17-EFT.WP.Methods.Imaging v1.0 | 第10章 色彩管理与白平衡

目录 ／ 文档-技术白皮书 ／ 17-EFT.WP.Methods.Imaging v1.0

第10章 色彩管理与白平衡

一句话目标：建立从传感器线性域到目标色域的可审计色彩流水线，完成场景/视景一体的白点估计、色适应、CCM 求解与渲染输出，并以度量与契约控制 ΔE、肤色与中性灰的稳定性。

I. 范围与对象

1. 输入
   • 原始成像与元数据：RGB_raw（拜耳/多谱）、ts|tau_mono、ISO, exposure, T_cam, gain_map、镜头与滤光片信息。
   • 标定与参考：色卡观测 {patch_j}, 参考光源或 SPD E(λ)、传感器光谱响应 S_c(λ)、参考白点 W_ref。
   • 目标色域与传输特性：dst_cs ∈ {sRGB, DisplayP3, Rec.2020, ACEScg, ProPhotoRGB}, TRC/OETF。
2. 输出
   • 白平衡参数：wb = diag(g_R, g_G, g_B) 或 tile-wise wb(x,y)；光源估计 illuminant = {CCT,Tint or W_src}。
   • 色彩变换：M_ccm、色适应矩阵 CAT(W_src→W_dst)、渲染矩阵 M_render = M_dst * CAT * M_ccm * wb。
   • 工件与清单：profile.v1（含模型与系数）、manifest.imaging.color、hash_sha256(profile)、signature。
3. 适用边界
   • 白平衡默认在 RAW 线性域先于去马赛克；多模态/多分辨共享同一白点但允许独立 M_ccm。
   • 双光源/混合光可采用分区或软分割估计，发布时需标注策略与掩码。

II. 名词与变量

1. 物理与感知
   • E(λ)：scene spectral power distribution；R(λ)：surface reflectance；S_c(λ)：sensor spectral sensitivity。
   • W = (X_w, Y_w, Z_w)：white point；XYZ、Lab：CIE spaces；u'v'：chromaticity。
2. 相机与矩阵
   • RGB_raw_lin：dark/PRNU/DSNU 校正后的线性 RAW。
   • wb = diag(g_R,g_G,g_B)：white balance gain matrix。
   • M_ccm ∈ R^{3×3}：camera to XYZ (scene-referred)。
   • CAT(W_s→W_d) = M^{-1} * diag( W_d / W_s ) * M（Bradford/Von Kries family）。
   • M_dst：XYZ to target RGB linear for dst_cs。
   • TRC/OETF：tone/gamma mapping of target system。
3. 度量
   • ΔE_ab（CIE76）、ΔE_00（CIEDE2000）；err_awb（white-point residual in u'v'）。
   • gamut_viol：gamut overflow ratio；skin_angle：肤色色调角偏差。
4. 单位与量纲
   unit(RGB_raw_lin)="a.u.", unit(XYZ)="a.u."（相对量）；unit(CCT)="K"；check_dim 必须通过。

III. 公设 P210-*

• P210-1（线性先行）：白平衡与 CCM 必须在线性域执行，严禁在非线性 TRC 后做通道增益。
• P210-2（场景参照）：色彩管理默认 scene-referred，到 display-referred 的映射必须显式记录 OETF 与 tone curve。
• P210-3（白点一致）：同一帧所有通道与后续空间变换共享单一 W_src，多光源时需显式分区与融合权重。
• P210-4（可逆与可追溯）：M_ccm, CAT, M_dst 与 TRC 版本化发布，可逆段（线性矩阵）需在 Omega_valid 内条件数受控。
• P210-5（噪声感知）：白平衡与色适应估计应考虑通道噪声与 SNR，低照或高 ISO 优先使用稳健估计器。
• P210-6（光谱不完备）：摄像机与目标观察者失配不可避免，M_ccm 的训练与评测需覆盖代表性光谱集。
• P210-7（时温稳定）：温度/曝光导致的增益/响应漂移需在清单中记录并进行颜色回归或插值补偿。

IV. 最小方程 S210-*

• S210-1（成像形成）
  y_c = k * ( ∫ E(λ) * R(λ) * S_c(λ) dλ ) + n_c，c ∈ {R,G,B}。
• S210-2（白平衡线性增益）
  RGB_wb = wb * RGB_raw_lin = diag(g_R,g_G,g_B) * RGB_raw_lin。
• S210-3（相机到XYZ 的线性映射）
  XYZ_s = M_ccm * RGB_wb。M_ccm 可由最小二乘 argmin_M ∑_j || XYZ_ref_j - M * RGB_wb_j ||_2^2 得到。
• S210-4（色适应 CAT）
  XYZ_d = CAT(W_src→W_dst) * XYZ_s，其中 CAT = M_B^{-1} * diag( (M_B*W_dst) / (M_B*W_src) ) * M_B（Bradford）。
• S210-5（目标色域线性化）
  RGB_dst_lin = M_dst^{-1} * XYZ_d，并执行 gamut_map(RGB_dst_lin) 于 Ω 内。
• S210-6（传输特性）
  RGB_out = OETF( RGB_dst_lin )（如 sRGB piecewise gamma, PQ, HLG 等）。
• S210-7（白点残差与色差）
  err_awb = || u'v'(W_est) - u'v'(W_ref) ||_2；
  ΔE_ab = sqrt( (L1-L2)^2 + (a1-a2)^2 + (b1-b2)^2 )。
• S210-8（双光源插值 CCM）
  M_ccm(T) = α(T) * M_A + ( 1 - α(T) ) * M_B，α(T) ∈ [0,1] 由 CCT 或 D_uv 插值。
• S210-9（肤色轴角度）
  skin_angle = atan2( a*, b* ) - theta_skin_ref，用于色调一致性监控。

V. 流水线与操作流程 M100-*

1. M100-1 就绪：应用暗场/平场与固定图样噪声校正（见第8章），得到 RGB_raw_lin；校核 unit/dim。
2. M100-2 白点估计：按优先级选择
   • 高亮/灰卡检测（几何/辐射一致性校验），
   • 灰世界/灰边（Gray-world/Gray-edge），
   • 学习式 illuminant_net（低照/混合光增强），
     输出 W_src, wb 与可信度。
3. M100-3 线性白平衡：RGB_wb = wb * RGB_raw_lin（RAW 域，拜耳通道按 CFA 图样映射）。
4. M100-4 CCM 选择/插值：根据 CCT/D_uv、T_cam、ISO 从配置中选择或插值得到 M_ccm。
5. M100-5 色适应：计算 CAT(W_src→W_dst)，得到 XYZ_d。
6. M100-6 目标色域映射：RGB_dst_lin = M_dst^{-1} * XYZ_d，执行 gamut_map（优先压缩后再裁剪）。
7. M100-7 传输与渲染：应用 OETF/TRC、可选局部色调映射；写入 ICC/DNG Profile 标签与 profile.v1。
8. M100-8 质量评估：在色卡与肤色 ROI 上评估 ΔE_00、err_awb、gamut_viol、skin_angle。
9. M100-9 契约与回退：若断言失败，降级到保守配置或仅应用白平衡并保持 XYZ 发布。
10. M100-10 落盘与签名：输出 manifest.imaging.color，记录矩阵、白点、TRC、度量与签名。

VI. 契约与断言

• assert wb_domain：wb 应用于线性 RAW，||log2(g_R) - log2(g_G)|| 与 ||log2(g_B) - log2(g_G)|| 在阈值内以防增益饱和。
• assert awb_residual：err_awb ≤ tol_awb_uv，灰卡 a*,b* 的绝对值 ≤ tol_gray_ab。
• assert color_error：mean(ΔE_00) ≤ tol_dE_mean 且 p95(ΔE_00) ≤ tol_dE_p95。
• assert gamut：gamut_viol ≤ tol_gamut_overflow，并记录压缩比。
• assert cond_render：cond(M_render_linear) ≤ tol_cond，避免数值不稳。
• assert skin_tone：|skin_angle| ≤ tol_skin_angle，肤色亮度落在 [L_min, L_max]。
• assert profile_binding：运行时渲染采用的 profile.v1 与清单中的哈希一致。

VII. 实现绑定 I100-*

• I100-1 estimate_illuminant(RGB_raw_lin, meta, strategy) -> W_src, wb, conf
• I100-2 apply_wb_raw(raw, wb, cfa) -> raw_wb
• I100-3 select_or_interpolate_ccm(CCT, T_cam, ISO, repo) -> M_ccm
• I100-4 chromatic_adapt(XYZ, W_src, W_dst, method) -> XYZ_d, CAT
• I100-5 rgb_xyz_transform(RGB, M) -> out（通用 3×3 线性变换）
• I100-6 gamut_map(RGB_lin, mode, params) -> RGB_lin'（compression→clip）
• I100-7 apply_oetf(RGB_lin, oetf_name) -> RGB_out
• I100-8 evaluate_color_metrics(image, patches, refs) -> {ΔE_00, err_awb, gamut_viol, skin_angle}
• I100-9 emit_color_profile(M_ccm, CAT, M_dst, wb, oetf, meta) -> profile.v1
• I100-10 bind_manifest_color(profile, metrics, hashes) -> manifest.imaging.color

VIII. 交叉引用

• 固定图样噪声与平场：见本卷第8章，白平衡前需完成 DSNU/PRNU 与 color shading 校正。
• 光学与 PSF：见本卷第5章，色散与轴外像差可引发色边，与色彩去马赛克策略联动。
• 采样与重建：见本卷第6章，拜耳/多谱插值应在白平衡之后或采用色度守恒核。
• 噪声与去噪：见本卷第7章，不同通道 SNR 影响白点估计器与 wb 上限。
• 清洗时间轴：见《Methods.Cleaning v1.0》第5章，色卡多帧平均与自动曝光对齐需要 tau_mono。
• 数据规范：见《EFT.WP.Core.DataSpec v1.0》，profile.v1 与 manifest.imaging.color 字段绑定。

IX. 质量度量与风控

1. 核心指标
   • mean/p95(ΔE_00)、err_awb(u'v')、gamut_viol、skin_angle、cond(M_render)、artifact_rate。
   • 运行期监控：窗口 Delta_t 上的 drift_g_R,B、drift_CCT、ΔE_00 漂移斜率与告警。
2. 主要风险与处置
   • 混合光场景：分区 AWB + feather 融合；失败时回退到灰世界并标注低置信度。
   • 高增益/溢出：约束 wb 上限并优先在 G 通道归一；必要时高光保护。
   • 观察者失配：切换到 ACEScg 工作空间并发布观察者差异说明。
   • 配置漂移：温度/曝光映射表 {CCT,T_cam} -> {wb, M_ccm} 按版本回归与插值。
   • 算法不稳：cond(M) 超阈值时切换到 LUT-based 渲染或降阶矩阵。

小结