第一章 緒論
光源的不同造成影像的色彩呈現而有所變化，若能還原拍攝自然影像時所使 用的光源，便能瞭解影像的色彩變動，進而可應用於數位影像後製過程之色彩修 正部分。本章節中將介紹與本研究相關之研究背景與動機、研究目的、研究問題 及名詞解釋
。
第一節 研究背景與動機
光源對於數位影像合成、視訊處理、虛擬實境、電影藝術…等是非常重要的，
在不同光源條件環境下，即使於相同的場景或物體，便會有不盡相同的色彩表現，
因此，光源的不協調性將會導致不自然的合成影像，若於後製過程中，根據影像 中光源進行光源置換達到色彩平衡，便可使合成影像降低前景與背景的突兀感，
更自然地呈現弄假成真的效果。
人眼所看到的彩色世界是藉由物體反射譜或透射譜、光源的光譜分佈及人眼 感知所構成的，此三項中若有任一項的變動將可使色彩有所變化。每一物體都擁 有自己的反射譜或透射譜，所以都能夠呈現自己的色彩，但在不同的光源下同一 物體卻會產生不同的色彩。由於大多數的人類都有著近乎相同的肉眼感受細胞，
因此，在相同的物體且同一光源下，都能夠看出相同的色彩，所以我們能夠有共 識地辨認出每一物體的色彩特性。
近年來，數位相機的普遍使用，使得數位影像取得方便，而在拍攝時光源的 不同亦造成顯示影像的色彩差異，因而，不能忠實地表現出理想的影像。由於人 眼具有色適應特性，即使在不同的光源下依然可以辨識出物體本身的色彩，因此，
當人眼同時看到實際物體與拍攝影像中的物體時，明顯地看出兩者之間的色彩呈 現不同，造成影像中的物體與實際物體的呈現落差，而無法確認是否為同一樣物 體。
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同樣地，這樣的情況也常在數位典藏實施過程中發生，圖畫的複製、古物的 拍攝，最後的成果將呈現於顯示器中，但製作過程中由於光源的影響，使得顯示 器無法呈現人眼實際看到的樣子，因此，在數位典藏過程中加入物體反射譜估計 的方法，以降低光源所造成色彩偏差的影響[1][2]。當取得物體反射譜資料，及 經測量取得環境的光源分佈資料後，即使受環境光源影響而造成複製影像的色差 現象，也能夠輕易地將複製影像調整成與人眼認知相符的色彩。這樣的技術加入 數位典藏中，使得影像資料的建立能更加忠實地呈現色彩。
在數位相機功能中，白平衡即仿造人眼色適應的功能，將拍攝時的光源進行 色彩的調整，使白色的地方呈現出如同人眼看到的白色。雖然目前的數位相機已 具備了這樣的功能，能夠大致上解決拍攝時光源的影響，使物體的色彩盡量呈現 與人眼認知相符的顏色，但是影像若要進行特殊應用時，仍須判斷出當時的光源，
經由調整才能夠有精確的色彩呈現。
數位影像的合成技術也可藉由色彩的調整使得合成影像能夠更自然，常因為 前景與背景光源的不同而使得合成的影像具有突兀感，此時，藉由光源的置換將 欲進行合成的影像進行光源置換，各影像的光源一旦具有一致性，影像合成的色 彩將能夠呈現協調。這樣的技術也應用於虛擬攝影棚中，場景中光源的置換與實 際人物結合，不但能夠節省拍攝時間也能夠節省成本[3]。
本研究將利用多頻譜分色的原理進行自然影像的光源分析，一張自然影像在 未知拍攝條件下，必須先了解被拍攝物的反射譜，因此我們首先進行物體反射譜 的模擬。在色彩表現的三刺激值公式中[4]，模擬物體反射譜後，加上已知條件 下的人眼配色函數，便能進行光源的光譜分佈估計。由於影像拍攝時難以控制在 單一光源，因此，最後將判斷出拍攝時複合光源的主光源。
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第二節 研究目的
本研究擬提出ㄧ套有系統性的複合光源分析法，利用此方法進行自然影像光 源的評估，達到任何自然影像能夠獲得拍攝時所使用光源，將可應用於模擬自然 影像置換光源的色彩呈現。
本研究目的有以下三點：
一、物體反射譜估計與模擬
在未知拍攝條件下，無法得知影像中各物體反射譜，因此我們必須建立一套 模擬物體反射譜的方法，以利進行光源估計。
二、單一光源光譜分佈之分析
藉由三刺激值的定義，我們可瞭解到色彩的呈現由物體反射譜或透射譜、照 明光光譜分佈及人眼配色函數所構成，因而，當影像中物體反射譜經由我們的模 擬取得後加上已知的人眼配色函數，便可進行影像光源的估計。
三、複合光源之主光源分析方法
無論是在攝影棚拍攝時，大多運用多種輔助光源的進行拍攝，或是在室外拍 攝時也常常都有多種光源的存在，因此自然影像中擁有多種光源成分，找出自然 影像的主光源便是本研究目地之ㄧ，最後，進行複合光源的準確性評估。
第三節 研究問題
依據上述研究動機與目的擬定下列研究問題：
一、瞭解模擬物體反射譜的方法？
二、如何估計光源分佈使之與真實拍攝環境符合？
三、如何進行複合光源中主光源分析？
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第四節 名詞解釋
以下針對本研究相關之專有名詞進行解釋：
一、自然影像(natural image)
由數位相機取像所得的影像。相對於自然影像稱之為合成影像(synthetic image)，是藉由電腦軟體繪製而成的影像[5]。本研究中將自然影像認定為於光箱 中拍攝出的色彩豐富數位影像。
二、色適應(chromatic adaptation)
當光源改變時，人眼視覺機制不會受到很大影響，仍可以正常地辨識出物體 的顏色[4]。
三、三刺激值(tristimulus values)
由物體的頻譜反射率或頻譜透射率、照明光的頻譜分佈及人眼的配色函數 者積分所得的色彩物理量[4]。
四、物體反射譜(spectral reflectance)
入射光接觸物體後獲得反射光，兩者間比值為反射率，相對於每一波長的反 射率則能構成頻譜即為物體反射譜[4]。
五、光譜分佈(power spectral distribution)
光源所發出光的光譜組成以能量來表示，即光源發出不同波長的輻射功率 (W)的相關分佈[4]。
六、同色異譜 (metamerism)
在特定的觀測條件下，觀察到兩個頻譜分布不同的色刺激卻產生相同色彩的 現象，稱為條件等色或同色異譜[4]。