第三章 研究方法
第四節 自然影像光源分析
自然影像光源分析包含兩大部分：第一部分為單一光源分析，其中包含色域 極 限 點 光 源 偵 測 法(Gamut Extreme Light Estimation) 與 不 變 色 光 源 偵 測 法 (Invariant Color Light Estimation)，兩種光源偵測方法；第二部分為複合光源分析，
將影像分割進行區域影像光源偵測，觀察複合光源影像於每一區域的光源變化，
進行主光源的判斷。
一、色域極限點偵測之單一光源分析
圖3-12 單一光源估計流程(方法一)
圖3-12 為色域極限點光源偵測法之流程圖。此方法基於文獻[18][19]，與文 獻中不同之處為本研究針對人造光源進行偵測而非日光。首先，在單一光源影像 中，取得畫素rgb 值後經由公式(3-2)正規化，公式(3-3)、公式(3-4)轉換修正後得 到
R p 、 G p 、 B p
，透過sRGB 矩陣轉換可得三刺激值X p 、 Y p 、 Z p
[25] ，公式 (3-16)，瘦長型( A、U30 ) 圓胖型( DAY、CWF )
轉換
轉換
影像所有像素
CIELa*b*色彩空間
選取影像色域極限點 選取參考色色域極限點 參考色
套用人造光源
最短距離計算 色域形狀分群
鑑別色判斷
判斷光源
將影 取(Image Gam
4 影像色域
mut Extrem
域極限點
mes, IGE)，
(3
39
本研究中參考色為虛擬物體於 D65 光源下的顏色，因此，在參考色資料建 置方面，由於光源變換導致色域移動，圖3-15，也因此在移動過程中產生重疊部 分，當像素的色彩空間位置落在此重疊部分時，圖3-16，容易無法判定由哪一光 源所照射，亦即發生照明光條件等色現象，而導致光源估計不精確，因此，本方 法中採用色域邊界點，確保色域範圍應由某一光源而造成色彩呈現，作為估計光 源的參考值。
圖3-15 色域移動示意圖 圖 3-16 色域重複率示意圖
(紅框內為重複率高)
估計光源的參考色由R、G、B 三個顏色排列組合，如表 3-3 的方式取樣，
使用公式(3-11)反射譜的計算求得
R ref ( )
λ ，分別代入四種人造光源P( ) λ
，計算每 一參考色於四種光源下的三刺激值X ref 、 Y ref 、 Z ref
，公式(3-18)，表3-3 等間隔取樣 rgb 值(參考色 R)
r g b r g b r g b r g b
8 0 0 72 0 0 136 0 0 200 0 0
16 0 0 80 0 0 144 0 0 208 0 0
24 0 0 88 0 0 152 0 0 216 0 0
32 0 0 96 0 0 160 0 0 224 0 0
40 0 0 104 0 0 168 0 0 232 0 0
48 0 0 112 0 0 176 0 0 240 0 0
56 0 0 120 0 0 184 0 0 248 0 0 64 0 0 128 0 0 192 0 0 255 0 0
DAY
A
40
間轉換到CIEL*a*b*色彩空間中，公式(3-19)，建立本方法參考色色域，圖 3-17。⎪⎭
41
42
此色域為多數點形成的而非一個實心的多方體，根據這樣的特性進行下一階 段的極限點選取。色域的變動軌跡中必定會有重複的區域，重複率越高的地方代 表容易產生條件等色，因此容易造成光源評估的誤差，色域的邊界區域是最不容 易重複的地方，根據這樣的原因，我們進行參考色色域極限點(Reference Gamut Extremes, RGE)的選取。
將色域所在的 CIEL*a*b*色彩空間分割以 L*軸為剖面，分別選取低、中、
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色的兩個三刺激值，公式3-18，將兩組三刺激值轉換至 CIEL*a*b*色彩空間，透 過CIE94 色差公式，公式(3-8)，計算 A 光源與 U30 光源下的色差ΔE94
(A, U30
)，當色差值皆大於7 時，則認定此顏色為鑑別色(Discriminated Color)，經由計算結 果後選出圖3-19 中 37 個鑑別色。
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二、不變色偵測之單一光源分析
圖3-21 單一光源估計流程(方法二)
圖 3-21 為不變色光源偵測法之流程圖。在參考色資料建置方面，經由 rgb 值間隔50 取樣方式，經由排列組合後可獲得 216 種顏色，利用公式(3-11)模擬顏 色反射譜，將所得反射譜與四種人工光源分別計算出每一顏色的四組三刺激值，
將三刺激值轉換至 CIEL*a*b*色彩空間，透過 CIE94 色差公式，公式(3-8)，以 DAY 光源形成的 L*、a*、b*值為基準，分別計算出三組色差值(ΔE
94
(DAY, A
)、ΔE
94
(DAY, CWF
)、ΔE94
(DAY, U30
))，當色差值皆小於 7 時，認定此顏色為參考色不變色(ReferenceInvariant Color, RIC)，經由計算結果選出圖 3-22 中 44 個不變色。
圖3-22 參考色不變色於 CIEL*a*b*色彩空間
-100 -50
0 50
100
-100 -50 0 50 100
0 20 40 60 80 100
L
a* b*
圓胖型( DAY、CWF ) 瘦長型( A、U30 )
鑑別色判斷
判斷光源
轉換
轉換
影像所有像素
CIELa*b*色彩空間
選取影像不變色
不變色
套用人造光源
最短距離計算 色域形狀分群
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利用三次刺激值公式，公式(3-18)，將此組不變色代入四種人造光源下，求 得不變色於不同光源下的CIEL*a*b*色彩空間位置，公式(3-19)，圖 3-23。
每一像素轉換到CIEL*a*b*色彩空間，取得不變色色域與影像色域的交集部分，
此交集部分則稱之為影像不變色(Image Invariant Color, IIC)，圖 3-24。
圖3-24 影像不變色
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在光源估計方面，步驟與方法一(色域極限點偵測法)相同，先將影像色域形 狀進行判定，可將影像進行初步分群為圓胖型(DAY 光源與 CWF 光源)、瘦長型 (A 光源與 U30 光源)。表 3-6 可看出，DAY 光源的色域表現明顯地多出紅框範圍 色域。因此，當影像色域若有落在此範圍中時，則可先認定該張影像為DAY 光 源下所拍攝形成的影像。
經由影像色域分群後，採用空間距離的關係進行運算，將影像不變色與參考 色不變色於 CIEL*a*b*色彩空間進行距離 d 運算，公式(3-20)，將所有距離經由 小到大排序後，採用前10%的資訊，由每一不變色與影像不變色經由最短距離之 比對，找出與該像素點最接近的參考色位置，同時可得知該參考色是由哪一光源 所形。
若判定為A 光源或 U30 光源時，則再次的計算與鑑別色的距離關係。如圖 3-25 當影像像素與不變色於 A 光源的距離為最短距離，又該影像像素與鑑別色 於A 光源為最短距離時，則認定該像素的色彩呈現應由 A 光源照射所形成，依 照這樣的方式估計該張影像所有不變色像素，應由何種光源所形成的，最後，採 用多數決判定方式，估計該張影像拍攝光源為何。
(a)不變色 (b)鑑別色 圖 3-25 最短距離示意圖
A
U30 DAY
CWF
pixel d= min
A U30
pixel d= min
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三、複合光源分析
圖3-26 複合光源分析流程圖
複合光源影像方面，光源分析流程如圖3-26。由於棚內攝影常用輔助燈使影 像有明暗層次出現，也能夠彌補光源不足的部分或是強調特別的區塊，讓整張影 像達到拍攝目的的效果[30]。因此，本研究複合光源實驗影像採用同時使用 2 種 光源進行拍攝，拍攝方式如圖3-27 所示：
圖3-27 複合光源影像拍攝方式示意圖 複合光源影像
影像分割
光源變動情形
判斷主光源 區域光源偵測
輔助光源
主光源
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複合光源的主光源分析中，將影像分割為小區塊，圖3-28，本研究中嘗試以 4 區、6 區及 24 區進行分割，由於分割 4 區時，不容易觀察其光源變化情形，又 分割24 區時，因區域面積太小，容易產生單一色的狀況，則不符合本研究單一 光源偵測時需要色彩豐富數位影像的條件，因此，本研究則採用分割6 區，將每 ㄧ小區塊影像中光源視為單一光源，進行區塊中的光源估計。
(a)分割 4 區 (b)分割 6 區 (c)分割 24 區
圖3-28 影像區域分割小區塊影像進行光源的估計後，可得到多個單一光源結果，將這些光源結果 進行觀察，由於小區塊是由整張影像中分割後所得，因此，整張影像的光源變化 應具有漸變現象，了解其光源變化後，可進行複合光源中主光源判斷。如圖3-29 由於(2)、(3)、(6)區塊皆為 DAY 光源，而(4)為 A 光源，因為由複合光源下所拍 攝的影像，在兩種光源的交接處必有混合現象，即(1)和(5)皆可能被判定為 CWF 光源或 U30 光源，故由本研究複合光源分析結果下，則會判斷此影像為主光源 DYA 與輔助光源 A 環境下所拍攝的影像。
圖3-29 主光源判斷示意圖 (1)
CWF
(2) DAY
(3) DAY
(4) A
(5) CWF
(6) DAY