home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Joint Education Initiative / Joint Education Initiative.iso / dos / utils / color.txt < prev    next >
Text File  |  1990-07-05  |  89KB  |  1,595 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.                               COLOR AND ITS USES
  5.                 by Russell A. Ambroziak, U.S. Geological Survey
  6.  
  7.                Color  is  part of our senses and some scientists do  not 
  8.        consider the human sensory system a scientific instrument.   Some 
  9.        claim  that only instrument data are useful  in  research.   What 
  10.        they  mean is only instrument data are quantified measurements of 
  11.        reality  and the mind is only useful for relative assessments  of 
  12.        the world around us.   A color image is a 5-dimensional graph  --
  13.        nothing  more -- nothing less,  and that makes it a powerful tool 
  14.        for scientific analysis.   If these scientists never drew a graph 
  15.        or  looked at a color image then the subject would end and  there 
  16.        would be little need for this presentation.  We do, however, draw 
  17.        graphs  and create color images which cannot be analyzed  by  any 
  18.        instrument except the human mind.  We use color all the time, but 
  19.        since few of us have ever been introduced to color theory we tend 
  20.        not  to think of it as a scientific discipline.   If we are going 
  21.        to  use color we should spend some time trying to  understand  it 
  22.        because the application of color theory can:
  23.  
  24.        1.  shorten the time necessary to produce high quality graphics
  25.            and color images,
  26.  
  27.        2.  increase the information content of graphics and images by
  28.  
  29.            a.  increasing perceptual resolution or
  30.            b.  increasing the dimensionality of the data display and
  31.  
  32.        3.  in some cases produce analytical results which cannot be 
  33.            achieved in any other way. 
  34.  
  35.  
  36.                                 WHAT IS COLOR?
  37.  
  38.                Every seeing person with color vision knows what color is 
  39.        but  no  one  seems to be able to  describe  it.   While  artists 
  40.        understand  and  use color as one of the main tools of the  trade 
  41.        most  scientists dismiss color as an unnecessary subject area  to 
  42.        understand.   To  the  artist,  color is a science  but,  to  the 
  43.        scientist,  color is an art.   This makes the scientific study of 
  44.        color  rather rare.   Many scientists use color  but,  since  few 
  45.        understand color science, the results are based more on luck than 
  46.        on  design.   The  scientific  application of color  can  produce 
  47.        better  results  in less time than the typical  trial  and  error 
  48.        methods  used daily by many scientists.   Now that the PC on  our 
  49.        desk  can produce 16,777,216 colors we had better spend some time 
  50.        learning how to best utilize them. 
  51.  
  52.                Color  has many definitions and it is much  more  complex 
  53.        than  the  physical  properties of the  incoming  electromagnetic 
  54.        radiation,  their reflection,  and absorption.   Color is what we 
  55.        see.   Color is 1 percent physical,  9 percent biological and  90 
  56.        percent psychological.   This may be an exaggeration but not much 
  57.        of one.   Before getting into the terms and parts of color theory 
  58.  
  59.                                        1
  60.  
  61.  
  62.        lets  take  a minute to understand this point.   Color is  not  a 
  63.        property  of light or objects but rather it is the perception  of 
  64.        animals.   Different  animals  see color in very different  ways.  
  65.        Color,  as we know it,  is only perceived by primates and it  may 
  66.        have  something to do with the search for fruit.   Regardless  of 
  67.        the  reason  for color vision it only exists in primates  and  is 
  68.        basically the same for all primates with "normal" color vision.
  69.  
  70.                I  don't  think  we  need definitions  for  color  (since 
  71.        everybody  knows what it is) but here are a few.   Many of  these 
  72.        definitions contain terms which may not be familiar but they will 
  73.        be discussed later.
  74.  
  75.        Color  is that aspect of visual perception by which  an  observer 
  76.        may  distinquish differences between two structure-free fields of 
  77.        the same size and shape,  such as may be caused by differences in 
  78.        the  spectral composition of the radiant energy converned in  the 
  79.        observation.  In this sense, the term color is sometimes referred 
  80.        to as "perceived color" to distinquish it from color in the sense 
  81.        of "psychophysical color".)Wyszecki and Stiles, 1982, p487)
  82.  
  83.        Color  (in the psychophysical sense) is that characteristic of  a 
  84.        visible  radiant  power  by which  an  observer  may  distinguish 
  85.        differences  between  structure-free fields of view of  the  same 
  86.        size  and  shape,  such  as may be caused by differences  in  the 
  87.        spectral  composition  of  the radiant energy  concerned  in  the 
  88.        observation.    Psychophysical   color   is  specified   by   the 
  89.        tristimulus  values  of  the  radiation  power  (color  stimulus) 
  90.        entering the eye.  (Wyszecki and Stiles, 1982, p723)
  91.  
  92.        Color is the attribute of visual perception that can be described 
  93.        by color names :   white, grey, black, yellow, orange, brown, red 
  94.        green,  blue,  purple,  and so on, or combinations of such names.  
  95.        (Billmeyer and Saltzman, 1981, p 1986)
  96.  
  97.        Color is any of manifold phenomena of light (as red, brown, pink, 
  98.        gray,  green,  blue,  white) or of visual sensation of perception 
  99.        that enables one to differentiate objects even though the objects 
  100.        may appear otherwise identical (as in size,  form,  or  texture).  
  101.        (Webster's  Third  New  International  Dictionary)   Color  is  a 
  102.        relative,  conical  coordinate  system in Reimannian space  which 
  103.        makes  up  three of the seven dimensions  of  primate  perception 
  104.        related  to vision and not dealing with location (x,y,z) nor time 
  105.        (t).  (Ambroziak, 1988)
  106.  
  107.                If  you didn't know what color was before  reading  these 
  108.        definitions  you wouldn't have gained much by reading  them.   If 
  109.        you  can see color you know what it is and if you can't see color 
  110.        you will never know.   Color has something to do with seeing  but 
  111.        not  with  location or time.   Rather than spend a lot of  effort 
  112.        discussing  the definition its best to try to discuss  its  parts 
  113.        and leave the definition alone.
  114.  
  115.                Just  as income does not equate to savings,  the spectrum 
  116.        of light coming from an object does not equate to color.  Savings 
  117.  
  118.                                        2
  119.  
  120.  
  121.        is  related to income and spectra are related to color  but  they 
  122.        are not the same.  The spectrum of light coming from an object is 
  123.        purely  physical and quantifiable.   The light enters the eye and 
  124.        activates  biological  sensors which loosely correspond  to  red, 
  125.        green  and  blue (RGB) which are also  quantifiable.   From  this 
  126.        point   on,   the  phenomenon  of  color  is  psychological   and 
  127.        quantification is not possible.
  128.  
  129.                The  light  coming from an object is the product  of  the 
  130.        spectrum  of the incoming light and the reflective properties  of 
  131.        the  object.   The cones in the eye respond with three values for 
  132.        each spectrum received called "tristimulus values".  These values 
  133.        are the sum of the products of the incoming spectrum and the wave 
  134.        length dependent observer functions for each of the three sensors 
  135.        in  the eye.   There are an infinite number of spectra which  can 
  136.        produce identical tristimulus values.  This produces the phenome-
  137.        non  of  metamerism -- colors that appear identical  even  though 
  138.        their spectra are very different.  This causes problems for color 
  139.        matching  using  different dyes or colorants.   A  color  may  be 
  140.        perfectly   matched  under  one  light  source  but  appear  very 
  141.        different  when the light source changes.   Artists realize  this 
  142.        and  try to paint under light from a north window as a  standard.  
  143.        Paintings done under artificial light may change drastically when 
  144.        viewed under natural light or different artificial light and  the 
  145.        effect of the work may be ruined.
  146.  
  147.                If this is not enough to confuse the issue of color,  the 
  148.        optic  nerve takes the output from all of the sensors and encodes 
  149.        parts of the information for transmission to the brain.   At this 
  150.        point  much  of  the absolute information is  lost  and  relative 
  151.        information is enhanced.  We also go from a three hue red-green--
  152.        blue  (RGB) system to a four hue  intensity-hue-saturation  (IHS) 
  153.        system.   The primary sensors in the eye are red,  green and blue 
  154.        but  the  primary  hues  (those which do not  appear  to  be  the 
  155.        combination of other hues) are red,  yellow,  green and blue.  At 
  156.        this  juncture  in the process,  color at a point becomes more  a 
  157.        function  of  the  color of surrounding  points  than  the  color 
  158.        (tristimulus  values)  of  the point  itself.   Colors  are  more 
  159.        quantifiable  when they are viewed against a neutral,  18 percent 
  160.        grey,  background then when they are mixed.   I have seen trained 
  161.        observers  mistake a shade of orange for green on an image  which 
  162.        contained a considerable amount of red. 
  163.  
  164.             The points that need to be understood to get some handle  on 
  165.        the science of color are:
  166.  
  167.        1.  the three dimensions of color space are the conical 
  168.            dimensions of intensity, hue and saturation (IHS), 
  169.  
  170.        2.  color space is Reimannian, not euclidian which makes 
  171.            distances in color space very difficult to estimate, 
  172.  
  173.        3.  color space can usefully be described by use of a 
  174.            chromaticity diagram,
  175.  
  176.  
  177.                                        3
  178.  
  179.  
  180.        4.  absolute quantification of color by the human visual 
  181.            system is not possible, and
  182.  
  183.        5.  color does not exist apart from its perception by an 
  184.            animal's nervous system (usually human). 
  185.  
  186.        The "Desert Island" Experiment
  187.        
  188.             To understand the IHS coordinate system, a mental experiment 
  189.        called  the "desert island" experiment has been described by Judd 
  190.        and Wyszecki (1975).   The hypothesis is that an individual  with 
  191.        normal color vision and no knowledge of color science is stranded 
  192.        on a desert island with nothing to do.  The beaches of the island 
  193.        are  covered with pebbles of all imaginable colors.   To pass the 
  194.        time,  the castaway decides to arrange the many different colored 
  195.        pebbles into orderly patterns.
  196.  
  197.                A first step might be to separate those which are  white, 
  198.        grey or black from those which are red,  orange,  yellow,  green, 
  199.        blue,  etc.  This would be a separation of the achromatic (black, 
  200.        grey  or white) pebbles from the chromatic ones.   The achromatic 
  201.        pebbles  could  then be arranged from  black  through  increasing 
  202.        brightness of grey to white.  Intensity, lightness, and value are 
  203.        all terms used to describe this characteristic of color.
  204.  
  205.                The  next step might be to separate all of the  chromatic 
  206.        pebbles into piles of similar hue.   Hues are commonly defined as 
  207.        red,  orange,  yellow,  green,  blue, violet, and magenta.  These 
  208.        piles  could  then be compared to the achromatic arrangement  and 
  209.        further ordered by their intensities.
  210.  
  211.                Finally,  our  observer would notice that not all of  the 
  212.        reds  of  the same intensity are the same  color.   Some  of  the 
  213.        bright  red pebbles would be tomato red and others would be pink.  
  214.        Both  pink  and red are of the same hue and can be  of  the  same 
  215.        intensity,  but  they  are obviously not the  same  color.   This 
  216.        quality is referred to as saturation, chroma or colorfulness. 
  217.  
  218.                If  a  large  number of pebbles are arranged in  a  large 
  219.        three-dimensional  array  so that the color  differences  between 
  220.        them are nearly constant, our observer would have constructed the 
  221.        Munsell color space (Wyszecki and Stiles, 1982).
  222.  
  223.                We can liken the Reimannian color space to the  Euclidean 
  224.        cone.  The three dimensions of color space are the intensity, hue 
  225.        and  saturation.   The conical-like shape arises from the way the 
  226.        three axes affect each other's resolution.
  227.  
  228.                Intensity,  bounded on only one end at black,  is at  the 
  229.        point of the cone.   The color black has only intensity, which is 
  230.        equal to zero, with no hue or saturation possible.  The intensity 
  231.        axis  extends in some direction toward infinity with a saturation 
  232.        of zero at all points on the axis.  This axis of intensity, which 
  233.        is black and proceeds in the direction of grey,  then  white,  is 
  234.        orthogonal to both saturation and hue.  Saturation is measured by 
  235.  
  236.                                        4
  237.  
  238.  
  239.        the  distance  from the intensity axis to the edge of  the  cone, 
  240.        where saturation is equal to one.   The geodesic distance covered 
  241.        by  a saturation change from zero to one is a function of the hue 
  242.        and  intensity.    The  greater the intensity,  the  greater  the 
  243.        geodesic distance along hue to the edge of the cone.
  244.  
  245.                Hue, which is measured by the direction of the color from 
  246.        the  intensity  axis,  can be represented by an  angle.   Hue  is 
  247.        unbounded  in  the sense that there is no point where  hue  stops 
  248.        naturally.  Rather, it is best represented as the cross-sectional 
  249.        circumference  on the cone with the hues constantly  fading  into 
  250.        one  another.   The  result  can be thought of  as  a  Euclidean, 
  251.        conical  coordinate  system  in  which there  are  ellipsoids  of 
  252.        various  size and orientation that give the size of a jpcd  (just 
  253.        perceptible  color  difference)  in  any  direction.   Convenient 
  254.        labels on the hue axis are the colors red,  yellow,  green, cyan, 
  255.        blue  and magenta marked at 60 degree  intervals.   The  geodesic 
  256.        distances  between  these colors varies,  but since there  is  no 
  257.        attempt  to  have distances represented by Euclidean distance  on 
  258.        the  diagram  this is not a problem.   The actual  distances  are 
  259.        alluded to by the ellipsoids.
  260.  
  261.                Continuing with the desert island experiment, if a color-
  262.        blind scientist were now to arrive on the island with instruments 
  263.        which measured the amounts of red, green and blue light reflected 
  264.        by  each  pebble,  he would be confused by our  first  observer's 
  265.        choice  of arrangement.   The scientist might become so  confused 
  266.        that  he would build his own scientific arrangement to  show  the 
  267.        first observer where she went wrong. 
  268.  
  269.                The   most   logical  arrangement  for  the   color-blind 
  270.        scientist  to  use  would be to chose one of  the  three  primary 
  271.        colors,  such  as  red,  and  form piles  of  pebbles  which  all 
  272.        reflected the same amount of red.   These piles could be arranged 
  273.        in a sequence of increasing red reflectance.  Each of these piles 
  274.        could  be  further  arranged  into  a  two-dimensional  array  of 
  275.        increasing  blue  in  one  direction and increasing  green  in  a 
  276.        direction at right angles to the blue axis.  The resultant arrays 
  277.        could then be stacked,  and an alternate three dimensional  color 
  278.        arrangement could be made. 
  279.  
  280.                When  the  scientist's  work was finished and  our  first 
  281.        observer  is called to see the "correct" arrangement  of  colored 
  282.        pebbles,  she  would  be  just  as confused  as  the  color-blind 
  283.        scientist  was  when he saw her arrangement.   There would  be  a 
  284.        pattern  of  some  sort in the  arrangement  of  the  scientist's 
  285.        pebbles,  but the pattern would not be recognized for what it is.  
  286.        If  the scientist had red,  green and blue filters through  which 
  287.        our  first  observer could view the RGB color coordinate  system, 
  288.        she  would  immediately  see  why he arranged  them  as  he  did.  
  289.        Through  the three filters,  the monochromatic intensities  would 
  290.        appear  as planes of equal intensity which are  perpendicular  to 
  291.        each  of the three axes.   As obvious as the arrangement appeared 
  292.        through the filters, the arrangement would still remain confusing 
  293.        without the filters.
  294.  
  295.                                        5
  296.  
  297.  
  298.             People  can  see  patterns  of  IHS  naturally  but  require 
  299.        instruments or filters to see RGB patterns.   If images are to be 
  300.        viewed by people,  then it is the IHS patterns which will be seen 
  301.        and  not the RGB patterns.   More about this later.  It is a  key 
  302.        point. 
  303.  
  304.        Color Space is Reimannian
  305.                                                 
  306.                We  measure distance in color space by  just  perceptible 
  307.        color differences (jpcd).  These are computed from the results of 
  308.        color  matching  experiments by trained observers  with  "normal" 
  309.        color  vision.   A test color is displayed and the observer tries 
  310.        to match it by combining primary colors.   The standard deviation 
  311.        of the errors is a consistent measure of distance in color space.  
  312.        It  defines  the distance one must move to be able  to  detect  a 
  313.        difference one out of three times.
  314.  
  315.                When  color is represented in Euclidean space,  the color 
  316.        distance  between two neighboring points in color space is  given 
  317.        by  
  318.  
  319.               (ds * ds) = (dU1 * dU1) + (dU2 * dU2) + (dU3 * dU3) 
  320.  
  321.          where: s = distance between points which are just perceptibly
  322.                     different 
  323.                 U = tristimulus values of the eye.
  324.  
  325.        An  alternate form can be assumed which has different  properties 
  326.        than ordinary Euclidian space (Wyszecki and Stiles, 1982) 
  327.  
  328.           (ds * ds) = g11*(dU1*dU1) + (2*gl2*dU1*dU2) +  (2*dU2*dU2) +
  329.                   + (2*g23*dU2*dU3) + g33*(dU3*dU3) + (2*g31*dU3*dU1)
  330.  
  331.          where: g =  metric coefficients which are continuous 
  332.                      functions of U so that ds > 0 and are derived
  333.                      from the variance/covariance matrix of color
  334.                      matching errors.
  335.  
  336.              The  space in which ds is the distance element is known  as 
  337.        three-dimensional  Reimannian  space.    If  it  is  possible  to 
  338.        transform the tristimulus coordinates (U) into coordinates V so 
  339.  
  340.               (ds * ds) = (dVl * dV1) + (dV2 * dV2) + (dV3 * dV3),
  341.  
  342.        that then Reimannan space is the same as Euclidian  space.   This 
  343.        reduction,  however,  is  not usually possible,and in the case of 
  344.        color transformation, it certainly is not.
  345.  
  346.               The  importance  of this concept lies in  its  ability  to 
  347.        describe  geodesic lines between two points in color  space.   In 
  348.        color  space,  the  path  between two points which  contains  the 
  349.        fewest just perceptible color differences (jpcd) is the  geodesic 
  350.        line.   In Euclidean space,  these are straight lines but, in the 
  351.        case of color space,  they are generally curved which means color 
  352.        perception space is not Euclidean (Wyszecki and Stiles, 1982).
  353.  
  354.                                        6
  355.  
  356.  
  357.  
  358.                Although the perceptual color coordinate system (IHS) can 
  359.        be mapped into Euclidean color space (RGB),  it cannot be done in 
  360.        such  a  way  that distances between points  are  independent  of 
  361.        location.   In  order  to  map IHS into Euclidean  space  so  the 
  362.        relative  distances are independent of location,  six-dimensional 
  363.        Euclidean space is required.   If fewer dimensions are used, gaps 
  364.        will  appear in the space.   Unfortunately,  the concept of  six-
  365.        dimensional  space is of little value to assist in  visualization 
  366.        of the relative position of colors.
  367.  
  368.                A  glance  at  table 1 will  illustrate  this  point.   A 
  369.        triangle  can be defined by three colors such as  yellow,  green, 
  370.        and white.   Now try to draw this triangle using the distances on 
  371.        table  1.   The distance from yellow to green is 73.4 jpcd  (just 
  372.        perceptible color distance) while the sum of the other two  sides 
  373.        (yellow to white and white to green) is
  374.  
  375.                      26.7 + 40.7 = 67.4
  376.  
  377.                which is shorter than yellow to green.
  378.  
  379.  
  380.        ---------------------------------------------------------------
  381.                        KEY COLOR DISTANCES FOR CRT IMAGES
  382.        --------------------------------------------------------------- 
  383.        IHS Variable                              CRT Colors*
  384.        ---------------------------  ----------------------------------
  385.                                     R-Y   Y-G   G-C   C-B   B-M   M-R
  386.                                     ----  ----  ----  ----  ----  ----
  387.        Changing Hue                 83.0  73.4  31.0  73.1 130.6  59.2
  388.        (saturation maximum)
  389.                                     R-W   Y-W   G-W   C-W   B-W   M-W
  390.                                     ----  ----  ----  ----  ----  ----
  391.        Changing Saturation          78.2  26.7  40.7  49.7 103.3  67.1
  392.        (hue constant)
  393.        ---------------------------------------------------------------          
  394.                 color      x     y               color      x     y
  395.               ---------  ----- -----           ---------  ----- ------  
  396.          * R = red      = 0.62  0.345      Y = yellow   = 0.44  0.463
  397.            G = green    = 0.26  0.58       C = cyan     = 0.205 0.165
  398.            B = blue     = 0.15  0.08       M = magenta  = 0.385 0.213
  399.            W = white    = 0.333 0.333
  400.        ---------------------------------------------------------------                                                 
  401.                                                               Table 1 
  402.        ---------------------------------------------------------------
  403.  
  404.  
  405.        The Chromaticity Diagram
  406.  
  407.             It  is  possible,  however,  to map two IHS dimensions  into 
  408.        three RGB dimensions without distortion.  This means that, if one 
  409.        of the IHS coordinates is held constant, the resulting two-dimen-
  410.        sional  sub-space can be mapped in three-dimensional  RGB  space.  
  411.        These  diagrams are as difficult to construct as they are to  use 
  412.  
  413.                                        7
  414.  
  415.  
  416.        and  are,  therefore,  of  limited value.   Measurement of  color 
  417.        differences  must remain mathematical once the values of "g"  are 
  418.        determined.   Much  of  the  description  of  color  is  done  in 
  419.        Euclidean space,  but one must always be aware that it is not  an 
  420.        accurate  description of color distances,  just as a flat map  of 
  421.        the world is not an accurate description of the distances between 
  422.        features on  the surface of a planet.
  423.  
  424.                One   representation   of  IHS  space  in  RGB   is   the 
  425.        chromaticity  diagram  which  holds intensity constant  over  the 
  426.        surface  if  intensity  is  considered  to  be  the  sum  of  the 
  427.        tristimulus  values.   The  chromaticity  diagram  is  flat  and, 
  428.        therefore,  cannot  be a true representation of the color  space. 
  429.        The  major problem with this diagram is that it is in  RGB  space 
  430.        with no attempt made to make relative distances between colors in 
  431.        IHS  space  consistent.   With all of its flaws,  it is  still  a 
  432.        useful  tool  to understand the mapping of RGB into IHS,  and  it 
  433.        provides insight into the use of color in remote sensing. 
  434.  
  435.             The   chromaticity  diagram  uses  chromaticity  values   to 
  436.        describe  hue  and saturation for a  constant  intensity.   These 
  437.        chromaticity values are the tristimulus values divided by the sum 
  438.        of all three tristimulus values. 
  439.  
  440.                      x = Ul / (Ul + U2 + U3 )
  441.  
  442.                      y = U2 / (Ul + U2 + U3 ) 
  443.  
  444.                      z = U3 / (Ul + U2 + U3 )
  445.  
  446.        Since  the  sum of the three chromaticity coordinates  is  unity, 
  447.        only  two  of them need be defined to  specify  the  color.   The 
  448.        intensity  of  the  color is not specified  by  the  chromaticity 
  449.        coordinates, and the magnitude of U2 is usually also specified in 
  450.        order to identify the actual colors on the diagram.
  451.  
  452.             The  description  of two-dimensional Reimannian color  space 
  453.        for the chromaticity diagram has been attempted by many research-
  454.        ers.   The  most  commonly  used is that  of  MacAdam  (1942)  as 
  455.        analyzed by Silberstein and MacAdam (1945).  Observers were shown 
  456.        colors at various points on the chromaticity diagram and asked to 
  457.        match the color.   The standard deviations of the errors of these 
  458.        color  matches  can  be  used to determine  the  coefficients  of 
  459.        Reimannian space.
  460.  
  461.                    g11 = 1 / [ (sx * sx) * (1 - r * r) ]
  462.  
  463.                    gl2 = r / [ (sx * sx) * (sy * sy) * (1 - r * r) ]
  464.  
  465.                    g22 = 1 / [ (sy * sy) * (1 - r * r) ]
  466.  
  467.             where:   g = metric coefficients 
  468.                      s = standard deviation 
  469.                      r = correlation coefficient of x and y errors.
  470.  
  471.  
  472.                                        8
  473.  
  474.  
  475.                As with three-dimensional Reimannian space, distances are 
  476.        measured using metric coefficients.
  477.  
  478.                ds * ds = g11*(dx * dx) + g12*(dx * dy) + g22*(dy * dy)
  479.  
  480.             The  MacAdam metric coefficients can be represented  on  the 
  481.        chromaticity  diagram as ellipses of equal uncertainty of  recog-
  482.        nizing color differences.  The distance across the ellipse in any 
  483.        direction  is  proportional to the distance one must move on  the 
  484.        chromaticity diagram to obtain a just perceptible color  differe-
  485.        nce  (jpcd).   These calculations are performed for 25  different 
  486.        points  on  the chromaticity diagram and expressed  as  geometric 
  487.        constants of the ellipses (table 2).  The major semiaxis is given 
  488.        by "a",  the minor semiaxis by "b",  and the angle between the x-
  489.        axis and the major semiaxis by theta where theta is less than 180 
  490.        degrees.
  491.        ---------------------------------------------------------------- 
  492.             MACADAM ELLIPSES OBSERVED AND REGRESSION APPROXIMATION 
  493.        ---------------------------------------------------------------- 
  494.           Color Cente              Observed               Regression   
  495.        -------------------  ---------------------   ------------------- 
  496.         N      x       y     1000a  1000b   theta   1000a  1000b  theta 
  497.        --- ---------------  ------- ------- -----   ------ ------ ----- 
  498.         1    0.160   0.057   0.85   0.35    62.5     0.82   0.35   62.7 
  499.         2    0.187   0.118   2.2    0.55    77.0     1.94   0.50   76.0 
  500.         3    0.253   0.125   2.5    0.50    55.5     2.93   0.56   55.7 
  501.         4    0.150   0.680   9.6    2.3    105.0     9.58   2.30  104.8  
  502.         5    0.131   0.521   4.7    2.0    112.5     4.70   2.03  114.1 
  503.         
  504.         6    0.212   0.550   5.8    2.3    100.0     5.97   2.28   99.6 
  505.         7    0.258   0.450   5.0    2.0     92.0     4.73   1.95   88.4 
  506.         8    0.152   0.365   3.8    1.9    110.0     3.80   1.85  107.4  
  507.         9    0.280   0.385   4.0    1.5     75.0     3.87   1.55   77.3 
  508.        10    0.380   0.498   4.4    1.2     70.0     4.39   1.26   72.8 
  509.  
  510.        11    0.160   0.200   2.1    0.95   104.0     2.34   1.03  105.1  
  511.        12    0.228   0.250   3.1    0.90    72.0     2.63   0.79   73.9 
  512.        13    0.305   0.323   2.3    0.90    58.0     3.01   1.11   64.9 
  513.        14    0.385   0.393   3.8    1.6     65.5     3.67   1.48   65.8 
  514.        15    0.472   0.399   3.2    1.4     51.0     3.25   1.31   43.5  
  515.  
  516.        16    0.527   0.350   2.6    1.3     20.0     2.74   1.36   24.0 
  517.        17    0.475   0.300   2.9    1.1     28.5     2.55   1.23   26.6 
  518.        18    0.510   0.236   2.4    1.2     29.5     2.64   1.15   26.6 
  519.        19    0.596   0.283   2.6    1.3     13.0     2.52   1.28   12.4 
  520.        20    0.344   0.284   2.3    0.90    60.0     2.51   0.89   53.9 
  521.         
  522.        21    0.390   0.237   2.5    1.0     47.0     2.32   0.82   42.5 
  523.        22    0.441   0.198   2.8    0.95    34.5     2.85   1.03   35.8 
  524.        23    0.278   0.223   2.4    0.55    57.5     2.37   0.56   58.5 
  525.        24    0.300   0.163   2.9    0.60    54.0     2.76   0.58   50.5 
  526.        25    0.365   0.153   3.6    0.95    40.0     3.43   0.95   43.7 
  527.        ---------------------------------------------------------------- 
  528.                                                                 Table 2 
  529.        ---------------------------------------------------------------- 
  530.  
  531.                                        9
  532.  
  533.  
  534.  
  535.        Qualitative vs. Quantitative
  536.  
  537.             One  strength  of  the human mind is  that  it  can  process 
  538.        qualitative data.  The human mind cannot quantify anything though 
  539.        vision   which  makes  it  useless  for  quantification  of   the 
  540.        information  contained  in  images,   but  for  the  analysis  of 
  541.        qualitative information it is unequaled.  The assumption often is 
  542.        that the mind can quantify, but it cannot, and confusion results.  
  543.        The mind can only see relatives, and any attempt to make the mind 
  544.        quantify  will be defeated.   This is the basis for many  optical 
  545.        illusions.  Qualitative perception means that the appearance of a 
  546.        single pixel is more a function of the pixels surrounding it than 
  547.        the quality of the pixel itself.
  548.  
  549.             The human mind,  in the case of color, does not even receive 
  550.        quantitative data to analyze.   The eye encodes color information 
  551.        in  such a way as to enhance differences between adjacent  colors 
  552.        at  the expense of the measured magnitude of either  color.   The 
  553.        perceived color of a pixel is more a function of the color of the 
  554.        pixels   surrounding  it  than  it  is  a  function  of  its  own 
  555.        quantitative color as measured by instrument.
  556.  
  557.             The  cones of the eye which sense color appear  to  transmit 
  558.        signals  to  the brain which are a function of the brightness  of 
  559.        the  light  striking  them  as well  as  of  the  light  striking 
  560.        neighboring  cones.   Although the functional relationship s  not 
  561.        completely   understood,   the  form  of  the  function  can   be 
  562.        approximated  by  describing  the  limiting  cases.   The  purely 
  563.        quantitative  case  would  be for each cone to transmit  a  fixed 
  564.        frequency pulse for each retinal illuminance value.   The totally 
  565.        qualitative case would be for a cone always to transmit the  same 
  566.        frequency if surrounding cones where exposed to identical retinal 
  567.        illuminance.   The true response lies somewhere between these two 
  568.        extremes  but  experiments  indicate that the  true  function  is 
  569.        closer  to  the purely qualitative case than to the  quantitative 
  570.        case.
  571.  
  572.             A hypothetical function for qualitative vision is postulated 
  573.        here  and  tested  by visual  inspection  of  the  results.   Two 
  574.        identical  discs are divided in half by a line through the center 
  575.        and colored white on one side and black on the other.   When they 
  576.        are spun rapidly they will both appear uniformly grey because the 
  577.        eye,  with  its limited response time,  will integrate  over  the 
  578.        entire  diameter  of  the disk.   If the angle of  the  black  is 
  579.        increased  from 180 degrees to say 190 degrees for the inner  1/2 
  580.        of  the  disk,  the center will appear uniformly darker than  the 
  581.        outer  portion  of the disk when spun because there is  now  more 
  582.        black in the inner portion of the disk.
  583.  
  584.             The  hypothetical function is now applied to the  disk  with 
  585.        two different shades of grey and a second disk is made using this 
  586.        function, it is then spun rapidly and compared to the first disk.
  587.  
  588.  
  589.  
  590.                                       10
  591.  
  592.  
  593.             The hypothetical function is: 
  594.  
  595.                           X+r   Y+r
  596.        I*(X,Y) = 100N / [           {I(x,y)/[((x-X)*(x-X)) 
  597.                           x=X-r y=Y-r
  598.  
  599.  
  600.             + ((y-Y)*(y-Y))]}]   (1)
  601.             
  602.             excluding the point x = X and y = Y
  603.  
  604.                             X+r   Y+r
  605.          where:     N = I(X,Y)            {1/[((x-X)*(x-X)) 
  606.                            x=X-r y=Y-r
  607.  
  608.             + ((y-Y)*(y-Y))]}
  609.  
  610.                  I*(X,Y) = ganglion cell output signal response
  611.                  I(x,y)  = retinal illuminance
  612.                  X,Y     = retinal coordinates of the cone 
  613.                            directly over the ganglion cell being 
  614.                            estimated
  615.                  x,y     = retinal coordinates of the cones
  616.                            surrounding the cell being estimated
  617.                  r      -- defined below
  618.  
  619.             Equation  (1)  modifies the ganglion cell  output  resulting 
  620.        from  the stimulus of a single cone by considering all cones in a 
  621.        square  of  dimensions  2r  x 2r  centered  around  the  cone  in 
  622.        question.   This function was created here to illustrate a  point 
  623.        and  is  not meant to explain the true working of the  eye.   The 
  624.        result,  if normalized in such a way that all cones in the square 
  625.        have  the  same retinal illuminance,  is 100.   This  is  totally 
  626.        qualitative  since the resultant magnitude of "I*"  is  dependent 
  627.        only  on the relative magnitudes of "I" surrounding the cone  and 
  628.        is  totally  independent of the absolute magnitude of "I" of  the 
  629.        cone  being  estimated.   The  magnitude of "I*"  is  reduced  if 
  630.        surrounding  cones  have  a higher  magnitude  of  "I",  and  the 
  631.        reduction, or suppression, is proportional to the illuminance and 
  632.        to  the inverse of the square of the distance to the  suppressing 
  633.        cone.
  634.  
  635.             Examinations of the retina in primates show the existence of 
  636.        nerve cells which appear to connect cones horizontally (Wyszecki, 
  637.        1982).   Although  the true function of these cells in not known, 
  638.        it is certainly possible that they do act in a manner similar  to 
  639.        that described by equation (1). 
  640.  
  641.             If  the eye is a quantitative instrument,  then each of  the 
  642.        two disks would appear to be colored differently and would appear 
  643.        as  they are.   Disk 1 would appear to contain two uniformly grey 
  644.        sections,  one slightly darker than the other,  and disk 2  would 
  645.        appear  to  be the same color most of the area with some  shading 
  646.        near  the  mid-point  of  a radius  line.   When  the  disks  are 
  647.        stationary  this is exactly what is seen.   While  spinning,  the 
  648.  
  649.                                       11
  650.  
  651.  
  652.        shading  of disk 2 is invisible and both halves look uniform  and 
  653.        of different brightness. 
  654.  
  655.        ---------------------------------------------------------------
  656.                    HYPOTHETICAL GANGLION CELL OUTPUT RESPONSE
  657.        ---------------------------------------------------------------
  658.           X            I(x,y)          I*(X,Y)             I**(X,Y)
  659.           
  660.                       Retinal        I = I(x,y)          I = I*(X,Y)
  661.                     Illuminance        (r = 5)             (r = 5)
  662.        --------    -------------    --------------     ---------------
  663.                      Column 1          Column 2            Column 3
  664.        --------    -------------    --------------     ---------------
  665.           I             90              100.0               100.0
  666.           *              *                *                   *
  667.           20            90              100.0               100.0
  668.           21            90              100.0               100.0
  669.           22            90              100.0               100.1
  670.           23            90              100.0               100.3
  671.           24            90              100.0               100.7
  672.           25            90               99.5               100.4
  673.           26            90               98.7               100.0
  674.           27            90               97.6                99.4
  675.           28            90               95.8                97.9
  676.           29            90               91.9                92.7
  677.  
  678.           30           110              107.7               107.2
  679.           31           110              103.7               101.9
  680.           32           110              102.0               100.5
  681.           33           110              101.1               100.0
  682.           34           110              100.4                99.7
  683.           35           110              100.0                99.4
  684.           36           110              100.0                99.8
  685.           37           110              100.0                99.9
  686.           38           110              100.0               100.0
  687.           39           110              100.0               100.0
  688.            *            *                 *                   *
  689.  
  690.           59           110              100.0               100.0
  691.        ---------------------------------------------------------------                                                 
  692.                                                               Table 3
  693.        ---------------------------------------------------------------
  694.  
  695.             The  results of this experiment indicate that the retina  of 
  696.        the  eye is more of a qualitative than  quantitative  instrument.  
  697.        When  coupled  with  the action of the  iris,  which  adjusts  to 
  698.        maintain  constant  scene retinal illuminance,  the eye  must  be 
  699.        thought  of  as totally qualitative.   If the signal  transmitted 
  700.        from  the  eye  to the brain is qualitative and  if  it  must  be 
  701.        decoded  by  the  brain to produce what is  called  vision,  then 
  702.        vision must also be qualitative.   If the mind never receives the 
  703.        quantitative  information,  there  is no way for  it  to  analyze 
  704.        quantitative information.
  705.  
  706.  
  707.  
  708.                                       12
  709.  
  710.  
  711.             The  preceding  experiment  used  grey  light  to  show  the 
  712.        qualitative  nature  of the eye.   In grey  light,  the  relative 
  713.        intensities of each of the three primary colors are held constant 
  714.        and  are nearly equal.   If the cones respond in a particular way 
  715.        to   light  when  all  three  types  of  cones   are   stimulated 
  716.        identically, one might postulate that they will react in the same 
  717.        manner  when stimulated individually.   To test this  hypothesis, 
  718.        the experiment was repeated changing only one primary color along 
  719.        the x-axis of the two disks.
  720.  
  721.             The  results of the color test of the qualitative nature  of 
  722.        the  eye  are identical to the intensity test except it  is  hue, 
  723.        rather  than intensity,  which appears to change between the  two 
  724.        halves  of  the disks.   For the color test,  each of  the  three 
  725.        primary colors is treated differently.    Blue is set to zero and 
  726.        green  is set to 100 everywhere.   Red is varied in the two disks 
  727.        in the same way grey was in the first experiment.   The result is 
  728.        again to similar disks when spinning.
  729.  
  730.             This experiment proves that,  regardless of how the eye-mind 
  731.        system actually sees color,  the color of a point on an image  is 
  732.        as much,  or more,  a function of the color of surrounding points 
  733.        as  it  is  a  function of the color of  that  particular  point.  
  734.        Colors  on an image are qualitative and any attempt to make  them 
  735.        appear quantitative will likely be defeated by the eye.
  736.  
  737.        Is There Color If No One Sees It?
  738.        
  739.             The  perception  of  color  is a  complex  mix  of  physics, 
  740.        physiology and psychology consisting of (1) a light source, (2) a 
  741.        reflecting surface, (3) the eye, (4) the optic nerve, and (5) the 
  742.        mind.   Each of these five parts influences what is called  color 
  743.        and the way it is perceived.  For satellite image analysis, there 
  744.        are  at least two light sources -- the sun which illuminates  the 
  745.        original scene and the light which illuminates the image.   It is 
  746.        the  image  which is of interest to the image  analyst,  but  its 
  747.        connection to reality must be kept in mind at all times.   In the 
  748.        case  of  soft  copy  images  (images on  a  CRT),  there  is  no 
  749.        reflection  from an image.   The phosphors on the  color  monitor 
  750.        give off visible light directly.
  751.  
  752.            Regardless of the source of the light, color vision begins in 
  753.        the  eye where three types of cone receptors respond to light  of 
  754.        various  wavelengths  in different ways.   For light with a  wave 
  755.        length of 380 to 770 nm, two or more of these cones are sensitive 
  756.        at each wave length over most of the visible range (Wyszecki  and 
  757.        Stiles, 1982).  The sensitivity of each type of cone at each wave 
  758.        length is known as the observer functions,  x,  y, and z for red, 
  759.        green, and blue, respectively.  The product of the spectral power 
  760.        distribution  of  the incoming light and the  observer  functions 
  761.        integrated over the visible range of the spectrum result in three 
  762.        numbers,  called tristimulus values,  which describe the response 
  763.        of the eye to a particular color.   These values define the color 
  764.        as seen by the eye and form the basis for color space definitions 
  765.        (Billmeyer and Saltzman, 1981).
  766.  
  767.                                       13
  768.  
  769.  
  770.  
  771.  
  772.             What  the retina receives is encoded by the optic nerve  for 
  773.        transmission  to the brain.   At this point relative measures are 
  774.        enhanced at the expense of absolutes and we go from three to four 
  775.        primary hues.   The processing n the brain is complex and  poorly 
  776.        understood but some things are known.  The brain does not process 
  777.        all  of the incoming information,  but rather selects information 
  778.        according  to  its needs and experience with the  type  of  scene 
  779.        being  analyzed.   When  you  say you don't  notice  things  that 
  780.        surround  you  every day its because the brain does  not  process 
  781.        them.   The  brain is looking for changes and unusually shapes in 
  782.        the scene and color makes up 3 of 5 dimensions we work with.
  783.  
  784.             Studies  of the activity of cells in the brains  of  monkeys 
  785.        while they were trying to correctly identify the shapes of red or 
  786.        green symbols indicates that only the color of interest was being 
  787.        processed  by  the  brain.   If the green symbol was the  one  of 
  788.        interest  the brain actually turned off the red signal to  reduce 
  789.        the  amount of data that needed to be analyzed.   This is why  we 
  790.        can  so quickly spot objects of a given color in a scene of  many 
  791.        colors.
  792.  
  793.             In  this  process of analysis all objects seem  to  maintain 
  794.        their color.   We regard objects as possessing color even  though 
  795.        much  of  the  variation  in tristimulus values  comes  from  the 
  796.        changing light source.   This is because it is the object we must 
  797.        identify  to survive and the brain adjusts the incoming  stimulus 
  798.        to preserve the color of the objects in the scene.   White  paper 
  799.        always look white regardless of the light source.
  800.  
  801.             Each  type  of  animal sees color in a  very  different  way 
  802.        according  to the needs of the species.   Color may be related to 
  803.        the incoming light but it is not color until it is processed by a 
  804.        brain.   This  is part of the reason that it is so  difficult  to 
  805.        define color;  color is what you see color to be.
  806.  
  807.  
  808.                             SOME USEFUL DEFINITIONS
  809.  
  810.        Color
  811.  
  812.        that  aspect  of  visual  perception by  which  an  observer  may 
  813.        distinguish differences between two structure-free fields of view 
  814.        of the same size and shape,  such as may be caused by differences 
  815.        in  the  spectral composition of the radiant energy concerned  in 
  816.        the  observation.   In this sense,  the term color  is  sometimes 
  817.        referred  to as "perceived color" to distinguish it from color in 
  818.        the sense of "psychophysical color".  (Wyszecki and Stiles, 1982, 
  819.        p487)
  820.  
  821.        (in  the psychophysical sense) that characteristic of  a  visible 
  822.        radiant  power  by which an observer may distinguish  differences 
  823.        between  two structure-free fields of view of the same  size  and 
  824.        shape,  such  as  may  be caused by differences in  the  spectral 
  825.  
  826.                                       14
  827.  
  828.  
  829.        composition  of the radiant energy concerned in the  observation.  
  830.        Psychophysical  color is specified by the tristimulus  values  of 
  831.        the radiation power (color stimulus) entering the eye.  (Wyszecki 
  832.        and Stiles, 1982, p723)
  833.  
  834.        the attribute of visual perception that can be described by color 
  835.        names:   white,  grey black,  yellow,  orange, brown, red, green, 
  836.        blue,   purple,  and  so  on,  or  combinations  of  such  names.  
  837.        (Billmeyer and Saltzman, 1981, p186)
  838.  
  839.        any of manifold phenomena of light (as red,  brown,  pick,  grey, 
  840.        green,  blue,  white)  or of visual sensation or perception  that 
  841.        enables  one to differentiate objects even though the objects may 
  842.        appear  otherwise  identical (as  in  size,  form,  or  texture).  
  843.        (Webster's Third New International Dictionary).
  844.  
  845.        a  relative,  conical coordinate system in Reimannian space which 
  846.        makes  up  three of the seven dimensions  of  primate  perception 
  847.        related to vision and not dealing with location (x,y,z) nor time.  
  848.        (Ambroziak, 1988)
  849.  
  850.  
  851.        hue
  852.  
  853.        the attribute of color perception denoted by blue, green, yellow, 
  854.        red, purple, and so on.  (Wyszecki and Stiles, 1982, p487)
  855.  
  856.        the  property  of color most like the colors of the  spectrum  or 
  857.        that  property  of  color  which does not  involve  the  apparent 
  858.        addition nor subtraction of white or black.  (Ambroziak, 1988)
  859.  
  860.  
  861.        intensity
  862.  
  863.        the  attribute of a visual sensation according to which  a  given 
  864.        visual stimulus appears to be more or less bright;  or, according 
  865.        to  which  the  area in which the visual  stimulus  is  presented 
  866.        appears to emit more or less light.   (Wyszecki and Stiles, 1982, 
  867.        p487)
  868.  
  869.        The  attribute  of  color  which appears to  be  reduced  by  the 
  870.        addition of black.  (Ambroziak, 1988)
  871.  
  872.  
  873.        observer functions
  874.  
  875.        the  sensitivity as a function of wavelength of each of the three 
  876.        color sensors in the eye (Ambroziak, 1988)
  877.  
  878.        metamerism
  879.  
  880.        color  stimuli  with the same tristimulus  values  but  different 
  881.        spectral radiant power distributions.  (Wyszecki and Stile, 1982, 
  882.        p184)
  883.  
  884.  
  885.                                       15
  886.  
  887.  
  888.        colors   which  look  the  same  to  the  eye  but  different  to 
  889.        instruments.  (Ambroziak, 1988)
  890.  
  891.  
  892.        saturation
  893.  
  894.        the attribute of visual sensation which permits a judgement to be 
  895.        made of the degree to which a chromatic stimulus differs from  an 
  896.        achromatic  stimulus regardless of their  brightness.   (Wyszecki 
  897.        and Stiles, 1982, p487)
  898.  
  899.        the  attribute  of  color  which appears to  be  reduced  by  the 
  900.        addition of white.  (Ambroziak, 1988)
  901.  
  902.  
  903.        tristimulus values
  904.  
  905.        the amount of the three primary color stimuli required to give by 
  906.        additive   mixture   a  color  match  with  the  color   stimulus 
  907.        considered.  (Wyszecki and Stiles, 1982, p723)
  908.  
  909.        the relative amount of red, green and blue seen by the human eye.
  910.                (Ambroziac, 1988).
  911.  
  912.  
  913.        unique (or primary) hues
  914.  
  915.        hues that cannot be further described by the use of the names  of 
  916.        the  hue  names other than its own (also referred to  as  unitary 
  917.        hue).   There  are  four  unique hues,  each of  which  shows  no 
  918.        perceptual  similarity  to any of the  others;  they  are:   red, 
  919.        green, yellow, and blue.  The hueness of a light (color stimulus) 
  920.        can  be  described  as  a combination of  two  unique  hues;  for 
  921.        example,  orange is yellowish-red or reddish  yellow.   (Wyszecki 
  922.        and Stiles, 1982, p487)
  923.  
  924.        hues   which  do  appear  to  be  combinations  of  other   hues.  
  925.        (Ambroziak, 1988)
  926.  
  927.                                    REFERENCE
  928.        
  929.        Ambroziak,  Russell  A.,  1986:   Real-Time Crop Assessment Using 
  930.        Color Theory and Satellite Data,  University of  Delaware,  Ph.D. 
  931.        Dissertation, 205 pp.
  932.  
  933.        Billmeyer,  Fred W.  and Max Saltzman, 1981:  Principles of Color 
  934.        Technology, New York:  John Wiley and Sons, 240 pp.
  935.  
  936.        Judd, Deane B. and G. Wyszecki, 1975:  Color in Business, Science 
  937.        and Industry, New York:  John Wiley and Sons.
  938.  
  939.        Wyszecki,   Gunter  and  W.  S.  Stiles,  1982:   Color  Science:  
  940.        Concepts and Methods,  Quantitative Data and Formulae,  New York:  
  941.        John Wiley and Sons,    950 pp.
  942.  
  943.  
  944.                                       16
  945.  
  946.  
  947.                              HOW DO YOU USE COLOR?
  948.  
  949.                A  simple  answer  is that you use color like  any  other 
  950.        graph.   Color  can  be  thought  of  as  another  way  to  graph 
  951.        information and what is true for graphs is true for color images.  
  952.        The main use of a graph is to see shapes and relationships not to 
  953.        measure  or quantify.   The equations or data used to create  the 
  954.        graph  contain  the  quantitative information but  the  graph  is 
  955.        created  for  the mind to do qualitative analysis of  shapes  and 
  956.        forms.   Color  can  do the same thing and give  a  5-dimensional 
  957.        graph.
  958.  
  959.                If  color is so important,  why doesn't  everybody  learn 
  960.        about  it and use it?   A partial answer to this question is  the 
  961.        lack  of available control over a color system by scientists  for 
  962.        analytical work.  To do reasonable analytical color work you need 
  963.        a  minimum of 256 colors taken from 16,777,216 palette.   Until a 
  964.        few  years  ago,  this was only possible with  equipment  costing 
  965.        hundreds  of thousands of dollars,  and the use of these  systems 
  966.        required a good working knowledge of color theory.   For the most 
  967.        part,  color  use  came from  photography,  and  digital  imagery 
  968.        applications  of  color were based on photographic  presentations 
  969.        such as false color-IR or on pseudo-color.
  970.  
  971.                Color control was in the hands of the print,  paint,  and 
  972.        fine   art  community  and  color  scientists   supported   these 
  973.        industries.   Hard  copy of color is still extremely difficult to 
  974.        produce  for the physical scientist but the new color boards  for 
  975.        PC's  have  opened up a new dimension for analytical  work  using 
  976.        color as a tool is soft copy for a few hundred dollars.
  977.  
  978.                There are two basic ways of using color which come  under 
  979.        a  variety  of  headings,  but they boil down to the  display  of 
  980.        results of analysis and the analysis of data.   The use of  color 
  981.        for  the  display of data includes color tagging,  color  coding, 
  982.        color  slicing and pseudo-color.   The use of color for  analysis 
  983.        includes  false  color,  the  ACCS  (Ambroziak  Color  Coordinate 
  984.        System), some applications of IHS and RGB to raw data, and almost 
  985.        all  photographic applications.   The most common application  of 
  986.        color  by non-color scientists has been and continues to  be  the 
  987.        first,  that is,  display rather than analysis.  Almost all color 
  988.        analysis  by non-color scientists has been based on  photographic 
  989.        products.
  990.  
  991.  
  992.        The Use of Color for Display 
  993.  
  994.                On any image or graph, you have 2-dimensions to work with 
  995.        (x  and y),  but adding color you can tag points and add a  third 
  996.        dimension.   In  order for this to work well,  the colors must be 
  997.        different  enough  from  each other to  be  uniquely  identified.  
  998.        Another  way to say this is that their distances in  color  space 
  999.        must be maximized.  A list of such color might be:
  1000.  
  1001.  
  1002.  
  1003.                                       17
  1004.  
  1005.  
  1006.        ---------------------------------------------------------------
  1007.                      REASONABLE COLORS FOR USE IN TAGGING
  1008.        ---------------------------------------------------------------
  1009.           #      color          intensity       hue         saturation
  1010.        ------  -------------  -------------   ----------- ------------
  1011.           1      red             max           red            max
  1012.           2      green           max           green          max
  1013.           3      blue            max           blue           max
  1014.           4      yellow          max           yellow         max
  1015.           5      magenta         max           blue-red       max
  1016.           6      cyan            max           blue-green     max
  1017.           7      black           zero          none           none
  1018.           8      orange          max           red-yellow     max
  1019.           9      white           max           none           zero 
  1020.          10      grey            middle        none           zero 
  1021.          11      brown           middle        yellow         max 
  1022.          12      forest green    middle        green          max
  1023.          13      pink            max           red            middle
  1024.          14      rose            middle        red            middle
  1025.          15      navy blue       middle        blue           max
  1026.        ----------------------------------------------------------------
  1027.                                                                 Table 4
  1028.        ----------------------------------------------------------------
  1029.  
  1030.                A quick glance at these colors gives one the feeling that 
  1031.        they  are reasonable choices for a color display.   These  colors 
  1032.        vary  with  the medium used to produce them,  e.g.,  a  flat  bed 
  1033.        plotter  does not have the range of color that a CRT can produce.  
  1034.        The problem arises when you try to add another color.   It can be 
  1035.        done  but  it may be too close to one of the above colors  to  be 
  1036.        distinguishable everywhere on the graphic.
  1037.  
  1038.                Ten  of the 15 colors have maximum saturation  and  three 
  1039.        have  zero  or  no saturation.   Only two have any  gradation  of 
  1040.        saturation and both of these are red.   This might be a place  to 
  1041.        add  a color,  so lets try it.   Yellow looks so much like  white 
  1042.        already that mixing the two to create another color is out of the 
  1043.        question.   Cyan is only slightly better than yellow, in the real 
  1044.        world,  and  no better on a CRT,  so half saturated cyan is  out, 
  1045.        also.   Green  is a little better but not enough to do much good.  
  1046.        Blue,  magenta,  and  orange  all  have good  resolution  in  the 
  1047.        direction of saturation but present other problems.   Orange  and 
  1048.        magenta  tend  to  become confused with red  when  saturation  is 
  1049.        dropped  and  unsaturated blue is almost  undistinguishable  from 
  1050.        cyan on most systems.
  1051.  
  1052.                The  point  of  all of this is to say that the  order  of 
  1053.        magnitude of the number of colors that you can use to tagging  is 
  1054.        15 -- seven if you are using a plotter and maybe 20 if you have a 
  1055.        CRT,  but  at 20 colors,  you're pushing with any display medium.  
  1056.        If  you  can display 15 values at any point,  you  have  a  color 
  1057.        display system which can give an x and y positional value and tag 
  1058.        the  point  with  one  of  about  15  values.   Which  is  a  two 
  1059.        dimensional  histogram  of sorts with 15 bins each labeled  by  a 
  1060.        readily distinguishable color.   This a common type of system for 
  1061.  
  1062.                                       18
  1063.  
  1064.  
  1065.        display,  since  you can get all of this on a CRT with 4 bits  of 
  1066.        data.
  1067.  
  1068.                It  is not the small number of colors which presents  the 
  1069.        major  problem  for  application  of this  system  to  analytical 
  1070.        problems but it is the lack of direction or order to the  colors.  
  1071.        Once the colors are picked, any random order is about the same as 
  1072.        any other order.   If you want to display pressure in psuedocolor 
  1073.        using  the  above scale you can divide the range of data into  15 
  1074.        chunks and color the map with ease.   The problem is that  higher 
  1075.        (or  lower) values do not seem to move in any logical  direction.  
  1076.        Is white above or below blue?
  1077.  
  1078.                If you have developed a climate classification system and 
  1079.        wish to analyze the geographic extent of 15 categories of climate 
  1080.        psuedocolor is an ideal choice for displaying your results.   You 
  1081.        would probably want to vary the color choices, but the basic idea 
  1082.        would be the same -- no direction,  just tags.   This application 
  1083.        can  be  used for any number of  problems,  such  as,  separating 
  1084.        various  lines  on a graph,  detecting slight density changes  in 
  1085.        monochromatic  images,  or  mapping any  type  of  non-sequential 
  1086.        categories.
  1087.        
  1088.        
  1089.        The Use of Color for Analysis
  1090.  
  1091.                The  main  reason for displaying data in image  form  for 
  1092.        analysis  is  to  use the minds ability to  detect  non-geometric 
  1093.        patterns and textures.  We, humans, are very good at this sort of 
  1094.        thing  and computers tend to be less than inept at  spotting  and 
  1095.        identifying  fractals.   We  can  easily identify  all  kinds  of 
  1096.        patterns  on images at a glance,  such as clouds,  river valleys, 
  1097.        man-made structures,  etc.  Not only can we identify them, but we 
  1098.        can see more than the image contains.   Visual perception is  the 
  1099.        result  of what you see times your experiences.   If you have  no 
  1100.        idea what your looking at,  you will see very little,  but it you 
  1101.        know  a  lot  about the situation,  you will see  much  more.   A 
  1102.        weather forecaster and a non scientist looking at the GOES  image 
  1103.        on  the evening news see very different images and get  different 
  1104.        information from it.
  1105.  
  1106.                If  you're  going to do analysis you want to  display  as 
  1107.        much data as possible,  and display it in the clearest manner for 
  1108.        the  mind to interpret.   You want magnitude and direction to  be 
  1109.        preserved  and  you  want the color axes to  be  orthogonal.   To 
  1110.        reduce  the  amount of trial and error involved  in  creating  an 
  1111.        image,  it  helps to understand something about the way the  mind 
  1112.        interprets  color  images  and  then start with  a  suitable  IHS 
  1113.        coordinate system.
  1114.  
  1115.                Color   has  long  been  used  for  analysis   by   photo 
  1116.        interpreters  using  color or false color film.   These  products 
  1117.        produce  images in which all of the original data  are  displayed 
  1118.        and  direction is preserved.   In any channel,  brighter  objects 
  1119.        appear brighter.   As stated before, the human mind processes IHS 
  1120.  
  1121.                                       19
  1122.  
  1123.  
  1124.        data  while photos are RGB data so we must convert the RGB  space 
  1125.        to IHS space in order to evaluate what the observer is observing.
  1126.  
  1127.                RGB  images  usually  equate  color  intensity  with  the 
  1128.        intensity  of  brightest  of  the  three  RGB  values.   Hue  and 
  1129.        saturation  display the ratios of the three RGB values.   If  two 
  1130.        channels  are highly correlated as is the case in false  color-IR 
  1131.        image   their  ratio  with  the  third  channel  will  appear  as 
  1132.        saturation.
  1133.  
  1134.  
  1135.                          AN IHS APPLICATION CASE STUDY
  1136.  
  1137.        The False Color IR Image
  1138.        
  1139.                The  false color infrared (IR) image,  commonly used  for 
  1140.        monitoring vegetation,  is created by the computer as RGB images, 
  1141.        but for crop monitoring they are IHS images.   Fortuitously,  the 
  1142.        IHS  coordinate system in the RGB color space of the false  color 
  1143.        IR image is aligned with the most commonly used vegetation index.
  1144.  
  1145.                Color  IR film was created to detect foliage  camouflage.  
  1146.        Military equipment can be painted green, but it cannot be painted 
  1147.        to  look like foliage on color IR photos.   Plants  reflect  much 
  1148.        more  near  IR  radiation than visible,  and all  paints  reflect 
  1149.        nearly  equal amounts of both visible and near IR.   To make  the 
  1150.        film,  all  three  primary  colors are  shifted  to  longer  wave 
  1151.        lengths.  Blue light is dropped, green light is recorded as blue, 
  1152.        red  light is recorded as green,  and the near IR is recorded  as 
  1153.        red  by  the  film.   The  result  is  an  image  which  displays 
  1154.        vegetation as bright red,  water as black,  dark blue or cyan and 
  1155.        most other objects as grey or white.
  1156.  
  1157.                The  false color IR image is an RGB image which  displays 
  1158.        each of three sensor magnitudes as a primary color.   In the case 
  1159.        of  satellite  images,  these sensor magnitudes are the  incoming 
  1160.        visible and near IR radiation.   For Landsat channels 4, 5, and 7 
  1161.        become blue,  green, and red respectively.  For NOAA AVHRR, there 
  1162.        is only one visible channel,  so the blue and green are both used 
  1163.        to  display channel I while red alone displays channel  II.   The 
  1164.        resulting images are similar because NOAA AVHRR channel I has the 
  1165.        same  spectral  range as Landsat channels 4 and  5  combined  and 
  1166.        natural  scenes contain little crop status information within the 
  1167.        green-red  portion of the spectrum.   Most of the information  is 
  1168.        contained between the visible and the near IR.
  1169.  
  1170.                Channels  I and II of the AVHRR are ideal for  monitoring 
  1171.        the health and status of vegetation because healthy plants absorb 
  1172.        visible  light  as a good source and reflect almost all  near  IR 
  1173.        radiation.    Turgid  plant  cells  (swelled  by  internal  fluid 
  1174.        pressure)   provide   air-water  interfaces  which   are   highly 
  1175.        reflective  to  near  IR radiation.   As  soon  as  the  internal 
  1176.        pressure  of  the cells decreases,  this high reflectivity  falls 
  1177.        rapidly.   The loss of near IR reflectance can be detected before 
  1178.        the plant shows any physical sings of wilting.  After a period of 
  1179.  
  1180.                                       20
  1181.  
  1182.  
  1183.        days,  the  water stress may effect the chlorophyll  and  visible 
  1184.        reflectance  will  increase.    Reflectance  varies  considerably 
  1185.        between  different  types of plants and with  their  phenological 
  1186.        stages,  yet,  when  a  full  cover of healthy plants  is  viewed 
  1187.        through  a  clear atmosphere,  there can be no  doubt  about  the 
  1188.        target's identity.
  1189.  
  1190.                Obviously,  the analysis of this index is a valuable tool 
  1191.        for  the  crop  monitor and its relationship to  false  color  IR 
  1192.        images  provides  insight  into the initial success  of  research 
  1193.        programs  designed  to  monitor vegetation  from  space  and  the 
  1194.        operational  success  of the current  assessment  programs.   The 
  1195.        false  color  IR image has been used in crop  monitoring  without 
  1196.        question for at least the past decade.  It is the standard method 
  1197.        of three channel image display;  it works and it is used.
  1198.  
  1199.                The  false color IR image is actually an IHS presentation 
  1200.        of the Normalized  Vegetation Index (NVI), and this is the reason 
  1201.        for its success as a crop monitoring tool.   The sign of the  NVI 
  1202.        is  given by hue.   All positive values are red and all  negative 
  1203.        values  are cyan on both Landsat and AVHRR false color IR images.  
  1204.        The  value of the index is given by  saturation.   The  diagonal, 
  1205.        which  has an index value of zero,  has a saturation of zero  and 
  1206.        the  saturation  increases  to  one  towards  both  axes.   Scene 
  1207.        brightness is portrayed as intensity in a natural manner.
  1208.  
  1209.                It  is  the  saturation of the hues red  and  cyan  which 
  1210.        contain  the  most  valuable information in the  false  color  IR 
  1211.        image.   If  the  saturation  of  any pixel is  compared  to  the 
  1212.        absolute  value of its normalized vegetation index they  will  be 
  1213.        found closely related.   The calculation of hue and saturation is 
  1214.        complex  on  a normal chromaticity diagram but when an  image  is 
  1215.        formed  by three pigments or phosphors the problem is  simplified 
  1216.        somewhat.  The triangle formed on the chromaticity diagram by the 
  1217.        three primary colors contains all possible colors.   If the edges 
  1218.        of  this triangle,  which represent the highest color  saturation 
  1219.        possible,  are defined as having an image saturation of one,  the 
  1220.        problem becomes even simpler.   In the case of red,  this is good 
  1221.        approximation because the red phosphor has an actual chromaticity 
  1222.        saturation  of 0.905,  but the cyan on a CRT has a saturation  of 
  1223.        only  0.414.   This is not a serious problem because most of  the 
  1224.        useful information on a false color IR image is in the red.   The 
  1225.        cyan  hues tend to be very dark when they increase in  saturation 
  1226.        because it is only water which has index near minus one.
  1227.  
  1228.                The  image  saturation  and  the absolute  value  of  the 
  1229.        normalized vegetation index are equal at zero and  one.   Between 
  1230.        zero  and  one,  the  difference is never more  that  0.10.   The 
  1231.        normalized  vegetation image is displayed as a smooth  change  in 
  1232.        saturation which is nearly the same as the vegetation index.
  1233.  
  1234.                Although  the false color IR image is an RGB image formed 
  1235.        from the direct assignment of three channel data to the intensity 
  1236.        of the blue,  green,  and red phosphors on a CRT, it fortuitously 
  1237.        is  an IHS display of the normalized vegetation index.   This  is 
  1238.  
  1239.                                       21
  1240.  
  1241.  
  1242.        the  reason that so much information about agriculture  could  be 
  1243.        seen  in  the early Landsat images.   It is also the reason  that 
  1244.        image  interpretation of these false color images,  whether  from 
  1245.        Landsat  or NOAA AVHRR,  are the prime information source in  all 
  1246.        operational systems.
  1247.  
  1248.                If  it is the human mind which is to do the  analysis  of 
  1249.        the  satellite  image then the question must be asked  "Is  false 
  1250.        color IR the best type of image to analyze for satellite analysis 
  1251.        of  large scale agriculture?"  The false color IR image  displays 
  1252.        all  of the information about plant vigor in terms of  saturation 
  1253.        changes  of red (remember,  cyan is for water).   The path of the 
  1254.        color  on the chromaticity diagram is a straight line from  white 
  1255.        to red phosphor, which has a length of 78.2 jpcd (table 1).  This 
  1256.        means  that a maximum of 78 different colors can  be  identified, 
  1257.        under  ideal  conditions,  between  the best  vegetation  and  no 
  1258.        vegetation at all.
  1259.  
  1260.                Another favorite color scheme is to use green for near IR 
  1261.        and  magenta (blue and red) for visible to make vegetation  green 
  1262.        rather  than  red.   The distance from green to white  along  the 
  1263.        chromaticity  diagram  straight line is only 26.7 jpcd  or  about 
  1264.        one-third the color resolution as false color IR.   Although this 
  1265.        display  provides  more  natural colors,  it is rarely  used  for 
  1266.        analysis  because  of the poor color resolution it  provides  for 
  1267.        analyzing patterns of the normalized vegetation index.
  1268.  
  1269.                The best image of the false color family would be one  in 
  1270.        which  the  near IR (AVHRR channel II) is assigned to  blue,  and 
  1271.        yellow  (red and green) assigned to the  visible.   The  distance 
  1272.        from  blue to white along the chromaticity straight line is 103.3 
  1273.        jpcd and,  therefore, has 32 percent more visual color resolution 
  1274.        than  the  more  common false color IR with red on  the  near  IR 
  1275.        channel.   The  colors  of this image are not  pleasing  and  the 
  1276.        improvement  is not appreciated by analysts who see this type  of 
  1277.        image as strange and not worth getting used to.
  1278.  
  1279.  
  1280.                             SOLUTION TO THE PROBLEM
  1281.        
  1282.        Image Color Coordinate System -- ACCS
  1283.  
  1284.                Although  the  false color IR image has  been  enormously 
  1285.        useful in vegetation analysis from space,  it is obvious from the 
  1286.        discussion  of  color theory and of perceptual  color  resolution 
  1287.        that  it  can  be  improved.   Any  improvements  must  keep  the 
  1288.        favorable   points  of  the  color  IR  coordinate  system  while 
  1289.        improving its weaknesses.
  1290.  
  1291.  
  1292.        Strengths of the false color IR image
  1293.  
  1294.                The  strong  points of the color IR images  are  (1)  its 
  1295.        ability  to  display all of the spectral information of  interest 
  1296.        for analysis,  (2) its display of the vegetation index on an axis 
  1297.  
  1298.                                       22
  1299.  
  1300.  
  1301.        of  the  minds  natural coordinate system,  (3)  the  ability  to 
  1302.        provide  the  information which allows  the  distinction  between 
  1303.        lands,  water,  and surface features,  and (4) the relatively low 
  1304.        cost  of image processing.   These are the positive attributes of 
  1305.        the  color coordinate system which have made the color IR  images 
  1306.        an integral part of all operational assessment programs and which 
  1307.        can  afford  the  expense of satellite data  and  satellite  data 
  1308.        processing.   The  loss of one of these factors  would  certainly 
  1309.        have an adverse effect on the value of the product.
  1310.  
  1311.                The  display of all of the data of interest is  important 
  1312.        to  the analyst for several reasons.   Real time crop  monitoring 
  1313.        is, to a large extent, an intelligence function.  The data needed 
  1314.        are  never complete and the quality of all of the data is usually 
  1315.        suspect to some degree.  The key to a successful operation is the 
  1316.        ability to take all available,  pertinent information and combine 
  1317.        it to produce the best possible answer in the time allotted.   If 
  1318.        parts  of  the  data are removed from the  system,  it  is  quite 
  1319.        possible for errors of judgement to be made.   If,  for  example, 
  1320.        only  the  vegetation index values are available,  a region  with 
  1321.        partial  cloud  cover may be mistaken for a  loss  of  vegetation 
  1322.        vigor.   If  all  of the spectral information is  available,  the 
  1323.        brightness  and  the patterns of brightness will allow  the  true 
  1324.        situation to be determined.
  1325.  
  1326.                The  display  of the vegetation index on  the  saturation 
  1327.        axis of the IHS color coordinate system allows the human mind  to 
  1328.        see  crop  vigor as an independent feature of the false color  IR 
  1329.        image.   Relative  crop  vigor is then unchanged  by  changes  in 
  1330.        brightness   caused   by  atmospheric  interference  or   surface 
  1331.        phenomenon.   Redder  pixels are better pixels regardless of  the 
  1332.        situation.   A thin cirrus cloud can partially cover a portion of 
  1333.        a  crop  region making the healthy red  field  appear  pink,  but 
  1334.        within  the  cloud  covered region the better fields  will  still 
  1335.        appear redder (more saturated).   The human mind will be  annoyed 
  1336.        by  the presence of the cloud but not confused,  and the analysis 
  1337.        of the health of the fields will be done correctly.
  1338.  
  1339.                The way the information is displayed in a false color, IR 
  1340.        images makes the identification of surface features,  clouds, and 
  1341.        water possible.  The pattern recognition capabilities of the mind 
  1342.        are  at their best when viewing regions with partial cloud  cover 
  1343.        of  different  cloud types.   The amorphous  patterns  caused  by 
  1344.        various  cloud  types and cloud systems are easily recognized  by 
  1345.        the  mind  and naturally sorted out as not part  of  the  surface 
  1346.        scene.   The patterns of fields, terrain, and water bodies, which 
  1347.        are also amorphous, are very different and easily recognized.  In 
  1348.        the false color IR image, it is quite possible to do this type of 
  1349.        pattern  recognition  rapidly  and effortlessly,  and  with  very 
  1350.        little training.
  1351.  
  1352.                The  production  of the image itself  requires  no  image 
  1353.        processing  other  than  the decoding of the input data  and  the 
  1354.        necessary  hardware  to produce a color  image.   Each  pixel  is 
  1355.        assigned  colors which are based only on the incoming sensor data 
  1356.  
  1357.                                       23
  1358.  
  1359.  
  1360.        for that pixel.   This type of image is the least expensive image 
  1361.        to process because no time consuming, complicated mathematics are 
  1362.        necessary to produce it.
  1363.  
  1364.  
  1365.        Shortcomings of the false color IR image
  1366.  
  1367.                The shortcomings of the false color IR image are (1)  the 
  1368.        use of three color axes to display two dimensional data,  and (2) 
  1369.        a  lack of perceptual color resolution.   When the success of the 
  1370.        image  in crop monitoring is considered,  these shortcomings  may 
  1371.        not  be serious,  but they do provide the possibility to  improve 
  1372.        image quality, and therefore, the value of the image.
  1373.  
  1374.                In  the  false color IR image,  the scene  brightness  is 
  1375.        displayed  as  intensity,  the absolute value of  the  vegetation 
  1376.        index is displayed as saturation,  and hue is used to display the 
  1377.        sign of the data:  red for positive, and cyan for negative. There 
  1378.        is no color axis available to display such important  information 
  1379.        as thermal IR.   If thermal IR is substituted for either the blue 
  1380.        or the green axis of the RGB color coordinate system,  the status 
  1381.        of  the  vegetation is no longer displayed in the minds'  natural 
  1382.        coordinate system and one of the main positive attributes of  the 
  1383.        image  is lost.   The result is a confusing image of little value 
  1384.        for crop monitoring analysis.
  1385.  
  1386.                The  choice of saturation for display of  the  vegetation 
  1387.        index  is fortuitus in that it did produce an image which allowed 
  1388.        analysis to be performed.   It is unfortunate in that it may  not 
  1389.        be  the  best  image  which can be designed and  it  is  not  the 
  1390.        industry  standard.   The image was not designed for the  purpose 
  1391.        for which it is being used and the task of designing a better one 
  1392.        will  certainly involve changing the axes of the color coordinate 
  1393.        system.  Of the three axes of IHS, the axis of saturation has the 
  1394.        poorest resolution.  The chromaticity diagram compares saturation 
  1395.        and  hue,  and  it is obvious that hue is the better of  the  two 
  1396.        axes.
  1397.  
  1398.  
  1399.        The ACCS (Ambroziac Color Coordinate System)  
  1400.  
  1401.                The  maximum  color resolution  possible  for  saturation 
  1402.        depends  on the hue.   Blue is the best,  with 103.0 jpcd between 
  1403.        blue and white,  while yellow is the worst,  being only 26.7 jpcd 
  1404.        distant from white.   The greater the path length in color space, 
  1405.        the greater the perceptual resolution along the path.   Hue would 
  1406.        be  a better choice because resolutions are better  between  hues 
  1407.        and the length on the line is unbounded.
  1408.  
  1409.                The  shape of the IHS axis is difficult to discuss in the 
  1410.        context  of distance comparisons because it is 6-dimensional  and 
  1411.        the  distance  calculations in this 6-dimensional space  are  not 
  1412.        worth  the  effort  unless the intensity axis  of  IHS  is  being 
  1413.        considered  to display the vegetation index as a replacement  for 
  1414.        saturation axis used in false color IR.  Intensity is certainly a 
  1415.  
  1416.                                       24
  1417.  
  1418.  
  1419.        possibility for display of the index but the transformed image is 
  1420.        difficult to learn to use.  People are comfortable with intensity 
  1421.        showing scene brightness even if it is brightness of an invisible 
  1422.        part   of   the  spectrum.    Bright  colors  representing   high 
  1423.        reflectances requires no learning.
  1424.  
  1425.                In  the  conical coordinate system,  the false  color  IR 
  1426.        image color coordinate system is the plane containing red, white, 
  1427.        cyan,  and black.  Infrared reflectance is plotted along the line 
  1428.        black to red and visible is plotted from black to cyan.  The path 
  1429.        followed  in moving from red to cyan is not a geodesic  path  but 
  1430.        rather  it is the path specified by the color changes on the CRT.  
  1431.        These  paths  are  straight  lines in  Euclidean  space  and  the 
  1432.        distances along some of the key paths are given in table 1.   The 
  1433.        total color distance from red to cyan, the axis of the vegetation 
  1434.        index,  along  the path followed by the CRT is 78.2 jpcd (red  to 
  1435.        white) plus 49.7 jpcd (white to cyan) for a total for 127.9 jpcd.
  1436.  
  1437.                There are an infinite number of longer paths which  could 
  1438.        be  used to increase perceptual visual resolution,  but care must 
  1439.        be taken that the increase in resolution is not offset by a  loss 
  1440.        in some other attribute of the false color IR system.  One way to 
  1441.        increase  perceptual resolution is to choose 128 colors which are 
  1442.        as  far  apart  as  possible  and  order  them  to  maximize  the 
  1443.        differences  between  adjacent colors.   The gain  in  resolution 
  1444.        would  not  be  as great as the loss in information  due  to  the 
  1445.        removal  of false color IR's second attribute -- display  of  the 
  1446.        vegetation  index  on  an axis of the  minds  natural  coordinate 
  1447.        system.  If more red is more biomass, the mind can see increasing 
  1448.        biomass  under a wide variety of adverse conditions,   but if the 
  1449.        order of the colors is not natural to the mind,  it will lose all 
  1450.        analytical ability,  for if relative change is not displayed then 
  1451.        relative analysis is not possible.
  1452.  
  1453.                If hue is used in place of saturation, the possible color 
  1454.        length  of the vegetation index axis is increased from  127.9  to 
  1455.        450.3  jpcd,  which  is a 3.5 fold increase in  perceptual  color 
  1456.        resolution  over  red and cyan saturation changes,  and no  image 
  1457.        attributes  are  lost.   It is not practical to use  all  of  the 
  1458.        possible  hues in the new coordinate system,  nor does the system 
  1459.        need  to cover all possible combinations for visible and near  IR 
  1460.        sensor readings.
  1461.  
  1462.                One of the most difficult tasks for the scientist working 
  1463.        with color is to create a hue scale that looks reasonable.   Such 
  1464.        a scale has been calculated for 100 hues and 256 hues.  Since hue 
  1465.        scales   are   display  devices  and   viewer   dependant,   some 
  1466.        modification is almost always needed,  but a good starting  point 
  1467.        is nice to have.
  1468.  
  1469.                The  Ambroziak Color Coordinate System (ACCS) image color 
  1470.        coordinate system,  which was chosen for testing,  was one  which 
  1471.        replaces  the  positive vegetation indexes with changing hue  and 
  1472.        gives all negative index values a single hue which contrasts with 
  1473.        the  positive NVI hues.   The result is an image with (1) all  of 
  1474.  
  1475.                                       25
  1476.  
  1477.  
  1478.        the  positive  attributes of the false color IR  image,  (2)  3.5 
  1479.        times the perceptual resolution of false color IR,  and (3) which 
  1480.        uses  only  two  coordinate  axes  leaving  one  axis  free   for 
  1481.        additional information such as thermal IR data.
  1482.  
  1483.                The  new coordinate system used equally spaced hues  from 
  1484.        red  through green to blue to display the positive values on  the 
  1485.        NVI.   There  is no loss of information for analysis because  all 
  1486.        possible  values  of naturally occurring combinations of  visible 
  1487.        and  near  IR  reflectance are  assigned  a  unique  color.   The 
  1488.        negative  vegetation indexes are not as important as the positive 
  1489.        in  crop  status assessment and all combinations of  visible  and 
  1490.        near IR reflectance are not possible in the negative index region 
  1491.        of  the  reflectance  graph.    The  negative  index  values  are 
  1492.        basically  one dimensional in the visible and near IR portion  of 
  1493.        the spectrum.   Pure,  deep water is near the origin and moves in 
  1494.        an arc towards the zero NVI of whatever substance is beneath  the 
  1495.        water  or  suspended  in it as the depth decreases  or  turbidity 
  1496.        increases.    These  positions  are  identified  well  enough  by 
  1497.        intensity alone for crop assessment analysis.
  1498.  
  1499.                The region of the ACCS covered by water has at least  the 
  1500.        same  perceptual resolution as the false color IR image.   In the 
  1501.        false  color IR image,  the water is shown by blue  and/or  cyan.  
  1502.        Depending  on the satellite used to create the image deep,  clear 
  1503.        water  is either very dark blue (Landsat) or  cyan  (AVHRR).   In 
  1504.        both  cases,  the  color is black on most images and hue  has  no 
  1505.        meaning.   As the water becomes more shallow or more turbid,  the 
  1506.        intensity  increases  in false color IR and in the  ACCS  images, 
  1507.        both producing similar results.  The major difference in the ACCS 
  1508.        is  that the saturation does not decrease as it does in the false 
  1509.        color IR image.  The ACCS displays water as magenta in all cases.
  1510.  
  1511.                The use of hue instead of saturation does not violate the 
  1512.        use  of  the  minds' natural coordinate  system  to  display  the 
  1513.        normalized  vegetation index since hue is one of the axes of  the 
  1514.        IHS  system.   The use of hue for both the sign of the index  and 
  1515.        its  magnitude is quite valid because both the index and the  hue 
  1516.        are represented by angles.  The normalized vegetation index is an 
  1517.        angle  measured  at  the  origin.   Hue is an angle  in  the  hue 
  1518.        saturation plane of the IHS conical type coordinated system.  The 
  1519.        correspondence  is at least as natural as the use  of  saturation 
  1520.        from  index values of minus one to plus one.   The false color IR 
  1521.        image  coordinate system slices though the IGS coordinate  system 
  1522.        cone while the ACCS wraps around the outside.
  1523.  
  1524.                The  coordinate system makes a distinction  between  land 
  1525.        and  water which is greater than that made by the false color  IR 
  1526.        image.   The color of soil on the false color IR image is grey or 
  1527.        white  and  anything but black water is  unsaturated  cyan.   The 
  1528.        maximum  color  distance  from cyan to white  (assuming  cyan  of 
  1529.        saturation = 1) is 49.7 jpcd while the distance form all water on 
  1530.        the  ACCS to soil is the color distance from magenta to red which 
  1531.        is 59.2 jpcd (table 1).   The color distance along the  intensity 
  1532.        axis  is  the same in both coordinate systems.   The patterns  of 
  1533.  
  1534.                                       26
  1535.  
  1536.  
  1537.        land and water are,  therefore,  as visible or more visible  than 
  1538.        those patterns on false color IR.
  1539.  
  1540.                An annoying feature of the ACCS is that clouds are bright 
  1541.        red rather than a natural white as they appear on false color IR.  
  1542.        This  can  be  overcome by making the pixels  with  high  visible 
  1543.        reflection values white, because clouds are bright in the visible 
  1544.        and  nothing  else except bright sand is that bright.   A  better 
  1545.        solution is to use the thermal channel to detect clouds and  make 
  1546.        them  white.   Temperature  of  the  cloud can  be  displayed  by 
  1547.        saturation  changes  so that the saturation channel  is  used  to 
  1548.        display  temperature making the ACCS a true three channel display 
  1549.        with white clouds.
  1550.  
  1551.                Using this IHS color coordinate system,  it was  possible 
  1552.        to do analysis of African vegetation which could not be done with 
  1553.        false color IR images.  In training courses, repeated attempts by 
  1554.        students  to  use  the false color IR images always  resulted  in 
  1555.        failure  while  using the ACCS  was  usually  successful.   Color 
  1556.        vision  problems of some students prevented one color  coordinate 
  1557.        system  from  being universally better that the others,  but  the 
  1558.        best analysis was always done using the ACCS.
  1559.  
  1560.  
  1561.                                     SUMMARY
  1562.  
  1563.                Each  application  of  color to an  analysis  problem  is 
  1564.        unique and no single color system can be called the best.   Since 
  1565.        color is more psychological than physical,  some trial and  error 
  1566.        will  always  be a part of any color coordinate  design  process.  
  1567.        The  best  tool  to  have for this process is  one  which  is  as 
  1568.        versatile, as well as general and as controllable as possible and 
  1569.        make  sure you can change it,  because no system design will ever 
  1570.        let you do everything you will want to do.  To use these systems, 
  1571.        a  working knowledge of color theory is a must and the  more  you 
  1572.        use it, the easier it will become to use.
  1573.  
  1574.                I  believe  that  image processing  is  the  evolutionary 
  1575.        process  of putting any color of pixel anywhere you want to,  and 
  1576.        every time you do it,  you think of a better way to do it.  There 
  1577.        are  so  many variables that building a truly generic  system  is 
  1578.        impossible at best.
  1579.  
  1580.  
  1581.  
  1582.  
  1583.  
  1584.  
  1585.  
  1586.  
  1587.  
  1588.  
  1589.  
  1590.  
  1591.  
  1592.  
  1593.                                       27
  1594.        
  1595.