[论文解读] Good Colour Maps: How to Design Them

Peter Kovesi|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2015

Color Science and Applications参考文献 28被引用 54

一句话总结

本文提出了一种设计感知均匀色彩映射的框架，确保在数据范围内保持一致的视觉对比度，解决了彩虹色图等常用色图中存在的缺陷。通过利用CIELAB色彩空间并强调感知明度的均匀变化，该研究引入了测试图像和评估色彩映射的指南，尤其适用于与晕渲结合使用的情况，并提出了用于鲁棒三元图像的基色。

ABSTRACT

Many colour maps provided by vendors have highly uneven perceptual contrast over their range. It is not uncommon for colour maps to have perceptual flat spots that can hide a feature as large as one tenth of the total data range. Colour maps may also have perceptual discontinuities that induce the appearance of false features. Previous work in the design of perceptually uniform colour maps has mostly failed to recognise that CIELAB space is only designed to be perceptually uniform at very low spatial frequencies. The most important factor in designing a colour map is to ensure that the magnitude of the incremental change in perceptual lightness of the colours is uniform. The specific requirements for linear, diverging, rainbow and cyclic colour maps are developed in detail. To support this work two test images for evaluating colour maps are presented. The use of colour maps in combination with relief shading is considered and the conditions under which colour can enhance or disrupt relief shading are identified. Finally, a set of new basis colours for the construction of ternary images are presented. Unlike the RGB primaries these basis colours produce images whereby the salience of structures are consistent irrespective of the assignment of basis colours to data channels.

研究动机与目标

• 解决广泛存在的感知非均匀色彩映射导致数据特征被掩盖或产生虚假异常的问题。
• 证明尽管CIELAB空间具有实用性，但其仅在低空间频率下具有感知均匀性，限制了其在色彩映射设计中的直接应用。
• 基于人类对空间频率的视觉敏感度，开发一种标准化的测试图像以评估色彩映射性能。
• 提供在使用晕渲时避免干扰深度感知的色彩映射使用实用指南。
• 提出用于三元图像的基色，确保无论颜色通道如何分配，感知效果保持一致。

提出的方法

• 使用在斜坡函数上叠加正弦波、并从顶部到底部调制振幅的测试图像，以评估感知对比度的均匀性。
• 采用CIELAB色彩空间分析色彩映射路径上的感知差异，强调感知明度变化的均匀性。
• 引入一个带有螺旋斜坡和叠加正弦波的圆形测试图像，以评估循环色彩映射。
• 提出一组基于线性、发散、彩虹和循环设计的感知均匀色彩映射，并提供MATLAB实现代码。
• 开发用于三元图像的基色，其明度和饱和度与目标匹配，以确保在通道排列变化下感知稳定性。
• 分析色彩映射与晕渲之间的相互作用，识别在何种条件下色彩能增强或破坏晕渲感知。

实验结果

研究问题

• RQ1 感知非均匀色彩映射如何导致对数据特征的误解？其感知伪影的成因是什么？
• RQ2 尽管CIELAB空间的设计目标是实现感知均匀性，为何它仍不足以用于设计感知均匀的色彩映射？
• RQ3 感知均匀色彩映射的定义标准是什么？如何系统性地评估这些标准？
• RQ4 如何在不损害深度感知的前提下，有效结合色彩映射与晕渲？
• RQ5 哪些基色能够产生稳定、感知不变的三元图像，无论通道如何分配？

主要发现

• 许多广泛使用的色彩映射，包括彩虹色图，表现出感知平坦区域和不连续性，从而掩盖或错误突出数据特征。
• 带有10%特征深度和8像素波长（5.2周期/度）的测试图像能有效揭示色彩映射中的感知对比度非均匀性。
• 感知均匀性最佳通过确保色彩映射路径上感知明度的线性、均匀变化来实现，而不仅仅是依赖CIELAB空间中的均匀性。
• 低对比度且偏亮的色彩映射在晕渲具有丰富空间频率谱时，能增强晕渲效果。
• 当晕渲主要由低空间频率主导时，推荐使用等光强色彩映射，以避免干扰。
• 所提出的三元图像基色能产生感知稳定的可视化效果，无论通道如何分配，而RGB原色则不具备这种特性。