第二讲人类视觉与色度学的基本知识(3月13日)

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电磁辐射和可见光谱

光是一种以电磁波形式存在的物质。电磁波的波长范围很宽， 从3*10-3m到3*10-17m，包含了无线电波、红外线、可见光、 紫外线、X射线、宇宙射线等。
波长为380nm～780nm的电磁波能够引起人眼的视觉反应，称 为可见光

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电磁辐射和可见光谱

可见光具有以下特性：
1. 2.
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视觉惰性

人的视觉对外界光刺激的响 应有一定的延时。当一定强 度的光突然作用于人眼时， 需要经过一定的时间才能形 (a) 成一个稳定的主观亮度感觉 ；当光消失以后，亮度感觉 也不是瞬间消失，而是要经 过一段时间之后才能消失。 也就是说，视觉的建立和消 失都有一定的惰性，我们称 之为视觉惰性 (b) 视觉惰性是现代电影和电视 的基础

空间混色法

该方法利用人眼空间细节分辨力差的特点，将三种基色光点放在同 一表面的相邻处，只要这三个基色光点足够小，相距足够近，当人 眼在一定距离之外观看时，就会看到三种基色光混合后的彩色光。 彩色显像管就是利用这一原理，把红、绿、蓝三色荧光粉在荧光屏 上排列成品字形或竖条形，在一定距离之外观看时，看到的就是其 混合色。

定义 视觉适应:视觉器官的感觉随外界亮度的刺激而变化的过程； 有时也指这一过程达到的最终状态。 视觉适应的机制包括视细胞或神经活动的重新调整，瞳孔的 变化及明视觉与暗视觉功能的转换。 由黑暗环境进入明亮环境，眼睛过渡到明视觉状态称为明适 应，所需时间为几秒或几分钟。 由明亮环境进入黑暗环境转换成暗视觉状态称为暗适应，这 个过程约需要十几分钟到半小时。
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相加混色和相减混色

混色法

利用三基色按不同 的比例混合来获得 彩色的方法。

混色法有相加混色法和相减混 色法。 相加混色是指光源色光的相加 混合，彩色电视技术中就是利 用相加混色法显现各种颜色的 。

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相加混色


由红、绿、蓝三基色进行相加混色
红色+绿色=黄色
绿色+蓝色=青色
3.
4.
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电磁辐射和可见光谱
无法区分瞳孔和虹膜
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明暗和彩色视觉

彩色视觉 彩色视觉是一种明视觉，可用亮度、色调和饱和度描述 亮度 彩色光引起的人眼对明暗程度的感觉（照射光强度） 色调 光的颜色（光谱成份） 色饱和度 颜色的深浅程度 色调和饱和度又合称为色度
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色彩三要素
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错觉——1
你是否 觉得它 的中间 是一个 正方形？ 你是否把 它的中心 看做一个 圆？
你是否 觉得下 面的线 比上面 的长？
你相信有 八条线是 和副对角 线平行的 线吗？
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错觉——2
OMG，这些轮子 怎么在转！！！
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三基色原理

大量实验表明，用三种不同颜色的单色光按一定比例混合， 可得到自然界中绝大多数的彩色。具有这种特性的三个单色 光叫三基色光，而这一发现也被总结成三基色定理：
可见光波长范围有限，只占整个电磁波波谱的极小一部分 不同波长的光呈现的颜色各不同，波长从长到短，分别呈现红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫 单一波长和波谱宽度小于5nm的光称为单色光。单色光对应着光谱中 一定的波长，所以又称为谱色光。含有两种或两种以上波长成分的光 称为复合光，复合光使人眼产生混合色。由于它不能作为单色光出现 在光谱上，所以又称为非谱色光 白光是一种复合光，自然界中最大的白光光源是太阳，太阳光的光谱 是连续分布的，包含有380nm～780nm范围内的所有波长成分。几种 单色光混合在一起会形成复合光，如红、绿、蓝光按一定比例混合后 会产生白光。同样，混合光也可以通过某种方式被分解成不同波长的 单色光
光脉 冲亮度
t
视觉 亮度

t1
t2 t
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人眼的视觉特性


马赫带
马赫发现的一种明度对比现象。当观察两块亮度不同的区域时 ，边界处亮度对比加强，使轮廓表现得特别明显。


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。人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制 （边缘对比 效应）




应用：车间照明布置、交通运输中夜间驾驶室照明
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视觉适应性

对比效应

同一刺激因背景不同而产生的感觉差异的现 象。如同一种颜色把它放在较暗的背景上看 起来明亮些，放在较亮的背景上看起来暗些
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亮度感觉

主观感觉到的景物亮度并不直接由景物本身的亮度所 决定（亮度感觉/客观亮度？） 人眼分辨亮度变化的能力有限

亮度（Lightness）

明亮程度 色彩印象

色调（Hue）

色调和饱和度 合称为：色度

饱和度（ Saturation ）

颜色的深浅程度
色调环
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人眼的色度视觉

视觉三色原理假设
相 对 视 敏 度

1 .0 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 4 00 2 0VB()
V()
锥状细胞分为三类, 分别称为 红敏细胞、绿敏细胞和蓝敏 细胞，分别只对红色、绿色 和蓝色光谱能量的刺激产生 视觉反映。三种细胞对可见 光的反应灵敏度曲线如图 三 种锥状细胞的相对视敏函数 曲线


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三基色

基色（primary color）

互为独立的单色


任一基色都不能由其他两种基色混合产生
三基色 （tri-chrominance primary）

根据人眼对彩色视觉的大量实验而做出的选择（通常：红色、 绿色和蓝色） 三基色的选择不唯一，也可选择青、品红、黄

互补色（Complementary Colors）



NTSC制式：Y=0.299R+0.587G+0.114B
PAL制式：Y=0.222R+0.707G+0.071B
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彩色光的合成

时间混色法

该方法利用人眼的视觉惰性，顺序地让三种基色光先后出现在同一 表面的同一点处，当三种基色光交替出现的速度很快时（交替时间 间隔小于人眼的视觉暂留时间），人眼产生的彩色感觉就与三种基 色光直接混合时相同。

自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之， 这些彩色也可以分解成三基色； 三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基 色混合得到； 混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定； 混合色的亮度是三基色亮度之和。 任何一种颜色都有一个相应的补色。所谓补色，就是它与某一颜色以 适当比例混合时，可产生白色。红、绿、蓝的补色分别是青、品红、 黄。
蓝色+红色=品红 红色+绿色+蓝色=白色
称青色、品红和黄色分别是红、绿、蓝的补色
红色+青色=白色 绿色+品红=白色 蓝色+黄色=白色
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相加混色和相减混色

人眼对相同强度单色光的主观亮度感觉不同


用相同亮度的三基色混色、将白光亮度定为100%
绿光最亮、红光为绿光一半、蓝光为红光1/3 亮度公式

两种色光相混合而成白光，这两种色光互为补色
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三基色

所有颜色可以看做三基色 的叠加，也可看做三种补 色的叠加
（b）减色 系
（a）加色 系
Primary and secondary colors: (a) additive colors red, green, and blue can be mixedto produce cyan, magenta, yellow, and white; (b) subtractive colors cyan, magenta, and yellow can be mixed to produce red, green, and blue, as well as black.
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RGB模型
R、G、B 在区间[ 0,1 ]内取值； 意色光F都可以用R、G、B三色 不同分量的相加混合而成： F＝ r [ R ] + g [ G ] + b [ B ]
RGB 24位 色彩 方块
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色彩模型——d

电视信号传送过程

彩色电视信号编解码过程，如下图
彩 色 坐 标 变 换 Y U V A/D A/D A/D 信 道 R 彩 色 坐 标 变 换 D/A D/A D/A 解 码 器 映 射 变 换 量 化 器 编 码 器 调制
VG () VR()
5 00 6 00 波长 / nm
7 00
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视觉范围和分辨力

视觉范围 人眼能够感觉的亮度范围（称为视觉范围）极宽，从百分之 几尼特（cd/m2）直到几百万尼特。其所以如此之宽，是由 于依靠了瞳孔和光敏细胞的调节作用。瞳孔根据外界光的强 弱调节其大小，使射到视网膜上的光通量尽可能是适中的。 在强光和弱光下，分别由锥状细胞和杆状细胞作用，而后者 的灵敏度是前者的1万倍。 人眼适应某一平均亮度后，能感受的亮度范围小 人眼的明暗感觉是相对的。 人眼能适应的平均亮度范围很宽，总视觉范围宽
Y：Luma(亮度)、U和V：Chroma（色度） 优化彩色视频信号的传输，使其向后兼容老式黑白电视 被欧洲电视系统PAL和SECAM采用

YIQ模型

Y：Luma(亮度)、I和Q：Chroma（色度） 被北美的电视系统NTSC采用

HSI模型

Hue(色调)、Saturation(饱和度)、luminance(亮度) 面向彩色处理应用

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视觉范围和分辨力
•
引言
• 人眼在感知外界景物时，并非景物的所有信息都能被看到，在一定距离 之外，景物中一些过小、过细的内容就无法被觉察。这说明人眼分辨景 物细节的能力是有限的。
•
分辨力
• 人眼分辨景物细节的能力 • 用分辨角的倒数来定义

分辨力很大程度上取决于环境照度。照度过低或过高，视力下 降 人眼对彩色细节的分辨力要远低于对黑白细节的分辨力。根据 这一特性，在彩色电视中只传送黑白图像细节，而不传送彩色 细节，以减少色信号的带宽（大面积着色原理的依据）
白色-蓝色=黄色

以吸收三基色的比例不同而配成不同颜色

颜料（青色+黄色）=白色-红色-蓝色=绿色
颜料（青色+品红）=白色-红色-绿色=蓝色 颜料（黄色+品红）=白色-蓝色-绿色=红色
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色彩模型——1

RGB模型

Red、Green、Blue

面向硬件设备（CRT、打印机）

YUV模型

数字图像处理导论
Principles of Digital Image Processing: Fundamental Techniques
主 邮
讲： 赵歆波 箱： xbozhao@
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人眼的构造

角膜、巩膜、虹膜 瞳孔（睫状肌） 视网膜 锥状光敏细胞（600-700万）：一个连接一个神经末梢、图像细节 、彩色、白昼视觉 杆状光敏细胞（7600-15000万）：多个连接一根神经、分辨力低、 低照度敏感、非彩色、夜视觉 水晶体 前室、后室


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人眼的构造
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人眼的视觉特性

人眼的视网膜上有大量的光敏细胞，按其形状可分为杆状细胞和锥 状细胞。这两种细胞在视觉特性上有着不同的性能和作用，两者给 出的视觉效应是不一样的。

杆状细胞的感光灵敏度很高，在低照度时，主要靠它分辨明暗，但 对彩色不敏感。
锥状细胞感光灵敏度较低，在微弱的光线下不起作用，但在光线较 为明亮时既能感知各种明暗层次又能辨别出光的颜色。
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相减混色


利用颜料、染料等的吸色性质实现
在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收 蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红 把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，由于颜料吸收了红 色和蓝色，而反射了绿色

反射
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相减混色

颜料三基色

白色-红色=青色
白色-绿色=品红

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视觉范围和分辨力
• •
分辨角 • 在被观察物体上，人眼能分辨出的最近两个相邻点对眼睛形成的张角 测试方法 • 设人眼刚能分辨出白色屏幕上的两个黑点a和b，这时a和b之间的距 离为d，a和b对眼睛形成的张角为 ，则 就是分辨角。分辨角越小， 说明人眼的分辨力越高，也即视力越好。
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视觉适应性


观察P1和P2两个画面，P1和P2的亮度均可调节。保持P1亮 度从B缓慢递增至B＋ΔBmin，直到眼睛刚刚觉察到两者的亮 度有差别为止。此时，认为在这个亮度下的亮度感觉差了一 级。用相同的方法，可以求出不同亮度的主观亮度感觉级数 ，并制成曲线图。曲线的意义是实际亮度变化所引起的主观 亮度感觉变化。图中横坐标代表实际亮度的变化，以尼特（ 1nit=1cd/m2）为单位：纵坐标代表主观亮度感觉的级数。