第二章人類視覺與色度學(xué)知識(shí)

第二章人類視覺與色度學(xué)知識(shí)

2.1

人眼的構(gòu)造1.人眼構(gòu)造和視覺現(xiàn)象圖2.1畫出了人眼的橫截面的簡單示意圖。眼睛是一個(gè)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(luò)膜和最內(nèi)層視網(wǎng)膜。圖2.1人眼截面示意圖中央凹a.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(jìn)入人眼內(nèi)之光通量?照相機(jī)光圈作用b.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(jī)透鏡作用c.人眼成象過程視細(xì)胞受到光刺激產(chǎn)生電脈沖－視神經(jīng)中樞－大腦成象錐狀細(xì)胞：主要分布在視網(wǎng)膜的中央凹，每個(gè)眼內(nèi)約有600萬～７00萬個(gè)錐狀細(xì)胞，每一個(gè)錐狀細(xì)胞連到一個(gè)神經(jīng)末梢，有較高分辨力，可以分辨光的強(qiáng)弱，對(duì)顏色很敏感。錐細(xì)胞視覺稱為明視覺。桿狀細(xì)胞:分布在整個(gè)視網(wǎng)膜表面上，約有7500萬～15000萬個(gè)，幾個(gè)柱細(xì)胞連到同一個(gè)神經(jīng)末梢，使得分辨率比較低；主要提供視野的整體視象，不感受顏色并對(duì)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2.22.光敏細(xì)胞2.2光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)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(lán)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(lán)、紫，只有單一波長成分的光成為單色光。含有兩種一上波長成分的光為復(fù)合光。

2.2.2相對(duì)視敏函數(shù)2.2.2相對(duì)視敏函數(shù)圖2.4相對(duì)視敏函數(shù)曲線2.2.3光學(xué)的術(shù)語和計(jì)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(qiáng)度：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，用符號(hào)表示。單位：坎德拉（cd)。亮度：用來描述物體表面發(fā)光的量度。用光源單位面積上在法線方向上的發(fā)光強(qiáng)度來表示，記為B，單位是：單位面積上的坎德拉，。是客觀亮度。2.3人眼的視覺特性2.3.1明暗和彩色視覺明視覺相對(duì)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(xì)胞起主導(dǎo)作用，對(duì)短波長的光敏感，視敏函數(shù)左移。人眼對(duì)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(duì)550nm左右的黃綠光最敏感；在光照微弱（暗視覺）條件下，則對(duì)510nm左右的藍(lán)綠光最敏感。圖2.5相對(duì)視敏函數(shù)曲線相對(duì)視敏度

彩色視覺是一種明視覺

，可以用亮度，色調(diào)和飽和度三個(gè)量來描述。

亮度是對(duì)彩色光所引起人眼對(duì)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(duì)一個(gè)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(dāng)一種顏色滲入其他光成分愈多時(shí)，就說顏色愈不飽和。完全飽和的顏色是指沒有滲入白光所呈現(xiàn)的顏色。

相對(duì)視敏度2.6三種錐狀細(xì)胞的相對(duì)視敏函數(shù)曲線上面的顏色響應(yīng)曲線表明，人類眼睛對(duì)藍(lán)光的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)紅光和綠光的靈敏度。亮度響應(yīng)曲線表明人眼對(duì)波長為550nm左右的黃綠色最為敏感。視覺三色假說：錐狀細(xì)胞有三種，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)三色光敏感。

國際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定以700nm(紅)、546.1nm(綠)、435.8nm(藍(lán))三個(gè)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。

2.3.2視覺范圍和分辨力

實(shí)驗(yàn)可以證明，主觀感覺亮度與進(jìn)入眼內(nèi)的外界刺激光強(qiáng)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(qiáng)的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。圖2.7中曲線的下部表明了白晝視覺和暗視覺的不同。圖2.7主觀亮度感覺和亮度關(guān)系亮度感覺圖2.8人眼分辨力的計(jì)算

研究表明人眼的分辨力有如下一些特點(diǎn)：①當(dāng)照度太強(qiáng)、太弱時(shí)或當(dāng)背景亮度太強(qiáng)時(shí)，人眼分辨力降低。②當(dāng)視覺目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度加快時(shí)，人眼分辨力降低。③人眼對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨力比對(duì)亮度細(xì)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(lán)為0.19。

2.3.3

視覺適應(yīng)性1

人眼適應(yīng)性（1）暗適應(yīng)：亮→暗：慢（10～30秒左右）（2）亮適應(yīng)：暗→亮：快（1～2秒左右）2

同時(shí)對(duì)比效應(yīng)由于人眼對(duì)亮度有很強(qiáng)的適應(yīng)性，因此很難精確判斷刺激的絕對(duì)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(shí)對(duì)比的刺激，圖中小方塊實(shí)際上有著相同的物理亮度，但因?yàn)榕c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(yīng)就叫同時(shí)對(duì)比效應(yīng)。圖2.9同時(shí)對(duì)比效應(yīng)3Mach帶效應(yīng)人們?cè)谟^察一條由均勻黑和均勻白的區(qū)域形成的邊界時(shí)，可能會(huì)認(rèn)為人的主觀感受是與任一點(diǎn)的亮度有關(guān)。但實(shí)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帶視覺性質(zhì)其他特性2.4三基色原理

三基色原理

大多數(shù)的顏色可以通過紅、綠、藍(lán)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(lán)三種色光。這是色度學(xué)的最基本原理，即三基色原理。三種基色是相互獨(dú)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(duì)紅、綠、藍(lán)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(lán)作為三基色。

紅綠藍(lán)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(lán)色=青色

紅色+藍(lán)色=品紅

紅色+綠色+藍(lán)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。

紅色+青色=白色

綠色+品紅=白色

藍(lán)色+黃色=白色

所以青色、黃色、品紅分別又是紅色、藍(lán)色、綠色的補(bǔ)色。

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

相加混色不僅運(yùn)用三基色原理，還進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)投射到彼此距離很近的點(diǎn)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(biāo)相同的三基色光的同時(shí)投射產(chǎn)生合成光，這是同時(shí)制彩色電視圖象和計(jì)算機(jī)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(gè)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(lán)色而反射黃色，品紅顏料吸收綠色而反射品紅。也就是：

白色-紅色=青色

白色-綠色=品紅

白色-藍(lán)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(lán)色，而反射了綠色，對(duì)于顏料的混合我們表示如下：

顏料(黃色+青色)=白色-紅色-藍(lán)色=綠色

顏料(品紅+青色)=白色-紅色-綠色=藍(lán)色

顏料(黃色+品紅)=白色-綠色-藍(lán)色=紅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(yīng)用。在顏料三基色中，紅綠藍(lán)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(lán)色-綠色=黑色

圖2.12相減混色的三基色

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(yùn)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(chǔ)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。例如，顯示器采用RGB模式，就是因?yàn)轱@示器是電子光束轟擊熒光屏上的熒光材料發(fā)出亮光從而產(chǎn)生顏色。當(dāng)沒有光的時(shí)候?yàn)楹谏饩€加到最大時(shí)為白色。而打印機(jī)呢？它的油墨不會(huì)自己發(fā)出光線。因而只有采用吸收特定光波而反射其它光的顏色，所以需要用減色法來解決。色度圖圓錐體模型2.5

圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法

圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究是圖像信息學(xué)科的基礎(chǔ)研究之一。對(duì)于圖像處理系統(tǒng)，其信息的主體是圖像，衡量這個(gè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，就是圖像的質(zhì)量。圖像質(zhì)量的含義包括兩方面：一個(gè)是圖像的逼真度。即被評(píng)價(jià)圖像與原標(biāo)準(zhǔn)圖像的偏離程度；另一個(gè)是圖像的可懂度，是指圖像能向人或機(jī)器提供信息的能力。2.4

圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法1.

圖像的主觀評(píng)價(jià)圖像的主觀評(píng)價(jià)就是通過人來觀察圖像，對(duì)圖像的優(yōu)劣作主觀評(píng)定，然后對(duì)評(píng)分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，就得出評(píng)價(jià)的結(jié)果。2.

圖像的客觀評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)由于著眼點(diǎn)不同而有多種方法，經(jīng)常使用的是逼真度測量。對(duì)于彩色圖像逼真度的定量表示是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。目前應(yīng)用得較多的是對(duì)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(píng)價(jià)方法以外，由于應(yīng)用場合的不同，還有其它一些評(píng)價(jià)方法。例如，ISO在制定MPEG