13、色彩视觉、成像与半导体光传感器实用限制解析

色彩视觉、成像与半导体光传感器实用限制解析

1. 色彩视觉与成像基础

1.1 人类色彩视觉原理

人类的色彩视觉可看作是基于参数的采样过程。它并非直接测量光谱辐射通量，而是关注光谱分布的特性，如总辐射通量（强度）、平均波长（颜色）以及光谱分布的宽度（颜色饱和度）。当光谱分布宽度较窄时，呈现出高饱和度的纯色；光谱分布较宽时，颜色饱和度较低；若光谱分布平坦，则无法感知到颜色。

人类眼睛的感光锥体中有三种不同光谱敏感度的光色素，其最大敏感度分别位于 445nm、535nm 和 575nm，这些敏感度覆盖不同波段且相互重叠。这使得人眼的色彩敏感度不均匀，涉及的非线性因素让色彩视觉的研究颇具难度。

1.2 三维色彩空间

使用三个颜色传感器时，色彩信号构成一个三维空间，空间中的每个点代表一种颜色。许多光谱分布（同色异谱色刺激或简称同色异谱色）会映射到这个空间的一个点上。一般而言，传感器接收到的信号 $s_i$ 可表示为：
[s_i = \int R_i(\lambda)\Phi(\lambda) d\lambda]
三个原色传感器会接收到一组三元值，通常称为三刺激值，用三维向量 $s = [s_1, s_2, s_3]^T$ 表示。

1.3 原色

在色度学中，一个重要问题是如何将颜色表示为一些基本或原色的线性组合。一组三个线性独立的光谱分布 $\Phi_j(\lambda)$ 代表一组原色，其响应数组可用矩阵 $P$ 描述：
[P_{ij} = \int R_i(\lambda)\Phi_j(\lambda) d\lambda]
每个向量 $p_j = [p_{1