數位相機色彩管理 工業技術研究院影像顯示科技中心 胡國瑞 1
Outline 數位相機的基本架構 數位相機色彩校正基本模式 測試標準 數位相機色彩品質的評估法 結果與討論 色彩管理實務工作坊 2
Outline 數位相機的基本架構 數位相機色彩校正基本模式 測試標準 數位相機色彩品質的評估法 結果與討論 色彩管理實務工作坊 3
數位相機的基本架構 Digital Still Camera 色彩管理實務工作坊 4
Sensor CCD 色彩管理實務工作坊 5
Sensor 色彩管理實務工作坊 6
Demosaicing Algorithms for Digital Cameras 色彩管理實務工作坊 7
Why Use Color Filter Array s Because the CCD is not spectrally sensitive, we need the CFA to create a full color image. Cut down the cost of the single chip digital camera. Sensors are 10-25% of the total digital camera cost Rochester University, course note 色彩管理實務工作坊 8
Color Filter Array 色彩管理實務工作坊 9 Rochester University, course note
Color Filter Array 色彩管理實務工作坊 10 Rochester University, course note
Color Filter Array Red channel pixels (25% of the pixels) Green channel pixels (50% of the pixels) Blue channel pixels (25% of the pixels) Combined image 色彩管理實務工作坊 11
Color Filter Array Combined image 色彩管理實務工作坊 12
Non-Adaptive Algorithm Nearest Neighbor Replication each interpolated output pixel is assigned the value of the nearest pixel in the input image. The nearest neighbor can be any one of the upper, lower, left and right pixels 色彩管理實務工作坊 13
Bilinear Interpolation Interpolation of green pixels : the average of the upper, lower, left and right pixel values is assigned as the G value of the interpolated pixel. For example : G8 = (G3+G7+G9+G13) / 4 Interpolation of red/blue pixels : Interpolation of a red/blue pixel at a green position : the average of two adjacent pixel values in corresponding color is assigned to the interpolated pixel. For example : B7 = (B6+B8) / 2 ; R7 = (R2+R12) / 2 Interpolation of a red/blue pixel at a blue/red position : the average of four adjacent diagonal pixel values is assigned to the interpolated pixel. For example : R8 = (R2+R4+R12+R14) / 4 ; B12 = (B6+B8+B16+B18) / 4 色彩管理實務工作坊 14
Interpolation 色彩管理實務工作坊 15 Rochester University, course note
Edge Sensing Interpolation Algorithm Interpolation of green pixels : First, define two gradients, one in horizontal direction, the other in vertical direction, for each blue/red position. For instance, consider B8 : define two gradients as following where. denotes absolute value The algorithm then can be described as follows : Interpolation of red/blue pixels : same as in Smooth hue transition interpolation in logarithmic exposure space. 色彩管理實務工作坊 16
Outline 數位相機的基本架構 數位相機色彩校正基本模式 測試標準 數位相機色彩品質的評估法 結果與討論 色彩管理實務工作坊 17
數位相機色彩校正基本模式 Raw Data 內差 色校 Enhance 色彩管理實務工作坊 18
常用校正用色稿 Macbeth Color Checker IT8 by Kodak Macbeth Color CheckerDC http://www.gretagmacbeth.com IT8.2 by ITRI 色彩管理實務工作坊 19
數位相機色彩校正基本模式 取得色塊值 取得參考值 1 D LUT Matrix 參數描述檔 色稿參考檔 色彩管理實務工作坊 20
數位相機色彩校正基本模式 產生色校參數 R G B 1D LUT 1D LUT 1D LUT R' G' B' a a a 01 11 21 a a a 02 12 22 a a a 03 13 23 R' X G' = Y B' Z a a a 01 11 21 a a a 02 12 22 a a a 1 03 13 23 X R' Y = G' Z B' R' G' B' 1D LUT -1 1D LUT -1 1D LUT -1 R G B Step 1 Step 2 Step 1 Step 2 Forward Modal Backward Modal 色彩管理實務工作坊 21
數位相機色彩校正基本模式 Ref Ref RGB RGB 色彩管理實務工作坊 22
數位相機色彩校正基本模式 轉換矩陣 3x3 [X,Y,Z] T =[M3x3 ]x[ R, G, B] T 3x4 [X,Y,Z] T =[M3x4 ]x[1, R, G, B] T 3x6 [X,Y,Z] T =[M3x6 ]x[ R, G, B, RG, GB, RG] T 3x8 [X,Y,Z] T =[M3x8 ]x[1, R, G, B, RG, GB, RG, RGB] T 3x9 [X,Y,Z] T =[M3x9 ]x[ R, G, B, RG, GB, RG, R 2, G 2, B 2 ] T 3x11 [X,Y,Z] T =[M3x11]x[1, R, G, B, RG, GB, RG, R 2, G 2, B 2, RGB] T 3x14 [X,Y,Z] T =[M3x14]x[1, R, G, B, RG, GB, RG, R 2, G 2, B 2, RGB, R 3, G 3, B 3 ] T 3x20 [X,Y,Z] T =[M3x20]x[1, R, G, B, RG, GB, RG, R 2, G 2, B 2, RGB, R 3, G 3, B 3, RG 2, RB 2, GR 2, GB 2, BR 2, BG 2 ] T 色彩管理實務工作坊 23
數位相機色彩校正基本模式 校正參數描述檔描述檔 色彩空間轉換轉換 (XYZ->RGB) (XYZ->RGB) 色彩管理實務工作坊 24
數位相機色彩校正基本模式 色彩管理實務工作坊 25
數位相機色彩校正基本模式 色彩校正 色彩管理實務工作坊 26
數位相機色彩品質的評估法 DSC/DVC 白平衡參考白估計 : 平均法 (GreyWorld) [1938~86] 極亮 ( 大 ) 值法 (White-Patch retinex) [1971~] 色域比對法 (Gamut Constraint) [1990~] 光源色溫轉換 to D50 : von Kries adaptation XYZ to srgb: http://www.color.org 色彩管理實務工作坊 27
數位相機色彩品質的評估法 白平衡 ( 色溫估算 ) Brightest Surface Method E.H. Land, The retinex threory of color vision, Scientific American, pp. 108-129, 1977. J.J. McCann, J. A. Hall and E. H. Land, Color Mondrian Experiments: The Study of average spectral distributions, J. Opt. Soc. Am. A 67, 1380, 1977. 色彩管理實務工作坊 28
Gray World Theory Testing color{ R, G, B } Original color{r, G, B} Gray =(R +G +B ) Gray=(R+G+B) According to Gray=Gray Than (R=R /Gray,G=G /Gray,B=B /Gray ) 色彩管理實務工作坊 29
Gray World Theory Assume that the illumination is uniformly distributed within scene Human perception of color is the average of three channels named as gray. (not necessary be real gray) Estimated gray is used as scale the testing color to recover the original color. 色彩管理實務工作坊 30
數位相機色彩品質的評估法 白平衡 ( 色溫估算 ) Gray-World R. M. Evans, Method for correcting photographic color prints, US Patent 2,571,697(1951). G. Buchsbaum:1980, A spatial processor model for object color perception, J. Franklin Institute, 310:126, 1980 色彩管理實務工作坊 31
數位相機色彩品質的評估法 光源色溫轉換 von Kries adaptation X X A A, W X Y Z D50 D50 X D50 = = 色度反射率 X D50, W = = = Y X A Z A Y D50, W Y Z X X A, W D50, W A, W D50, W D50 A 色彩管理實務工作坊 Z A, W 32
數位相機色彩品質的評估法 標準光源的三刺激值三刺激值標準光源 X Y Z A 109.85 100.00 35.58 B 99.09 100.00 85.31 C 98.07 100.00 118.23 D50 96.42 100.00 82.49 D55 95.68 100.00 92.14 D65 95.04 100.00 108.89 D75 94.96 100.00 122.61 色彩管理實務工作坊 33
D50 A C D65 D75 D50 色彩管理實務工作坊 34
數位相機色彩品質的評估法 結果比較分析 Original BFS Original BFS GW OES GW OES 色彩管理實務工作坊 35
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ISO/TC42/WG18 (Photography Electronic Still Picture Imaging) ISO 12231: 1997 名詞定義與解釋 ISO 12232 :1998 ISO Speed 曝光時間與速度 ISO 12233 : 解析度的測試 測試標準 ISO /FDIS 14525 : 光電轉換函數的量測 (OECF) ISO/DIS 12234-1 : Part1 : removable memory reference model ISO/DIS 12234-2 : Part2 : 影像檔格式 TIFF/EP ISO/CD 15739 : 雜訊量測 Noise Measurements ISO/WD 16067 : 空間解析度的量測 Part 1: Scanners for reflective media 色彩管理實務工作坊 37
ISO/TC42/WG18 (Photography Electronic Still Picture Imaging) ISO/WD 17321 : 測試條件與色彩轉換 ( 如 : 測試色稿 光源與色彩空間轉換 ) ISO 15740 : 影像轉換協定 Picture Transfer Protocol(PTP) 色彩管理實務工作坊 38
ISO Standard documents being developed for image quality ISO Number Title Technical committee Draft Number ISO 16067 Photography Electronic scanners for photographic images Spatial resolution measurements :Part1 Scanners for reflective media(srf, MTF) ISO/TC42/WG18 Working Draft 5.2 ISO 14524/DIS Photography Electronic still picture cameras -Methods for measuring opto- Electronic conversion function(oecf) ISO/TC42/WG18 DIS ISO 15739 Photography Electronic still picture cameras Noise measurements ISO/TC42/WG18 Working Draft 5.2 ISO 17321 ISO 12233:1999E Graphic Technology and Photography colour characterization of digital still cameras using colour targets and spectral illumination ISO/TC42/WG18 ISO/TC42/WG3 Photography electronic still picture ISO/TC42/WG18 cameras Resolution measurements 色彩管理實務工作坊 39 Working Draft 3.1 FDIS
Outline 數位相機的基本架構 數位相機色彩校正基本模式 測試標準 數位相機色彩品質的評估法 結果與討論 色彩管理實務工作坊 40
數位相機色彩品質的評估法 1. Color Reproduce (CR) 色彩再現性 2. Color Rendering Index 演色性指數 3. Auto White Balance 自動白平衡 4. MTF ( 解析度 ) 5. SNR ( 雜訊比 ) 6. Uniformity ( 均勻度 ) 7. Dynamic range ( 動態範圍 ) 8. Veiling Flare ( 炫光 ) 色彩管理實務工作坊 41
數位相機色彩品質的評估法 Matt black wall or black surround Test Chart lamp Distance is adjusted to frame the test chart lamp Baffles to prevent direct illumination of the camera lens by the lamps Lamp : 均勻光其要求低於 ±10% 的變化 Electronic still picture camera 色彩管理實務工作坊 42
數位相機色彩品質的評估法 Color Reproduce 取得色塊值 色彩空間轉換轉換 Lab Lab - 自動量測系統 Eab =[ ( L) 2 + ( a) 2 + ( b) 2 ] 1/2 色彩管理實務工作坊 43
數位相機色彩品質的評估法 CIE 1976 L = 116 ( Y Y ) n 1 3 16 a = 500 [( ) ( ) ] 1 3 1 3 X X Y Y n n b = 200 [( ) ( ) ] 1 3 1 3 Y Y Z Z n n Color Difference 色差 : Eab =[ ( L) 2 + ( a) 2 + ( b) 2 ] 1/2 X n, Yn, Zn 為參考白值 色彩管理實務工作坊 44
數位相機色彩品質的評估法 ISO Camera Contrast Chart ISO14524 12 gray levels ranging from 0.10 to 2.30 density http://www.sinepatterns.com 色彩管理實務工作坊 45
數位相機色彩品質的評估法 MTF 1PL/mm 10PL/cm MTF 值與分辨率的關系是 : 分辨率越小,MTF 越大 MTF I 2 I = I 最大灰度 I1最小灰度色彩管理實務工作坊 46 2 2 I + I 1 1
數位相機色彩品質的評估法 optical Nonumiformity CFA Nonuniformity Photon Shot Noise Dark Current Shot Noise Fixed Pattern Noise Photo Response Nonuniformity Reset Noise White Noise 1/f Noise Interference Noise White Noise 1/f Noise Quantization Noise Interference Noise CFA Array reset G G1 ADC Sense Node On-Chip Amplifier Off-Chip Amplifier 數位取像系統的信號與雜訊源 色彩管理實務工作坊 47
數位相機色彩品質的評估法 取得影像 色彩空間轉換 L 取樣 PSNR = 20 log( 100 L rms ) Lmax Lmin Uniformation = 1 ( L mean ) L rms = ( L L mean ) 2 L mean = 1 mn m n L 色彩管理實務工作坊 48
Outline 數位相機的基本架構 數位相機色彩校正基本模式 測試標準 數位相機色彩品質的評估法 結果與討論 色彩管理實務工作坊 49
數位相機色彩品質的評估法 色彩管理實務工作坊 50
結果與討論 MTF 色彩管理實務工作坊 51
結果與討論 色調處理 色彩管理實務工作坊 52
結果與討論 色彩管理實務工作坊 53
結果與討論 色彩管理實務工作坊 54
ICC 描述檔操作 (III): 應用於不同顯示器時色彩之一致性 EIZO 顯示器 結果與討論 ViewSonic 顯示器 EIZO 顯示器 ViewSonic 顯示器 未經 ICC 描述檔色彩校正 經 ICC 描述檔色彩校正後 ( 同一影像檔在不同顯示器上, 顏色差異較大 ) ( 同一影像檔在不同顯示器上, 顏色逼近 ) 色彩管理實務工作坊 55
結果與討論 影像輸入設備 色彩校正 正確 色度量測儀器 Adaptive Value function f(xyy) 顯示 / 列印 色彩校正喜好色修正 喜好 / 好看 色彩管理實務工作坊 56
Thank you attention 胡國瑞 E-mail : kuojui@itri.org.tw Tel : 03-5918410 色彩管理實務工作坊 57