（电路与系统专业论文）彩色图像色调增强技术研究.pdf

c l 玎 l c d p d p p a l n t s c c s f c 正 u s m 山东大学硕士学位论文 符号说明 c a t h o d er a yt u b ed i s p l a y ，阴极射线管 l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，液晶显示器 p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，等离子显示器 p h a s ea l t e r n a t i o nl i n e ，逐行倒相 n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ，国家电视制式委员会 c o n t r a s ts e n s i t i v ef u n c t i o n ，对比度敏感函数 c o m m i s s i o ni n t e m a t i o n a l ed el ec l a i r a g e ，国际照明委员会 u n s h a r pm a s k i n g , 反锐化掩模法 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 颦益 日期：巡：丝丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盟导师签名：墨型! 日 期：塑鲎：竺汐 山东大学硕士学位论文 摘要 随着计算机性能的不断提高、多媒体技术不断完善，特别是彩色成像设备的 不断改进，彩色图像的应用越来越广泛，基于彩色图像的处理技术也显得日益重 要。在显示器领域，液晶显示器虽然有着轻薄、省电、无辐射、高清高亮、接口 丰富等优点，但在色彩表现方面存在先天的缺陷，因此液晶显示器彩色图像的增 强技术得到越来越多人的关注。针对液晶显示器色彩表现差的问题，我们采用对 l c d 图像处理单元进行改进的方法，主要是对彩色图像的亮度、对比度及饱和度进 行处理，以达到增强l c d 色彩表现力的目的。 在介绍课题背景及意义的基础上，对彩色图像增强处理的发展动态进行了简 要说明，并介绍了人类视觉基本原理、人眼视觉特性以及色度学的基础知识，为 后续工作打下了理论基础。 传统的灰度图像空域增强算法包括线性变换、非线性变换、直方图修正、平 滑滤波、锐化滤波等。将这些算法应用到彩色图像，并分析了这些算法的优缺点。 对彩色图像的亮度分量，提出了基于小波变换的彩色图像增强方法。在符合 人眼视觉特性的h s v 空间中，对亮度分量进行小波分解后，根据低频系数和高频系 数的不同特性，对它们分别进行处理。对表示图像细节的高频系数，根据局部方 差的大小，将之分为低对比度区( 平滑区) 、中等对比度区和高对比度区。根据人眼 对图像平滑区域噪声比较敏感这一视觉特性，对平滑区不进行处理：对中等对比 度区域和高对比度区域采用不同增强系数的非线性反锐化掩模方法进行处理，这 样既可以增强图像细节，又能够抑制噪声。对表述图像概貌的低频系数进行非线 性函数映射，以增强图像整体对比度和亮度。对彩色图像的饱和度分量进行简单 的指数拉伸。处理后彩色图像不管是从亮度方面、细节方面，还是色彩表现方面 都有了显著的增强，得到了较好的视觉效果。 同时，根据饱和度分割算法，提出了一种新的与亮度关联的彩色图像饱和度 增强算法。在h s v 色彩空间，利用色度空间分割算法，将饱和度分量分割为饱和度 很高、饱和度高、饱和度低和饱和度很低四个区域。按照人眼对自然界不同饱和 度颜色的感应，对不同的饱和度区域利用调整曲线进行处理。对饱和度高、饱和 山东大学硕士学位论文 度低两个区域采用正增强方法提高饱和度；对饱和度很高区域采用负增强方法， 适当降低饱和度。然后，根据人眼视觉特性，利用亮度饱和度相关系数引入亮度 反馈，对饱和度进行进一步处理，使之更符合人眼感知特性。通过选择适当的参 数，可以使饱和度失真的图像得到较好的增强。 关键词：彩色图像增强；彩色模型；视觉特性；小波分解；色饱和度增强 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rc a p a b i l i t y , t h em a t u r i t yo fm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , a n de s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o l o ri m a g i n gd e v i c e ，c o l o ri m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t e s p e c i a l l yi nd i s p l a yf i e l d ， t h en e w l ye m e r g i n gl c dd i s p l a yh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sp o r t a b i l i t y , l e s s c o n s u m p t i o no fp o w e r , n or a d i a t i o n , h i g hd e f i n i t i o n , h i g l lb r i g h t n e s sa n da b u n d a n t i n t e r f a c e s b u td u et ot h ed e f e c to ft h ec o l o re x p r e s s i o n , m o r ea n dm o r ep e o p l ed e v o t e d t ot h ec o l o ri m a g ee n h a n c e m e n tt e c h n o l o g yo fl c d a c c o r d i n gt ot h i sp r o b l e m ，t h i s p a p e rm a i n l yi m p r o v e st h el c di m a g ep r o c e s s i n gc e l lb yp r o c e s s i n gt h el u m i n a n c e ， c o n t r a s ta n ds a t u r a t i o no fc o l o ri m a g et oi m p r o v et h ec o l o re x p r e s s i v ea b i l i t y b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t , t h i s p a p e re x p l a i n e st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fc o l o ri m a g ee n h a n c e m e n tb r i e f l y t h e n i n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fh u m a nv i s i o n , t h ef a c t o ro fh u m a nv i s i o na n db a s i c k n o w l e d g eo fc o l o r i m e t r y t h ec o n v e n t i o n a ls p a t i a ld o m a i ne n h a n c e m e n tm e t h o d so ft h eg r a yi m a g ei n c l u d e l i n e a rt r a n s f o r m a t i o n ,n o n l i n e a rt r a n s f o r m a t i o n , h i s t o g r a mc o r r e c t i o n ,s m o o t h i n g f i l t e r i n ga n ds h a r pf i l t e r i n g i nt h i sp a p e rt h e s ea l g o r i t h m sa r ea p p l i e dt oc o l o ri m a g e p r o c e s s i n ga n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d f o rl u m i n a n c ec o m p o n e n t , an e wm e t h o do fc o l o ri m a g ee n h a n c e m e n tb a s e do n t h ew a v e l e tt r a n s f o r mi sp r o p o s e d i nh s vs p a c ew h i c ha c c o r dw i t hh u m a nv i s u a l s y s t e m ，t h el o wf r e q u e n c yc o e f f i c i e n ta n dh i g l lf i e q u e n c yc o e f f i c i e n to ft h el u m i n a n c e c o m p o n e n tw h i c ha r ed e c o m p o s e db yw a v e l e ta r ep r o c e s s e dr e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt o t h e i rd i f f e r e n tp r o p e r t i e s f o rt h eh i g l lf r e q u e n c yc o e f f i c i e n tw h i c he x p r e s s e si m a g e d e t a i l s ，w eu s et h el o c a lv a r i a n c et od i v i d et h eh i g l lf r e q u e n c yc o m p o n e n ti n t os m o o t h r e g i o n ，m e d i u mc o n t r a s tr e g i o na n dh i 9 1 1c o n t r a s tr e g i o n b a s e do nt h eh u m a nv i s u a l p r o p e r t i e s ，i nt h es m o o t hr e g i o nw h i c hi ss e n s i t i v et on o i s e ，w ed on o t h i n g i nm e d i u m c o n t r a s tr e g i o na n dh i 曲c o n t r a s tr e g i o n ，w eu s et h en o n l i n e a ru n s h a r pm a s k i n gm e t h o d w h i c hh a sd i f f e r e n te n h a n c ec o e f f i c i e n t ，t h i sm e t h o dc a ne n h a n c et h el o c a li n f o r m a t i o n o fi m a g e sa n da l s oc a nr e s t r a i nt h en o i s e f o rt h el o wf r e q u e n c yc o e f f i c i e n tw h i c h e x p r e s s et h eg e n e r a la p p e a r a n c eo fi m a g e ，w eu s et h en o n l i n e a rm a p p i n gf u n c t i o nt o 3 山东大学硕士学位论文 e n h a n c et h eg l o b a lc o n t r a s ta n dl u m i n a n c eo fi m a g e n es a t u r a t i o nc o m p o n e n to fc o l o r i m a g ei se n h a n c e db ya ne x p o n e n t i a lf u n c t i o n a f t e rp r o c 豁s 吨t h ei m a g e sl u m i n a n c e , d e t a i l sa n dc o l o re x p r e s s i o na r ei m p r o v e d i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt os a t u r a t i o ns e g m e n t a t i o na l g o r i t h m , an e ws a t u r a t i o n e n h a n c e m e n ta l g o r i t h mw i ml u m i n a n c ec o m p o n e n ti sp r o p o s e d i nh s vs p a c e , t h e s a t u r a t i o nc o m p o n e n ti sd i v i d e di n t of o u rr e g i o n s ：v e r y - l l i # s a t u r a t i o n , h i g hs a t u r a t i o n , l o ws a t u r a t i o na n dv e r y - l o ws a t u r a t i o n t h ed i f f e r e n ts a t u r a t i o nr e g i o n sa r ep r o c e s s e d u s i n gad i f f e r e n ta d j u s t m e n tc 眦r v eb e c a u s et h ed i f f e r e n tv i s u a li n d u c t i o nf o rs a t u r a t i o n c o l o u r f o rt h eh i 曲s a t u r a t i o na n dl o ws a t u r a t i o nr e g i o n s ，w eu s ep o s i t i v ee n h a n c e m e n t t oi m p r o v et h es a t u r a t i o n , a n df o rt h ev e r y - h i g hs a t u r a t i o nr e g i o n , w eu s en e g a t i v e e n h a n c e m e n tt op r o p e r l yr e d u c et h es a t u r a t i o n f i n a l l y , f r o mt h el u m i n a n c e - s a t u r a t i o n c o r r e l a t i o nc o e f f i c i 铋t ，t h el u m i n a n c ef e e d b a c kw e r ep r o p o s e df o raf u r t h e rt r e a t m e n to f t h es a t u r a t i o nc o m p o n e n t , t h u st h es a t u r a t i o ni sm o r ea c c o r d 、析mt h eh u m a nv i s u a l p e r c e p t i o n t h e nt h ec o l o rs a t u r a t i o nd i s t o r t i o ni m a g ec a nb ee n h a n c e db yc h o o s i n g p r o p e rp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：c o l o r i m a g ee n h a n c e m e n t ，c o l o rs p a c e ，v i s u a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w a v e l e t r a n s f o t i n ，c o l o rs a t u r a t i o ne n h a n c e m e n t 4 山东大学硕士学位论文 第一章。引言 1 1 课题提出的背景与意义 近年来，随着计算机性能的不断提高、计算机视觉研究的不断进步、多媒体 技术和虚拟现实技术的不断完善，特别是彩色成像设备的不断改进，彩色图像的 应用越来越广泛，彩色图像处理受到了越来越多的重视。多年来，人们提出了很 多图像增强的算法，但这些算法大都适用于灰度图像的处理，而适用于彩色图像 增强的方法并不多。这主要是彩色图像的三基色( 即红、绿、蓝) 相关性很高，而 且人类对大脑中色彩的处理机制仍未完全理解，使得彩色图像的处理远比灰度图 像复杂。 显示器作为现代人类生活不可或缺的工具，有着越来越重要的作用，随着技 术的不断进步，显示器也在不断的更新换代。液晶显示器作为新一代显示系统， 与c r t 显示器相比，具有图像清晰度高、外观时尚美观、使用寿命长、环保节能 等优点。随着价格的不断下降，液晶显示器得到越来越多的人的青睐，并有逐步 取代c r t 显示器的趋势。但是，液晶显示器同样存在或多或少的缺点，其中对于 l c d 技术的批评往往在其色彩的表现上，l c d 的色彩不如c r t 和p d p 漂亮。我们首 先来看一组数据，传统c r t 显示器的基本都可以显示3 2 位色彩，色彩表现数量大约 是4 3 亿，p d p 等离子显示器也可以达到几十亿，而l c d 的色彩表现数量只有1 6 7 m ， 在色彩表现上多少有些偏差。正因为如此，各大厂商及研究机构一直把提高液晶 显示器色彩饱和度作为一项重要研究课题。 l c d 显示的一个重要的技术指标是显示色彩。c r t 显示器所能表现出的色彩 可以达到4 3 亿，因为它是模拟设备，只需改变红绿蓝三种模拟信号的强度就可以 得到不同的色彩。而l c d 子像素显示的颜色取决于色彩过滤器。由于液晶本身没 有颜色，所以用滤色片产生各种颜色，而不是子像素，子像素只能通过控制光线 的通过强度来调节灰阶，只有少数主动矩阵显示采用模拟信号控制，大多数则采 用数字信号控制技术。大部分数字控制的l c d 都采用了8 位控制器，可以产生2 5 6 级灰阶。每个子像素能够表现2 5 6 级，那么就能够得至1 2 5 6 x 3 种色彩，每个像素能 6 山东大学硕士学位论文 够表现1 6 ，7 7 7 ，2 1 6 种成色。因为人的眼睛对亮度的感觉并不是线性变化的，人眼对 低亮度的变化更加敏感，所以这种2 4 位的色度并不能达到理想要求。因此，提高 液晶显示器的色彩饱和度，扩展液晶显示器色域，再现完美的色彩显示，具有较 强的现实意义和研究价值。 近年来，很多厂商都提出了各自的增强l c d 显示器色彩表现的方案，如改进 显示器驱动电路，改进背光源，或者采用具有高清晰、高透过和高偏旋光性的偏 光膜和性能更好的彩色滤光片等等，但这些方法由于种种条件的限制并不能较好 的推广应用，于是针对l c d 图像处理单元的改进越来越得到大家的重视，l c d 图像 处理单元的改进主要采用集成电路芯片，对显示器的亮度、对比度、色彩饱和度 进行整体调整和改进，以达到改善l c d 色彩表现的目的。 1 2 彩色图像增强研究的发展动态 因为技术和所使用的工具简单，原来数字增强的许多工作往往都局限于对黑 白图像的应用，然而，几乎所有的自然图像都是彩色的，特别是彩色图像更适合 人类解读，如今我们淹没在彩色信息媒体的海洋里，譬如彩色电视，彩色电影和 彩色照片等，因此彩色图像增强处理的需要越来越多，也越来越重要。 1 2 1颜色理论 彩色图像与黑白图像相比，包含了更多的信息。从视觉角度来讲，人只能在 2 5 6 灰度级中分辨出4 0 个左右的灰度，而当映射到不同的彩色后，就能看到更多的 影调。对于灰度图像，它所提供给我们的信息是非常有限的，随着各种应用需要 的增加和计算机技术的飞速发展，人们对彩色图像的处理兴趣越来越浓，处理彩 色图像的能力也在不断地提高。 对颜色现象生物学本质的研究是对颜色研究的一个重要方面。在1 9 世纪初， y o u n ga n dh e l m h o l z 就提出了颜色视觉的三原色模型啦】，论述了颜色感知的初级阶 段。而h 甜n g 在1 8 7 8 年又提出了颜色视觉对抗过程理论【3 1 ，简称为对抗色理论。在 很长一段时间里，三原色理论和对抗色理论持不同观点共同存在，但最终都被证 明是正确的。事实上，这两个理论共同描述了在视网膜和视觉大脑皮层中的不同 7 山东大学硕士学位论文 视觉信息处理阶段。 颜色空间是定义各种颜色在二个三维空间中的排列，在彩色图像处理研究中， 颜色空间又称为颜色坐标系或颜色模型，颜色由颜色空间中的点来指定。两种颜 色之间感知上的差别被称为色差。在一个理想的颜色空间中，色差对应两个点指 定颜色之间的欧氏距离。色差的定义和度量是彩色设备及颜色信息应用的基础。 对于色差的研究在实验心理学领域进展地较好，但在计算机视觉的研究中还很缺 乏。 颜色空间有多种类型的定义，在彩色图像处理中，r g b 颜色空间是最基本、 最常用的颜色空间。但是r g b 颜色空间对于颜色感知来说是非均匀的，存在着自 身的缺陷 4 1 。1 9 7 6 年，c i e 推荐了c i e l a b 和c i e l u v 两种颜色空间，目前仍得到广泛 的使用嘲。1 9 9 5 年，基于b u m s 的研究工作，c i e 推荐了新的一套色差度量公式【6 , 7 1 。 l e v k o w i t z 证明了c i e n i v 颜色空间也不是完全均匀的【引，在欧氏空间内不存在理想 的均匀颜色空间。 另外还有一些在彩色电视系统中使用的颜色空间，在这一系统中选用不同颜 色空间的目的就是通过降低各r g b 分量之间的相关性从而减小信号传送的带宽。 降低相关性的主要方法就是计算颜色的统计独立分量构造一个正交颜色空间。应 用于不同的电视系统中一些颜色空间的颜色分量是统计上近似独立的。其中，吖 颜色空间用于p a l f l j 式电视系统，y i q 颜色空间应用于n t s c 电视制式，y c b c r 是 用于电视图像标准数字编码的推荐颜色空剐9 1 。而i l l 2 1 3 颜色空间是一种颜色分量与 图像的表示样本在统计上完全独立的颜色空间【l o l ，这一空间的颜色分量对k l 变 换结果有非常好的近似，对r g b 分量的非相关化来说是最好的【】，正交颜色空间 是彩色图像编码和压缩的基础。 基本的r g b 颜色空间的一个主要缺点是不直观。不可能直接从r g b 数值估计 出颜色的色度、饱和度和亮度等感知特征。人们设计了许多算法来把r g b 数值映 射到颜色的感知特性。通常把这些映射得到的颜色空间称为感知的颜色空间，包 括h i s ，h s v ，l h s ，g l h s 等，这些颜色空间广泛用于彩色图像处理中，它们的 基础是对亮度的定义，通常用r g b 各分量之和来计算亮度，也有的颜色空间对亮 度计算的方法有所不同【1 2 】，但都是线性计算。颜色的饱和度表示在颜色感知中颜 色刺激值的纯度；色度指的是颜色光的波长。从r g b 量值到亮度、色度、饱和度 山东大学硕士学位论文 的具体计算公式在文献【1 3 , 1 4 l 有详细的介绍，这些公式相当烦杂，也有人们提出一 些算法来简化公式计算过程【1 5 1 。 1 2 2 彩色图像增强发展动态 在对彩色图像进行处理时，大多数人使用的是r g b 模型，所以通常是对三帧 图像分开处理。然后，再对三幅图像进行合成，形成彩色图像。在过去的十年， 处理彩色图像的彩色传感器和硬件的价格变得更容易接受，结果导致全彩色图像 处理技术的应用日益广泛，包括印刷、可视化和互联网应用。这也促使彩色图像 增强技术得到迅速发展。 进行彩色图像增强时需要考虑两个重要问题，一个是针对应用选择合适的彩 色空间，黑白图像可以认为是在相应空间位置表现亮度的一维标量值，与之对照 的，彩色图像可以认为是在一个空间位置有三维向量值，也就是广为人知的“三原 色理论”。许多三维彩色空间已经发展起来了，譬如r g b ，y i q 和l h s 空间，大多 数图像处理算法都是由黑白图像增强发展起来的，但是当把这些算法独立的应用 到彩色图像r 、g 、b 部分时，都会引起令人无法忍受的彩色伪像现象，彩色图像 增强算法必须保持场景的自然表现，因此必须避免产生伪像，选择合适的彩色空 间必须符合这个要求。 第二个问题涉及到图像处理方法，已有的针对单色图像处理的图像增强技术 并不适宜应用到彩色图像上，例如，著名对比度增强的直方图均衡算法，尽管对 于单色图像强调重要细节非常有用，但是如果应用到彩色图像，即使是在合适的 彩色空问，这个算法也会毁坏图像的自然度。例如，彩色伪像通常都是在阴影部 分的亮度扩展引起的，因为黑暗部分不能保证与亮的部分有相同的彩色平衡。选 择一个与人类彩色感知相联系的图像处理方法，对彩色图像增强方法来说是一个 合适的策略。 已经有一些完成彩色图像增强和重现目标的成果发表，如：f a u g e r a s 1 6 】研究了 基于人类彩色视觉的同态方法，c a h o c h e ek u 和t s n u g - m i n gw a n g l l 7 】用一种基于色 调的补偿增益去调整色度信号，基于色调的补偿增益是通过在非线性对比度增强 之后，从权值化的亮度调整比率得到的，且权值函数与人的色彩感知有关。这种 山东大学硕士学位论文 方法对色彩饱和度补偿是基于色调的。 s t i r c k l a n d 等分析了亮度信息和饱和度信息之间的关系，并且提出了在低亮度 下利用饱和度信息反馈算法来增强图像的亮度信息，也就是增强图像细节信息的 方法；y 锄毋1 8 】等也注意到饱和度分量和亮度分量对彩色图像增强的作用。 1 3 论文的工作内容和结构安排 本文主要做了以下研究工作： 1 、在研究了目前国内外彩色图像增强方面资料的基础上，提出了基于小波变 换的彩色图像增强方法，将彩色图像变换到h s v 空间后，对亮度分量进行小波分 解，利用分解系数的不同性质分别对高频和低频分量进行处理，对高频分量采用 了基于区域分割的反锐化掩模算法，既突出了细节信息，又很好的抑制了噪声； 对低频分量利用非线性函数映射的方法增强图像整体亮度对比度；另外，对彩色 图像的饱和度分量我们利用指数函数增强其色彩 2 、针对饱和度失真的彩色图像，根据饱和度分割算法，提出了一种新的与亮 度关联的彩色图像饱和度增强算法。将饱和度分量分为四个区，针对不同的区域 用调整曲线进行调整。然后，根据人眼视觉特性，利用亮度饱和度相关系数引入 亮度反馈，对饱和度进行进一步处理，以得到符合人眼视觉特性的彩色饱和度。 在内容安排上，本文共分五章。具体安排如下： 第一章：描述了课题的研究背景及意义，以及国内外相关技术的发展动态。 第二章：介绍了人类视觉基本原理与特性，以及颜色要素和颜色空间模型的 基础知识。 第三章：详细介绍了一些传统的灰度图像增强方法，并将之应用于彩色图像 增强，分析其优缺点。 第四章：提出了基于小波变换的彩色图像增强算法和新的与亮度关联的彩色 图像饱和度增强算法。 第五章：对全文内容进行了总结。 l o 山东大学硕士学位论文 第二章颜色光学与彩色基础 颜色是光作用于人眼所引起的视觉感知现象，是计算机视觉、多媒体和虚拟 现实领域基础研究的一部分，与认知学、生理学和信息科学等领域的研究密切相 关。在生物学领域，人们希望通过对颜色信息处理的研究，来了解人脑信息表象 和处理过程。在计算机视觉领域，人们试图借助对人脑颜色信息处理模型的研究 成果，设计颜色信息的表象和处理方法，实现景物理解。颜色的应用有两个主要 原因：第一，颜色是一个强有力的描绘子，它常常可简化目标物的区分及从场景 中抽取目标；第二，人可以辨别三十几万种不同的颜色。与灰度图像相比，彩色 图像由于具有了颜色，因此携带了更多的可视信息。颜色在客观上是光的一种特 性，在主观上是一种视知觉现象，是人的感觉器官对外界刺激的反映。对颜色的 感觉决定于光的物理本质，也决定于光在人的眼一脑视觉系统中引起的反应。与 一般的物理量不同，颜色包含着复杂的生理和心理过程【1 9 - 2 1 】。 光本身并没有颜色，光是通过眼睛的光感机制而被感知，人类神经系统获得 了外界环境的不同波长光的信息，并对光信息进行转换才产生了颜色瞄】。颜色是 人类视觉系统内在的特性，依赖于视觉而存在，颜色和其它感觉的存在一样是人 们以一种特殊的方式理解这个世界【2 3 1 。 颜色分析是彩色图像处理的重要基础。颜色分析首先要对光谱分布和光的度 量等进行研究，建立以光的照射、反射现象为基础的物理模型，从而解释光的辐 射、传播、照射、反射和吸收等方面现象【2 4 1 。由于颜色是光作用于人眼的结果， 因此颜色分析还需要对人眼视觉系统进行研究，建立一个符合客观实际的人眼视 觉模型【2 5 1 。 这一章我们将对人眼视觉原理、视觉特性和色度学等方面进行研究，为下面 章节打好理论基础。 2 1 人类视觉基本原理 颜色具有物理和心理双重结构，无论对于颜色刺激物理性质的客观描述还是 山东大学硕士学位论文 对颜色感知的主观描述都是极其重要的。人类视觉的产生是由眼、视神经和视觉 中枢的共同活动完成的，因此研究人眼的生理结构及其物理现象十分重要。 2 1 1人眼构造和工作原理 人眼作为一种理想的图像传感器，是人体接收外界信息最多的信息信道。人 眼径向横截面如图2 1 所示。 人类可以辨别几千种颜色色调和亮度，人眼的视网膜由感光细胞覆盖。感光 细胞吸收来自于光学图像的光线，并通过晶体透镜和角膜聚焦在视网膜上，它们 生成神经脉冲，并通过大约一百万个光学神经纤维传送到大脑，这些脉冲的频率 代表了入射光线的强度。 图2 1 人眼模型 感光细胞是两种类型的混合，依其物理形状分别称为杆状细胞和锥状细胞， 杆状细胞较敏感，它为我们提供感光能力强的单色夜视：锥状细胞提供了在较高 光学亮度下的彩色视觉。 锥状细胞有三种形式，这主要按其将光信号转化为神经脉冲的感光化学特性 区分的，锥状细胞将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿和蓝。由于这个 原因，这三种颜色称为人类视觉的三基色，图2 2 表示了人类视觉系统中三类锥 状细胞的光谱敏感曲线。 感光细胞对光线做出反应，生成神经脉冲，在传输中经过一层双极性细胞和 一层神经节细胞，一百万左右的神经节细胞的轴突纤维形成光神经，它们将图像 数据传送到大脑。 人类视觉系统对于色差是高度敏感的，颜色感知系统可以区别上万种的不同 颜色，然而这一系统只能记住几种颜色。人能记住大约1 1 种焦点颜色，即红绿蓝 山东大学硕士学位论文 黄紫橙粉棕灰白黑，其它的颜色以这些颜色之间的粗略混合方式记忆。颜色敏感 和颜色记忆之间如此的差异是人类颜色感知最为重要的现象之一。颜色适应、颜 色记忆和颜色视觉的时空特性是人类颜色感知的要素，全面深入地理解这些要素 对于彩色图像的研究来说是必要的。 一 v 掣 蕃 整 氓 1 5 05 0 05 5 06 0 0咖7 波长a l 栅- 2 1 2 颜色视觉模型 图2 2 人类感光细胞的敏感曲线 颜色刺激是视网膜上三种锥状细胞分别感受不同波长的光刺激后由大脑合成 的一种主观直觉，是波长的函数，同时又受人眼生理结构和感知颜色的心理感受 等主观因素影响，颜色视觉模型是研究中的问题，人们从实验中得到了三基色合 成颜色的原理，因而人类视觉可以用三通道的模型来建模，这种方法和实验吻合， 设c ( z ) 是照射光源的波谱能量分布，v ；( 名) 是第i 个锥状体视敏度相应，则三种锥 状体产生的信号表示为： e i = i c ( 五) u ( 旯) d 兄 i = 1 ，2 ，3( 2 1 ) 由w f r e i 提出的彩色视觉模型如图2 3 所示： 图2 3 颜色视觉模型 9 2 g l 山东大学硕士学位论文 其中e 。，e ：，e 。表示神经膜的色素吸收作用后三个感光锥体所产生的信号，图 中的加权系数d i 即线性组合系数： 面= l g ( q ) ( 2 2 ) 破= l g ( e 2 ) 一l g ( e a ) = l g ( e 2 ) e l 以- - l g ( e 3 ) 一l 颤q ) = l g ( e 3 ) e i 图中h 。( ”，) ，日：( “，d b ( “，) 为三个通道的转移函数， g l 、岛、岛，这个模型对彩色图像的分解合成均有意义。 2 2 人眼视觉特性 2 2 1 亮度适应力 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 最后产生输出信号 人在从亮处进入暗处时，视力首先会很差，但会慢慢地变得敏锐，可以使人 眼在暗环境下看到物体，这一过程被称为暗适应。相反的过程，当人从暗处进入 亮处也是一样，这一过程被称为亮适应。人类视觉系统可以在一个比较宽的亮度 变化区间内，自动调节对亮度的适应过程，保持一定的灵敏状态正常地工作【2 4 】。 实验表明，人的视觉系统感觉到的亮度即主观亮度是进入人眼内光亮度的对数函 数【2 5 1 。 如图2 4 所示，图中曲线表示出了光亮度与主观亮度之间的关系，即人眼的视 觉动态范围。图中箭头所示为人的视觉系统所能适应的光亮度范围，即夜视与昼 视动态范围。在这个动态范围内，人眼并不能同时工作，它利用改变其整个灵敏 度来完成如此大的变化，这就是所谓的亮度适应现象。图中亮度b 。处的短交叉曲 线表示当眼睛适应这一亮度级时，人眼所能感觉到的主观亮度范围，但这一范围 是有限制的，在b o 处和b o 以下，眼睛响应为黑，曲线上部虚线部分无限制。在某 一个亮度背景下，人眼感光动态范围却并不大，例如在背景亮度约为l c d m 2 条件下， 人眼仅有1 0 之c d m 2 至l o a t m 2 的动态范围；环境背景亮度为1 0 2 c d m 2 时，其动态范围 总体偏移到从l o c d m 2 至1 0 3 c d m 2 ，人眼总的动态范围相对大，但这个动态范围不是 一成不变的，而是能够适应外界光的强度而自动调节的。在外界光强一定时，人 1 4 山东大学硕士学位论文 眼动态范围并不大，图中的b ( 黑) ，w ( 白) 表示小范围的黑和白视觉范围。但外界 光强发生变化时，t 人眼适应不同的动态范围。大的动态范围是当人眼适应了某一 环境亮度之后视觉调到不同的小动态范围来达到的，称为人眼亮度自适应。与人 眼动态范围的情况一样，实际条件下观看某一景物时由于人眼适应于该平均亮度， 这时可分辨的亮度范围就小多了。 l g ( 直度) ( 1 0 c d m 2 ) 石 图2 4 人的视觉系统对光亮度的适应力 2 2 2 对比度敏感特性 人眼对于亮度的强度变换的响应是非线性的。人的视觉系统能够适应得光强 度级别范围是很宽的。从夜视阈值到强闪光约有l o o 量级【2 6 1 。实验数据指出，主观 亮度( 即由人的视觉系统感觉到的亮度) 是进入眼睛的光强度的对数函数。 对于理解人眼视觉系统而言，对比度是一个非常重要的概念，因为表示视觉 系统的信息不是单独和信息的强度有关，还和其背景的强度对比有关。对比度的 定义和测试信号有关。对简单测试信号的对比度定义最早由w e b d 2 7 】提出，w e b e r 对比度定义如下： g ：毕 ( 2 5 ) 其中丘是物体的亮度，厶是背景的亮度。 1 5 山东大学硕士学位论文 将不同的空间频率( 即一定的视角内明暗相同的条纹数目不同) 作为横坐标，条 纹与空白之间亮度的对比作为纵坐标，即将视角与对比度结合起来，测定对各种 不同空间频率的图形人眼所能分辨的对比度，得出对比敏感度函数( c s f ) 。c s f 能 更加全面地了解人眼的形觉功能。c a m b e l l 和r o b s o n 2 8 】通过对比观察提出，视觉系 统是由一系列独立的神经通道组成的每一通道都只与其特定的很窄范围的空间频 率和方向性有关，且有它自己特定的敏感性范围。所有的对比敏感度功能都是每 一通道的反映。图2 5 给出了人眼视觉系统的亮度分量和色度分量的对比度敏感函 数曲线。从图2 5 中可以看出：亮度分量曲线呈带通特性。对于亮度分量而言，人 眼主要对中频信息敏感，而对于较高或较低频段的信息敏感度都下降，也即人眼 对平滑部分的信息敏感度比细节部分更敏感。 图2 5 亮度和色度信号的对比敏感度函数 2 2 3 人眼的掩盖效应 通过对人眼视觉现象的长期观察，并结合视觉生理、心理学的研究成果，人 们发现了各种视觉掩盖效应。由于这些掩盖效应的存在，在图像中有些失真会被 忽视，对图像总体质量不会造成影响，而另一部分会被强化而使图象质量严重退 化。研究表明： ( 1 ) 人眼对图像边缘、轮廓信息的失真很敏感。 ( 2 ) 人眼对图像纹理细节的敏感度与它所处的背景亮度有关，对高、低亮度背 景中的纹理细节人眼敏感度较低，而对中高亮度背景中的纹理细节敏感度较高。 ( 3 ) 人眼对不同方向的图像细节信息具有不同的敏感度，对水平方向上和垂直 方向上的细节敏感度大于其他方向的敏感度。 1 6 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 人眼对低频端的敏感度高于高频端。 2 3 色度学基础 色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色计量理论与技术的科学。它是一门本 世纪发展起来的，以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的 综合性科学，其任务在于研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用。 2 3 1色度学基本术语 颜色：在色度学中，颜色通常定义为一种通过眼睛传导的感官印象，即一种 视觉。视觉如同味觉、嗅觉和痛觉一样，起因是个刺激。对颜色来说，刺激是光 辐射，颜色定义说明，眼睛起着决定性作用。 消色和彩色：在色度学中，白色、灰色和黑色统称为消色，它们可以排成一 个系列，由白色逐渐到浅灰，再到深灰，直到黑色，消色系列的黑白变化对应于 白色光的亮度变化。在色度学中，定义除消色以外的一切颜色为彩色。 光谱色和混合色：由单一波长的光所构成的颜色叫单色光。所有单色光的颜 色都叫光谱色。两种以上的波长的光混在一起所呈现的颜色叫做混合色，白色就 是一种混合色，太阳光就是白色光，它由红橙黄绿青蓝紫七色混合成，这只是便 于区别的颜色而言的，其实任何二色之间还可以再细分，一般人可分辨1 2 0 种颜 色，有经验的人可分辨1 3 0 0 0 多种，因此不要以为日光中就只包括这严格的七种 颜色，两种颜色的光按一定比例混合也可以获得白色光。能配合成白光的两颜色 称为互补色。例如红与青、黄与绿、绿与品红皆为互补色。 2 3 2彩色的三个特性 彩色是各种频率的光谱在人眼中的感知现象。光线没有颜色，它只是某种功 率分布，而颜色则是人对这种功率分布的心理响应。人类所感知到的物体颜色由 物体表面的光谱反射、光照和视角所决定。彩色有三种特性：明度、色调和饱和 度，色调和饱和度又总称为色品( 色度) 。 1 7 山东大学硕士学位论文 明度 ， 融甓粤 ，： = 。鹾爹鸷糖薅羹 二、色调 色调是指不同颜色之问质的差别，它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视 觉上的特有标志，用来标志颜色的区别。实验证明，自然界的大多数颜色都可用 某一单色光和白光按一定比例配成，则这个颜色的色调用此单色光的波长( 称主波 长) 表示。非单色光和白光按一定比例配成的颜色的色调可用非单色光的补色波长 ( 主波长) 表示。 色调在颜色圆上用圆周表示，位于同一圆周上的不同颜色，具有相同的饱和 度和明度，但它们的色调不同，参见图2 7 。 山东大学硕士学位论文 三、饱和度 一 图2 7 色调表示法 饱和度指构成颜色的纯度也就是彩色的纯洁性，色调深浅的程度。它反映了 彩色的浓淡，取决于彩色光中白光的含量。掺入白光越多，彩色越淡，当白光占 主要成份时，彩色淡化为白色。未掺白色的彩色光由纯光谱波长的彩色来呈现彩 色，其饱和度最高。例如红光掺入白光被冲淡变成低饱和度的淡红色光。饱和度 是表示彩色光中纯光谱波长与白光冲淡的指标，换句话说是彩色光纯度的反映。 饱和度在颜色圆上用半径表示，如图2 8 ( a ) 所示。沿径向方向上的不同颜色具 有相同的色调和明度，但它们的饱和度不同。例如，在图2 8 ( b ) 所示的七种颜色， 它们具有相同的色调和明度，但具有不同的饱和度，左边的饱和度最低，右边的 饱和度最高。 2 3 3三基色原理 自 国彩国国囝 ( a ) 半径表示法( b