数字信号处理办法第二章图像和视觉系统分析

1、图像和视觉系统分析2.1 视觉系统略2.2 光度学及色度学原理色彩是光的物理属性和人眼的视觉属性的综合反映。2.2.1 色彩的基本属性2.2.2 三基色混色及色度表示原理2.2.3 表示色彩的几种规范2.2.1 色彩的基本属性色度：取决于物体发出的或反射的光线的主导波长。饱和度：人眼对色彩浓淡（深浅）的感觉，又称彩度、浓度，取决于光的波长纯度（最接近的那个波长），在物体反射光的组成中，白光越少，其饱和度越大。亮度：人眼对彩色的明亮或暗淡的感觉，取决于物体发出的反射的光线的强度。2.2.1 色彩的基本属性2.2.1 色彩的基本属性彩色光的混合为相加性混合。颜料的色彩是当阳光照射到涂有颜料的物体表

2、面时，颜料吸收了除引起此色彩之外的一切波长的光，只有引起此色彩的波长才能被反射出来，即相减性色彩混合。 不同颜料之间会相互作用，不能简单地直接混合。2.2.2 三基色混色及色度表示原理相加混合法的三基色是红色、绿色、蓝色。一、色光相加的方法直接混色法：不同的基色光同时照射在一个全反射表面上混合产生新的混合彩色时间混合法：把两种以上的基色光以足够快的速度按顺序轮流照射到同一个表面上，由于人眼的视觉暂留效应而感觉到的混合彩色。空间混合法：把三种基色光分别照射在同一表面的三个足够邻近的点，由于人眼分辨力的限制而感觉到的混和彩色。生理混合法：两只眼睛同时分别观看两种不同彩色的同一景象而感觉到的混合彩色

3、。二、三基色相加混合示意图黄色品红青色白色三、彩色光混合规律补色律：等量混合后得到白色或黑色或灰色（介于黑、白之间）的两种彩色光称为互补色。如红与青、黄与蓝、绿与品红。中间色律：任何两种非互补色混合均产生中间色，其色度介于两者色度之间。如黄+红=橙；蓝+绿=青。替代律：相似的彩色混合后仍然相似。如蓝+黄=蓝+（红+绿）=白。亮度相加律：混合色光的总亮度等于组成混合色的各种彩色光亮度的综合。四、相减混色法三基色：黄、品红、青适用于不发光物体三基色能分别吸收各自的补色光相减混合所产生的彩色，其亮度会降低。2.2.3 表示色彩的几种规范一、RGB格式二、HSI格式三、RGB转HSI四、HSI转RGB

4、五、CMYK格式一、RGB格式品红青 HSI模型是Munseu提出的， 它反映了人的视觉系统观察彩色的方式，在艺术上经常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色调(Hue)，S表示饱和度(Saturation)， I表示亮度(Intensity，对应成像亮度和图像灰度)。这个模型的建立基于两个重要的事实： I分量与图像的彩色信息无关； H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。这些特点使得HSI模型非常适合借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法。 二、HSI格式二、HSI格式 色相环描述了色相和饱和度两个参数。色相由角度表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。一般假定0表示的颜色为红色

5、， 120的为绿色， 240的为蓝色。0到240的色相覆盖了所有可见光谱的彩色，在240到300之间为人眼可见的非光谱色（紫色）。 饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色越深， 如深红，深绿。饱和度参数是色环的原点（圆心）到彩色点的半径的长度。由色相环可以看出，环的边界上纯的或饱和的颜色， 其饱和度值为1。在中心是中性（灰色）阴影， 饱和度为0。 二、HSI格式 亮度是指光波作用于感受器所发生的效应，其大小由物体反射系数来决定，反射系数越大，物体的亮度愈大，反之愈小。 HSI模型的三个属性定义了一个三维柱形空间， 如图2-10所示。灰度阴影沿着轴线从底部的黑变到顶部的白，具有最高亮度。

6、最大饱和度的颜色位于圆柱上顶面的圆周上。 二、HSI格式二、HSI格式 三、RGB转HSI其中R、G、B均介于0，1四、HSI转RGB1、当H落在0度，120度时四、HSI转RGB2、当H落在120度，240度时四、HSI转RGB3、当H落在240度，360度时五、CMYK格式CMYK表色系统也是一种常用的表示颜色的方式。计算机屏幕显示通常用RGB表色系统，它是通过相加来产生其他颜色， 这种做法通常称为加色合成法(Additive Color Synthesis)。而在印刷工业上则通常用CMYK表色系统，它是通过颜色相减来产生其他颜色的，所以称这种方式为减色合成法(Subtractive Co

7、lor Synthesis)。CMYK模式的原色为青色(Cyan)、品红色(Magenta)、黄色(Yellow)和黑色（Black）。在处理图像时，一般不用CMYK模式， 主要是因为这种模式的文件大， 占用的磁盘空间和内存大。这种模式一般在印刷时使用。 2.3 亮度和颜色感觉的视觉特性刺激强度与感觉的关系视觉适应视觉对比颜色感觉与刺激面积的关系主观颜色暖色与冷色2.3.1 刺激强度和感觉的关系若光的辐射功率相同而波长不同，则引起的视觉效果也不同等能量分布的光谱中，人眼感到最暗的是红色，其次是蓝色和紫色，最亮的是黄绿色2.3.2 视觉适应亮度适应颜色适应距离适应一、亮度适应人眼的感受性随外界光

8、线的亮度的变化而变化的特性称为亮度适应性。从明亮处到昏暗处的暗适应时间一般为4-6分钟，完全适应需要20-30分钟。从昏暗处到明亮处的亮适应时间约1分钟。光线弱时，瞳孔扩大；而光线强时，瞳孔则缩小。因而在任何光亮度下，人们都能较容易地分形辨色。猫的眼睛。二、颜色适应白天，光谱上波长长的红光其色感显得鲜艳明亮，而波长短的蓝光则显得相对平淡逊色。但到了夜晚，当光谱上波长短的蓝光色感显得迷人惹眼时，而波长长的红光色感则显得惨淡虚弱。法国国旗中三条色带的面积实际比例为红：白：蓝= 33：30：37 ，而视觉距离为等距。在创作一幅用于悬挂在较暗室内环境中的磨漆画时，在色彩构成方面，不宜配置弱光中反射效果

9、极差的红、橙等暖润色 ，推荐选用少许光亮便能熠熠生辉的蓝、绿等冷调色搭配 。三、距离适应人眼构造中的水晶体能够自动改变厚度，使映像准确地投射到视网膜上。水晶体相当于相机的透镜，起到调节焦距的作用。 眼睛看清对象细节的本领不仅取决于物体大小，更取决于观察物体的距离，因此眼睛判断物体细节不是根据物体大小，而是根据视网膜上的物体图像来判断。所以大型的户外广告，由于观察距离较远，要减少局部细节以方便行人远距离观察。人眼在观察距离中，比较适宜的观察距离的范围一般为220m，广告的设置高度和距离要充分依据人的身高和平视效果。 2.3.3 视觉对比亮度对比颜色对比一、亮度对比亮度对比是由光强在空间上的不同分

10、布造成的，与视野中目标的亮度和周围背景有关。即视觉的主观亮度取决于目标与周围背景之间光照的相对强度。当投射到目标表面的光强增大时，只有在周围背景的光强不变的情况下，人眼视觉才会感觉目标更明亮些。马赫带：视觉图像的明暗过渡带两侧的亮带与暗带，由视觉细胞的侧抑制作用引起。二、颜色对比物体表面给人的主观颜色会受周围物体颜色的影响而发生色调的变化。将一个灰色圆环放在红色背景上，圆环将呈现绿色，放在黄色背景上，圆环将呈现蓝色。 对比使物体的色调向着背景颜色的补色的方向变化。2.3.4 颜色感觉与刺激面积的关系视网膜周围主要分布着视杆细胞，对景物明暗很敏感，不能提供色彩信息，且对景物的分辨率很低。视网膜中

11、央区域尤其是中心凹区大量分布着视锥细胞，对景物的色彩敏感，且对景物的分辨率高。注视一个景物时，不仅能够分辨景物的色彩和纹理，还能感知景物周围的明暗，进而感知周围环境的大致意义。2.3.5 主观颜色人眼的彩色视觉产生于视网膜上视锥细胞的三种类型，即红、绿、蓝三种。一般情况下，若有两组光谱成分不同的光，只要三种光敏细胞对它们的感觉相同，则主观彩色感觉就相同。2.3.6 暖色与冷色不同的色彩能够引起某种情绪，甚至能够影响某种情绪。暖色包括红色、橙色、黄色及其相近色。冷色包括青色、绿色、紫色及其相近色。暖色一般具有拉近距离的作用，冷色一般具有拉远距离的作用。狭小的房间墙壁涂成冷色则有扩张感，宽敞的房间

12、涂上暖色则显得不太空旷。暖色给人以明快感，冷色给人沉重感。2.4 视觉的空间性质（略）空间频率是指视像空间变化的快慢。清晰明快、纹理较多的图像具有更多的高频分量；模糊的图像只有低频空间成分。2.5 视觉的时间特性整合时间闪烁视野与视觉的关系运动感觉一、整合时间视觉图像的建立与消退都需要一定的时间。当光照的持续时间少于20ms时，光照的持续时间与光照的强度可以很好的相互补偿。在此时间范围内，持续时间和光强均可进行调整使得二者乘积不变。当光强增大时，可以降低持续时间，从而使得视觉效果不变。能使持续时间与光的强度相互补偿的时间范围叫做整合时间。二、闪烁当光照持续时间超过20ms时，光强的减弱就不能再用延长信号持续时间的办法进行弥补了；当持续时间超过250ms时，对闪光的视觉全部由光强决定，与持续时间无关。一系列每次持续时间相同的连续闪光可产生闪烁；若明暗间隔合适，闪烁看起来就是连续光。强闪光的整合