2-第二章人類視覺與色度學知識

第二章人類視覺與色度學知識

哈爾濱工程大學信息與通信工程學院2.1

人眼的構(gòu)造1.人眼構(gòu)造和視覺現(xiàn)象眼睛是一個平均直徑約為20mm左右的球狀器官，它由三層薄膜包著，最外層角膜和鞏膜外殼、中間層虹膜和脈絡膜和最內(nèi)層視網(wǎng)膜。圖2.1人眼截面示意圖中央凹（1）瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中間的圓孔稱為瞳孔，其直徑可調(diào)節(jié)，從而控制進入人眼內(nèi)之光通量?照相機光圈作用（2）晶狀體：瞳孔后是一扁球形彈性透明體，其曲率可調(diào)節(jié)，以改變焦距，使不同距離的圖在視網(wǎng)膜上成象?照相機透鏡作用（3）視細胞：視網(wǎng)膜上集中了大量視細胞，分為兩類：錐狀細胞：主要分布在視網(wǎng)膜的中央凹，每個眼內(nèi)約有6,00萬～７,00萬個錐狀細胞，每一個錐狀細胞連到一個神經(jīng)末梢，有較高分辨力，可以分辨光的強弱，對顏色很敏感。錐細胞視覺稱為明視覺。桿狀細胞:分布在整個視網(wǎng)膜表面上，約有75,00萬～150,00萬個，幾個柱細胞連到同一個神經(jīng)末梢，使得分辨力比較低；主要提供視野的整體視象，不感受顏色并對低照度較敏感，形成具有高靈敏度的無色覺功能的暗視覺。圖2.2錐狀細胞和桿狀細胞（4）人眼成象過程：人眼成象過程視細胞受到光刺激產(chǎn)生電脈沖－視神經(jīng)中樞－大腦成象2.2光度學的基礎(chǔ)知識2.2.1電磁輻射和可見光譜

380nm700nm紫外光紅外光546.1nm435.8nm780nm圖2.3電磁波輻射波譜紫藍青綠黃橙紅

光波是一種具有一定頻率范圍的電磁波，人們能用眼睛感受到的波長在380～780nm的范圍內(nèi)。波長不同，感受到的顏色就不同。隨著波長的縮短，可見光依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，只有單一波長成分的光成為單色光。含有兩種以上波長成分的光為復合光。

2.2.2相對視敏函數(shù)人眼對波長為380~780nm內(nèi)不同波長的光具有不同的敏感程度，稱為人眼的視敏特性，描述人眼視敏特性的物理量為視敏函數(shù)和相對視敏函數(shù)。1）視敏函數(shù)在相同亮度感覺的條件下，不同波長光輻射功率的倒數(shù)用來衡量人眼對各波長光明亮感覺的敏感程度。稱：為視敏函數(shù)。2.2.2相對視敏函數(shù)圖2.4相對視敏函數(shù)曲線2）相對視敏函數(shù)實驗表明，人眼對波長為555nm的光最敏感，因此把任意波長的光的視敏函數(shù)值與最大視敏函數(shù)值相比的比值稱為相對視敏函數(shù)，記為：2.2.3光學的術(shù)語和計量單位光通量：每秒鐘內(nèi)光流量的度量。單位：流明（lm）。發(fā)光強度：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，用符號表示。單位：坎德拉（cd)。亮度：用來描述物體表面發(fā)光的量度，光源單位面積上在法線方向上的發(fā)光強度來表示，記為B，單位是：單位面積上的坎德拉，。是客觀亮度。照度：受照面上某點的照度是通過包含該點單位面積的光通量。2.3人眼的視覺特性2.3.1明暗和彩色視覺明視覺相對視敏函數(shù)，白天正常光照條件下獲得的，在夜晚或微弱光線下，桿狀細胞起主導作用，對短波長的光敏感，視敏函數(shù)左移。圖2.5相對視敏函數(shù)曲線相對視敏度人眼對光感覺的亮暗程度的不只和光的輻射通量有關(guān)，還和光的波長有關(guān)。在光線充足（明視覺）的條件下，人眼對550nm左右的黃綠光最敏感；在光照微弱（暗視覺）條件下，則對510nm左右的藍綠光最敏感。

彩色視覺是一種明視覺

，可以用亮度，色調(diào)和飽和度三個量來描述。

亮度是對彩色光所引起的人眼對明亮程度的感覺。色調(diào)指光的顏色，用于區(qū)別顏色的名稱或顏色的種類，是視覺系統(tǒng)對一個區(qū)域呈現(xiàn)的顏色的感覺，取決于可見光譜中的光波的頻率。

飽和度是指顏色的純潔性，它可用來區(qū)別顏色明暗的程度。當一種顏色摻入其他光成分愈多時，就說顏色愈不飽和。完全飽和的顏色是指沒有摻入白光所呈現(xiàn)的顏色。

是指一個顏色的鮮明程度，飽和度越高，顏色越深，如深紅，深綠．在物體反射光的組成中，白光越少,其色飽和度越大．由反射光線中占優(yōu)勢的波長來決定的，不同波長產(chǎn)生不同顏色感覺，如紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等．大小由物體反射系數(shù)來決定，反射系數(shù)越大，物體的亮度愈大，反之愈小.相對視敏度2.6三種錐狀細胞的相對視敏函數(shù)曲線三條曲線疊加便是明視覺視敏曲線三種曲線是交叉的，說明某一波長可能引起兩到三種錐狀細胞的響應；曲線表明，人類眼睛對藍光的靈敏度遠遠低于對紅光和綠光的靈敏度。波長為550nm左右的黃綠色最為敏感。視覺三色假說：錐狀細胞有三種，分別對紅，綠、藍三色光敏感。

國際照明委員會（CIE）規(guī)定以700nm(紅)、546.1nm(綠)、435.8nm(藍)三個色光為三基色。又稱為物理三基色。自然界的所有顏色都可以通過選用這三基色按不同比例混合而成。一.人眼亮度感覺的特性(描述人眼對光亮差別的感覺特性)

1.亮度：指光源或反射面的明亮程度，亮度的單位(坎德拉/平方米)。2.亮度視覺的范圍：人眼總的感光范圍極其寬廣，明視覺的亮度感覺范圍為到量級，而暗視覺的感覺范圍為千分之幾到幾個，但人眼并不能同時感覺到亮度范圍的全體。2.3.2視覺范圍和分辨力3.光亮感覺的特點：

1)人眼的主管亮度感覺與周圍環(huán)境亮度有關(guān)，即適應某平均亮度后，感覺的最大亮度和最小亮度之比基本相同。

2)主觀亮度感覺是心理量而不是物理量，故其單位是以實驗得出的變化級數(shù)（S）來表征的。

3)主觀亮度感覺S與亮度值B的對數(shù)比例關(guān)系：

其中和是常數(shù)。實驗表明，在不同的亮度值下，人眼能覺察的最小亮度變化并非定值。大，也大，小，也小，但是大致相同。將可察覺的最小相對變化稱為對比度靈敏度閾，用標記：其值通常在0.005~0.05之間。

實驗可以證明，主觀感覺亮度與進入眼內(nèi)的外界刺激光強并非成線性關(guān)系。圖2.7表明，在很大范圍內(nèi)，主觀亮度與光強的對數(shù)成線性關(guān)系。圖2.7主觀亮度感覺和亮度關(guān)系對比度C定義為：C＝Bmax／Bmin。Bmax和Bmin是重現(xiàn)圖象或景物時的最大和最小亮度。只要保持該C常數(shù)，就可實現(xiàn)人眼亮度分辨的重現(xiàn)。人眼的亮度感覺并非決定于絕對亮度變化，而是決定于相對亮度變化。若一幅原圖像經(jīng)過處理，恢復后得到重現(xiàn)圖像，重現(xiàn)圖像的亮度不必等于原圖像的亮度，只要保證二者的對比度及亮度層次（灰度級）相同，就能給人以真實的感覺。1.分辨角和分辨力人眼的分辨角：指剛能看出兩黑點時，兩黑點對人眼的張角。在量值上，分辨角用表示，有分辨角計算原理圖可知：因為實際的很小，因此上式中（弧度）＝3438（分），大致和可分辨的緊鄰的兩點間距成正比。和觀看距離成反比。正常視力的人，在中等亮度和對比度下，約為。二、人眼的分辨力圖2.8人眼分辨力的計算

人眼分辨圖像細節(jié)的能力稱為分辨力，可用分辨角來衡量，分辨角的倒數(shù)1/θ為分辨力。它反映了人眼的視力。研究表明人眼的分辨力有如下一些特點：①當照度太強、太弱時或當背景亮度太強時，人眼分辨力降低。②當視覺目標運動速度加快時，人眼分辨力降低。③人眼對彩色細節(jié)的分辨力比對亮度細節(jié)的分辨力要差，如果黑白分辨力為1，則黑紅為0.4，綠藍為0.19。

2.3.3

視覺適應性1.人眼適應性（1）暗適應：亮→暗：慢（10～30秒左右）（2）亮適應：暗→亮：快（1～2秒左右）2.同時對比效應

由于人眼對亮度有很強的適應性，因此很難精確判斷刺激的絕對亮度。即使有相同亮度的刺激，由于其背景亮度不同，人眼所感受的主觀亮度是不一樣的。圖2.9可用來證明同時對比的刺激，圖中小方塊實際上有著相同的物理亮度，但因為與它們的背景亮度不同，故它們的主觀亮度顯得大不一樣。這種效應就叫同時對比效應。圖2.9同時對比效應3.Mach帶人們在觀察一條由均勻黑和均勻白的區(qū)域形成的邊界時，可能會認為人的主觀感受是與任一點的亮度有關(guān)。但實際情況并不是這樣，人感覺到的是在亮度變化部位附近的暗區(qū)和亮區(qū)中分別存在一條更黑和更亮的條帶，這就是所謂的“Mach帶”，如圖2.10所示。圖2.10Mach帶2.4三基色原理

大多數(shù)的顏色可以通過紅、綠、藍三色按照不同的比例合成產(chǎn)生。同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅綠藍三種色光。這是色度學的最基本原理，即三基色原理。三種基色是相互獨立的，任何一種基色都不能有其它兩種顏色合成。由于人眼對紅、綠、藍三種色光最為敏感，，這三種顏色合成的顏色范圍最為廣泛，所以一般選擇紅綠藍作為三基色。

紅綠藍三基色按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色。圖2.11相加混色的三基色

紅色+綠色=黃色

綠色+藍色=青色

紅色+藍色=品紅

紅色+綠色+藍色=白色

黃色、青色、品紅都是由兩種顏色相混合而成，所以它們又稱相加二次色。另外：

紅色+青色=白色

綠色+品紅=白色

藍色+黃色=白色

所以青色、黃色、品紅分別又是紅色、藍色、綠色的補色。

由于每個人的眼睛對于相同的單色的感受有不同，所以，如果我們用相同強度的三基色混合時，假設(shè)得到白光的強度為100%，這時候人的主觀感受是，綠光最亮，紅光次之，藍光最弱。

相加混色不僅運用三基色原理，還進一步利用人眼的視覺特性，產(chǎn)生較相減混色更寬的彩色范圍。常用的相加混色方法有以下三種：

時間混色法：將三基色按一定比例輪流投射到同一屏幕上，由于人眼的視覺惰性，只要交替速度足夠快，產(chǎn)生的彩色視覺與三基色直接相混時一樣。這是順序制彩色電視圖象顯示的基礎(chǔ)。

空間混色法：將三基色同時投射到彼此距離很近的點上，利用人眼分辨力有限的特性而產(chǎn)生混色，或者使用空間坐標相同的三基色光的同時投射產(chǎn)生合成光，這是同時制彩色電視圖象和計算機圖象的顯示基礎(chǔ)。

生理混色法：利用兩只眼睛分別觀看兩個不同顏色的同一景象，也能獲得混色效果。

除了相加混色法之外還有相減混色法。在白光照射下，青色顏料能吸收紅色而反射青色，黃色顏料吸收藍色而反射黃色，品紅顏料吸收綠色而反射品紅。

白色-紅色=青色

白色-綠色=品紅

白色-藍色=黃色

另外，如果把青色和黃色兩種顏料混合，在白光照射下，由于顏料吸收了紅色和藍色，而反射了綠色，對于顏料的混合，表示如下：

顏料(黃色+青色)=白色-紅色-藍色=綠色

顏料(品紅+青色)=白色-紅色-綠色=藍色

顏料(黃色+品紅)=白色-綠色-藍色=紅色圖2.12相減混色的三基色

以上的都是相減混色,相減混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的顏色的。所以有把青色、品紅、黃色稱為顏料三基色。顏料三基色的混色在繪畫、印刷中得到廣泛應用。在顏料三基色中，紅綠藍三色被稱為相減二次色或顏料二次色。在相減二次色中有：

(青色+黃色+品紅)=白色-紅色-藍色-綠色=黑色

用以上的相加混色三基色所表示的顏色模式稱為RGB模式,而用相減混色三基色原理所表示的顏色模式稱為CMYK模式,它們廣泛運用于繪畫和印刷領(lǐng)域。

RGB模式是繪圖軟件最常用的一種顏色模式，在這種模式下，處理圖像比較方便，而且，RGB存儲的圖像要比CMYK圖像要小，可以節(jié)省內(nèi)存和空間。

CMYK模式是一種顏料模式,所以它屬于印刷模式,但本質(zhì)上與RGB模式?jīng)]有區(qū)別,只是產(chǎn)生顏色的方式不同。RGB為相加混色模式，CMYK為相減混色模式。

2.5

圖像質(zhì)量的評價方法

圖像質(zhì)量評價的研究是圖像信息學科的基礎(chǔ)研究之一。對于圖像處理系統(tǒng)，其信息的主體是圖像，衡量這個系統(tǒng)的重要指標，就是圖像的質(zhì)量。圖像質(zhì)量的含義包括兩方面：一個是圖像的逼真度。即被評價圖像與原標準圖像的偏離程度；另一個是圖像的可懂度，是指圖像能向人或機器提供信息的能力。1.

圖像的主觀評價圖像的主觀評價就是通過人來觀察圖像，對圖像的優(yōu)劣作主觀評定，然后對評分進行統(tǒng)計平均，就得出評價的結(jié)果。2.

圖像的客觀評價圖像質(zhì)量的客觀評價由于著眼點不同而有多種方法，經(jīng)常使用的是逼真度測量。對于彩色圖像逼真度的定量表示是一個十分復雜的問題。目前應用得較多的是對黑白圖像逼真度的定量表示。3.其它方法除了前面介紹的兩種基本的圖像評價方法以外，由于應用場合的不同，還有其它一些評價方法。例如，ISO在制定MPEG4標準時提出采用兩種方式來進行視頻圖像質(zhì)量的評價，一種被稱作基于感覺的質(zhì)量評價，另一種稱為基于任務的質(zhì)量評價。根據(jù)具體的應用情況，可以選擇其中一種或兩種方式。(1)基于感覺的質(zhì)量評價其基本方法相當于前面的主觀質(zhì)量的評價，但同時考慮到聲音、圖像的聯(lián)合感覺效果也可能影響圖像的質(zhì)量。(2)基于任務的質(zhì)量評價通過使用者對一些典型的應用任務的執(zhí)行情況來判別圖像的適宜。2.6圖像文件格式

數(shù)字圖像有多種存儲格式，每種格式一般由不同的開發(fā)商支持。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和圖像應用領(lǐng)域的不斷拓寬，還會出現(xiàn)新的圖像格式。因此，要進行圖像處理，必須了解圖像文件的格式，即圖像文件的數(shù)據(jù)構(gòu)成。每一種圖像文件均有一個文件頭，在文件頭之后才是圖像數(shù)據(jù)。文件頭的內(nèi)容由制作該圖像文件的公司決定，一般包括文件類型、文件制作者、制作時間、版本號、文件大小等內(nèi)容。各種圖像文件的制作還涉及到圖像文件的壓縮方式和存儲效率等。下面介紹幾種常見的圖像文件格式。圖像格式：存儲圖像采用的文件格式。BMP文件包括表頭、調(diào)色板和圖像數(shù)據(jù)GIF文件TIFF文件PCX文件JPG格式第一部分為位圖文件頭BITMAPFILEHEADER，它是一個結(jié)構(gòu)體，第二部分為位圖信息頭BITMAPINFOHEADER，也是一個結(jié)構(gòu)，第三部分為調(diào)色板(Palette)，當然，這里是對那些需要調(diào)色板的位圖文件而言的。真彩色圖像是不需要調(diào)色板的，BITMAPINFOHEADER后直接是位圖數(shù)據(jù)。第四部分就是實際的圖像數(shù)據(jù)。對于用到調(diào)色板的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調(diào)色板中的索引值，對于真彩色圖像，圖像數(shù)據(jù)就是實際的R、G、B值。

2.7數(shù)字圖像類型