图像图像处理系统及视觉系统(第-讲)

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。
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。
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
(2—49)
刺激时间长，光觉门限小 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
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。
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
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。
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。
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
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。
• 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，
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
•
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
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。
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。
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。
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)。
• 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
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
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；