第二章人類視覺與色度學(xué)

第二章人類視覺與色度學(xué)第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)光學(xué)度的基本知識

一、電磁輻射和可見光

電磁波的波長范圍非常廣泛，根據(jù)電磁波的性質(zhì)和應(yīng)用范圍，人們將其劃分為宇宙射線、γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外、微波、無線電波等不同波段。第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

電磁波輻射波譜第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

太陽輻射功率波譜煤粉燃燒輻射功率波譜第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、相對視敏函數(shù)在輻射功率相同的情況下，不同波長的光不僅給人不同的色彩感覺，而且也給人不同的亮度感覺。在獲得相同的亮度感覺前提下，測出各種波長的輻射功率為P(λ)，其倒數(shù)(2-1)

便稱波長λ的光的視敏度。視敏度說明人眼對這種波長的光的靈敏度。它小說明人眼對該種波長的光不夠敏感。人眼對555nm的光有最大的敏感度，即第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

于是相對視敏函數(shù)為(2-2)其曲線如圖所示。相對視敏函數(shù)曲線第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、光通量

可見光是電磁波，因此有兩種描述可見光方法：一種是輻射量方法，一種光學(xué)量衡量可見光對人的視覺刺激程度的量為光通量，其定義為（2－3）光通量的單位是流明（lm）。1W輻射功率的555nm波長的單色光所產(chǎn)生的光通量為680lm。于是光瓦和流明的關(guān)系為1W=680lm第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

四、發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度為光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，簡稱光強(qiáng)，用I表示，它和光通量的關(guān)系為

單位為坎德拉（cd）。若光源是各向同性的，發(fā)光強(qiáng)度為I的點(diǎn)光源，它向全空間發(fā)射的光通量為

光通量的單位流明（lm）等于坎德拉·球面度。(2-4)(2-5)第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

五、亮度

亮度是用來描述發(fā)光表面的明亮程度的，它定義為光源單位面積在法線方向的發(fā)光強(qiáng)度，稱為光源亮度。而客觀亮度B是觀察者所看到的亮度，其定義為

亮度的單位為每平方米坎德拉

(2-6)第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖α為觀察方向與面元ds法線的夾角，I為發(fā)光強(qiáng)度。顯然客觀亮度與觀察者觀察角度有關(guān)?？陀^亮度（以后簡稱亮度）是圖像處理中最常用的物理量之一。

第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月六、照度

受照面上某點(diǎn)的照度E是通過包含該點(diǎn)單位面積的光通量，即

(2-7)其單位是勒克司（lx）。1勒克司是1平方米表面上照射1流明的光通量。照度是光源對物體輻射的一種度量。在自然光照射下，各環(huán)境中的照度列于表2－1中。第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)人眼的視覺特性

一、明暗和彩色視覺

由于光照條件不同，人眼的錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞在視覺過程中起的作用不同，于是就有了人眼的明、暗視覺視敏函數(shù)曲線之分。

第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

人眼相對視敏函數(shù)曲線彩色視覺是一種明視覺，描述彩色的方法很多，一種是用亮度、色調(diào)和飽和度三個量來描述，稱為彩色三要素。第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

不同波長的光會引起人眼的不同顏色感覺，但同一種顏色可以用不同的光譜成份加以合成。第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

視覺三色假說假設(shè)人的視網(wǎng)膜上存在3種不同的錐狀細(xì)胞，分別對紅、綠、藍(lán)三色光十分敏感，它們的相對視敏函數(shù)曲線如圖所示，這三條曲線疊加便是圖中的明視覺視敏函數(shù)曲線。當(dāng)一種色光進(jìn)入眼睛之中，它同時不同程度地激發(fā)這3種錐狀細(xì)胞，它們總的刺激結(jié)果產(chǎn)生了對該可見光色彩的感覺第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

設(shè)外界色光的功率波譜為P(λ),則對于三種色敏錐狀細(xì)胞來說，其光通量分別為

(2-8)(2-9)

(2-10)

大腦根據(jù)FR、FG、FB三色的比例獲得總的色度感覺，而三者合成的總光通量決定了總的亮度感覺。第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、視覺范圍和分辨力

視覺范圍:指人眼所能感覺的亮度范圍。人眼的明暗感覺是相對的，但由于人眼能適應(yīng)的平均亮度范圍很寬（100：1），所以總的亮度適應(yīng)范圍才很寬。第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

人眼的分辨力是指人眼在一定距離上能區(qū)分相近兩點(diǎn)的能力，可以用能區(qū)分的最小視角θ之倒數(shù)來描述(2-11)

d表示能區(qū)分的兩點(diǎn)間的最小距離，L為眼睛和該兩點(diǎn)連線的垂直距離。第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

人眼的分辨力還和被觀察對象的相對對比度Cr有關(guān),如果用B和Bo分別表示對象和背景的亮度，則相對對比度Cr定義為(2-12)

當(dāng)Cr小時，表明對象和背景的亮度很接近，此時，分辨力下降。此外，運(yùn)動速度也會影響分辨力，速度大，則分辨力下降。第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

人眼對灰度圖像灰度分別率一般為32級，圖為不同灰度等級下的圖像。不同灰度等級下的圖像第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

人眼對彩色的分辨能力要比對黑白的分辨能力低。就是對于不同彩色，人眼的分辨能力也不相同。表給出了當(dāng)把對黑白細(xì)節(jié)的分辨能力定為100見時，人眼對其他彩色的分辨力。第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三、視覺適應(yīng)性

暗適應(yīng)性：當(dāng)我們從明亮處走進(jìn)黑屋時，眼前會感到一片漆黑，但過一會后，視覺便會逐漸恢復(fù)，人眼這種適應(yīng)暗環(huán)境的能力稱為暗適應(yīng)性。和暗適應(yīng)性相比，亮適應(yīng)性過程要快得多，通常只需幾秒鐘。

色調(diào)對比效應(yīng)：在不同彩色背景中觀察同一彩色，會感到彩色色調(diào)不同。

第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月四、亮度感覺

實(shí)際上人眼感覺到的主觀感覺亮度S與實(shí)際亮度B之間的關(guān)系不是線性關(guān)系，而是一個對數(shù)線性關(guān)系，其為

式中K、K0均為常數(shù)。這一規(guī)律為韋伯－費(fèi)赫涅爾（Weber-Fechner）定律。(2-13)第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2－10主觀感覺亮度和亮度的關(guān)系主觀感覺亮度和亮度的關(guān)系第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

重現(xiàn)的影像的亮度無需等于實(shí)際影像的亮度，而只需保持兩者的最大亮度Bmax和最小亮度Bmin之比C不變就可以,比值

（2－14）稱為對比度。人眼不能辨別的亮度差別，在重現(xiàn)時也沒有必要復(fù)制出來。第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月五、視覺惰性

由于人眼對于亮度的突變并不是馬上就適應(yīng)的，而是需要一定的適應(yīng)程時間，人眼這種對亮度改變所呈現(xiàn)出的滯后響應(yīng)特性稱為視覺惰性。

第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

馬赫帶效應(yīng):人眼對圖像邊緣特別敏感，圖為5個不同灰度的條帶，每個條帶內(nèi)的亮度是一常數(shù)，我們可以感到有強(qiáng)烈邊緣效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為馬赫帶效應(yīng)。馬赫帶效應(yīng)示意圖第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月六、視覺感知模型

低通－對數(shù)－高通模型是根據(jù)人眼對外界光刺激的感知過程建立起來的模型。第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)色度學(xué)基礎(chǔ)

一、三基色原理與RGB模型第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

人們發(fā)現(xiàn)：自然界常見的各種色光都可以由紅、綠、藍(lán)三種光按不同比例相配而成，同樣，絕大多數(shù)色光也可以分解成紅、綠、藍(lán)三種色光，這是便是色度學(xué)中的三基色原理。為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，國際照明委員會（CIE）1931年規(guī)定：分別取水銀光譜中波長為700nm、546.1nm和435.8nm的紅、綠、藍(lán)光為作為標(biāo)準(zhǔn)的紅(R，Red)、綠(G,Green)、藍(lán)(B,Blue)基色光。第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

將三基色按不同比例進(jìn)行相加混色的方法稱為相加混色。由紅、綠、藍(lán)三基色進(jìn)行相加混色的情況如圖示。圖相加混色第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

國際上規(guī)定波長為700nm，光通量為1W的紅光作為一個紅基色單位，用[R]表示。波長為546.1nm，光通量為4.5907W的綠光作為一個綠基色單位，用[G]表示。波長為435.8nm，光通量為0.0601W的藍(lán)光作為一個藍(lán)基色單位，用[B]表示。則任何色光的配色方程式為

其中r1、g1、b1為三基色的單位數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)白色光配色方程式為

即標(biāo)準(zhǔn)白色光是由1份紅光，1份綠光，1份藍(lán)光組成。（2－15）第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

色彩的亮度與r1、g1、b1有關(guān)，亮度Y與r1、g1、b1的關(guān)系為（在PAL制電視信號中）

色彩的種類與各基色的比例有關(guān)，常用（r1，g1，b1）三個分量表示。也可用相對比例來表示，設(shè)m=r1+g1+b1,則r=r1/m,g=g1/m，b=b1/m。r，g，b代表三基色分量的比例，稱RGB制的色度坐標(biāo)，或相對系數(shù)，m為各分量的代數(shù)之和，稱為色模。因此，配色方程式又可如下的色彩公式

（2－16）（2－17）第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

為此，就有了相對系數(shù)與具體色彩關(guān)系的色彩圖表，即色度圖。它的用圖途：在圖上指定一種色彩，即可查出相應(yīng)的r，g，b三個分量。直角三角型色度系統(tǒng)第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

1931年國際照明委員會規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)CIE色度圖，色度圖中的三種基色單位為[X]、[Y]、[Z],色彩公式為（2－18）其中[X]、[Y]、[Z]不是真正的紅、綠、藍(lán)三基色，而是一種人為設(shè)定的三基色單位，它們與[R]、[G]、[B]的關(guān)系

（2－19）第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

色彩公式又可寫為

其中m=x1+y1+z1稱為色模數(shù)，x=x1/m,y=y1/m，z=z1/m,x+y+z=1。如圖示標(biāo)準(zhǔn)CIE色度圖的坐標(biāo)即為x，y。（2－20）第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

彩色光的合成也可以依據(jù)人眼的視覺特性利用如下方法實(shí)現(xiàn)：（1）空間混色法（2）時間混色法（3）生理混色法第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

各種相加混色法適用于發(fā)光物體，對于一個不發(fā)光的無源物體來說，物體的顏色由該物體吸收或反射哪些光波決定，因此表示物體顏色的方法是相減混色法。第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

相加混色和相減混色的關(guān)系，如表所示。第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、其它顏色模型

（一）HSI模型

在HSI模型中，用色調(diào)H(hue)又稱色相來描述色彩類型。在HSI模型中，用飽和度S(saturation)來顏色的鮮明程度。在HSI模型中，用亮度I(intensity,對應(yīng)成像亮度)又稱明暗度，來描述顏色的相對明暗程度。第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

HSI模型的兩個特點(diǎn)：

（1）I分量與圖像的色彩信息無關(guān)（2）H與I分量與人感受顏色的方式是緊密相聯(lián)的第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖為色相環(huán)，其中色調(diào)由角度來表示，它反映了該彩色最接近什么樣的光譜波長。色相環(huán)第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

HSI模型的三個屬性定義了一個三維柱形空間。第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）YIQ、YUV和YCrCb模型

為了利用人的視覺特性以降低數(shù)據(jù)量，通常把RGB空間表示的彩色圖像變換到其他彩色空間。目前采用的彩色空間變換有三種：YIQ，YUV和YCrCb。每一種彩色空間都用一種亮度分量信號和兩種色度分量信號，而每一種變換使用的參數(shù)都是為了適應(yīng)某種類型的顯示設(shè)備。第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

在彩色電視制式中，使用YUV和YIQ模型來表示彩色圖像。在PAL彩色電視制式中使用YUV模型，Y表示亮度，U，V用來表示色差，U，V是構(gòu)成彩色的兩個分量；即

（2－21）

在NTSC彩色電視制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I，Q是兩個彩色分量。第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

YUV表示