光度学和色度学

光电图像处理 二 光度学和色度学 电子工程学院光电子技术系 主要内容 2 1人的视觉特性2 2光度学2 3色度学2 4颜色模型 2 1人的视觉特性 视觉是外界光刺激作用于人的视觉神经而产生的主观感觉 视觉有三种特性 从描述视觉特性的心理物理量来看 它们是亮度 主波长 纯度 从相应的心理量来看 它们是明度 色调 饱和度 亮度表示光的强度 物体表面或光源的亮度越高 人感觉到的明度就越高 但两者的关系并不固定 光谱是由不同波长的光组成的 不同波长所引起的不同感觉就是色调 纯色是指没有混入白色的窄带单色光 在视觉上就是高饱和度的颜色 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色 当光谱色掺入白光成分越多时 就越不饱和 用一个三维空间纺锤体形立体可以把颜色的三种基本特性 明度 色调和饱和度全部表示出来 颜色特性对比 比 更亮 和 色调不同 比 饱和度更高 特定的光谱让人感受到不同的亮度和颜色 这样就感受到色彩缤纷的世界 1 人眼的构造与感光机理 1 人眼如何看到图像 角膜巩膜脉络膜 减少光反射虹膜 控制光的量视网膜 人眼感知图像信号的窗口视觉细胞 接收光杆状体锥状体水平细胞神经结细胞等晶状体 强大的自动调焦能力 视网膜成像 快速自动变焦 自动光圈调整 光轴可变 环境亮度自适应 一个功能很强大的成像系统 锥状体 锥细胞 白昼视觉 适亮视觉 约6 000 000到7 000 000个 对颜色很敏感 适应于强照度 分为3种 一种 对光波段中央敏感 产生绿色感另两种 对光波段两端敏感 产生红色和蓝色 对绿色最敏感 红色次之 蓝色最弱 所以常作为三基色 人类利用它分辨物体细节 杆状体 柱细胞 夜视觉 适暗视觉 约75 000 000 150 000 000个 对颜色不敏感 适应于低照度 柱细胞主要提供视野的整体视象 因此看到的物体白天有色彩 夜里看不到色彩 2 人眼的亮度感觉特性 视敏函数曲线 在同一亮度环境中 在辐射功率相同的条件下 波长等于550nm的绿光对人的亮度感觉最大 当 380nm和 780nm时 v 0 紫外线和红外线的辐射率再大 也不能引起亮度感觉 所以它们是不可见光 视觉范围与分辨力视觉范围 人眼所能感觉到的亮度范围 这一范围非常宽 但是人眼并不能同时感受这样宽的亮度范围 一般 在人眼适应了某一平均的亮度环境后 他所能感受的亮度范围要小的多 客观上相同的亮度 当平均亮度不同时 主观感觉的亮度也不相同 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 所以总的视觉范围很宽 分辨力 指人眼在一定距离上能区分开相邻两点的能力 和环境照度有关 当照度太低 只有杆状细胞起作用 则分辨力下降 但照度太高也无助于分辨力的提高 可能出现 炫目 现象 相对对比度小时 对象和背景亮度很接近 导致分辨力下降 视觉适应性和对比灵敏度 暗适应性 人眼适应暗环境的能力 瞳孔放大完成视觉过程的视敏细胞发生了变换 由杆状细胞代替了锥状细胞工作 明适应性 人眼适应亮环境的能力 图像对比度 图像中最大亮度和最小亮度之比 C1 Bmax Bmin 相对对比度 Cr Bmax Bmin Bmin 主观亮度感觉与客观亮度的关系 S klnB k0 与人耳的听觉规律很相似 明暗感觉的相对性 例如 对同一电灯 在白天和黑夜它对人眼产生的相对亮度感觉是不相同的 当有光脉冲刺激人眼时 视觉的建立和消失都需要一定的过程 即具有一定的惰性 光源消失以后 景物影响会在视觉中保留一段时间 称为视觉暂留或视觉惰性现象 视觉暂留时间在0 05 0 2秒 实验表明 若景物以间歇性光亮重复呈现 只要重复频率大于20赫兹 视觉上始终保留有景物存在的印象 该重复频率可称为融合频率 人眼感觉的连续性是活动画面有连续感的前提 在荧光屏上 电视图像是几十万个象素按一定顺序轮流发光形成 然而人们看到的是每幅完整的画面在整体的发光 获得一幅幅连续画面印象的感觉 正是视觉暂留效应的结果 3 人眼的视觉惰性 明暗感觉的相对性给图像传输和重现带来了方便 重现图像的亮度不必等于实际图像的亮度 只要保持两者的对比度不变 就能给人以真实的感觉 人眼不能感觉出来的亮度差别在重现图像时不必精确地复制出来 2 视觉现象 视觉现象大多起因于人类的主观因素 而这些现象或多或少是相互联系的 1 亮度适应力 根据人眼机理及人的视觉模型 人眼感知的主观亮度和实际的客观亮度之间并非完全相同 但是有一定的对应关系 人眼能够感觉的亮度范围 称为视觉范围 极宽 从千分之几尼特直到几百万尼特 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 在不同的亮度环境下 人眼对于同一实际亮度所产生的相对亮度感觉是不相同的 例如对同一电灯 在白天和黑夜它对人眼产生的相对亮度感觉是不相同的 另外 当人眼适应了某一环境亮度时 所能感觉范围将变小 例如 在白天环境亮度10 000特时 人眼大约能分辨的亮度范围为200 20 000尼特 低于200尼特的亮度同感觉为黑色 而夜间环境为30尼特时 可分辨的亮度范围为1 200尼特 这时100尼特的亮度就引起相当亮的感觉 只有低于1尼特的亮度才引起黑色感觉 2 对比灵敏度 3 亮度的感觉 4 马赫效应 马赫带效应 5 同时对比度 6 空间错觉和假轮廓 纳克方块 Neckercube 或称为内克尔立方体 是一个错视的图像 由瑞士晶体学家路易斯 艾伯特 纳克在其1832年发表的论文中首次提出 纳克方块是一个由12条线组成的图像 是等大透视的角度绘画一个立方体 等长的平行线不论其远近 在图中会画成等长的平行线 其中没有任何关于立体的资讯 因此对于立方体的放置位置及观看角度会有模棱两可的诠释 纳克方块是个有歧义性的图 一种诠释方式是在一个较高位置看透明立方体的俯视图 另一种诠释方式是在一个较低位置看透明立方体的仰视图 人类的视觉系统在接收这类的图像时 会设法诠释图像的各部份 使整体的图像没有矛盾之处 有时会用纳克方块来测试人人类视觉系统的电脑模型 测试电脑模型是否可以像人类视觉系统一样的诠释这个图象 大多数的人在看纳克方块时 会将左前方的面视为立方体最接近观察者的一面 也许是因为人们在物体上方俯视物体的机率远高于物体下方仰视物体的情形 因此大脑倾向以这个的方式来诠释图像 左边是纳克方块 右边是不可能立方体人类在观看纳克方块时 不会对方块的各部份有不一致的诠释 若有不一致的诠释 其结果可能会类似不可能立方体 是不可能物体的一种 由纳克方块可以看出人类视觉系统的一些特性 人类诠释纳克方块的方式可以说明人脑有类似类神经网络的特性 存在二个不一样 但都可以互换的稳定状态 西德尼 布拉德福在出生后10个月就失明 在52岁时接受手术恢复视力 他观看纳克方块时不会像一般人有模棱两可诠释的情形 利用错视生活中可以利用错视的地方 矮中见高就是在居室中 其中一部分做吊灯 而另一部分不做 那么没有吊灯的部分就会显得 高 了 虚中见实通过条形或整幅的镜面玻璃 可以在一个实在窨里制造出一个虚的空间 而虚的空间在视觉上却是实的空间 冷调降温例如厨房大面积使用深色时 我们呆在里面 就会觉得温度下降2 3度 粗中见细在实木地板或者玻化砖等光洁度比较高的材质会显得较高的材质边上 放置一些粗糙的材质 例如复古砖和鹅卵石 那么光洁的材质会显得更光洁 这就是对比形成的视错觉 曲中见直一些建筑的天花板往往并不是平的 当弯曲度不是很大的情况下 可以通过处理四条边附近的平直角 造成视觉上的整体平整感 3 视觉模型 1 调制传递函数 光学传递函数 调制传递函数 2 对数空间响应模型 2 2光度学 光度学 研究光的强弱的学科称为光度学 包括光的辐射 吸收 照射 反射 散射 漫射等有关光的度量 人眼可见的图像可以用光度学来度量 f x y 表示 x y 点处 图像的光强度 几个重要概念 发光强度I intensity 光源发光的功率称为发光强度 其单位主要有两种 烛光 CandlePower c 1c是指标准蜡烛发出的光 坎德拉 Candle cd 1cd就是 完全辐射体 加温到铂的熔点时从1cm2表面面积上发出的光的1 60在实用中可以认为1c 1cd 光通量光通量是每秒钟内光流量的度量 其单位是流明 lm 流明是指与1cd的光源相距的单位距离 与入射光相垂直的单位面积上每秒钟流经的光流量叫1lm 照度E illumination 入射到某表面的光通量密度 用每单位面积的流明数来表示 主要单位 勒克司 lx 1lx 1lm m2辐透 phot 1phot 1lm cm2 亮度 Brightness 这个概念用来说明物体表面发光的度量 光可以由一个面光源直接辐射出来 也可以由入射光照射下的某表面反射出来 亮度对两者均适用 亮度的衡量有两种不同单位A 以每单位面积上的发光强度来表示的 尼特1尼特 1cd m2B 以每单位面积发出的光通量来表示的 朗伯1朗伯 1lm cm2 一些实际情况下的光照度值 单位 lx 对比度 contrast 图像中最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比 反射 reflect 反射系数 透射 transmission 透射系数 灰度图像从亮到暗之间的亮度层次称为灰度 2 3色度学 为了进行图像的彩色分析 需建立研究彩色计量的学科称为色度学 它是研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及其应用的学科 1 颜色的三要素 EssentialElements 颜色的三要素 light光 object被照明物体 observer观察者 light光 我们看到的物体颜色由光的强度和它的光谱频率决定 光比较暗时 物体颜色较少 如黑夜 光比较亮时 可看到更多的颜色 light光 可见光谱 白光由所有可见光谱的颜色混合而成 light光 实际上 我们所知的白光光源通过光谱来区分 天空是bluishwhite Tungsten 钨 丝灯发yellowishwhite 为了能客观的评价颜色 我们定义了一些标准光源以避免颜色的混淆 object物体 在颜色到达我们的眼睛之前 还受到物体上的着色剂的影响 颜料染料磷粉等 object物体 物体对照射光反射吸收折射对着色剂进行混合 可以控制看到的颜色反射光的颜色决定物体颜色着色剂不一样 反射 吸收不同波长的光 影响物体的颜色 observer观察者 observer观察者 颜色的感知也受周围颜色的影响 observer观察者 物体颜色发射光颜色反射光 折射光的颜色颜色 可见光的一种视觉特性 客观上 光本身没有颜色 但可见光的不同光谱分布刺激人眼产生颜色感觉 颜色是一种主观评判 observer观察者 颜色的冷暖颜色的明暗颜色的活泼与呆板记忆色膨胀色 收缩色进入色 后退色颜色与爱好等 observer观察者 观察者也有可能有颜色视觉缺乏的情况 observer观察者 通常 人类对颜色的判决力优于任何仪器 因为我们对颜色的观察可利用独特的生理学和心理学过程 我们称之为 理解 2 三基色学说这种学说认为人眼的锥状细胞是由红 绿 蓝三种感光细胞组成 由红 R 绿 G 蓝 B 三色光可以组成任何色彩 色光 国际照度委员会 CIE 规定 R波长700nm G 546 1nm B 435 8nm 3 混色规律不同颜色混合在一起 能产生新的颜色 这种方法称为混色法 混色 相加混色 是各分色的光谱成分相加 彩色电视就是利用红 绿 蓝三基色相加产生各种不同的彩色 相减混色 光谱成分的相减 在彩色电影 幻灯片 彩色印刷 绘画中就是利用相减混色 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 而后从中减去某些成分 吸收 得到各种彩色相加混色的三基色是红 绿 蓝 而相减混色的三基色是黄 青 品红 一般不确切的说成是黄 蓝 红 也就是说相加混色的补色是相减混色的基色相加混色和相减混色有不同的规律 相加混色和相减混色的区别 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 格拉斯曼定律 光源色 发光体 光源 具有一定的彩色称为光源色物体色 不发光物体在光源的照射下 呈现彩色 称作物体色 实际上物体所以呈现彩色是由于物体反射 或透射了照射光谱的一部分而吸收了其余部分 消色物体的色 消色物体指黑 白 灰色物体 它对着照明光线具有非选择性吸收的特性 即光线照射到消色物体上时 被吸收的各种波长的入射光是等量的 被反射或透射的光线 其光谱成分也与入射光的光谱成分相同 当白光照射到消色物体上时 反射率在75 以上 即呈白色 反光率在10 以下的 即呈黑色 反光率介于两者之间 就呈现深浅不同的灰色 有色物体的色 有色物体对照明光线具有选择性吸收的特性 即光线照射到有色物体上时 入射光中各种波长的色光是不等量的被吸收 有的被吸收得多 有的被吸收得少 白光照射到有色物体上时 其反射或透射的光线与入射光线相比 不仅亮度有所减弱 光谱成分也改变了 因而呈现出各种不同颜色 光源的光谱成分对物体颜色的影响当有色光照射到消色物体上时 物体反射光颜色与入射光颜色相同 两种以上有色光同时照到消色物体上时 物体颜色呈现加色效应 它是利用源色相加获得彩色影像的方法 当有色光照射到有色物体上时 物体颜色呈现减色效应 它是利用源色相减获得彩色影像的方法 人眼分辨率 对彩色的分辨率高 可以达到几百种甚至上千种对黑白的分辨率弱 只能区分