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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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AKPeters,Ltd.
888WorcesterStreet,Suite230
Wellesley,MA02482
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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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Description:This book provides the reader with an understanding of what color is, where color comes from, and how color can be used correctly in many different applications. The authors first treat the physics of light and its interaction with matter at the atomic level, so that the origins of color can be appr