第2章 图像、图像处理系统及视觉系统(第2-2讲)

2.4.1、颜色的表示方法及观察条件
颜色的表示方法大体上有二套方法。
芒塞尔(Munsell)表示系统：设置一套作为标准的颜色 样本，被试的颜色与样本进行比较，然后用特殊的记 号来表示。
CIE表示系统： 取决于刺激光的物理性质和色的感觉的 对应关系。用与这个规定的相对应的量 来表示试料的光的物理性质。这就是国 际上规定的CIE表示系统。
本世纪也有提倡一种折衷的假说，如LaddFranklindel发展假说，Hart-ridgedel多色假说 等等。最近采用物理手段研究生理学的方法发 展很迅速。
2. 4 光度学及色度学原理
亮度和颜色是进入眼睛的可见光的强弱及波长成份
的一种感觉的属性。从某一入射光产生的亮度和颜 色的感觉无法测定，并且这种因人而异的感觉也不 能比较。既使对同一个人来说，由于观察条件不同 感觉也不一样。
• 三角形的中心就是三基色分量都相等的白色。以
三角形三个边为界，其内部每一点都是三基色混
合而成的颜色。穿过中心点的任何一条直线所连
系的两种彩色互为补色，即两者混配起来就形成
白色。越靠近三角形中点则色饱和度越低。
•
图 2—35 相加混色彩色三角形
• 对彩色的感觉必须考虑三个量，即： • 色调 • 色饱和度 • 亮度。 • 彩色三角形是二维图形，因此，它只能表示色 调和色饱和度，它不能表示亮度。
候可以很容易地进行转换。由于T单位的采用
就除掉了复杂数字带来的麻烦。
由三基色原理可知，任何颜色都可由三基色混配而
得到。为了简单又方便地描绘出各种彩色与三基色的
关系，采用了彩色三角形与色度图的表示方法。
这是一个等边三角形，三个顶点分别为红、绿、蓝
三色。其中黄色位于红与绿之中间，紫色落在蓝色和
红色中间，青色在绿色与蓝色中间。
。赫林的假说是在视网膜上有红－绿物质，黄－蓝
物质，白－黑物质。在光刺激下，各物质同时向对 立的方向发生化学变化，向两个方向变化的程度根
据刺激的波长不同而不同，由此产生色觉。赫林的
相对色假说对说明色适应和色对比现象理由较好，
但对色盲的性质却不能加以详细说明。
• 三原色假说和相对色假说考虑方法是对立的，
由三基色混配各种颜色的方法通常有两种： 相加混色：彩色电视机上的颜色是通过相加混色 产生的。 相减混色：彩色电影和幻灯片等与绘画原料一样 是通过相减混色产生各种颜色的。
相加混色和相减混色的主要区别： • 第一，相加混色是由发光体发出的光相加而产 生各种颜色，而相减混色是先有白色光，尔后
从中减去某些成份（吸收）得到各种彩色。
别门限 △I/I 或称之为韦伯比来表示辨别门限。
亮度的相对辨别门限 △I/I 与光强度水平 I 及 刺激面积的关系曲线如图2—34所示。这些曲 线是斯坦哈特（Steinhardt）在１９３６年测
定的。
图2—34 相对亮度辨别门限 I I 与光强I及刺激面积A的关系曲 线
由图可见，开始时随I的增大，△I/I减小，当I增 大到一定值后，△I/I则稳定在某一值上不再变化。 在 logI=0 处有一个不平滑点，这是因为处在杆 状体和锥状体交替起作用的强度处。
图2—33 锥状体(a)和杆状体(b)的相对灵敏度特性
光觉门限与刺激面积和刺激时间有密切关系。关于
光觉门限与刺激面积的关系有里克（Ricco）定律
和里波（Riper）定律来描述。当刺激面积较小时，
光觉门限的强度 I 与面积 A 的关系遵循下式之关系， 即：
IA 常数
刺激面积大，光觉门限小
(2—47)
波定理。
关于光觉门限与时间的关系由布洛克（Block） 定理来描述，它在时间较短的范围内才成立。布 洛克定理是指光强等于光觉门限时，刺激时间T 与光强度I的关系如下：
IT 常数
刺激时间长，光觉门限小
(2—49)
式（2—49）约在0.1S 以下的范围内成立。
光觉门限是指产生光觉的最小值，而辨别门限是指 辨别亮度差别而必须的光强度差的最小值。这个最 小值 △I 随光强 I 的大小而异。有时也采用相对辨
• 第二，相加混色的三基色是红、绿、蓝，而相减 混色的三基色是黄、青、紫（一般不确切地说成 是黄、蓝、红）。也就是说相加混色的补色就是 相减混色的基色。 • 第三，相加混色和相减混色有不同规律（指颜料 相混）。
• 相加混色：
• • 红＋绿＝黄 红＋蓝＝紫
•
•
蓝＋绿＝青
红＋绿＋蓝＝白
• 相减混色： • • • 黄＝白－蓝 紫＝白－绿 青＝白－红
2) 、有关色觉的学说
自１７３０年牛顿成功地分解了太阳光谱以来，
认为光的波动经过神经传到大脑，由于波长不同而
产生不同颜色感觉的这一假说至今还在提倡。
Young (1801)认为颜色不是光的物理性质而是 一种感觉现象。后来赫姆霍尔兹(Helmholtz)
发展了这种假说，认为视网膜有三种色细胞，
由于光学反应引起三种视神经纤维的兴奋，由
亮度辨别门限与光觉门限一样受刺激时间和面 积的影响。刺激时间T在某一范围内△I值与T 成反比。△I与刺激面积的关系有与皮埃隆
（Pieron）定理相似的关系成立。
关于光的波长与辨别门限的关系由赫克特(Hecht) 在450~670nm进行了测定。一般规律是波长越长 则辨别门限越高（即辨别灵敏度低）。 在中央凹处及其周围的辨别门限也进行了测定， 一般周围的辨别门限大。特别是在明亮的场合下， 这种倾向将增强。
图2—31 人眼的断面图
虹膜的中间开口处是瞳孔，瞳孔的大小是可变的， 大约可以从2mm变到8mm。虹膜的前部有眼睛 的明显的色素，而后部则含有黑色素。眼睛最里 层的膜是视网膜，它布满了整个后部的内壁上。 当眼球被适当地聚焦时，从眼睛外部物体来的光 就在视网膜上成像。
视网膜具有高度的信息处理机能。视网膜的厚度
• 在数字图像处理中的终端显示通常用显像管
（CRT）也就是用彩色监视器显示。由相加混
色原理可知白光可由红、绿、蓝三种基色光相
加得到。产生1lm的白光所需要的三基色的近
似值可用下面的亮度方程来表示
1 lm(白光)=0.30 lm(红)+0.59 lm(绿、)+0.11 lm(蓝)
(2—51)
由上式可见，产生白光时三基色的比例关系是不等的，
体和杆状体。中央凹部分特别薄，这部分没有
杆状体，只密集地分布锥状体。它具有辨别光
波波长的能力，因此，对颜色十分敏感。有时
它被叫做白昼视觉。每只眼睛的锥状体大约有
700万个，在中央凹的分布间隔大约为2～2.5微
米。
杆状体比锥状体的灵敏度高，在较暗的光线下就能起
作用。但是，它没有辨别颜色的能力，有时又叫它夜
2.3.1、视觉系统的基本构造
人的视觉系统是由眼球、神经系统及大脑的视觉中 枢构成。人眼的形状为一球形，其平均直径约20mm。 这球形之外壳有三层薄膜，最外层是角膜和巩膜。 角膜是硬而透明的组织，它覆盖在眼睛的前表面。 巩膜与角膜联在一起，它是一层不透明的膜，包围 着眼球剩余的部分。
巩膜的里面是脉络膜，脉络膜外壳着色很深， 因此，有利于减少进入眼内的外来光和光在眼 球内的反射。脉络膜的前边被分为睫状体和虹 膜。虹膜的收缩和扩张控制着允许进入眼内的 光量。
数字图像处理基础
第2章 图像、图像系统与视觉系统
（第二讲）
2. 3 视觉系统
在图像处理中所采用的许多处理技术，其主要目的 是帮助观察者理解和分析图像中的某些内容。因此， 图像处理系统不但应该是从视觉系统的角度来看是 理想的系统，而且又是最经济有效的系统。为了达 到预期的目的，在图像处理中不但要考虑图像的客 观性质而且也要考虑视觉系统的主观性质。
这显然给实际使用带来一些不方便。为了克服这一缺
点，使用了三基色单位制。这就是所谓的T单位制。
在使用T单位制时，认为白光是由等量的三基色组成。
因此，表示的亮度方程可改写如下
1lm(W)=1T(R)+1T(G)+1T(B) (2—52)
• 1T单位红光=0.30lm；
• 1T单位绿光=0.59lm；
• 1T单位蓝光=0.11lm。 • 由此可知T单位与流明数的关系，在需要的时
光觉门限的适应状态受多种因素的影响：
生理条件、
光的波长、
光刺激的持续时间、
刺激面积、
视网膜上的位置等。
光觉门限的值大约为1×10－6 （尼特)(cd/m2)。人感 觉光的范围的最大值和最小值之比达到 1010以上。
锥状体和杆状体各自的最大灵敏度随波长而异， 杆状体的最灵敏点比锥状体最灵敏点波长短50nm左 右。波长从380～740nm分别与紫、蓝、绿、黄、橙、 红等顺序相对应。这就是在傍晚光线变暗时我们所 看到的物体没有颜色的原因，这种现象叫 Purkinje shift 现象。
在处理光的物理性质和色觉的关系时，可在单纯的 条件下来决定这种规定。一般条件规定如下： (1) 刺激亮度在视觉细胞的锥状体起作用又不刺眼 的范围内；
(2)观察视野在2°(或10°）范围内，而且 范围外是黑暗的； (3) 视野内的光分布均匀并且不随时间变化。
在这样单纯化了的条件下观察颜色与日 常在复杂情况下观察到的颜色不一样， 为与感觉色相区别，把这种颜色叫做心 理物理色。
2.4.2、三基色混色及色度表示原理 根据光的波动说，单一波长的光称为单色光。从人
们可以区别种种不同颜色这样一个事实出发，似乎
可以假设视网膜上也存在着许多不同类型的锥状体，
每一类型的锥状体只“谐振”于某一特定的颜色。
如果锥状体果真有这样的单色响应，那么某一彩色
感觉只能由相应波长的电磁能引起。
• 然而，事实却不完全如此，照射到视网膜上的某 一单色光并不是引起该彩色的唯一因素。例如， 有几种单色黄光可以由射到视网膜上的红光和绿 光配出来。几乎所有的彩色都能由三种基本彩色 混配出来。这三种彩色就叫做三基色。
此又引起大脑三种神经细胞兴奋而产生色觉。
这就是扬－赫姆霍尔兹(Young—Helmholtz)的
色觉三原色学说。
另一方面，也有对三原色假说持反对立场的人， 特别是扬－赫姆霍尔兹的三原色为红、绿、紫。 据经验，黄色用红色和绿色混合而成是难于理 解的。也就是说，用他的三原色假说不能说明 黄色的纯色性。提出这一反对论点的代表人物 是赫林(Hering)。
大约有0.1～0.5mm。参与信息处理的细胞有视觉
细胞（包括锥状体和杆状体）、水平细胞
(Horizontal cell)、埃玛克里细胞(Amacrine cell)、
两极细胞(Bipolar cell)和神经节细胞(Ganglion
cell)等５种。
图2—32 视网膜结构模型
眼睛中的光接收器主要是视觉细胞，它包括锥状
视觉。杆状体分布面积较大，其数量大约有１亿３千
万个。正因为两种视觉细胞的不同特点，所以我们看
到的物体在白天有鲜明的色彩，而在夜里却看不到颜
色。与视觉细胞相比，神经节细胞数目较少，大约有
100万左右。
2.3.2、光觉和色觉
眼睛对光的感觉称为光觉，对颜色的感觉称为色觉。 这是眼睛的基本特性。 1) 、光觉门限及亮度辨别门限 光觉门限： 把产生光觉的最小亮度叫做光觉门限或光觉阈。
这条定律就叫做里克定律。这里面积A的大小在 如下范围内：在中央凹处，视角在几分之内；离 中央凹４o～７°处的亚中央凹处大约为 0.5°以 内；距中央凹处３５°左右约２°以内都适合本 定理。当刺激面积较大时，有下式的关系成立
I
A 常数
(2—48)
这个关系就是里波定律。这个定律在视 角范围内都可成立。一般情况下，里克 定律和里波定律常含在一起用,统称为里
和。
这里色调、色饱和度及亮度是表示色觉程度的量。
色调－－表示各种颜色的种类的术语；
色饱和度－－表示颜色深浅（添加白光的多少）。
以三基色为基础的格拉斯曼定律可用下式表示
F≡Ｒ（Ｒ）＋Ｇ（Ｇ）＋Ｂ（Ｂ）
(2—50)
2.4.3、CIE的R、G、BΒιβλιοθήκη Baidu色表示系统 国际照明委员会（CIE）规定： 红色（波长λ ＝700.00nm）， 绿色（波长λ ＝546.1nm） 蓝色（波长λ ＝438.8nm） 这就是CIE的R、G、B颜色表示系统。
•
白－蓝－绿－红＝黑
格拉斯曼定律（Grassman Law)包括如下四项内容： （１）所有颜色都可以用互相独立的三基色混合得
到；
（２）假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度 也相等；
（３）任意两种颜色相混合产生的新颜色与采用三 基色分别合成这两种颜色的各自成分 混合起 来得到的 结果相等； （４）混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总