光度学和色度学概述课件

1、机器视觉技术电子工程学院光电子技术系第二章光度学和色度学1光度学与色度学 人眼视觉系统光度学色度学视觉现象视觉模型光度学的重要概念色度学的几个定义主要内容重点与难点主要内容2.1 人的视觉特性2.2 光度学2.3 色度学2.4 颜色模型3有限的视见光谱域 看不见红外图像和紫外图像；有限的视见灵敏域 光线太暗或太亮的地方能见度不高；有限的视见分辨率（最小视角） 目标太小了看不清楚；对视觉信号无记忆能力 看过但是不记得2.1 人的视觉特性0.4-0.8um10-3-106cd/m21分42.1 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。视觉有视感觉和视知觉。视觉有三种特性，

2、从描述视觉特性的物理量来看，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。5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。2.1 人的视觉特性6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

3、界。2.1 人的视觉特性7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8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1.人眼如何看到图像9锥状体（锥细胞）白昼视觉（适亮视觉）约600万到700万个；对颜色很敏感，排列密度高，感光灵敏度低，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

4、体（柱细胞）-夜视觉（适暗视觉）约7500万15000万个；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1.人眼如何看到图像102. 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) 亮度感觉特性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。11 在强光和

5、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尼特时，人眼大约能分辨的亮度范围为20020，000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1200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. 视觉现象1250lx1000lx1000020000lx0.llx教室阴天阳

6、光直射夜间满月典型照度（勒克斯）13典型亮度（尼特）15万5000.50.25阳光白炽灯满月蜡烛14 视敏函数曲线4005005506006507001.00.80.60.40.2v()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。（对不同波长光的灵敏度不同）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。普尔金效应，弱光时，视敏曲线左移2. 视觉现象15 视觉范围与分辨力视觉范围：人眼所能感觉到的亮度范围即能分辨最大和最小亮度比。这一范围非常宽（109:1），但是人眼并不能同时感受这样宽的亮度

7、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。平均亮度适中时1000:1，平均亮度较高或较低时10:1，平均100:1，电影亮度范围100:1，显像管亮度范围30:1。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。或相对对比度小时，对象和背景亮度很接近，导致分辨力下降。2. 视觉现象16 视觉适应性 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。亮度黑黑亮度

8、感 觉白白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。2. 视觉现象17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18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）B（实际亮度）S亮度感觉00t1t2t3tt停留时间:0.05s-0.2s2. 视觉现象19 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

9、一段时间，称为视觉暂留或视觉惰性现象。视觉暂留时间在0.050.2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。 人眼的视觉惰性2. 视觉现象20（2）对比灵敏度2. 视觉现象图像对比度：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 ）/Bmin21不同亮度下的路灯感觉不一

10、样2. 视觉现象22(3) 马赫效应马赫带效应2. 视觉现象视觉的主观感受在亮度变化的地方出现虚幻的明亮或黑暗的条纹。232. 视觉现象24(4) 同时对比度2. 视觉现象在相同亮度的刺激下，由于背景亮度不同，人眼所感受到的主观亮度不同。25(6)空间错觉2. 视觉现象262. 视觉现象27纳克方块（Necker cube），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

11、置及观看角度会有模棱两可的诠释。2. 视觉现象282. 视觉现象292. 视觉现象302. 视觉现象312. 视觉现象322. 视觉现象332. 视觉现象2. 视觉现象35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，可以在一个实在屋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

12、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。2. 视觉现象363.视觉模型(1) 调制传递函数光学传递函数：调制传递函数：373.视觉模型383.视觉模型39(2) 对数空间响应模型3.视觉模型402.2 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： 光通量 光通量是单位时间内发射出的光量，其单位是流明（l

13、m）。 它标度了可见光对人眼的视觉刺激程度的量。流明就是蜡烛在1m处所显现的亮度。41 照度E（illumination） 照射到单位面积上的光通量。用每单位面积的流明数来表示。 主要单位：勒克司（lx） 1 lx1 lm/m2 辐透（phot） 1 phot1 lm/cm22.2 光度学 发光强度I（intensity）光源发光的功率称为发光强度。点源在单位立体角内发出的光通量。其单位主要有两种： 烛光（Candle Power,c）1c是指标准蜡烛发出的光。 坎德拉（Candle,cd）1cd就是处于铂凝固温度的辐射源1cm2表面面积上发出的光的1/60在实用中可以认为1c=1cd42 亮

14、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/m2 B- 以每单位面积发出的光通量来表示的。朗伯 1朗伯1lm/cm22.2 光度学432.2 光度学44一些实际情况下的光照度值（单位：lx）2.2 光度学452.2 光度学46 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

15、层次称为灰度2.2 光度学47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482.3 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49Essential Elements(颜色的三要素)light光object被照明物体observer观察者50light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 51可见光谱白光由所有可见光谱的颜色混合而成light光52实际上，我们所知的白光光源通过光谱来区分。天空是

16、 bluish white. Tungsten（钨） 丝灯发 yellowish white. 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light光53Object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54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Object物体55Observer观察者56颜色的感知也受周围颜色的影响Observer观察者57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

17、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58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59观察者也有可能有颜色视觉缺乏的情况。Observer观察者60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”Observer观察者61(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。这三种色中的任何一色都不能由另外两种原色混合产生，而红（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

18、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。2.3 色度学62经验表明，两种不同的色彩混合，可获得第三种色彩。在颜料混合中，加入的色彩愈多颜色越暗，最终变为黑色。反之，色光的三原色能综合产生白色光。2.3 色度学色光三原色：红、绿、蓝。色料三原色：品红、黄、青。2.3 色度学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

19、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：2.3 色度学65相加混色原理等量混合R+G=YR+B=MG+B=CR+G+B=WRRGYRGBYMCW+=+=+=+=相加混色原理相加混色原理 不等量混合格拉斯曼色彩混合定律补色律：两种色光混合产生白色，叫色光互补色。 R+青白 G+品红白 B+黄白中间色律：任何两个非补色相混合，便产生中间色。 色彩外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否样，在色彩混合中具有相

20、同的效果。代替律：相似色混合后仍相似。 如果色彩A = 色彩B， 色彩C = 色彩D，那么: 色彩A + 色彩C = 色彩B + 色彩D亮度相加律：混合色的总亮度等于组成混合色的各色彩光亮度的总和。 上面所说的格拉斯曼色彩混合定律是色度学的一般规律，适用于各种色彩光的相加混合。但这些规律不适用于染料或涂料的混合。格拉斯曼色彩混合定律相减混色原理 等量混合CYMCRGBKC+M=BC+Y=GM+Y=RC+M+Y=Bk黄Y、品M、青C相减混色原理 不等量混合两种色料混合产生黑色，叫色料互补色。 Y+蓝墨黑 M+绿墨黑 C+红墨黑 Y+M+C=黑色料混合后亮度降低相减混色原理加色法与减色法比较光源色

21、：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

22、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。2.3 色度学75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红绿蓝 青黄品黑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2.3 色度学76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30多种不同的灰度级例如:大家在观看彩色电视时就可以观察到这一点，在彩色显示时看到了一些画面细节，但当色调调到黑白显示时，这些细节就会看不出来。这就是伪彩色技术的基本依据。2.3 色度学77(4) 颜色的三个属性色调（Hue）：色调是与混合光谱中主要波长相联系的，表现不同颜色的感受。饱和度（Saturation）:颜色的鲜明程度，与一定色调的纯度有关，纯光谱色是完全饱和的，随着白光的加入饱和度逐渐减少。饱和度越高，颜色越深。亮度（Intensity）:指光波作用于感受器所发生的效应，与物体的反射率成正比，反射系数越大，物体的亮度越大，反之