Color imaging: fundamentals and applications

1041 Pages·2008·16.52 MB·English

by  Erik Reinhard

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Color Imaging
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Color Imaging
Fundamentals and Applications
Erik Reinhard
Erum Arif Khan
Ahmet Og˘uz Akyu¨z
Garrett Johnson
AKPeters,Ltd.
Wellesley,Massachusetts
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LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Reinhard,Erik,1968–
Colorimaging:fundamentalsandapplications/ErikReinhard...[etal.].
p.cm.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN:978-1-56881-344-8(alk.paper)
1.Computervision.2.Imageprocessing.3.Colordisplaysystems.4.Color
separation.I.Title.
TA1634.R452007
621.36’7--dc22
2007015704
PrintedinIndia
1211100908 10987654321
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Contents
Preface xiii
I Principles 1
1 Introduction 3
1.1 ColorinNature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 ColorinSociety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 InthisBook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 PhysicsofLight 17
2.1 ElectromagneticTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4 SpectralIrradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5 ReflectionandRefraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 Birefringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.7 InterferenceandDiffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.8 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.9 GeometricalOptics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.10 Application: ImageSynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.11 Application: ModelingtheAtmosphere . . . . . . . . . . . 104
2.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.13 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3 ChemistryofMatter 121
3.1 ClassicalPhysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.2 QuantumMechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.3 AtomsandIons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
v
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vi Contents
3.4 Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.5 SourcesofRadiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3.6 PolarizationinDielectricMaterials . . . . . . . . . . . . . . 182
3.7 Dichroism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
3.8 Application: ModelingofFireandFlames . . . . . . . . . . 191
3.9 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
4 HumanVision 199
4.1 OsteologyoftheSkull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
4.2 AnatomyoftheEye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
4.3 TheRetina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.4 TheLateralGeniculateNucleus. . . . . . . . . . . . . . . . 228
4.5 TheVisualCortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
4.6 AMulti-StageColorModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4.7 AlternativeTheoryofColorVision . . . . . . . . . . . . . . 245
4.8 Application: ModelingaHumanRetina . . . . . . . . . . . 247
4.9 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
5 Perception 251
5.1 Lightness,Brightness,andRelatedDefinitions . . . . . . . . 252
5.2 ReflectanceandIllumination . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
5.3 ModelsofColorProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
5.4 VisualIllusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
5.5 AdaptationandSensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
5.6 VisualAcuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
5.7 SimultaneousContrast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
5.8 LightnessConstancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
5.9 ColorConstancy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
5.10 Category-BasedProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.11 ColorAnomalies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
5.12 Application: ShadowRemovalfromImages . . . . . . . . . 309
5.13 Application: GraphicalDesign . . . . . . . . . . . . . . . . 312
5.14 Application: TellingHumansandComputersApart . . . . . 314
5.15 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
II ColorModels 317
6 RadiometryandPhotometry 319
6.1 TheSensitivityoftheHumanEye . . . . . . . . . . . . . . 320
6.2 RadiometricandPhotometricQuantities . . . . . . . . . . . 322
6.3 TheEfficacyofOpticalRadiation . . . . . . . . . . . . . . 337
6.4 Luminance,Brightness,andContrast . . . . . . . . . . . . . 340
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Contents vii
6.5 OpticalDetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
6.6 LightStandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
6.7 DetectorStandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
6.8 MeasurementofOpticalRadiation . . . . . . . . . . . . . . 347
6.9 VisualPhotometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
6.10 Application: MeasuringMaterials . . . . . . . . . . . . . . 359
6.11 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
7 Colorimetry 363
7.1 Grassmann’sLaws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
7.2 VisualColorMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
7.3 Color-MatchingFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
7.4 CIE1931and1964StandardObservers . . . . . . . . . . . 375
7.5 CalculatingTristimulusValuesandChromaticities . . . . . . 378
7.6 PracticalApplicationsofColorimetry . . . . . . . . . . . . 387
7.7 Application: Iso-LuminantColorMaps . . . . . . . . . . . 397
7.8 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
8 ColorSpaces 405
8.1 RGBColorSpaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
8.2 Printers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
8.3 Luminance-ChrominanceColorSpaces . . . . . . . . . . . 427
8.4 TelevisionandVideo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
8.5 Hue-Saturation-LightnessSpaces . . . . . . . . . . . . . . . 439
8.6 HVSDerivedColorSpaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
8.7 ColorOpponentSpaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
8.8 ColorDifferenceMetrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
8.9 ColorOrderSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
8.10 Application: ColorTransferbetweenImages . . . . . . . . . 467
8.11 Application: Color-to-GrayConversion . . . . . . . . . . . 474
8.12 Application: Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
8.13 Application: RenderingandColor-MatchingPaints . . . . . 480
8.14 Application: ClassificationofEdges . . . . . . . . . . . . . 484
8.15 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
9 Illuminants 491
9.1 CIEStandardIlluminantsandSources . . . . . . . . . . . . 491
9.2 ColorTemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
9.3 Color-RenderingIndex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
9.4 CIEMetamerismIndex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
9.5 DominantWavelength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
9.6 ExcitationPurity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
9.7 ColorimetricPurity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
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viii Contents
9.8 Application: ModelingLight-EmittingDiodes . . . . . . . . 518
9.9 Application: EstimatingtheIlluminantinanImage . . . . . 520
9.10 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
10 ChromaticAdaptation 525
10.1 ChangesinIllumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
10.2 MeasuringChromaticAdaptation . . . . . . . . . . . . . . . 530
10.3 MechanismsofChromaticAdaptation . . . . . . . . . . . . 532
10.4 ModelsofChromaticAdaptation . . . . . . . . . . . . . . . 538
10.5 Application: TransformingsRGBColorstoD50foranICC
Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
10.6 Application: WhiteBalancingaDigitalCamera . . . . . . . 555
10.7 Application: Color-AccurateRendering . . . . . . . . . . . 562
10.8 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
11 ColorandImageAppearanceModels 565
11.1 Vocabulary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
11.2 ColorAppearancePhenomena . . . . . . . . . . . . . . . . 582
11.3 ColorAppearanceModeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
11.4 ImageAppearanceModeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
11.5 ApplicationsofColorandImageAppearanceModels . . . . 620
11.6 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
III DigitalColorImaging 631
12 ImageCapture 633
12.1 OpticalImageFormation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635
12.2 Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649
12.3 Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
12.4 TheDiaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667
12.5 TheShutter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668
12.6 FiltersandCoatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669
12.7 Solid-StateSensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672
12.8 In-CameraSignalProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . 678
12.9 ACameraModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682
12.10 SensorNoiseCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 683
12.11 MeasuringCameraNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688
12.12 RadiometricCameraCalibration . . . . . . . . . . . . . . . 694
12.13 LightFieldData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697
12.14 Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
12.15 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706
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Contents ix
13 HighDynamicRangeImageCapture 709
13.1 Multi-ExposureTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710
13.2 ResponseCurveRecovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715
13.3 NoiseRemoval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
13.4 GhostRemoval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726
13.5 ImageAlignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733
13.6 SingleCaptureHighDynamicRangeImages . . . . . . . . 734
13.7 DirectHighDynamicRangeCapture . . . . . . . . . . . . . 737
13.8 Application: DrawingPrograms . . . . . . . . . . . . . . . 739
13.9 Application: Image-BasedMaterialEditing . . . . . . . . . 740
13.10 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741
14 DisplayTechnologies 743
14.1 Cathode-RayTubes(CRTs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743
14.2 LiquidCrystalDisplays(LCDs) . . . . . . . . . . . . . . . 746
14.3 TransflectiveLiquidCrystalDisplays. . . . . . . . . . . . . 767
14.4 PlasmaDisplayPanels(PDPs) . . . . . . . . . . . . . . . . 768
14.5 Light-EmittingDiode(LED)Displays . . . . . . . . . . . . 770
14.6 OrganicLight-EmittingDiodeDisplays . . . . . . . . . . . 772
14.7 FieldEmissionDisplays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775
14.8 Surface-ConductionElectron-EmitterDisplays . . . . . . . 776
14.9 MicrocavityPlasmaDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . 777
14.10 InterferometricModulator(IMOD)Displays . . . . . . . . . 777
14.11 ProjectionDisplays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 779
14.12 LiquidCrystalDisplay(LCD)Projectors . . . . . . . . . . . 781
14.13 DigitalLightProcessing(DLP(cid:1)R)Projectors . . . . . . . . . 782
14.14 LiquidCrystalonSilicon(LCoS)Projectors . . . . . . . . . 785
14.15 Multi-PrimaryDisplayDevices . . . . . . . . . . . . . . . . 787
14.16 HighDynamicRangeDisplayDevices . . . . . . . . . . . . 791
14.17 ElectronicInk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794
14.18 DisplayCharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794
14.19 FurtherReading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803
15 ImagePropertiesandImageDisplay 805
15.1 NaturalImageStatistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806
15.2 DynamicRange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816
15.3 Cross-MediaDisplay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827
15.4 GamutMapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833
15.5 GammaCorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841
15.6 AmbientLight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843
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