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

光受體、光波長與顏色信息

攝像機中的光受體和人眼中的光受體會對不同的光波長做出或強或弱的強度反應。大多數(shù)的攝像機和大多數(shù)的人眼具有不同類型的光受體，這些光受體會對不同大小的光波長敏感。

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

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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。這種關于光波長的能量的分布有時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)不同波長的光進行或多或少的感應，由此產(chǎn)生的信號通過人的視覺系統(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雜的，照度、物體識別和情感都會對其產(chǎn)生作用。而對于顏色的精確描述，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單條件下產(chǎn)生與人眼相似的響應。

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顏色匹配

下圖中，我們在左側(cè)半?yún)^(qū)觀察到彩色光——測試光，我們想嘗試對右側(cè)半?yún)^(qū)光的混合達到兩邊區(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，可以構建整個顏色體系。

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，如果混合兩種測試光，那么將兩種測試光對應的匹配混合起來就會得到混合光的匹配，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

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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。

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單度量原則

科學家通過解剖光感細胞，并測量它們對不同的波長的光的反應，或從顏色匹配反向推理，能夠通過一些實驗驗證得：感受體的活動只有一種類型，例如反應很強烈或很弱，但是并不對接收到的光的波長起反應。

單度量原則是一個非常好的想法，其提供了一個非常簡單的模型：如果感受器對兩種光產(chǎn)生同樣的反應，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

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 $k$ 個感受體的反應，${\sigma }_k(\lambda )$ 是它的靈敏度，$E(\lambda )$ 是到達感受體的光，并且 $\Lambda$ 為可視波長的范圍。通過將到達光譜中的每種波長的反應相加，可獲得一個感受體的全部反應：
$$p_k={\int }_{\Lambda }{\sigma }_k(\lambda )E(\lambda )$$

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“回到顏色感受體部分”

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

視錐細胞的光敏感區(qū)域的形狀大致為錐形，主要對顏色視覺起作用，并且完全占據(jù)視網(wǎng)膜中央凹的位置。在對光的敏感性方面，視錐細胞要弱于視桿細胞，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為暗光下視錐細胞由于光敏若所以不能充分感知空間，測色視覺很弱難以準確分辨顏色。

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更細致來說，視錐細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、綠、紅視錐細胞，但是這樣并不確切，因為對紅色的感知并不是由對紅色視錐細胞的刺激而引起的，其他兩種亦是如此。

在人的眼睛中，總共有三種顏色感受體，通常叫做視錐細胞。這些感受體對所有的光量子的響應都相同，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對數(shù)，橫坐標為波長，單位為nm。

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2022.10.18

總結

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內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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