顏色感知、顏色匹配與感受體

• 光受體、光波長與顏色信息
• 人類顏色感知
• 顏色匹配
• • 三原色原理
  • 格拉斯曼定律
• 顏色感受體
• • 單度量原則
  • 感受體的反應(yīng)

光受體、光波長與顏色信息

攝像機(jī)中的光受體和人眼中的光受體會(huì)對(duì)不同的光波長做出或強(qiáng)或弱的強(qiáng)度反應(yīng)。大多數(shù)的攝像機(jī)和大多數(shù)的人眼具有不同類型的光受體，這些光受體會(huì)對(duì)不同大小的光波長敏感。

不同類型的傳感器對(duì)輸入不同光波長的光產(chǎn)生不同的能量響應(yīng)，這種響應(yīng)即為顏色信息。

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人類顏色感知

從源射出的光線，或者從表面反射的光線根據(jù)不同的光波長具有或多或少的能量值，該能量值的大小取決于光的產(chǎn)生過程。這種關(guān)于光波長的能量的分布有時(shí)也稱之為光譜能量密度。

客觀而言， 人眼中不同的顏色感受體根據(jù)不同波長的光進(jìn)行或多或少的感應(yīng)，由此產(chǎn)生的信號(hào)通過人的視覺系統(tǒng)解析為顏色信息。

主觀而言， 特定的顏色精確解析器是非常復(fù)雜的，照度、物體識(shí)別和情感都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生作用。而對(duì)于顏色的精確描述，通過研究顏色匹配理論，我們可以通過理解哪些光譜能量密度在簡(jiǎn)單條件下產(chǎn)生與人眼相似的響應(yīng)。

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顏色匹配

下圖中，我們?cè)谧髠?cè)半?yún)^(qū)觀察到彩色光——測(cè)試光，我們想嘗試對(duì)右側(cè)半?yún)^(qū)光的混合達(dá)到兩邊區(qū)域顏色的匹配。調(diào)整的方式基于三原色原理，且可表示為代數(shù)形式：
$$T=w_1{P}_1+w_{2}P2+w_3{P}_3$$
圖如下，三原色原理如下下：

三原色原理

人眼中，具有三種不同類型的顏色感受體，其相互“獨(dú)立”，即沒有兩種原色的混合可生成第三種原色；而通過三原色的混合，可以構(gòu)建整個(gè)顏色體系。

格拉斯曼定律

光的匹配過程是精確近似于線性的，滿足格拉斯曼定律。首先，如果混合兩種測(cè)試光，那么將兩種測(cè)試光對(duì)應(yīng)的匹配混合起來就會(huì)得到混合光的匹配，即：

若：$T_a=w_{a1}{P}_1+w_{a2}{P}_2+w_{a3}{P}_3$
且：$T_b=w_{b1}{P}_1+w_{b2}{P}_2+w_{b3}{P}_3$
那么：$T_a+T_b=(w_{a1}+w_{b1})P_1+(w_{a2}+w_{b2})T_2+(w_{a3}+w_{b3})T_3$

若：$T_a=w_1{P}_1+w_2{P}_2+w_3{P}_3$
且：$T_b=w_1{P}_1+w_2{P}_2+w_3{P}_3$
那么：$T_a=T_b$

若：$T_a=w_1{P}_1+w_2{P}_2+w_3{P}_3$
那么：$k{T}_a=k{w}_1{P}_1+k{w}_{a2}{T}_2+k{w}_{a3}{T}_3$，k非負(fù)

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顏色感受體

通常，人眼中有三種不同類型的顏色感受體 (Color Receptor) 調(diào)節(jié)顏色感知，這是三原色原理存在的原因，每種感受體均將入射光轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)信號(hào)。

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單度量原則

科學(xué)家通過解剖光感細(xì)胞，并測(cè)量它們對(duì)不同的波長的光的反應(yīng)，或從顏色匹配反向推理，能夠通過一些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得：感受體的活動(dòng)只有一種類型，例如反應(yīng)很強(qiáng)烈或很弱，但是并不對(duì)接收到的光的波長起反應(yīng)。

單度量原則是一個(gè)非常好的想法，其提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型：如果感受器對(duì)兩種光產(chǎn)生同樣的反應(yīng)，那么它們之間是匹配的，而不考慮它們的光譜能量密度。

感受體的反應(yīng)

由于系統(tǒng)的匹配是線性的，感受體也必須是線性的。記 $p_k$ 為第 $k$ 個(gè)感受體的反應(yīng)，${\sigma }_k(\lambda )$ 是它的靈敏度，$E(\lambda )$ 是到達(dá)感受體的光，并且 $\Lambda$ 為可視波長的范圍。通過將到達(dá)光譜中的每種波長的反應(yīng)相加，可獲得一個(gè)感受體的全部反應(yīng)：
$$p_k={\int }_{\Lambda }{\sigma }_k(\lambda )E(\lambda )$$

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“回到顏色感受體部分”

視網(wǎng)膜的解剖學(xué)研究表明有兩種類型的細(xì)胞對(duì)光敏感，視錐細(xì)胞 (cone) 與 視桿細(xì)胞 (rod)。

視錐細(xì)胞的光敏感區(qū)域的形狀大致為錐形，主要對(duì)顏色視覺起作用，并且完全占據(jù)視網(wǎng)膜中央凹的位置。在對(duì)光的敏感性方面，視錐細(xì)胞要弱于視桿細(xì)胞，從而在暗光下，彩色視覺很弱并且基本上難以分辨（由于視網(wǎng)膜中央凹不工作，不能充分感知空間的精度）。

$e.g.$ 試想在黑夜里，走在大街上，顏色不再鮮艷的原因就是因?yàn)榘倒庀乱曞F細(xì)胞由于光敏若所以不能充分感知空間，測(cè)色視覺很弱難以準(zhǔn)確分辨顏色。

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更細(xì)致來說，視錐細(xì)胞主要分為三種類型，S型視錐、M型視錐和L型視錐。之所以稱為S、M、L視錐，是由于其分別對(duì)Small短波長、Medium中波長以及Large長波長敏感。

下圖可以注意到紅色的中心波長為660nm，為長波長；綠色的中心波長為540nm，為中波長；藍(lán)色的中心波長為460nm左右，為短波長。

這樣來看，S、M、L亦可以稱為藍(lán)、綠、紅視錐細(xì)胞，但是這樣并不確切，因?yàn)閷?duì)紅色的感知并不是由對(duì)紅色視錐細(xì)胞的刺激而引起的，其他兩種亦是如此。

在人的眼睛中，總共有三種顏色感受體，通常叫做視錐細(xì)胞。這些感受體對(duì)所有的光量子的響應(yīng)都相同，但在數(shù)量上有一定的區(qū)別。

下圖為三種顏色感受體 S、M、L的光譜靈敏度的相對(duì)對(duì)數(shù)，橫坐標(biāo)為波長，單位為nm。

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2022.10.18

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【计算机视觉】人类颜色感知、光受体、光波长和颜色信息以及颜色匹配的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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