第二章人类视觉与色度学知识

第二章人类视觉与色度学知识2.1人眼的构造1.人眼构造和视觉现象图2.1画出了人眼的横截面的简单示意图。眼睛是一个平均直径约为20mm左右的球状器官，它由三层薄膜包着，最外层角膜和巩膜外壳、中间层虹膜和脉络膜和最内层视网膜。图2.1人眼截面示意图中央凹a.瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，从而控制进入人眼内之光通量↔照相机光圈作用b.晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成象↔照相机透镜作用c.人眼成象过程视细胞受到光刺激产生电脉冲－视神经中枢－大脑成象锥状细胞：主要分布在视网膜的中央凹，每个眼内约有600万～７00万个锥状细胞，每一个锥状细胞连到一个神经末梢，有较高分辨力，可以分辨光的强弱，对颜色很敏感。锥细胞视觉称为明视觉。杆状细胞:分布在整个视网膜表面上，约有7500万～15000万个，几个柱细胞连到同一个神经末梢，使得分辨率比较低；主要提供视野的整体视象，不感受颜色并对低照度较敏感，形成具有高灵敏度的无色觉功能的暗视觉。图2.22.光敏细胞2.2光度学的基础知识2.2.1电磁辐射和可见光谱380nm700nm紫外光红外光546.1nm435.8nm780nm图2.3电磁波辐射波谱紫蓝青绿黄橙红光波是一种具有一定频率范围的电磁波，人们能用眼睛感受到的波长在380～780nm的范围内。波长不同，感受到的颜色就不同。随着波长的缩短，可见光依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，只有单一波长成分的光成为单色光。含有两种一上波长成分的光为复合光。2.2.2相对视敏函数2.2.2相对视敏函数图2.4相对视敏函数曲线2.2.3光学的术语和计量单位光通量：每秒钟内光流量的度量。单位：流明（lm）。发光强度：光源在单位立体角内发出的光通量，用符号表示。单位：坎德拉（cd)。亮度：用来描述物体表面发光的量度。用光源单位面积上在法线方向上的发光强度来表示，记为B，单位是：单位面积上的坎德拉，。是客观亮度。2/cdmI2.3人眼的视觉特性2.3.1明暗和彩色视觉明视觉相对视敏函数，白天正常光照条件下获得的，在夜晚或微弱光线下，杆状细胞起主导作用，对短波长的光敏感，视敏函数左移。人眼对光感觉的亮暗程度的不只和光的辐射通量有关，还和光的波长有关。在光线充足（明视觉）的条件下，人眼对550nm左右的黄绿光最敏感；在光照微弱（暗视觉）条件下，则对510nm左右的蓝绿光最敏感。图2.5相对视敏函数曲线相对视敏度彩色视觉是一种明视觉，可以用亮度，色调和饱和度三个量来描述。亮度是对彩色光所引起人眼对明亮程度的感觉。色调指光的颜色，用于区别颜色的名称或颜色的种类，是视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，取决于可见光谱中的光波的频率。饱和度是指颜色的纯洁性，它可用来区别颜色明暗的程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时，就说颜色愈不饱和。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜色。相对视敏度2.6三种锥状细胞的相对视敏函数曲线上面的颜色响应曲线表明，人类眼睛对蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度。亮度响应曲线表明人眼对波长为550nm左右的黄绿色最为敏感。视觉三色假说：锥状细胞有三种，分别对红、绿、蓝三色光敏感。国际照明委员会（CIE）规定以700nm(红)、546.1nm(绿)、435.8nm(蓝)三个色光为三基色。又称为物理三基色。自然界的所有颜色都可以通过选用这三基色按不同比例混合而成。2.3.2视觉范围和分辨力实验可以证明，主观感觉亮度与进入眼内的外界刺激光强并非成线性关系。图2.7表明，在很大范围内，主观亮度与光强的对数成线性关系。图2.7中曲线的下部表明了白昼视觉和暗视觉的不同。图2.7主观亮度感觉和亮度关系亮度感觉图2.8人眼分辨力的计算研究表明人眼的分辨力有如下一些特点：①当照度太强、太弱时或当背景亮度太强时，人眼分辨力降低。②当视觉目标运动速度加快时，人眼分辨力降低。③人眼对彩色细节的分辨力比对亮度细节的分辨力要差，如果黑白分辨力为1，则黑红为0.4，绿蓝为0.19。2.3.3视觉适应性1人眼适应性（1）暗适应：亮→暗：慢（10～30秒左右）（2）亮适应：暗→亮：快（1～2秒左右）2同时对比效应由于人眼对亮度有很强的适应性，因此很难精确判断刺激的绝对亮度。即使有相同亮度的刺激，由于其背景亮度不同，人眼所感受的主观亮度是不一样的。图2.9可用来证明同时对比的刺激，图中小方块实际上有着相同的物理亮度，但因为与它们的背景亮度不同，故它们的主观亮度显得大不一样。这种效应就叫同时对比效应。图2.9同时对比效应3Mach带效应人们在观察一条由均匀黑和均匀白的区域形成的边界时，可能会认为人的主观感受是与任一点的亮度有关。但实际情况并不是这样，人感觉到的是在亮度变化部位附近的暗区和亮区中分别存在一条更黑和更亮的条带，这就是所谓的“Mach带”，如图2.10所示。图2.10Mach带视觉性质其他特性2.4三基色原理三基色原理大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。由于人眼对红、绿、蓝三种色光最为敏感，，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛，所以一般选择红绿蓝作为三基色。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色图2.11相加混色的三基色红色+绿色=黄色绿色+蓝色=青色红色+蓝色=品红红色+绿色+蓝色=白色黄色、青色、品红都是由两种颜色相混合而成，所以它们又称相加二次色。红色+青色=白色绿色+品红=白色蓝色+黄色=白色所以青色、黄色、品红分别又是红色、蓝色、绿色的补色。由于每个人的眼睛对于相同的单色的感受有不同，所以，如果我们用相同强度的三基色混合时，假设得到白光的强度为100%，这时候人的主观感受是，绿光最亮，红光次之，蓝光最弱。相加混色不仅运用三基色原理，还进一步利用人眼的视觉特性，产生较相减混色更宽的彩色范围。常用的相加混色方法有以下三种：时间混色法：将三基色按一定比例轮流投射到同一屏幕上，由于人眼的视觉惰性，只要交替速度足够快，产生的彩色视觉与三基色直接相混时一样。这是顺序制彩色电视图象显示的基础。空间混色法：将三基色同时投射到彼此距离很近的点上，利用人眼分辨力有限的特性而产生混色，或者使用空间坐标相同的三基色光的同时投射产生合成光，这是同时制彩色电视图象和计算机图象的显示基础。生理混色法：利用两只眼睛分别观看两个不同颜色的同一景象，也能获得混色效果。除了相加混色法之外还有相减混色法。在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。也就是：白色-红色=青色白色-绿色=品红白色-蓝色=黄色另外，如果把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，由于颜料吸收了红色和蓝色，而反射了绿色，对于颜料的混合我们表示如下：颜料(黄色+青色)=白色-红色-蓝色=绿色颜料(品红+青色)=白色-红色-绿色=蓝色颜料(黄色+品红)=白色-绿色-蓝色=红色以上的都是相减混色,相减混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的颜色的。所以有把青色、品红、黄色称为颜料三基色。颜料三基色的混色在绘画、印刷中得到广泛应用。在颜料三基色中，红绿蓝三色被称为相减二次色或颜料二次色。在相减二次色中有：(青色+黄色+品红)=白色-红色-蓝色-绿色=黑色图2.12相减混色的三基色用以上的相加混色三基色所表示的颜色模式称为RGB模式,而用相减混色三基色原理所表示的颜色模式称为CMYK模式,它们广泛运用于绘画和印刷领域。RGB模式是绘图软件最常用的一种颜色模式，在这种模式下，处理图像比较方便，而且，RGB存储的图像要比CMYK图像要小，可以节省内存和空间。CMYK模式是一种颜料模式,所以它属于印刷模式,但本质上与RGB模式没有区别,只是产生颜色的方式不同。RGB为相加混色模式，CMYK为相减混色模式。例如，显示器采用RGB模式，就是因为显示器是电子光束轰击荧光屏上的荧光材料发出亮光从而产生颜色。当没有光的时候为黑色，光线加到最大时为白色。而打印机呢？它的油墨不会自己发出光线。因而只有采用吸收特定光波而反射其它光的颜色，所以需要用减色法来解决。色度图圆锥体模型2.5图像质量的评价方法图像质量评价的研究是图像信息学科的基础研究之一。对于图像处理系统，其信息的主体是图像，衡量这个系统的重要指标，就是图像的质量。图像质量的含义包括两方面：一个是图像的逼真度。即被评价图像与原标准图像的偏离程度；另一个是图像的可懂度，是指图像能向人或机器提供信息的能力。2.4图像质量的评价方法1.图像的主观评价图像的主观评价就是通过人来观察图像，对图像的优劣作主观评定，然后对评分进行统计平均，就得出评价的结果。2.图像的客观评价图像质量的客观评价由于着眼点不同而有多种方法，经常使用的是逼真度测量。对于彩色图像逼真度的定量表示是一个十分复杂的问题。目前应用得较多的是对黑白图像逼真度的定量表示。3.其它方法除了前面介绍的两种基本的图像评价方法以外，由于应用场合的不同，还有其它一些评价方法。例如，ISO在制定MPEG4标准时提出采用两种方式来进行视频图像质量的评价，一种被称作基于感觉的质量评价，另一种称为基于任务的质量评价。根据具体的应用情况，可以选择其中一种或两种方式。(1)基于感觉的质量评价其基本方法相当于前面的主观质量的评价，但同时考虑到声音、图像的联合感觉效果也可能影响图像的质量。(2)基于任务的质量评价通过使用者对一些典型的应用任务的执行情况来判别图像的适宜。总结人眼的构造光度学的基础知识人眼的视觉特性三基色原理图像质量的评价方法