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1上海交通大学图像通信与信息处理研究所电子信息与电气工程学院电子工程系2010年度春季上海交通大学图像通信与信息处理研究所电子信息与电气工程学院电子工程系2010年度春季2数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季量化光度学基础知识人眼视觉特性取样与重建色度学基础知识人眼视觉模型与图像质量评价数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季量化光度学基础知识人眼视觉特性取样与重建色度学基础知识人眼视觉模型与图像质量评价3数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季•色度学研究人眼的“彩色视觉”规律•彩色视觉是人眼的明视功能•不同波长的光呈现不同颜色（谱色光/混色光）•大多数光是混色光，含许多光谱分量•为了得到相同的彩色感觉，不必一定要恢复原景物辐射/反射光的光谱，可以由不同光谱的光组合起来得到与原景物相同的彩色感觉•可用RGB三种颜色作为基色，按不同比例配出不同色调和色饱和度的光实现彩色重现——三基色原理数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季A.HSI模型•可用三个参量来表示彩色光：①色调H(Hue)——颜色的种类（红/绿色等）②色饱和度S(Saturation)——彩色光的纯度③亮度I(Intensity)——光的强度•可用色环来表示色度•用纺锤形颜色立体来表示彩色光的亮度和色度0°120°240°••••4数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季B.三基色原理和RGB彩色坐标系1.三基色原理•假设：视网膜上的锥细胞分为三种类型：红敏、绿敏、蓝敏•当功率谱为的彩色光作用于人眼时，对三种光敏细胞有三种光通量()Pλ780380780380780380()()()()()()RrGgBbPVdPVdPVdλλλλλλλλλ⎧Φ=⎪⎪Φ=⎨⎪⎪Φ=⎩∫∫∫数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季2.物理三基色和RGB三色系数•国际照明委员会(CIE——CommissionInternationaldeI’Eclairage或InternationalCommissiononIllumination)规定以的红光的绿光作为三基色，用它们可以配出大多数不同的彩色的蓝光——物理三基色•为用它们配出标准白光（又称等能白光——可见光光谱范围内所有波长的光具有相同的辐射功率的白光，与色温的白光相近）所需的三个光通量之比为CIE规定以此光通量的比例来定义RGB的单位，记作[R][G][B]=[R]+[G]+[B]——红，绿，蓝光各1份可配出标准白色光•任意颜色光F的配色方程为F=R[R]+G[G]+B[B]——R份红，G份绿，B份蓝光配出光F来•并非所有颜色都能用此RGB配出来如：的蓝绿光（谱色光）的配色方程为F=-0.983[R]+1.85[G]+0.13[B]负的红光指：在配色时把红光移到待配色光一边700nmλ=546.1nmλ=435.8nmλ=5500k°E白::1:4.59:0.06rgbφφφ=520nm5数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季3.相加混色、相减混色和补色•电视屏幕是相加混色红+绿→黄蓝+绿→青红+蓝→品红红+绿+蓝→白黄=白-蓝，黄是蓝的补色青=白-红，青是红的补色品红=白-绿，品红是绿的补色数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季•在彩色印刷、彩色胶片感光和绘画中采用相减混色•相减混色法利用颜料、染料的吸色性质来实现黄青品红绿红蓝黑黄+青+品红=白-蓝-红-绿=黑相加混色相减混色6数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季•可用彩色立方体来统一表示相加混色和相减混色青蓝白黑红黄绿灰品红•••••••••BGR数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季C.XYZ坐标系1.X,Y,Z是一组虚基色-它们并不是实际存在的某光源的颜色-但可由物理三基色的线性组合来得到-使用方便，在光学仪器设计，性能指标测量中最常用-称CIE计色制（X,Y,Z总为正）•RGB和XYZ坐标系的转换关系若R,G,B的单位为[R],[G],[B]X,Y,Z的单位为[X],[Y],[Z]则某颜色光F=R[R]+G[G]+B[B]也可用XYZ坐标系表示为F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]，二组系数和之间的关系经推导为•注意：这套变换系数是针对物理三基色R,G,B而言的对现在更常用的显像三基色(RGB)而言，变换系数的值有所不同RGB⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠2.76891.75181.130214.59070.060100.05655.5943XRYGZB⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠XYZ⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠7数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季2.XYZ色度图•对彩色光F的表达式F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]中的X,Y,Z系数作归一化设用进行归一化令则即归一化后，x,y,z中只有两个是独立变量。称x,y,z为XYZ坐标系下的相对色系数于是可在x-y平面上表示各种颜色。称：XYZ色度图(或CIE色度图)自然界的所有不同颜色的可见光都在x-y平面上的一个舌形区域内'XYZm++='m,,'''XYZxyzmmm===1xyz++=数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季•对不同波长的谱色光进行配色，再由RGB转换到x-y平面上结果：所有谱色光都在舌形线（谱色轨迹）上•舌形底部连接对应的是混色光，由红、蓝光按不同比例配出来•舌形面内也是混色光，越靠近中间，色饱和度越低•E点对应等能白光E白(x=0.33,y=0.33)A点表示钨丝灯泡光的颜色（相当于2854°K色温）偏红B点表示正午直射阳光的颜色（相当于4800°K色温）偏红C点表示白天的自然光的颜色（相当于6770°K色温）偏蓝D点表示PAL制荧光粉D65配出的白光的颜色（相当于6500°K色温）接近自然光8数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季•实线三角形三个顶点为PAL制D65荧光粉的RGB三基色（显像三基色）-三角形内的区域是由此三基色可配出的所有颜色-选定这三个基色是易实现、成本低、发光效率高和色表现力强之间的折衷。-若采用物理三基色作为基色，虽然色域可以更大，但光谱光效率低，(人眼对这种波长光的灵敏度较弱)屏会显得暗、反差小，总效果不好•虚线三角形的三个顶点为NTSC制的显像三基色数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季D.几个常用公式•常用的彩色变换公式都立足于显像三基色•对NTSC制彩电显像管，亮度方程为Y=0.2999R+0.587G+0.114B•对PAL制彩电显像管，亮度方程为Y=0.222R+0.707G+0.071B•可用U,V来表示色差U=B-YV=R-Y•在CCIR601标准（ITU-R.601）和SMPTE125M标准中，用Y,Cb,Cr来表示彩色图像——图像压缩标准中的色差表示Cb=0.564(B-Y)+0.5Cr=0.713(R-Y)+0.59数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季量化光度学基础知识人眼视觉特性取样与重建色度学基础知识人眼视觉模型与图像质量评价数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季A.人眼构造简介B.能感知的亮度范围C.韦伯比和亮度感觉D.人眼的分辨率E.视觉惰性和闪烁感F.马赫带和侧抑制效应§5.人眼视觉特性G.人眼的适应性和同时对比效应H.空间错觉10数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季A.人眼构造简介•瞳孔——控制进入人眼内部的光通量，起光圈作用•晶状体——改变焦距使不同距离的景物在视网膜上成像，相当于透镜•视网膜中央凹（黄斑）——锥状细胞，明视，色彩感觉，分辨率高•视网膜其他区——杆状细胞，无色彩感觉，分辨率低•锥状细胞和杆状细胞统称视细胞，受到光的刺激产生电脉冲，沿神经纤维传递到视神经中枢，使大脑形成景象的感觉数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季E.亮度（上节课内容）•亮度表示发光面的明亮程度，指在指定方向上发光面的发光强度与发光面在垂直于所取方向上的投影面积之比•亮度记作B(Brightness)，亮度单位为坎德拉/米2，即cd/m2•对于漫反射面，•亮度反映发光面的明亮程度，与光源的距离无关-照度与被照亮表面与光源的几何关系有很大关系（远近，角度）dIBdScosαα=ndIdIcosαα=∵nndIcosdIdScosdSBαα∴==11数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季B.能感知的亮度范围•10-2——106cd/m2•有个适应过程：明→暗，几分钟；暗→明，几秒钟•在适应了背景亮度后能分辨的亮度范围明视1000:1锥状细胞暗视10:1杆状细胞•在不同环境亮度下对同样亮度的主观感觉不同•在很大范围内主观亮度S正比于亮度B的对数（图2.23）数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季C.韦伯比和亮度感觉实验1•由0慢慢增大，直到人眼刚好可判别出有此光斑存在，此时的称令•改变背景亮度B，再测，求另一个，…，做出曲线•结果：在背景亮度B的相当宽的范围内，近于不变，约为0.018•说明：亮度慢变化，光斑不太小情况下，亮度比为常数，表明人眼的适应性很强，虽然对亮度的绝对大小判断不清，但能较好地判断相对亮度BΔBΔminBΔminBBξΔ=minBΔminBBξΔ=minBBξΔ∼ξξ12数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季实验2•在大背景上有二个半圆光斑••固定某个，使人眼适应背景亮度•改变，测能区分二半的，求得曲线•以作为参数，改变，可测得一组曲线•结论：在以人眼观察为目的重现数字图像时，重现图像的亮度不必等于原来摄取实际景象时的亮度，只要保持二者的对比度C及亮度差别级数相同，就能给人以真实的感觉0BminBBBΔ∼,BBB+Δ0B0BBminBΔ0B0B数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季D.人眼的分辨率•韦伯比是亮度分辨率问题•人眼对运动很快的目标看不清楚——时间分辨率问题•人眼对很细小的条纹看不清楚——空间分辨率问题•三者相互联系，可以互换和折衷•实用系统中用到这些特性，例如图像压缩中的“限失真编码”技术允许有失真，但要使人眼感觉不到失真的存在13数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季•彩色分辨率-人眼对彩色图像的空间分辨率低于黑白图像-所以常常将色差分量进行空间亚取样•对色调和色饱和度的分辨率高于对亮度的分辨率-伪彩色技术的基础YCbCrYCbCrYCbCr4：4：44：2：24：2：0数字图像处理（DigitalImageProcessing）上海交通大学2010年度春季E.视觉惰性和闪烁感•电视画面清晰——没有“运动模糊”和“闪烁感”•光脉冲刺激人眼时，视觉的建立和消失都有个过程即，存在视觉滞留现象（0.05-2秒之间）——与刺激强弱有关•显像管——余辉太长则会造成运动物体显示的模糊人眼——动作太快则看不清楚（魔术）•视觉滞留是电视和电影的基础：断续放映，得到连续运动感觉•通过对它们的