第二章 色調重現相關研究及探討
2.1 影像相關背景
2.1.1 高動態範圍與壓縮
動態範圍的定義是影像中最高和最低亮度的比值，影像的動態範圍越 高，所能呈現原始場景的細節和資訊也越多，影像也更貼近於人眼所看到 的原始景物。常見的高動態範圍(High Dynamic Range, HDR)場景，例如在 陰暗的室內向外看是一大片明亮的落地窗。高動態範圍場景可藉由色調重 現和動態範圍壓縮在顯示器上重現影像的高對比和資訊。
傳統的電腦顯示器例如 CRT、LCD，和其他顯示影像的方法都有動態範 圍顯示的限制性。就數位相機來說，使用的拍攝裝置其動態範圍的限制使 得拍攝出來的結果會造成資訊的遺漏(loss of information)，因此不同的方法 轉換高動態範圍到可見的形式上因而發展出來，即動態範圍壓縮(Dynamic Range Compression)，又稱作色調映射(Tone Mapping)。理論上色調映射是 要解決將原始場景的亮度變換到可以顯示的範圍上的大幅度的對比度降 低，且同時保持影像的色彩、亮度和細節，因為這對於重現原始場景是相 當重要。在針對不同的場景也有色調映射目的的不同需求，在大部分場景 中，必須盡可能重現原始場景的任何細節或甚至是達到最大的對比結果，
但在其他少數場景中，則可能以產生視覺性佳的影像為主要目的，因此開 發出各種不同的色調映射演算法，例如色調映射濾波器、梯度域高動態範 圍壓縮。這些演算法的重點在於保持原始場景的對比度而非亮度的映射，
這樣的概念是由於人眼對於在不同亮度區域的對比極為敏感，一些色調映
射演算法常常著重於保存最佳的對比度而產生極為銳利的影像，因此好的 色調映射演算法必須在兩者間取得平衡。例如 Mantiuk et al.[31]的高動態範 圍圖像感知框架則嘗試將高動態範圍適應到顯示器上並避免資訊因飽和而 流失，且同時保留對比度和細節，唯一缺點是可能會造成影像上雜訊的放 大。
另外一個高動態範圍的色調映射實現方法是從色調重建中的亮度感知 為核心概念，是將高動態範圍圖像分解成照明一致的區域或結構以及計算 局部亮度值。根據各個區域亮度的比例進行合併，從而計算影像的純亮度 值。其中尤其重要的是亮度定位(anchoring)，將照明的亮度對應於已知的亮 度值，也就是說哪個亮度值在場景中感知為白色。這種色調映射實現方法 不影響局部對比度，並且由於對亮度進行線性處理所以也保留了高動態影 像的自然顏色。
2.1.2 人類視覺系統
人 眼 視 網 膜 上 分 佈 許 多 光 受 體 分 成 錐 狀 體 和桿 狀 體 。 當 人 眼 在 看 東 西 時，所看到的景物會以光的形式進入視網膜，視網膜上分佈了許多離散光 受體的視覺接收器，能將進來的光產生圖像的形式。光受體主要分成錐狀 體(cones)及桿狀體(rods)，大約有七千五百萬到一億五千萬的桿狀體以及六 百萬到七百萬的錐狀體。桿狀體分佈在視網膜(retina)表面，分佈面積大且 為幾個桿狀體和一個神經末稍相連，所以能分辨的細節減少，但對低亮度 卻很敏感，看到的是無色彩的景象，例如白天看到色彩鮮明的物體，在月 光下卻看不出色彩，此現象稱為夜視覺(scotopic)或昏暗視覺，亮度範圍從 10-6到 10 cd/m2。錐狀體主要位於視網膜中央部分的中央凹(fovea)，每個錐 狀體都與自身的神經末稍相連，所以能分辨微小的細節，對色彩很敏感，
提供景物的顏色資訊，錐狀體視覺稱為白晝(photopic)視覺或亮光視覺，亮
度範圍從 0.01 到 108 cd/m2。0.01 到 10 的亮度範圍錐狀體和桿狀體同時作 用，稱為mesopic 範圍。因此桿狀體主要是提供所看到景物暗處影像，錐狀 體則提供了所看到景物影像的細節和顏色。圖 3-2 為桿狀體和錐狀體分別在 scotopic和photopic視覺亮度下正規化後的有效亮度函數分佈。桿狀細胞和錐 狀細胞可感應光的波長從 400 nm到 700 nm，對不同波長的光有不同的敏感 度，桿狀細胞的有效最高峰值波長大約是 505nm，錐狀細胞則為 555 nm。
人眼可見到極高動態範圍，在極暗的光源下人眼對亮度變的很敏銳，可 察覺到細微的亮度變化。這是因為人眼能夠去適應周遭亮度範圍極大的環 境，並察覺亮度的細微變化，色調重現的目的便是去模擬人眼所看到高動 態範圍下景物的細節和對比。
2.1.3 色彩空間
RGB 是彩色影像的三原色(Primary Color)，R 代表紅色光成份、G 代表 綠色光成份、B 代表藍色光成份。而一般所謂的全彩色是由 R、G、B 三種 不同成份所組成，其灰階影像為 8 位元，全彩影像為 24 位元，即 R、G、B 各佔 8 位元，值域範圍為 0-255。以錐狀體為例來說明三種顏色對光線的靈 敏度，其主要負責眼睛彩色視覺的感應器，人眼中大約有 600-700 萬個錐形 體，其中 65%可以感應紅光，33 %可以感應到綠光，2%可以感應藍光；可 見光的波長範圍為：400-700nm，紅光的波長範圍為：450-700nm，綠光的 波長範圍為：430-680nm，藍光的波長範圍為：310-560nm；在可見光與 R、
G、B 波長範圍對人眼的感應，得知人眼對藍光較不靈敏。
在處理色調重現的過程中，最常用到色彩空間轉換就是將 轉到 色彩空間[8]，目的是將亮度和彩度分離，以方便在對亮度作處理時，
sRGB CIELAB
不會對彩度造成改變。CIELAB色彩空間是建立在色彩視覺模型上，該空間
由(2-2)式到(2-4)式中可以觀察到，三個數學式都有一個共同項 f(t)，其 定義為(2-5)式，而其中 便是為了避免有無效色域而產生的判斷
( )
⎪⎩
⎪⎨
⎧
≤ +
= >
008856 .
116 0 787 16 . 7
008856 .
3 0
1
t t
t t
t
f (2-5)
如圖 2-1 為a*及b*色彩空間，由a*-b*圓可得知，相同角位置下越靠近圓 心位置的顏色越淡，越往外層的方向則其顏色亮度越深。而水平軸方向a*
代表的是紅色和綠色，垂直軸方向b*代表的是黃色和藍色。a*、b*軸的開 根號距離和角位置代表的是色彩的濃度和色度。
圖 2-1 a*及b*色彩空間