Color-image System

在本章中，我们将讨论彩色成像系统如何捕捉和再现这些颜色刺激的基本原理。

彩色成像系统可以使用几乎各种各样的光学、化学和电子元件来构建。但是，无论采用何种技术，所有成像系统都必须执行三个基本功能:图像捕获、信号处理和信息形成(图2.1)。这些功能是所有颜色成像系统的内置模块，从最简单的到最复杂的。

1、图像采集

为了形成图像，成像系统首先必须检测来自每个原始颜色刺激的光，并从该光中产生可检测的图像信号。取决于特定成像系统的技术，可以以多种方式实现被称为图像捕获的功能。

例如，一个电子相机，比如一个数码相机，可能会使用一个固态图像传感器，即CCD，来检测光线。图像捕捉是指光子被传感器吸收，从而产生电子。这些电子被收集到电荷包中，并通过这些包的顺序读出产生图像信号。

在摄影胶片中，光以潜像的形式被捕获。潜像由小的金属银簇组成，产生的光子通过光子入射到胶片的感光卤化银颗粒上。在随后的化学处理过程中会检测并放大该化学信号。

准确的颜色复制需要图像捕捉，也就是像人眼一样，三原色。在这个过程中，原始颜色刺激的特定内容必须被分离出来，形成三个可识别的颜色信号。这通常是由某种形式的三色图像捕获完成的。然而，在特殊的应用中，超过三个颜色通道被捕获，三原色信号随后被推导出来。

在电子照相机中，可以使用由感光元件组成的固态传感器完成三色捕获。单个传感器元件覆盖有红色，绿色或蓝色滤光片（图2.2a）。一些高端视频和数字电影摄影机装有多个传感器（用于更高的空间分辨率）以及分束器和滤色片的适当布置（图2.2b）。

通过使用重叠的感光层，可以在彩色照相介质中完成三色捕获。在图2.3所示的简化胶片横截面中，顶层记录蓝光，中间层记录绿光，底层记录红光。实际上，彩色膜可能包含总共12个或更多的成像层和其他特殊用途的层，但其行为与简单的三层膜基本相同。

三色捕获的颜色特性由特定系统的光谱响应（对光的相对响应作为波长的函数）确定。这些责任通常会在系统之间有所不同。例如，图2.4

三色捕获的颜色特性由特定系统的光谱响应（对光的相对响应作为波长的函数）确定。这些责任通常会在系统之间有所不同。例如，图2.4比较了特定摄影胶片和特定数码相机的红色，绿色和蓝色光谱响应。

由一组给定的光谱响应度产生的各个颜色响应（称为曝光）可以使用以下公式计算：

其中Rexp，Gexp和Bexp是红色，绿色和蓝色曝光值; S（λ）是光源的光谱功率分布; R（λ）是物体的光谱反射率（或透射率）； rc（λ），gc（λ）和bc（λ）是图像捕获设备或介质的红色，绿色和蓝色光谱响应； kcr，kcg和kcb是归一化因子。通常，确定这些因素时，如果对象是纯白色，则Rexp，Gexp和Bexp = 1.0。

这种白点归一化相当于在一个电子相机上进行白平衡调整，当一个参考白色物体成像或测量时，其中的红光、绿光和蓝光信号被独立地调整，从而产生相等的RGB参考电压。在三个归一化因子的作用下，计算得到的暴露值成为相对暴露值，即暴露因子值。

方程(2.1)本质上与用于计算CIE XYZ三刺激值的方程(第1章，方程(1.2))相同。事实上，如果成像系统的图像采集阶段的红、绿、蓝光谱响应对应于CIE标准比色观测器的颜色匹配函数，则得到的RGB暴露因子值相当于CIE XYZ三刺激值。换句话说，图像捕捉设备或媒介本质上是一个色度计。

这就提出了一个有趣的问题。为了精确的色彩再现，成像系统的光谱响应度是否应该始终与标准的人类观察者相匹配?答案并不像看起来那么简单。这个问题将在第二部分中重新讨论，在那里将对所有成像系统执行的第二个基本功能:信号处理进行更仔细的研究。