第二章人类视觉与色度学

第二章人类视觉与色度学第1页，课件共53页，创作于2023年2月第二节光学度的基本知识

一、电磁辐射和可见光

电磁波的波长范围非常广泛，根据电磁波的性质和应用范围，人们将其划分为宇宙射线、γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外、微波、无线电波等不同波段。第2页，课件共53页，创作于2023年2月

电磁波辐射波谱第3页，课件共53页，创作于2023年2月

太阳辐射功率波谱煤粉燃烧辐射功率波谱第4页，课件共53页，创作于2023年2月

二、相对视敏函数在辐射功率相同的情况下，不同波长的光不仅给人不同的色彩感觉，而且也给人不同的亮度感觉。在获得相同的亮度感觉前提下，测出各种波长的辐射功率为P(λ)，其倒数(2-1)

便称波长λ的光的视敏度。视敏度说明人眼对这种波长的光的灵敏度。它小说明人眼对该种波长的光不够敏感。人眼对555nm的光有最大的敏感度，即第5页，课件共53页，创作于2023年2月

于是相对视敏函数为(2-2)其曲线如图所示。相对视敏函数曲线第6页，课件共53页，创作于2023年2月

三、光通量

可见光是电磁波，因此有两种描述可见光方法：一种是辐射量方法，一种光学量衡量可见光对人的视觉刺激程度的量为光通量，其定义为（2－3）光通量的单位是流明（lm）。1W辐射功率的555nm波长的单色光所产生的光通量为680lm。于是光瓦和流明的关系为1W=680lm第7页，课件共53页，创作于2023年2月

四、发光强度发光强度为光源在单位立体角内发出的光通量，简称光强，用I表示，它和光通量的关系为

单位为坎德拉（cd）。若光源是各向同性的，发光强度为I的点光源，它向全空间发射的光通量为

光通量的单位流明（lm）等于坎德拉·球面度。(2-4)(2-5)第8页，课件共53页，创作于2023年2月

五、亮度

亮度是用来描述发光表面的明亮程度的，它定义为光源单位面积在法线方向的发光强度，称为光源亮度。而客观亮度B是观察者所看到的亮度，其定义为

亮度的单位为每平方米坎德拉

(2-6)第9页，课件共53页，创作于2023年2月图α为观察方向与面元ds法线的夹角，I为发光强度。显然客观亮度与观察者观察角度有关。客观亮度（以后简称亮度）是图像处理中最常用的物理量之一。

第10页，课件共53页，创作于2023年2月六、照度

受照面上某点的照度E是通过包含该点单位面积的光通量，即

(2-7)其单位是勒克司（lx）。1勒克司是1平方米表面上照射1流明的光通量。照度是光源对物体辐射的一种度量。在自然光照射下，各环境中的照度列于表2－1中。第11页，课件共53页，创作于2023年2月第三节人眼的视觉特性

一、明暗和彩色视觉

由于光照条件不同，人眼的锥状细胞和杆状细胞在视觉过程中起的作用不同，于是就有了人眼的明、暗视觉视敏函数曲线之分。

第12页，课件共53页，创作于2023年2月

人眼相对视敏函数曲线彩色视觉是一种明视觉，描述彩色的方法很多，一种是用亮度、色调和饱和度三个量来描述，称为彩色三要素。第13页，课件共53页，创作于2023年2月

不同波长的光会引起人眼的不同颜色感觉，但同一种颜色可以用不同的光谱成份加以合成。第14页，课件共53页，创作于2023年2月

视觉三色假说假设人的视网膜上存在3种不同的锥状细胞，分别对红、绿、蓝三色光十分敏感，它们的相对视敏函数曲线如图所示，这三条曲线叠加便是图中的明视觉视敏函数曲线。当一种色光进入眼睛之中，它同时不同程度地激发这3种锥状细胞，它们总的刺激结果产生了对该可见光色彩的感觉第15页，课件共53页，创作于2023年2月

设外界色光的功率波谱为P(λ),则对于三种色敏锥状细胞来说，其光通量分别为

(2-8)(2-9)

(2-10)

大脑根据FR、FG、FB三色的比例获得总的色度感觉，而三者合成的总光通量决定了总的亮度感觉。第16页，课件共53页，创作于2023年2月二、视觉范围和分辨力

视觉范围:指人眼所能感觉的亮度范围。人眼的明暗感觉是相对的，但由于人眼能适应的平均亮度范围很宽（100：1），所以总的亮度适应范围才很宽。第17页，课件共53页，创作于2023年2月

人眼的分辨力是指人眼在一定距离上能区分相近两点的能力，可以用能区分的最小视角θ之倒数来描述(2-11)

d表示能区分的两点间的最小距离，L为眼睛和该两点连线的垂直距离。第18页，课件共53页，创作于2023年2月

人眼的分辨力还和被观察对象的相对对比度Cr有关,如果用B和Bo分别表示对象和背景的亮度，则相对对比度Cr定义为(2-12)

当Cr小时，表明对象和背景的亮度很接近，此时，分辨力下降。此外，运动速度也会影响分辨力，速度大，则分辨力下降。第19页，课件共53页，创作于2023年2月

人眼对灰度图像灰度分别率一般为32级，图为不同灰度等级下的图像。不同灰度等级下的图像第20页，课件共53页，创作于2023年2月

人眼对彩色的分辨能力要比对黑白的分辨能力低。就是对于不同彩色，人眼的分辨能力也不相同。表给出了当把对黑白细节的分辨能力定为100见时，人眼对其他彩色的分辨力。第21页，课件共53页，创作于2023年2月三、视觉适应性

暗适应性：当我们从明亮处走进黑屋时，眼前会感到一片漆黑，但过一会后，视觉便会逐渐恢复，人眼这种适应暗环境的能力称为暗适应性。和暗适应性相比，亮适应性过程要快得多，通常只需几秒钟。

色调对比效应：在不同彩色背景中观察同一彩色，会感到彩色色调不同。

第22页，课件共53页，创作于2023年2月四、亮度感觉

实际上人眼感觉到的主观感觉亮度S与实际亮度B之间的关系不是线性关系，而是一个对数线性关系，其为

式中K、K0均为常数。这一规律为韦伯－费赫涅尔（Weber-Fechner）定律。(2-13)第23页，课件共53页，创作于2023年2月图2－10主观感觉亮度和亮度的关系主观感觉亮度和亮度的关系第24页，课件共53页，创作于2023年2月

重现的影像的亮度无需等于实际影像的亮度，而只需保持两者的最大亮度Bmax和最小亮度Bmin之比C不变就可以,比值

（2－14）称为对比度。人眼不能辨别的亮度差别，在重现时也没有必要复制出来。第25页，课件共53页，创作于2023年2月五、视觉惰性

由于人眼对于亮度的突变并不是马上就适应的，而是需要一定的适应程时间，人眼这种对亮度改变所呈现出的滞后响应特性称为视觉惰性。

第26页，课件共53页，创作于2023年2月

马赫带效应:人眼对图像边缘特别敏感，图为5个不同灰度的条带，每个条带内的亮度是一常数，我们可以感到有强烈边缘效应，这种现象称为马赫带效应。马赫带效应示意图第27页，课件共53页，创作于2023年2月六、视觉感知模型

低通－对数－高通模型是根据人眼对外界光刺激的感知过程建立起来的模型。第28页，课件共53页，创作于2023年2月第四节色度学基础

一、三基色原理与RGB模型第29页，课件共53页，创作于2023年2月

人们发现：自然界常见的各种色光都可以由红、绿、蓝三种光按不同比例相配而成，同样，绝大多数色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光，这是便是色度学中的三基色原理。为了统一标准，国际照明委员会（CIE）1931年规定：分别取水银光谱中波长为700nm、546.1nm和435.8nm的红、绿、蓝光为作为标准的红(R，Red)、绿(G,Green)、蓝(B,Blue)基色光。第30页，课件共53页，创作于2023年2月

将三基色按不同比例进行相加混色的方法称为相加混色。由红、绿、蓝三基色进行相加混色的情况如图示。图相加混色第31页，课件共53页，创作于2023年2月

国际上规定波长为700nm，光通量为1W的红光作为一个红基色单位，用[R]表示。波长为546.1nm，光通量为4.5907W的绿光作为一个绿基色单位，用[G]表示。波长为435.8nm，光通量为0.0601W的蓝光作为一个蓝基色单位，用[B]表示。则任何色光的配色方程式为

其中r1、g1、b1为三基色的单位数。标准白色光配色方程式为

即标准白色光是由1份红光，1份绿光，1份蓝光组成。（2－15）第32页，课件共53页，创作于2023年2月

色彩的亮度与r1、g1、b1有关，亮度Y与r1、g1、b1的关系为（在PAL制电视信号中）

色彩的种类与各基色的比例有关，常用（r1，g1，b1）三个分量表示。也可用相对比例来表示，设m=r1+g1+b1,则r=r1/m,g=g1/m，b=b1/m。r，g，b代表三基色分量的比例，称RGB制的色度坐标，或相对系数，m为各分量的代数之和，称为色模。因此，配色方程式又可如下的色彩公式

（2－16）（2－17）第33页，课件共53页，创作于2023年2月

为此，就有了相对系数与具体色彩关系的色彩图表，即色度图。它的用图途：在图上指定一种色彩，即可查出相应的r，g，b三个分量。直角三角型色度系统第34页，课件共53页，创作于2023年2月

1931年国际照明委员会规定了标准CIE色度图，色度图中的三种基色单位为[X]、[Y]、[Z],色彩公式为（2－18）其中[X]、[Y]、[Z]不是真正的红、绿、蓝三基色，而是一种人为设定的三基色单位，它们与[R]、[G]、[B]的关系

（2－19）第35页，课件共53页，创作于2023年2月

色彩公式又可写为

其中m=x1+y1+z1称为色模数，x=x1/m,y=y1/m，z=z1/m,x+y+z=1。如图示标准CIE色度图的坐标即为x，y。（2－20）第36页，课件共53页，创作于2023年2月

彩色光的合成也可以依据人眼的视觉特性利用如下方法实现：（1）空间混色法（2）时间混色法（3）生理混色法第37页，课件共53页，创作于2023年2月

各种相加混色法适用于发光物体，对于一个不发光的无源物体来说，物体的颜色由该物体吸收或反射哪些光波决定，因此表示物体颜色的方法是相减混色法。第38页，课件共53页，创作于2023年2月

相加混色和相减混色的关系，如表所示。第39页，课件共53页，创作于2023年2月二、其它颜色模型

（一）HSI模型

在HSI模型中，用色调H(hue)又称色相来描述色彩类型。在HSI模型中，用饱和度S(saturation)来颜色的鲜明程度。在HSI模型中，用亮度I(intensity,对应成像亮度)又称明暗度，来描述颜色的相对明暗程度。第40页，课件共53页，创作于2023年2月

HSI模型的两个特点：

（1）I分量与图像的色彩信息无关（2）H与I分量与人感受颜色的方式是紧密相联的第41页，课件共53页，创作于2023年2月

图为色相环，其中色调由角度来表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。色相环第42页，课件共53页，创作于2023年2月

HSI模型的三个属性定义了一个三维柱形空间。第43页，课件共53页，创作于2023年2月（二）YIQ、YUV和YCrCb模型

为了利用人的视觉特性以降低数据量，通常把RGB空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。目前采用的彩色空间变换有三种：YIQ，YUV和YCrCb。每一种彩色空间都用一种亮度分量信号和两种色度分量信号，而每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备。第44页，课件共53页，创作于2023年2月

在彩色电视制式中，使用YUV和YIQ模型来表示彩色图像。在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，Y表示亮度，U，V用来表示色差，U，V是构成彩色的两个分量；即

（2－21）

在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I，Q是两个彩色分量。第45页，课件共53页，创作于2023年2月

YUV表示