长无关) 。 也可以使用氧化镁的 烟熏面。颜色感知与混色 相加混色(additivecolor model)：CIE三基色 光(水银光谱R:700nm G:546.1nmB:435.8nm)。 混色方法有时间混色(视觉惰性)、空间混色(视觉锐度)、生理混色 (双目视融合) 。 用 配 色 方 程 表 示 ：F=RR+GG+BB。式中是三基色单位； 前的是三色系数。 E 白 的 方 程 ： F=1R+1G+1B颜色感知与混色 81 相减混色(subtractivecolor model)：混色分量 通过从照明光谱中吸收一定的光谱范围(其 三基色C、M、Y，分别是R、G、B的补色)。 电影、幻灯、绘 画和印刷等都是 利用相减混色。颜色感知与混色 82 颜色的表示与混合 83L.D. Hauron, 1877 颜色感知与混色1902 84 色匹配公理 (Grassmanns Law, 1853)任何色都可以用不多于三个基色配得，基色 相互独立但是不唯一；在一个辐射级上的色匹配结果可以在相当宽 的辐射通量范围内保持不变；人眼不能分解混合色光的各个分量；混合色的光亮度等于各分量光的亮度和；色光匹配满足加法律、减法律、转移律等。颜色感知与混色 85 第二章光度学与色度学基础 86 光的特性与度量空间中的光表面上的光颜色感知与混色表色系统 表色系统 87 显色（减色）表色系统以标准物体的色外观为基础色进行目视比色 构建的表色系统，基于心理主观感觉。如：(修正)Munsell表色系，Ostwald表色系，HSV、HLS和HIS表色系等。混色表色系统基于心理感觉与物理量的对应关系构建。如：CIE-RGB表色系，CIE-XYZ表色系、 CIE 1960, CIE 1964，CIE1976等。 修正Munsell表色系色相(H)：把一周均分成五种主色调(R、Y、G、B、P)和五种中间色(YR、GY、BG、PB、RP)。 相邻的两个位置之间再均分10份，共100份。亮度(V)从黑色到白色 ：010色度(C)从0开始增加，普通颜色在10左右，某些 反光材料可以到30。色表示形式：H V/C，例如5Y 9/14的黄色。白基准为MgO烟着面，反射率(Y)定为100%表色系统中数值V 与Y 的关系叫亮度函数： Y=1.2219V0.23111V 2 +0.2395V30.021009V4+ 0.0008404V5 (美国光学学会)。 表色系统 88 表色系统 89 Munsell表色系色相图表色系统90 表色系统 91Munsell 表色系三维示意图 CIE-RGB 表色系 1931水银光谱中特定波长作为三基色(R:700nm G:546.1nm B:435.8nm) 。等能白光E白作为白色基准。任意颜色 F=RR+GG+BB F E 白=1R+1G+1B 配出等能白光的三基色光通量之比为R: G : B=1 : 4.5907 : 0.0601色系数 表色系统 92 分布色系数（color matching function） 匹配单波长()光的色系数: b r g 表色系统 93 对于功率谱为() 的光，其色系数为：780380 G 780gd B 780b d380 380rdR 表色系统 色度坐标 (chromaticity coordinate): r, g, b F=(R+G+B) r R+ gG+bB 色度坐标 （r, g)，b = 1-r-g 光 通 量 F= 1R+4.5907G+0.0601B(lm)R g G r R G B R G BR G Br b 94 彩色立体空间和Maxwell三角形基色单位构成三维彩色立体空间彩色表示为原点出发的向量，向量的方向表示色度，长度表示饱和度。Maxwell三角形位于r+g+b=1的色度图平面上。表色系统 95 Maxwell, 18 1表色系统 96 RGB色度图(chromaticity diagram)色度图平面向R-G平面投影；单 波 长 光 谱 色 的 色 度 坐 标 形 成 光 谱 轨 迹 (spectrum locus)；Maxwell三角形的投影称为相加混色区；540690nm成直线，线上谱色可由两端点光混 配出；连接RB的紫色线上是由红和蓝混配的非谱 色。表色系统 97 YZCIE-RGB 1931 色度图RXGB表色系统 98 CIE-XYZ 表色系 1931 三基色X, Y, Z为虚基色单位。等能白光E白作为白色基准 F=XX+YY+ZZ仿照CIE-RGB定义色系数(X,Y,Z0)，分布 色系数以及色度坐标 0.0828 0.09120.2524 0.0025G0.0157 0.1786 B0.0009 RZ Y 0.158 X 0.4185表色系统 99 CIE-XYZ 分布色系数表色系统100 CIE-XYZ 色度图表色系统101 光源x y zA 0.4476 0.4075 0.1450B 0.3484 0.3516 0.3000C 0.3101 0.3162 0.3737D65 0.313 0.329 0.358E 0.3333 0.3333 0.3333标准光源色度坐标表色系统 102 色系数、色度坐标的计算 色系数(X, Y, Z)，亮度仅由Y表示。 色度坐标(x, y, Y)。 X Z 0.0000Y 1.0000 1.7518 1.1302R4.5907 0.0601G 0.0565 5.5943B2.7689X y Y z ZX Y Z X Y ZX Y Zx 表色系统 103 已 知 两 色 光 CIE 坐 标 分 别 C1(x1,y1,Y1) 和C2(x2,y2,Y2), 求它们混合光的CIE坐标C12答 ： C12 = (x1+x2 , y1+y2 , Y1+Y2)答： X=x*Y/y , Z=(1-x-y)*Y/y 混合光的色系数：(X1+X2), (Y1+Y2), (Z1+Z2)所以：其中：m 1=Y1/y1, m2=Y2/y2 1 2 1 2 , Y1 Y2 m m m m m1x1 m2 x2 m1 y1 m2 y2C12 , 表色系统 104 色域(color gamut)图：将 大致相同的颜色分成若 干小区，并标出该处的 颜色名称。CIE的RGB相加混色区与 虚线围成的区域是绘画 的彩色范围。相加混色的电视以及基 于光谱吸收的电影、照 相和绘画都不能重现全 部的光谱色与自然界中 的颜色。表色系统 105 等色调波长线：线上色 调取该线与谱色轨迹交 点处谱色光色调补色波长线：线上色调 取延长线与谱色轨迹交 点谱色光色调，位于紫 色线与白色标准构成的 三角形内。等饱和度线：线上色饱 和度相同表色系统光谱轨迹等饱和度线等色调波长线 106 等色差域图色差辨别阈(JND)：觉 察出彩色差别量的最 小单位。等色差域：用椭圆表 示的颜色差别宽容区。 短轴为敏感方向长轴 为不敏感方向。色度 图上相等的面积或相 等的距离并不反映相 等的视觉差异。JNDMac-Adam 椭圆表色系统107 其他表色系统 CIE-UCS 1960均匀色度图: 4xu 2x 12 y 3 2x 12 y 36 yv w 1 u vCIE-U*V*W* 1964均匀彩色空间 U*=13W*(u-u 0) V*=13W*(v-v0) W*=25Y1/3-17, 1Y100 表色系统 108 HSV表色系：借鉴Munsell表色系，从CIE-RGB变换而来。色调(H)、饱和度(S)、亮 度(V)常用于图形图像处理。表色系统 109 CRT彩色重现的色度学原理显像三基色(Re Ge Be)：RGB荧光粉发出 的非谱色光。白基准：NTSC为C，PAL为D65。色饱和情况：显像基色三角形的顶点和边上 为100%重心处为0 。NTSC选择荧光粉重现色域稍大，但PAL选 择红、绿基色发光效率高，利于重现引起美 感的颜色。表色系统 110 显示色域图PAL NTSC iPhone4表色系统111 表色系统 112显示色域图(Color Gamut) 表色系统 113 NTSC与CIE-XYZ之间的转换 基色转换 色系数转换 NTSC亮度方程：Y=0.299R e+0.587Ge+0.114Be 0.200 0.299 0.000 X 0.587 0.066Y 0.114 1.116Z G 0.174Be eRe 0.607 Be e Re 0.879 Z 0.058G 0.985 0.288 X 0.5321.999 0.028Y 0.118 1.910 表色系统 114 T. Welsh, M. Ashikhmin, K. Mueller, “Transferring Color to Greyscale Images”, SIGGRAPH 2002+ = A. Levin D. Lischinski and Y. Weiss, “Colorization using Optimization”, SIGGRAPH 2004 Y. Qu, T. Wong, P. Heng, “Manga Colorization”, SIGGRAPH 2006 H.Y. Chong, S.J. Gortler, T. Zickler, “A Perception- based Color Space for Illumination-invariant Image Processing”, SIGGRAPH 2008颜色分割 B. Wang, Y. Yu, T. Wong, C. Chen, Y. Xu, “Data-Driven Image Color Theme Enhancement”, SIGGRAPH Asia 2010 N. Bonneel, K. Sunkavalli, S. Paris, H. Pfister, “Example- Based Video Color Grading”, SIGGRAPH 2013