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1.1光线、人类视觉和色彩空间
本节介绍可见光的基本概念、用于测量可见光的单位、人眼的视觉系统(HVS)和颜色空间。这些概念在HDR成像中是基本的，因为它们封装了光的物理-真实值，从非常暗的值(即。(10 - 3 cd/m2)到非常亮的(即10的6次方cd / m2)。场景的感知在很大程度上取决于照明条件。
图1.5。(a)三种主要的光相互作用:透射、吸收和反射。在透射过程中，光穿过材料，根据介质的物理性质改变其方向。在吸收过程中，光被击中的材料吸收并转化为热能。在反射中，由于材料的特性，光从材料中以不同的方向反射。有两种主要的反射:镜面反射和漫反射。(b)镜面反射:根据材料的光学特性，入射光线以特定的出射方向反射。(c)漫反射:入射光线在各个方向以相等的能量反射(理想情况下)。
1.1.1光
可见光是一种辐射能，它在空间中传播，与物质相互作用，在物质中它可以被吸收、折射、反射和传输;参见图1.5。输入的光可以到达人的眼睛，刺激他们产生视波长而定的视觉感觉;参见图1.6。
辐射测量学和光度学定义了如何测量光及其单位随时间、空间和方向的变化。前者测量物理单位，后者考虑到人眼，其中光谱值由标准观察者的光谱响应y来加权;参见图1.8。辐射和光度单位由国际辐射测量委员会(CIE)标准化[93]
- 辐射ernergy(Ωe)。这是光的基本单位。它是以焦耳(J)为单位的。
- 辐射功率(Pe =Ωe/dt)。辐射功率是单位时间内流动的能量。它的单位是瓦特(W);W=J×s−1。
- 辐射强度(Ie = dPe/dω)。这是每单位方向的辐射功率。它的测量单位是瓦特每斯特拉迪安(W×sr−1)。
- 辐照度(Ee = dPe/dAe)。辐照度是指在某一点上从半球的各个方向照射到单位面积上的辐射能。它的测量单位是瓦特每平方米(W×m−2)
- 辐射率(Le = d2Pe /dAe *cosθdω)。辐射强度是指到达或离开某一特定方向的辐射能的总量。它的测量单位是瓦特每斯特拉迪安每平方米(W×sr−1×m−2)。
图1.6。电磁波谱。可见光在全电磁波谱中所覆盖的范围非常有限，在400nm到700nm之间。
主要的光度单位有：
- 发光功率（Pv）。 发光功率是加权辐射功率。 它以流明（lm）为单位，从坎德拉（lm = cd×sr）得出。
- 发光能量（Qv）。 这类似于辐射能。 单位为流明每秒（lm×s-1）。
- 发光强度（Iv）。 这是每个方向的发光功率。 它以坎德拉（cd）进行测量，等于lm×sr-1。
- 照度（Ev）。 照度类似于辐照度。 它以勒克斯（lux）为单位测量，等效于lm×m-2。
- 亮度（Lv）。 亮度是加权的亮度。 它以cd×m-2或nit度量； 它等效于lm×m-2×sr-1。
测量场景的相对亮度可能是有用的，因为它可以说明场景的某些属性，例如是否存在漫反射或镜面表面，照明条件等。例如，镜面表面会反射光源，即使它们不是 直接在场景中可见，从而增加了相对亮度。 这种相对的度量称为对比度。 对比度被正式定义为场景中最暗值和最亮值之间的关系，并且可以通过不同的方式进行计算。 主要的对比度关系是韦伯对比度（CW），迈克尔逊对比度（CM）和比率对比度（CR）。 这些定义为
其中Lmin和Lmax分别为场景的最小亮度值和最大亮度值。在本书中，CR被用作对比的广义定义。
1.1.2人眼
眼睛是一个将光聚集到感光器上的器官，然后感光器将光转换为信号。 参见图1.7。 这些信号通过视神经传递到视觉皮层，即大脑的一个区域，处理这些信号以产生可感知的图像。 负责视觉的完整系统称为HVS [254]。 进入眼睛的光首先穿过透明的角膜。 然后，它进入瞳孔，一个由虹膜改变的光圈，一个肌肉隔膜。 随后，光被晶状体折射并撞击视网膜中的感光器。 眼内有两种液体，玻璃状和房水。 前者使眼睛充满，保持其形状和视网膜紧贴内壁。 后者在角膜和晶状体之间，并保持眼内压[254]。
有两种类型的感光器：视锥和视杆。大约有6–700万个视锥细胞位于中央凹处[131]。暗视，中视和明视发光效率函数描述了在不同亮度水平下感光棒和视锥系统的光谱灵敏度。这些也称为对比敏感度功能（CSF）。视锥在10−2 cd / m2和108 cd / m2（明视觉或日光视觉）之间的亮度级别敏感，并负责感知高频模式，快速运动和色彩。此外，色觉归因于三种类型的视锥：短波长视锥，对约435 nm的波长敏感；中波长锥，在530 nm附近敏感；和长波锥，在580 nm附近敏感。棒的数量为75–1.5亿[131]，对10-6 cd / m2和10 cd / m2（暗视或夜视）之间的亮度水平敏感。在此范围内，杆比圆锥更敏感，但不提供色觉。这就是为什么我们无法在低照度条件下区分颜色的原因。只有一种类型的杆，它位于中央凹周围，但不存在。这就是为什么在低光照条件下无法区分高频模式的原因。杆和锥都处于活动状态的介观范围定义为10−2 cd / m2至10 cd / m2。注意，从明视到暗视需要适应时间，反之亦然；更多细节;参见[254]。杆和锥压缩原始信号，从而减小入射光的动态范围。此压缩遵循S型函数：
其中R为感光反应，Rmax为最大感光反应，I为光强度。 变量σ和n分别是半饱和常数和灵敏度控制指数，它们对于圆锥和杆而言是不同的[254]。 另一个重要方面是所谓的视觉阈值，即在给定的一组刺激中表现出的任何视觉属性中出现视觉差异的可能性[422]。 由实验数据得出的曲线称为阈值与强度（TVI）函数，它们确定阈值与背景亮度L之间的关系。韦伯定律描述了这种关系，该定律提供了对数线性关系。 对数刻度，它定义为：
其中∆L是可检测到的最小亮度差异，而k是常数。 公式（1.2）指出，由于韦伯的对比度∆L / L = k在此范围内是恒定的，因此HVS具有恒定的对比度灵敏度[301]。 此外，等式（1.2）突出显示，根据背景亮度，对刺激添加或减去亮度会产生不同的视觉影响。
1.1.3颜色空间
颜色空间是用于表示颜色的数学描述，通常由称为原色的三个组件表示。有两类颜色空间：与设备有关和与设备无关。前者描述了与颜色设备用于再现颜色的技术有关的颜色信息。对于计算机显示器，它取决于主要荧光粉的组，而在喷墨打印机中，它取决于主要墨水的组。这种表示的一个缺点是，当在不同的监视器上表示时，具有相同座标（例如R = 150，G = 40，B = 180）的颜色将看起来不同。与设备无关的类别不依赖于特定设备的特性。以这种方式，在这种颜色空间中表示的颜色总是对应于相同的颜色信息。典型的与设备相关的颜色空间是RGB颜色空间。 RGB颜色空间是笛卡尔立方体，由三个加法基色表示：红色（R），绿色（G）和蓝色（B）。典型的独立色彩空间是CIE 1931 XYZ色彩空间，其正式定义为光谱功率分布I到色彩匹配函数x，y和z的投影：
λ是波长。
图1.8显示了x，y和z的图。 注意，以这样的方式设计XY Z颜色空间：Y分量测量颜色的亮度。 颜色的色度是从XYZ值得出的：
这些值可以被绘制出来，产生所谓的CIE xy色度图。这张图显示了HVS可以感知的所有颜色;见图1.8 (b)。
sRGB色彩空间[355]是CRT和LCD显示器常用的色彩空间，它使用ITU-R BT.709建议书[383]（或BT.709）的基色来制作高清晰度（HD）电视。 此色彩空间将红色（R），绿色（G）和蓝色（B）定义为原色。 此外，sRGB中的每种颜色都是三个基色中[0,1]中值的线性加法组合。 因此，不能代表所有的颜色，只能代表由三个基色生成的三角形内部的颜色。 参见图1.8（b）。 XY Z和RGB颜色空间之间存在线性关系：
XYZ与RGB颜色空间存在线性关系:
在sRGB的情况下，M定义为：
当在LCD和CRT显示器上显示时，sRGB会为每个颜色通道呈现非线性变换，以使信号线性化。 这种非线性变换在标准界称为光电传递函数（EOTF）。 它的逆函数通常称为光电传递函数（OETF）。 这是因为在显示装置产生的输出强度与输入电压之间存在非线性关系。 这种关系被建模为：
其中C是颜色通道，γ= 2.4，下标v表示颜色通道已准备好可视化。 请注意，该方程式是从伽马校正得出的：
γ通常的范围[1.8,2.4]。
ITU-R BT.2020建议书[382]（或BT.2020）是超高清电视（UHDTV）新兴的色彩空间。 该色彩空间的色域比sRGB宽，但不能代表全部色域。 参见图1.8（b）。 对于BT.2020，M定义为：
此外，类似的EOTF定义为：
γ= 2.2,α= 1.099,β= 0.018 10位系统和α= 1.0993,β= 0.0181为12bit系统。
表1.1。HDR图像处理中亮度通道的主要符号。
RGB色彩空间在HDR成像中很流行； 其他实用的色彩空间在附录B中提供。但是，在亮度通道Y中从XYZ计算出许多计算值，通常称为L。此外，经常使用此亮度的常用统计信息，例如最大值 ，Lmax，最小值，Lmin和平均值。 这可以计算为算术平均值Lavg或对数LH：
其中xi =（xi，yi）⊤是第i个像素的座标， e> 0是避免奇异性的小常数，即log0。 注意，在HDR成像中，下标w和d（分别代表世界亮度和显示亮度）是指HDR和LDR值。 表1.1列出了用于亮度通道的HDR图像处理中使用的主要符号。