第2章 视觉特性和颜色基础+彩色图像处理

第2章视觉特性和颜色基础2•视觉感知•视觉特性•颜色基本概念•常用表色系主要内容32.1视觉感知•视觉感知是视觉的内在表象。•视觉感知包括两个不同的感知层次：–视觉的低级感知层次–视觉的高级感知层次4人眼构造锥体细胞：明视觉杆体细胞：暗视觉，运动（一）视觉低级感知层次5•视觉系统从外界获取图像，就是在眼睛视网膜上获得周围世界的光学成像，然后由视觉接收器（杆状体和锥状体在视网膜上作为视觉接收器），将光图像信息转化为视网膜的神经活动电信息，最后通过视神经纤维，把这些图像信息传送入大脑,由大脑获得图像感知。6•视网膜上有杆状体和锥状体两类视觉接收器；–视杆体(Rods)：细长而薄，数量上约1.2亿，它们提供暗视(ScotopicVision),即在低几个数量级亮度时的视觉响应，其光灵敏度高。–视锥体(Cons)：结构上短而粗，数量少,约600万到700万，光灵敏度较低，它们提供明视(PhotopicVision)，其响应光亮度范围比视杆体要高5～6个数量级。在中间亮度范围是两种视觉细胞同时起作用。视锥体集中分布在视网膜中心。7•光图像激活视杆体或视锥体时，发生光电化学反应，同时产生视神经脉冲，视觉系统散布视神经中有80万神经纤维，视觉系统传播视神经脉冲。许许多多的视杆体和视锥体相互连接到神经纤维上。•视觉系统的可视波长范围为=380nm～780nm;•视觉系统的可响应的亮度范围是:1～10个量级的幅度范围。•生理学已证实，视网膜中有三种视锥体，具有不同的光谱特性，峰值吸收分别在光谱的红、绿、兰区域。吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这是三基色原理的生理基础。8(二)视觉高级感知层次•大脑对视神经纤维传送来的图像信息进行分析和理解，通过图像获得对周围世界感知的信息和知识。•人们对大脑的高级感知层次至今知之甚少,仍是生理学、神经科学、生物物理学、生物化学研究的重要课题。9•“视觉是一个信息处理过程。它能从外部世界的图像中得到一个即对观察者有用又不受无关信息干扰的描述。”•“视觉感知又是和过去留存于记忆中的同类活动有关，视觉储积起大量的视觉意象。记忆形象可用于对知觉对象的辨认，解释和补充。”•使计算机具有人类视觉能力，研究人类的视觉感知，模仿人类的视觉感知，是研究工作的重要途径。10视觉错觉112.2视觉特性•视觉特性是视觉的外在表现；•图像是周围世界的一种映射,对于运动图像,空间座标x,y,z都是时间t的函数,若在连续的不同时间获取图像,可以获得序列图像nIII,,2112•对于按不同波段获取图像，可获得彩色图像或不同波段的图像信号(如遥感图像、医学图像等)。•对于按不同视角，即不同的x,y,z间相互关系，可以得到不同视角的不同图像。•因此，视觉现象包括有视觉对光强，对各种波长、彩色的光谱效应，对物体边缘等空间频率变化的响应，以及视觉对时间瞬时变化运动的响应。132.2.1相对视敏函数•人眼对不同波长的光有不同的敏感度，不同波长而幅射功率相同的光不仅给人以不同的色彩感觉，而且亮度感觉也不同。•视敏函数：描述人眼视敏特性的物理量为视敏函数和相对视敏函数。在相同亮度感觉的条件下，不同波长光辐射功率的倒数用来衡量人眼对各波长光明亮感觉的敏感程度。•对于人眼，是钟形曲线。VV14–视杆体和视锥体的相对视敏曲线有所不同，对视锥体情况，在=555nm时绿光亮度最敏感，对视杆体暗视情况,则=505nm时最敏感。图2.4相对视敏度曲线152.2.2对比度的灵敏度和同时对比度一、对比灵敏度在均匀照度背景I上，有一照度为I+(照度增量)△I的光斑，称眼睛刚好能分辨出的照度差△I与I的比（△I/I）为对比灵敏度；由于背景亮度I增大，△I也需要增大，因此在相当宽的强度范围内，对比灵敏度是一个常数，约等于0.02，这个比值称为韦伯比（Weber比）。亮度很强（弱）时不为常数。16二、同时对比度在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同，人眼所感受到的主观亮度不同，这种效应称为同时对比度。由于同时对比是由亮度差别引起的，故也称为亮度对比。相对应的还有色度对比。如：红色背景下的灰色物体显绿色；17同时对比度示例182.2.3马赫带(MachBands)•在观察一个亮度渐变的边缘时，发现主观感受在亮度变化部位附近的暗区和亮区中分别存在一条更黑和更亮的条带，称之为“马赫带”。19•同时对比度是面积亮度差引起的现象，马赫带是明暗边界引起的现象。•侧抑制效应：视觉信号并不是单纯由一个视觉细胞感觉产生的，而是由相邻视觉细胞信号加权和形成的。•Mach带可用侧抑制机理来解释，可认为是局部空间域内神经细胞之间相互作用的结果。•同时对比度和马赫带效应表明，人所感觉到的亮度并不是强度的简单函数。202.2.4视觉的瞬时性质(TemporalPropertiesofVision)–视觉的瞬时性质在处理运动图像和图像显示设计时变得十分重要。–A.Bloch’s规律•能量相等而不同持续时间的光闪烁，在持续时间低于一个临界值以下是不能辨识的。当眼睛适应于中等亮度时，临界持续时间是30ms，当眼睛更多适应于黑暗时，则临界持续时间将变长。21B.临界熔合频率CriticalFusionFrequency(CFF)•缓慢的闪烁光的每单个闪烁都可辨识，但当闪烁频率高于临界闪烁频率时，闪烁将不再与具有同样平均强度的稳定发光相区别。一般来说，这个频率不超过50～60HZ。这是视觉暂留，是电影和电视的基础。22C.SpatialversusTemporalEffects•眼睛对高空间频率的闪烁的敏感高于对低空间频率的闪烁的敏感度。•在图像编码中，对运动图像的编码时，除了边缘以外的任何地方可以进行亚取样，以压缩码率。•同样的原因，非隔行光栅的监视器（闪烁频率高，可保留良好的高清析度细节）比隔行光栅（闪烁频率低,对低空间频率已足够）可提供高空间解析度的图像显示。小结•人类视觉感知能力的特点–人类视觉系统在对物体的识别上有特殊强大的功能；但在对灰度、距离和面积的绝对的估计上却有某些欠缺；–以传感器单元的数目比较：视网膜包含接近1.3亿个光接收器，这远远大于CCD片上的传感器单元数；–和它每次执行运算的数目比较：和计算机的时钟频率相比，神经处理单元的开关时间将比之大约慢倍；–不论这慢的定时和大量的接收器，人类的视觉系统是比计算机视觉系统要强大得多。它能实时分析复杂的景物以使我们能即时的反应。410242.3颜色的基本概念•牛顿在十七世纪后期用棱镜把太阳光分散成光谱上的颜色光带，证明了白光是由很多颜色的光混合而成；•颜色严格地说不同与彩色。•颜色可分成彩色和无彩色（即不同的灰色）。•但通常我们所说的颜色是指彩色25•图为光谱图。•可见光的波长大约在380--780nm之间。•可见光区之外，还有红外光区、紫外光区。•在遥感领域中光谱采样通常不限于红外区、可见光区、紫外光区三个波段，即为多光谱图像。•彩色不仅喜人，且可获得更多的信息：–视觉仅能感知十余级灰阶,–彩色感知但却能区分上千种彩色；380nm700nm紫外光红外光可见光区546.1nm435.8nm780nm26•彩色可用下面三个基本属性描述:–色调（Hue）：色调表示颜色。–饱和度（Saturation）：饱和度是彩色中包含白光的多少。–亮度（Brightness或Intensity）：亮度表示感受到的光强度（Luminance）。27•颜色纺锤体：–颜色纺锤体的垂直轴线上表示列的亮度变化，顶部是白色，沿着灰度过渡，到底部是黑色。在垂直轴线上越往上亮度越大。–水平的圆周表示色调，圆周上的不同角度的点代表了不同色调的颜色，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。–圆心的色调是中灰色，它的亮度和该水平圆周上各色调的亮度相同。–从圆心向圆周过渡表示同一色调下不同的饱和度。28•颜色纺锤体：29•三基色原理–十九世纪初，TomasYoung提出：•“任何彩色可以用合适的三种基本色混合而再生”•生理学已证明，视网膜中有三种视锥体，具有不同的吸收光谱。吸收光谱响应的峰值分别在光谱的红(黄绿)、绿、兰区域。且吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这是三基色原理的生理基础。30•三基色原理–三基色相加混色：红、绿、兰；（光的三基色）–三基色相减混色：青、黄、品红（颜料的三基色）–相减是指吸收或过滤掉。31•光和颜料间的差别：–光和颜料是对立的，然而又互辅相成。–如果没有光的照射，就不能看见物体的颜色，而有色光必须照在不透明的表面上才能看见。–RGB发射光，而CYM反射光。–混合所有色彩光形成白色，混合所有颜料形成黑色。–同时观察这两种模式，RGB模式是CMY模式的对立物，就像每一种主体部分都是另一种的从属部分。–利用红（Red）、蓝（Blue）和绿（Green）三种基本颜色，可以配制出绝大部分肉眼能看到的颜色。像彩色电视机的显像管（CRT）以及计算机屏幕，都是以这种方式来混合出各种不同的颜色效果。–RGB模式混色原理是以加法来混合出各种不同彩色。32色彩的描述颜色的描述是通过建立色彩模型来实现的，不同的色彩模型对应于不同的处理目的。CIE（国际照明委员会）在进行大量的色彩测试实验的基础上提出了一系列的颜色模型用于对色彩进行描述。各种不同的颜色模型之间可以通过数学方法互相转换。2.4常用表色系332.4.1RGB表色系–国际照明委员会（CIE）规定以：700nm(红)、546.1nm(绿)、435.8nm(蓝)三个色光为三基色。又称为物理三基色。自然界的所有颜色都可以过选用这三基色按不同比例混合而成。–RGB模式的混色原理是以颜色加法来混合出各种不同的颜色。–彩色电视机的显像管（CRT）以及计算机屏幕，都是以这种方式来混合出各种不同的颜色效果。–如果采用其他色系进行了处理，最终一定要转换到RGB色系，才能正常显示结果。34R:200G:50B:120黄(255,255,0)黑(0,0,0)绿(0,255,0)青(0,255,255)蓝(0,0,255)品红(255,0,255)白(255,255,255)红(255,0,0)RGB色系——颜色构成35RGB表色系362.4.2HSI表色系•HSI（HSB）模式是利用色调（Hue）、色浓度（Saturation）以及亮度（Brightness（Intensity））三种基本向量来表示一种颜色。•Hue：色调，沿着色调环从0度（纯红），120o为绿色，240o为蓝色，再转回360度（纯红）。•Saturation：色彩的饱和度。0%时为灰色，100%时为纯色。•Brightness（Intensity）：亮度（强度），0%为黑色，100%时为白色。–所谓的色调，指的是不同波长的光谱，例如红色和绿色便是属于不同的色调。–色彩的饱和度是指颜色的深浅，例如同样是红色，也会因为饱和度的不同而分为深红或浅红。–亮度（强度）则指的是颜色明暗的程度。37HSI色系——问题的提出RGB色系虽然是目前各类显示器使用的色系，但颜色的构成与人对颜色的理解方式不同，所以在进行处理与调整时，比较不容易获得准确的参数。38HSI色系——基本设计思路这种彩色系统格式的设计反映了人类观察彩色的方式。如：红色又分为浅红和深红色等等。3940HSI色系——色度分量HH：表示色度，由角度表示。反映了该颜色最接近什么样的光谱波长。0o为红色，120o为绿色，240o为蓝色。41HSI色系——色度（H）效果示意图H=0ºH=60ºH=120ºH=180ºH=240ºH=300º42S：表示饱和度，饱和度参数是色环的原点到彩色点的半径长度。在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为1。在中心是中性（灰）色，即饱和度为0。HSI色系——饱和度分量SS43HSI色系——饱和度（S）效果示意图S=0S=1S=1/4S=1/244HSI色系——亮度分量II表示光照强度或称为亮度，它确定了像素的整体亮度，而不管其颜色是什么。I:小大46•RGB到HSI的转换：13()IRGBBGRBGRS),,min(31