第2章-图像处理的光学与视觉基础-2015

2) 三基色原理
白光通过三棱镜后被分解为多种单色光
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
三基色光 700nm, 546nm, 435.8nm
大部分颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生---三基色原理 (色度学的基本原理) 红、绿、蓝是三种基(原)色，它们相互独立，任一色都不能由其它 两色混合产生。 人眼对红、绿、蓝三色最敏感，就像一个三色接收器。
二、光学基础
1, 光通量 Ø
光源在单位时间内发射出去的光量称为光源的发光通量 国际单位：流明 (Lumen, lm) 它标度了可见光对人眼的视觉刺激程度！ 简单地说：蜡烛在1米外所显现出的亮度，称为 1 流明 （蜡烛大小和燃烧速度是有规定的） 一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。 例，一只40W普通白炽灯：350~470 lm 一只40W普通直管形荧光灯：2800 lm 左右 常用投影机的流明数值在 1000-4000 lm 之间
4, 亮度 L
是指一个表面的明亮程度。 即从一个面光源发射出来的光通量或者入射光在某个表面 反射出来的光通量(单位面积上的光通量)。 单位：1 尼特=1坎德拉/米2 (cd/m2) L = R×E （L为亮度，R为反射系数，E为照度）
三、色度学与颜色模型
1, 描述颜色的几个术语
1) 颜色
人的视觉系统感知到的 颜色由光波波长决定.
2, 发光强度 I
点光源在单位立体角内辐射出的光通量。 国际单位：坎德拉(candela, cd)；其它单位：烛光(c), 1 坎德拉表示在单位立体角内辐射出 1 流明的光通量, 测定光强的仪器称为光度计
3, 照度 E
指物体被照亮的程度，即单位面积上所接受的光通量 国际单位：勒 [克斯] (Lux, lx) ，即 lm/m2 1 lx 等于 1 流明的光通量均匀分布于 1 m2 面积上的光照度 自然光照射下各环境中的照度（供参考）： 夏季中午在太阳直接照射下： ~100,000 lx 没有太阳的室外: 1000 ~ 10,000 lx 明朗夏天的室内： 100 ~ 500 lx 月夜： 0.02 ~ 0.2 lx 黑夜： 0.001 lx 或更低
例如：迷彩仿生伪装
0 ：最小视角，则有 0 ~
影响分辨力的因素：
(a) 与环境光线的强弱有关
d D
)
0
d
光线太弱：看不清，分辨率下降 光线太强：“炫目”，分辨率下降 (b) 与被观察对象和背景的相对对比度有关
D
当对象与背景的相对对比度很小时，两者亮度接近， 导致人眼的分辨率下降。
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牛顿色圆
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两种原色系统
减色系统：
三原色是黄、青、紫(品红)。 相减混色利用了滤光特性，即在白光中减去不需要的彩色，留下 所需要的颜色。 黄＝白－蓝 紫＝白－绿 青＝白－红 黄＋紫＝白－蓝－绿＝红 黄＋青＝白－蓝－红＝绿 紫＋青＝白－绿－红＝蓝
Red Green Black Blue
a1 a2 a3
中间哪个球更黑或更白？

神经 信号
被亮块包围的黑圆块更黑！
眼睛感觉 侧抑制效应
被黑块包围的白圆块更白！
LOG
an
加权因子
感受体
当亮区一侧的抑制大于暗区一侧的抑制时，则暗区更暗； 当暗区一侧的抑制小于亮区一侧的抑制时，则亮区更亮。
A方块的颜色要比B方块深？
C
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Hermann 栅格
思考题：医院手术室、手术台、外科医生护士的衣服一般都采用浅绿色？
补色搭配在一起的视觉效果是最强烈的。当人们注视色彩的时候，视觉 范围内的各种颜色的光便刺激视网膜上的锥状感光细胞而产生所看到的 色彩；但是视网膜上的锥状感光细胞一直受到同一色光刺激后，便会有 刺激疲劳现象产生，形成补色。
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一、视觉基础
光电图像处理
第二章 图像处理的视觉与光学基础
栅格火花错觉
看到交叉处的灰点？
注视交叉处的视网膜区域比注视白条的区域受到更多的抑制， 这样交叉处显得比其它区域暗一些
眼睛环视它,交叉点是不是放出火花？
马赫带 (Mach bands) 效应
每一竖条内的灰度是均匀分布的， 但人眼睛感觉到每一竖条内右边比 左边稍暗一点。 人眼感受到的亮度不是光强的 简单函数！
紫
RGB模式与CMY(K)模式（总结）：
用相加混色三原色(R/G/B)所表示的颜色模式称为RGB 模式，用相减混色 三原色(C/M/Y)所表示的颜色模式称为CMY模式，为改善印刷质量而增加 了黑色颜色(Black ink)，其模式称为CMYK模式。 RGB 模式是绘图软件最常用的一种颜色模式，在这种模式下处理图像比 较方便，而且RGB 模式存储的图像要比CMYK 图像要小，可以节省内存 和空间。 CMYK模式是一种颜料模式, 所以它属于印刷模式，但本质上与RGB模式 没有区别，只是产生颜色的方式不同。 例如，显示器采用RGB 模式，就是因为显示器是电子光束轰击萤光屏上 的萤光材料发出亮光从而产生颜色。当没有光的时候为黑色，光线加到 最大时为白色。 而打印机呢？它的油墨不会自己发出光线，因而只有采用吸收特定光波而 反射其他光的颜色，所以需要用减色法来解决。
4) 视觉特性和视觉现象
某个视觉信号并不是只由一个视觉细胞感光产生，而是由许多 空间上相邻的视觉细胞的信号加权求和而产生的。
LOG LOG LOG
• • •
环境对比
侧抑制效应
(Lateral inhibition)
相近的神经元彼此之间发生的抑制作用: 某个神经元受到刺激而产生兴奋时，再刺激相近的神经元， 后者所发生的兴奋对前者产生的抑制作用
B, 饱和度 (Saturation)
表示颜色的纯洁性（纯度），可用来区别颜色明暗的程度 单一波长的光谱色(红 … 紫)是完全饱和(100%)的颜色 当一种颜色掺入其它光的成分越多，该颜色越不饱和 半径表示法： 沿径向方向，颜色具有相同的色调和明度，不同的饱和度
B, 饱和度 (Saturation)
补色原理：
当两个色光混合成白色色光时，则这两个色光的主波长定义为互补 波长，而这一对互补波长的光所对应的颜色称为补色。 简单地看：色轮上成180度相对的颜色互为补色，即红与青、蓝与 黄、绿与紫互为补色。
黄 + 蓝＝白， 紫 + 绿＝白， 青 + 红＝白
思考题：医院手术室、手术台、外科医生护士的衣服一般都采用浅绿色？
波长(m) 10-14 10-12 10-9 10-6 10-4 10-2
可见光： 380 ~ 780 nm 太阳光中含有较多 紫外光成分； 电烤火炉的炉丝发 出很多红外光成分。
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电磁波谱
2) 区分颜色的三个特性
A, 色调(Hue) B, 饱和度(Saturation) C, 明度(Brightness)，也称亮度 色度：表示颜色的类别与
1) 视角：物体的大小对眼睛形成的张角
)

A
tan ~
D A ， ~ tan A D D
(当 很小时)
正常人眼能分辨空间两点间形成的最小视角为 1 (1/60)°
2) 分辨率：人眼在一定距离上能区分相邻两点的能力 d ：能区分开的两点间的最小距离, D ：眼睛和这两点连线的垂直距离，
深浅程度
A, 色调(Hue)
视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉。
色调表示法：
色调在颜色圆上用圆周表示
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
牛顿 色圆
色调用黑、灰和白描述无彩色， 用红、橙、黄、绿、浅蓝和深蓝等描述彩色 圆周上的颜色具有相同的饱和度与明度，不同的色调 色调数目多于1000万种， 普通人可区分200种色调， 专业人士可辨认的色调数大约300～400种。
表示颜色的纯洁性（纯度），可用来区别颜色明暗的程度 单一波长的光谱色(红 … 紫)是完全饱和(100%)的颜色 当一种颜色掺入其它光的成分越多，该颜色越不饱和 右下图中所示的七种颜色具有相同的色调和明度，但具有 不同的饱和度，左边的饱和度最浅，右边的最深 。
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C, 明度(Brightness)
加色系统：
原色是红、绿、蓝，不同比例的三原色光相加得到的彩色称为相加混色。 R G B 0 255 255
红＋绿＝黄 红＋蓝＝紫(品红) 蓝＋绿＝青 红＋绿＋蓝＝白 红 紫
蓝 青 绿
白 黄
红 绿 蓝 黄 紫 青 白
255 0 0 0 0
255 0
255 255 0 255 0 0 255 255
黄＋紫＋青＝白－蓝－绿－红＝黑
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一、视觉基础
第二章
图像处理的视觉与光学基础
1, 人眼结构图与成像原理 视网膜表面分布着 许多感光细胞
一、视觉基础 二、光学基础 三、色度学原理与颜色模型 成像原理：
倒立的实像 视网膜上
2,视觉功能 整体视觉过程: 视觉 ＝ “视” ＋ “觉”
人们借助视觉器官完成一定视觉任务的能力称为视觉功能。 衡量指标： 区分物体细节的能力 辨认对比的能力
例：色调-饱和度-明度(HSB)颜色空间
(色彩纺锤形表示法)
色调用角度标定 红色标为0°,青色标为180° 饱和度的深浅用半径大小表示 明度用垂直轴表示 (0~10) 黑为0，白为10.
2, 三基色原理
1) Newton色圆
Newton在1666年开始研究颜色，把红色和紫色 首尾相接形成色圆/色轮(color circle /wheel)，称 牛顿色圆(Newton color circle)，如右图所示。 圆周表示色调，圆的半径表示饱和度 揭示了红(R)、绿(G)和蓝(B)相加混色情况 并为三基色原理奠定了基础，其互补色是 青(C)、紫(M)和黄(Y)。 Magenta (M): 紫红、洋红、品红 Cyan (C): 青
明度的表示方法
—— 垂直轴表示
右下图，七种颜色具有 相同色调与饱和度，不 同的明度，底部的明度 最小，顶部的明度最大
3) 颜色空间 (三维模型表示)
对人，可以通过色调(H)、饱和度(S)和明度(B)来定义颜色 对显示设备，用红(R)、绿(G)和蓝(B) 三基色来描述颜色(RGB模型) 对打印或印刷设备，使用青色(C)、品红(M)、黄色(Y)和黑色的反射 和吸收来产生指源自文库的颜色 (CMYK模型) （后面两种模型以后详述）
(c) 物体的运动速度 速度快，则分辨率下降 （例如：飞奔的汽车）
3) 光觉和色觉
眼睛对光的感觉为光觉 眼睛对颜色的感觉称为色觉 (a) 光觉门限
眼睛能够感受到的最低刺激光的强度，称为光觉门限 人眼感觉光的强度范围的最大值和最小值之比可到 1010 以上
(b) 色觉门限
眼睛能够感受到的产生颜色差别所需要的最小波长差， 也称为颜色的分辨门限。 能区分的最小的波长变化为 1 nm 在可见光范围内，人眼对波长在 500nm 左右的蓝绿光段和 600nm左右的黄光波段最为敏感
错视觉现象：
线段等长？
缪勒莱耶错觉，箭形错觉
马赫带效应
指视觉的主观感受在亮度有变化 的地方出现虚幻的明亮或黑暗的 条纹。 马赫带效应具有增强图像轮廓、 提高图像反差的作用。
直线平行？
中间的球一样大 ?
车行道纵向减速标线
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视觉暂留
人眼在观察景物时，光信号传人大脑神经，需经过一段短暂的 时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的 视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。 视觉暂留特性是现代电影和电视的基础，运动的视频图像都是 用快速更换静态图像产生的。
(白 )
255 255 255
红 相减混色主要用于美术、印刷、纺织等行业！ (用于不发光物体)
彩色电视显示技术、电脑显示器、彩色摄像机等图像显示设备中 采用的是相加混色法！ (用于发光物体) 黄、青和紫都是由两种基色混合产生的，所以称为相加二次色。
彩色还可由混合各种比例的绘画颜料来配出，这就是 相减混色。因为颜料 蓝 (黄 ) 能吸收入射光光谱中的某些成分，未吸收的部分被反射， 从而形成了该颜 (青 ) 料特有的彩色。当不同比例的颜料混合在一起的时候，它们吸收光谱的成 (紫 ) 分也随之改变，从而得到不同的彩色。
视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性。 例: 一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比在白炽光下亮。 此值目前无法用物理设备测量，可用亮度 (luminance) 即辐射的能量来度量，也可用一个数值范围表示。 例： 0 ～ 10 。一个极端是黑色 (无光， 0 明度 )，另一个 极端是白色 (10明度)，在这两个极端之间是灰色。