数字图像处理学：第2章 图像、图像处理系统及视觉系统（第2－2讲）.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字图像处理学,第,2,章,图像、图像系统与视觉系统,（第二讲）,2.3,视觉系统,在图像处理中所采用的许多处理技术，其主要目的是帮助观察者理解和分析图像中的某些内容。因此，图像处理系统不但应该是从视觉系统的角度来看是理想的系统，而且又是最经济有效的系统。为了达到预期的目的，在图像处理中不但要考虑图像的客观性质而且也要考虑视觉系统的主观性质。,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,夜视觉,。杆状体分布面积较大，其数量大约有亿千万个。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。,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,110,6,（尼特,),(cd/m,2,),。,人感觉光的范围的最大值和最小值之比达到 10,10,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。,图,233,锥状体(,a),和杆状体(,b),的相对灵敏度特性,光觉门限与刺激面积和刺激时间有密切关系,。关于光觉门限与刺激面积的关系有里克（,Ricco,）定律和里波（,Riper,）定律来描述。当刺激面积较小时，光觉门限的强度,I,与面积,A,的关系遵循下式之关系，即：,(2,47),刺激面积大，光觉门限小,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,o,处的亚中央凹处大约为,0.5,以内；距中央凹处,左右约,以内都适合本定理。当刺激面积较大时，有下式的关系成立,(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：,(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,234,所示。这些曲线是斯坦哈特（,Steinhardt,）在年测定的。,图,234,相对亮度辨别门限 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。,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,450670nm,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。,2),、,有关色觉的学说,自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,),。,。,赫林,的假说是在视网膜上有红绿物质，黄蓝物质，白黑物质。在光刺激下，各物质同时向对立的方向发生化学变化，向两个方向变化的程度根据刺激的波长不同而不同，由此产生色觉。赫林的,相对色假说,对说明色适应和色对比现象理由较好，但对色盲的性质却不能加以详细说明。,三原色假说,和,相对色假说,考虑方法是对立的，本世纪也有提倡一种折衷的假说，如,Ladd-,Franklindel,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。,2.4.1,、颜色的表示方法及观察条件,颜色的表示方法大体上有二套方法。,芒塞尔,(,Munsell,),表示系统：,设置一套作为标准的颜色样本，被试的颜色与样本进行比较，然后用特殊的记号来表示。,CIE,表示系统：,取决于刺激光的物理性质和色的感觉的对应关系。用与这个规定的相对应的量来表示试料的光的物理性质。这就是国际上规定的,CIE,表示系统。,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。,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。,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。,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,白蓝绿红黑,格拉斯曼定律（,Grassman,Law),包括如下四项内容：,（）所有颜色都可以用互相独立的三基色混合得,到；,（）假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度,也相等；,（）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；,（）混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总,和。,这里色调、色饱和度及亮度是表示色觉程度的量。,色调,表示各种颜色的种类的术语；,色饱和度,表示颜色深浅（添加白光的多少）。,以三基色为基础的格拉斯曼定律可用下式表示,F,（,）（,）（,）,(2,50),2.4,.,3,、,CIE,的,R,、,G,、,B,颜色表示系统,国际照明委员会（,CIE,）规定：,红色,（波长,700.00nm,），,绿色,（波长,546.1nm,）,蓝色,（波长,438.8nm,）,这就是,CIE,的,R,、,G,、,B,颜色表示系统。,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,1,lm,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,),(251),由上式可见，产生白光时三基色的比例关系是不等的，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)(252),1T,单位红光,=0.30,lm,；,1T,单位绿光,=0.59,lm,；,1T,单位蓝光,=0.11,lm,。,由此可知,T,单位与流明数的关系，在需要的时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。,三角形的中心就是三基色分量都相等的白色。以三角形三个边为界，其内部每一点都是三基色混合而成的颜色。穿过中心点的任何一条直线所连系的两种彩色互为补色，即两者混配起来就形成白色。越靠近三角形中点则色饱和度越低。,图,2,35,相加混色彩色三角形,对彩色的感觉必须考虑三个量，即：,色调,色饱和度,亮度。,彩色三角形是二维图形，因此，它只能表示色调和色饱和度，它不能表示亮度。,一般在彩色三角形上标上标度就可直接读出产生某给定色调所需的三基色比例。图,236,便是采用直角三角形表示的彩色三角形。图中每一色调的量取为个,T,单位。红色沿着,x,轴，绿色沿着,y,轴，给定的蓝色可简单地用格拉斯曼定律推出。,因为每一色调都规定,T,个单位，所以，任一色调的红、绿、蓝分量总和为，蓝色的,T,单位数就可以从减去红色和绿色的,T,单位而推出。,图,2,36,直角彩色三角形,例如点的颜色，这一色调位于,R=0.5,，,G=0.2,处，这说明，个单位的“”色调包含有,0.5T,单位的红色和,0.2T,单位的绿色。由格拉斯曼定律可算出蓝色量为,1-(0.5+0.2)=0.3,单位。也就是说个,T,单位的“”色调等于,0.5T,单位的红色，,0.2T,单位的绿色，,0.3T,单位的蓝色之和。,在,CIE,色度图,中，采用了假想的三基色。这样就可以画出一个包括一切彩色的色度图。其中假想的三基色位于于三角形的三个顶点，所有谱色都位于三角形内马蹄形曲线上。在马蹄形图的一部分曲线上注有波长数，这样就可以根据波长辨别颜色。在马蹄形的底部没有标度，这里是非谱色，波长在这里自然没有意义。,图,237 CIE,色度图,谱色,能以单色出现在光谱上而且有一定波长的彩色；,非谱色,不能作为单色出现在光谱上的颜色称为非谱色，各种紫红色就是非谱色的例子。,图中的点是标准白光。,作为标准光源，规定的有、三种，,光源,是绝对温度约为,2845,0,K,的全辐射体发出的光，其色度坐标为,x=0.4476,，,y=0.4075,。有代表性的就是白炽电灯发出的光。,光源,是绝对温度约为,4870,o,K,全辐射体发出的光，其色度坐标为,x=0.3485,，,y=0.3518,。,正午时刻直射的日光与其近似。在实验室中可由光源用特制的滤色镜得到。,光源,的绝对温度为,6740,o,K,，色度坐标为,x=0.3101,，,y=0.3163,。,直射的日光与天上蓝色天空的光混合起来近似于这种光源。,由于色觉与刺激视野有关，所以上述色度图对视野大约为,时成立。为了适应视野较大的场合，在年又定义了视野为,的颜色表示系统。,另外，也用“彩色图”表示颜色系统，最常见的是美国芒塞尔制。这是一个圆形的图形，它分为十大块扇形部分，如图,238,所示。每一扇形又分十小块，直径两端的色调互为补色，饱和度在圆周上最大，分级向圆心逐步减小，直到白色。,图,238,彩色图,从彩色图上可见，,5Y,是最黄的颜色，,10Y,则接近黄绿色，同理，,R,是最红色，,10R,近于红黄色，而,R,近于紫红色等等。总之，颜色表示系统有多种，除此之外还有,CIE1960UCS(Uniform Chromaticity Scale),ULCS(Uniform Light Chromaticity Scale),等。,2.5,亮度和颜色感觉的视觉特征,2.5,.,1,刺激强度与感觉的关系,对于感觉器官来说，刺激强度,I,产生,I,的变化，而且这个变化刚刚能辨别出来，那么对应于,I,的感觉,s,有下式成立,(2,53),两边积分后即成为式（,254,）的形式,(2,54),这个式子说明,感觉量与刺激强度的对数成比例,，式中的,I,0,为绝对门限值。这个关系叫韦伯费克纳法则,(Weber,Fechner,),。,关于刺激光的强度和颜色的感觉，由于在较暗的情况下只有杆状体起作用，所以此时并没有颜色感觉。亮度达到 时锥状体才起作用，也就是亮度达到所谓微明视觉的水平时才有色觉。,颜色刺激与颜色感觉的对应关系比较复杂，光的辉度变化时，颜色也变化，这种现象叫贝佐尔得布鲁克,(,Bezold,Brucke,),现象。,2.5,.,2,亮度适应和颜色适应,从较亮的场所到较暗的场所时，很难马上看到东西，相反，从较暗的场所到较亮的场所，也看不东西。一般把眼睛的状态适应明暗条件的变化叫亮度适应。从亮到暗的变化叫暗适应；从暗向亮的变化叫亮适应。一般亮适应时间较短，暗适应较长。,与亮度适应相区别，随着光的分布而变化，眼睛有对颜色刺激灵敏度变化的性质。例如，用强红光刺激眼睛后看本来是黄色的物体却是绿色的。这种,依赖光分布的视觉灵敏度现象叫色适应。,2.5,.,3,亮度对比和颜色对比,一般情况，在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感觉到的明暗程度也不同。图,239,中的圆环的亮度是一样的，但是，由于左右两边的背景不同，看到的圆环两边的明暗程度也不一样，背景暗会觉得圆环亮一些；背景亮会感觉圆环较暗。在观察颜色的场合也一样，在图形的色度一样，但背景颜色不一样时，感觉到的图形的色度也不一样。,刺激的亮度和色度受周围背景的影响而使其产生不同感觉的现象叫同时对比现象,。这里包括亮度对比和颜色对比。另外，在二个刺激相继出现的场合，后续刺激的感觉受到先行刺激的影响，这种现象叫,相继对比,。,实验表明，在背景亮度比目标亮度低的场合，感觉目标有一定亮度。当背景亮度比目标亮时，看到的目标就有暗得多的感觉。同时对比效果在背景大的场合比较显著，但不一定在目标被包围的情况下才产生，在其他场合也可以产生，只是效果小一些罢了。,关于对比效果有一定性的法则，即基尔希曼,(,Kirschman,),法则。其基本内容如下：,（）目标比背景小，颜色对比大；,（）颜色对比在空间分离的两个领域内也发生，间隔大时则效果较小；,（）背景大，对比量亦大；,（）明暗对比最小时，颜色对比最大；,（）明暗相同时，背景色度高对比量大；,（）亮度及颜色的恒定性。,亮度的恒定性,。,这种物理亮度在变化而感觉却有保持一定的倾向叫亮度的恒定性。,如,：白纸,煤堆,另外，在照明光的颜色稍微改变的场合，我们感觉白纸仍然是白纸。这一类照明光改变但感觉到物体颜色能稍微保持一定的倾向叫,颜色的恒定性,。这些恒定性与亮度和颜色的适应性与对比因素有关，同时也与材质有关。,5,4,颜色感觉与刺激面积的关系,对于一个色觉正常的人来说，颜色刺激面积非常小时就不能识别颜色了，这种色觉异常状态叫第三色盲。米德尔顿,(,Middleton),和霍姆斯,(,Holmes),曾用视角为 2,和 1,的目标研究了色度变化的感觉。,他们得到的结果是当面积较小时，橙、蓝、绿直线的感觉很接近，当更小时，就只有灰色的感觉了。这个原理被用到彩色电视机原理中，对减少传送频带作出了贡献。,2.5,.,5,主观颜色,如图,240,所示的黑白圆板。当它旋转时，我们将看到色度较低的颜色。因为这个现象不能用刺激光的分光特性来预测，所以叫主观色。当模型板缓慢旋转时，会看到,a,、,b,、,c,、,d,位置上的不同颜色。,图,240,贝纳姆（,Benham,）模型,5,6,记忆色,我们经常接触的物体，对它的特有的颜色会有记忆，这就是记忆色的概念。例如人的皮肤颜色，草木的颜色等很容易从颜色样本中选出来，这是人人都有的视觉倾向。,但是，一般来说记忆色与实际颜色并不一样，记忆色的色度和亮度比实际颜色都要高。记忆色与理想颜色的再现关系密切，无论在彩色电视技术上还是绘画上都受到广泛的关注。,2.5,.,7,进入色、后退色、膨胀色、收缩色,使你有拉近距离的颜色叫进入色，它有较长的波长,有推远距离感觉的颜色叫后退色，它有较短的波长。,使我们有物体变大的感觉，这叫膨胀色。,有的会有缩小的感觉，这叫收缩色。,这些特性又与亮度有关。亮度高的黄色有增大的感觉，亮度低的蓝色有缩小的感觉，除此之外，还有所谓的暖色、冷色等等。,2.5,.,8,颜色和爱好,颜色与人的感情有关。人们也各自有自己所爱好的颜色。这种爱好会随着性别、年龄、时代等因素而变化。另外，两种颜色相邻时，由配色而产生的和谐感也是一个重要的问题。有人作了大量研究，提出了一些所谓彩色和谐理论。,