目錄
1.1光線、人類視覺和色彩空間
本節介紹可見光的基本概念、用於測量可見光的單位、人眼的視覺系統(HVS)和顏色空間。這些概念在HDR成像中是基本的，因爲它們封裝了光的物理-真實值，從非常暗的值(即。(10 - 3 cd/m2)到非常亮的(即10的6次方cd / m2)。場景的感知在很大程度上取決於照明條件。
圖1.5。(a)三種主要的光相互作用:透射、吸收和反射。在透射過程中，光穿過材料，根據介質的物理性質改變其方向。在吸收過程中，光被擊中的材料吸收並轉化爲熱能。在反射中，由於材料的特性，光從材料中以不同的方向反射。有兩種主要的反射:鏡面反射和漫反射。(b)鏡面反射:根據材料的光學特性，入射光線以特定的出射方向反射。(c)漫反射:入射光線在各個方向以相等的能量反射(理想情況下)。
1.1.1光
可見光是一種輻射能，它在空間中傳播，與物質相互作用，在物質中它可以被吸收、折射、反射和傳輸;參見圖1.5。輸入的光可以到達人的眼睛，刺激他們產生視波長而定的視覺感覺;參見圖1.6。
輻射測量學和光度學定義瞭如何測量光及其單位隨時間、空間和方向的變化。前者測量物理單位，後者考慮到人眼，其中光譜值由標準觀察者的光譜響應y來加權;參見圖1.8。輻射和光度單位由國際輻射測量委員會(CIE)標準化[93]
- 輻射ernergy(Ωe)。這是光的基本單位。它是以焦耳(J)爲單位的。
- 輻射功率(Pe =Ωe/dt)。輻射功率是單位時間內流動的能量。它的單位是瓦特(W);W=J×s−1。
- 輻射強度(Ie = dPe/dω)。這是每單位方向的輻射功率。它的測量單位是瓦特每斯特拉迪安(W×sr−1)。
- 輻照度(Ee = dPe/dAe)。輻照度是指在某一點上從半球的各個方向照射到單位面積上的輻射能。它的測量單位是瓦特每平方米(W×m−2)
- 輻射率(Le = d2Pe /dAe *cosθdω)。輻射強度是指到達或離開某一特定方向的輻射能的總量。它的測量單位是瓦特每斯特拉迪安每平方米(W×sr−1×m−2)。
圖1.6。電磁波譜。可見光在全電磁波譜中所覆蓋的範圍非常有限，在400nm到700nm之間。
主要的光度單位有：
- 發光功率（Pv）。 發光功率是加權輻射功率。 它以流明（lm）爲單位，從坎德拉（lm = cd×sr）得出。
- 發光能量（Qv）。 這類似於輻射能。 單位爲流明每秒（lm×s-1）。
- 發光強度（Iv）。 這是每個方向的發光功率。 它以坎德拉（cd）進行測量，等於lm×sr-1。
- 照度（Ev）。 照度類似於輻照度。 它以勒克斯（lux）爲單位測量，等效於lm×m-2。
- 亮度（Lv）。 亮度是加權的亮度。 它以cd×m-2或nit度量； 它等效於lm×m-2×sr-1。
測量場景的相對亮度可能是有用的，因爲它可以說明場景的某些屬性，例如是否存在漫反射或鏡面表面，照明條件等。例如，鏡面表面會反射光源，即使它們不是 直接在場景中可見，從而增加了相對亮度。 這種相對的度量稱爲對比度。 對比度被正式定義爲場景中最暗值和最亮值之間的關係，並且可以通過不同的方式進行計算。 主要的對比度關係是韋伯對比度（CW），邁克爾遜對比度（CM）和比率對比度（CR）。 這些定義爲
其中Lmin和Lmax分別爲場景的最小亮度值和最大亮度值。在本書中，CR被用作對比的廣義定義。
1.1.2人眼
眼睛是一個將光聚集到感光器上的器官，然後感光器將光轉換爲信號。 參見圖1.7。 這些信號通過視神經傳遞到視覺皮層，即大腦的一個區域，處理這些信號以產生可感知的圖像。 負責視覺的完整系統稱爲HVS [254]。 進入眼睛的光首先穿過透明的角膜。 然後，它進入瞳孔，一個由虹膜改變的光圈，一個肌肉隔膜。 隨後，光被晶狀體折射並撞擊視網膜中的感光器。 眼內有兩種液體，玻璃狀和房水。 前者使眼睛充滿，保持其形狀和視網膜緊貼內壁。 後者在角膜和晶狀體之間，並保持眼內壓[254]。
有兩種類型的感光器：視錐和視杆。大約有6–700萬個視錐細胞位於中央凹處[131]。暗視，中視和明視發光效率函數描述了在不同亮度水平下感光棒和視錐系統的光譜靈敏度。這些也稱爲對比敏感度功能（CSF）。視錐在10−2 cd / m2和108 cd / m2（明視覺或日光視覺）之間的亮度級別敏感，並負責感知高頻模式，快速運動和色彩。此外，色覺歸因於三種類型的視錐：短波長視錐，對約435 nm的波長敏感；中波長錐，在530 nm附近敏感；和長波錐，在580 nm附近敏感。棒的數量爲75–1.5億[131]，對10-6 cd / m2和10 cd / m2（暗視或夜視）之間的亮度水平敏感。在此範圍內，杆比圓錐更敏感，但不提供色覺。這就是爲什麼我們無法在低照度條件下區分顏色的原因。只有一種類型的杆，它位於中央凹周圍，但不存在。這就是爲什麼在低光照條件下無法區分高頻模式的原因。杆和錐都處於活動狀態的介觀範圍定義爲10−2 cd / m2至10 cd / m2。注意，從明視到暗視需要適應時間，反之亦然；更多細節;參見[254]。杆和錐壓縮原始信號，從而減小入射光的動態範圍。此壓縮遵循S型函數：
其中R爲感光反應，Rmax爲最大感光反應，I爲光強度。 變量σ和n分別是半飽和常數和靈敏度控制指數，它們對於圓錐和杆而言是不同的[254]。 另一個重要方面是所謂的視覺閾值，即在給定的一組刺激中表現出的任何視覺屬性中出現視覺差異的可能性[422]。 由實驗數據得出的曲線稱爲閾值與強度（TVI）函數，它們確定閾值與背景亮度L之間的關係。韋伯定律描述了這種關係，該定律提供了對數線性關係。 對數刻度，它定義爲：
其中∆L是可檢測到的最小亮度差異，而k是常數。 公式（1.2）指出，由於韋伯的對比度∆L / L = k在此範圍內是恆定的，因此HVS具有恆定的對比度靈敏度[301]。 此外，等式（1.2）突出顯示，根據背景亮度，對刺激添加或減去亮度會產生不同的視覺影響。
1.1.3顏色空間
顏色空間是用於表示顏色的數學描述，通常由稱爲原色的三個組件表示。有兩類顏色空間：與設備有關和與設備無關。前者描述了與顏色設備用於再現顏色的技術有關的顏色信息。對於計算機顯示器，它取決於主要熒光粉的組，而在噴墨打印機中，它取決於主要墨水的組。這種表示的一個缺點是，當在不同的監視器上表示時，具有相同座標（例如R = 150，G = 40，B = 180）的顏色將看起來不同。與設備無關的類別不依賴於特定設備的特性。以這種方式，在這種顏色空間中表示的顏色總是對應於相同的顏色信息。典型的與設備相關的顏色空間是RGB顏色空間。 RGB顏色空間是笛卡爾立方體，由三個加法基色表示：紅色（R），綠色（G）和藍色（B）。典型的獨立色彩空間是CIE 1931 XYZ色彩空間，其正式定義爲光譜功率分佈I到色彩匹配函數x，y和z的投影：
λ是波長。
圖1.8顯示了x，y和z的圖。 注意，以這樣的方式設計XY Z顏色空間：Y分量測量顏色的亮度。 顏色的色度是從XYZ值得出的：
這些值可以被繪製出來，產生所謂的CIE xy色度圖。這張圖顯示了HVS可以感知的所有顏色;見圖1.8 (b)。
sRGB色彩空間[355]是CRT和LCD顯示器常用的色彩空間，它使用ITU-R BT.709建議書[383]（或BT.709）的基色來製作高清晰度（HD）電視。 此色彩空間將紅色（R），綠色（G）和藍色（B）定義爲原色。 此外，sRGB中的每種顏色都是三個基色中[0,1]中值的線性加法組合。 因此，不能代表所有的顏色，只能代表由三個基色生成的三角形內部的顏色。 參見圖1.8（b）。 XY Z和RGB顏色空間之間存在線性關係：
XYZ與RGB顏色空間存在線性關係:
在sRGB的情況下，M定義爲：
當在LCD和CRT顯示器上顯示時，sRGB會爲每個顏色通道呈現非線性變換，以使信號線性化。 這種非線性變換在標準界稱爲光電傳遞函數（EOTF）。 它的逆函數通常稱爲光電傳遞函數（OETF）。 這是因爲在顯示裝置產生的輸出強度與輸入電壓之間存在非線性關係。 這種關係被建模爲：
其中C是顏色通道，γ= 2.4，下標v表示顏色通道已準備好可視化。 請注意，該方程式是從伽馬校正得出的：
γ通常的範圍[1.8,2.4]。
ITU-R BT.2020建議書[382]（或BT.2020）是超高清電視（UHDTV）新興的色彩空間。 該色彩空間的色域比sRGB寬，但不能代表全部色域。 參見圖1.8（b）。 對於BT.2020，M定義爲：
此外，類似的EOTF定義爲：
γ= 2.2,α= 1.099,β= 0.018 10位系統和α= 1.0993,β= 0.0181爲12bit系統。
表1.1。HDR圖像處理中亮度通道的主要符號。
RGB色彩空間在HDR成像中很流行； 其他實用的色彩空間在附錄B中提供。但是，在亮度通道Y中從XYZ計算出許多計算值，通常稱爲L。此外，經常使用此亮度的常用統計信息，例如最大值 ，Lmax，最小值，Lmin和平均值。 這可以計算爲算術平均值Lavg或對數LH：
其中xi =（xi，yi）⊤是第i個像素的座標， e> 0是避免奇異性的小常數，即log0。 注意，在HDR成像中，下標w和d（分別代表世界亮度和顯示亮度）是指HDR和LDR值。 表1.1列出了用於亮度通道的HDR圖像處理中使用的主要符號。