数字图像处理第二章.

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1、1 第二章 视觉特性和颜色基础 第二章 视觉特性和颜色基础 l图像处理的研究需要了解人类视觉机理： n人们能够区分的光强度差别有多大？ n我们眼睛的空间清晰度是多少？对运动的感觉如何? n我们估计和比较距离和面积的精度是多少？ n人类特性视觉的光谱是如何样的? n人的视觉中彩色起什麽作用？ n人类是如何获得视觉感知，如何认知周围事物的？ l人们对于自己视觉机构的生物、生理物理过程的了 解，以及神经、精神方面的了解还处于低级阶段，认 识还很不完善和有局限性。 2.1 视觉感知 l视觉感知是视觉的内在表象。 l视觉感知包括两个不同的知层次： n视觉的低级感知层次 n视觉的高级感知层次 2.1 视觉

2、感知 2.1.1 视觉低级感知层次 n视觉系统从外界获取图像，就是在眼睛视网膜上 获得周围世界的光学成象，然后由视觉接收器（杆 状体和锥状体在视网膜上作为视觉接收器），将光 图像信息转化为视网膜的神经活动电信息，最后通 过视神经纤维，把这些图像信息传送入大脑,由大 脑获得图像感知。 2.1 视觉感知 l2.1.1 视觉低级感知层次 l视网膜上有杆状体和锥状体两类视觉接收器； n视杆体(Rods)：细长而薄，数量上约100 million， 它们提供暗视(Scotopic Vision),即在低几个数量级 亮度时的视觉响应，其光灵敏度高。 n视锥体(Cons)：结构上短而粗，数量少,约6.5 m

3、illion，光灵敏度较低，它们提供明视(Photopic Vision)，其响应光亮度范围比视杆体要高56个数 量级。在中间亮度范围是两种视觉细胞同时起作用 。视锥体集中分布在视网膜中心。 2.1 视觉感知 图2.1 眼睛的截面图 2.1 视觉感知 2.1.1 视觉低级感知层次 n光图像激活视杆体或视锥体时，发生光电化学反 应，同时产生视神经脉冲，视觉系统散布视神经 中有80万神经纤维，视觉系统传播视神经脉冲。 许许多多的视杆体和视锥体相互连接到神经纤维 上。 n视觉系统的可视波长范围为 =350 nm780 nm; n视觉系统的可响应的亮度范围是:110个量级的 幅度范围。 2.1 视觉感

4、知 2.1.1 视觉低级感知层次 n生理学已证实，视网膜中有三种视锥体，具有不 同的光谱特性，峰值吸收分别在光谱的红、绿、兰 区域。吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这 是三基色原理的生理基础。 2.1 视觉感知 图图2.2 2.2 视觉细胞的光谱特性视觉细胞的光谱特性 2.1 视觉感知 2.1.2 视觉高级感知层次 n大脑对视神经纤维传送来的图像信息进行分析和 理解，通过图像获得对周围世界感知的信息和知 识。 n人们对大脑的高级感知层次至今知之甚少,仍是 生理学、神经科学、生物物理学、生物化学研究 的重要课题。 2.1 视觉感知 图图2.32.3 2.1 视觉感知 l“视觉是一个信息处理过

5、程。它能从外部世界的图像 中得到一个即对观察者有用又不受无关信息干扰的描 述” l“视觉感知又是和过去留存于记忆中的同类活动有关 ，视觉储积起大量的视觉意象。记忆形象可用于对知 觉对象的辨认，解释和补充。” l使计算机具有人类视觉能力，研究人类的视觉感知 ，模仿人类的视觉感知，是研究工作的重要途径。 2.2 视觉特性 l视觉特性是视觉的外在表现； l图像是周围世界的一种映射,对于运动图像,空间座标x,y,z都是 时间 t 的函数,若在连续的不同时间获取图像,可以获得序列图像 l对于按不同波段获取图像,可获得彩色图像或不同波段的图像 信号(如遥感图像,医学图像等). l对于按不同视角,即不同的

6、x,y,z 间相互关系,可以得到不同视 角的不同图像. l因此,视觉现象包括有视觉对光强,对各种波长、彩色的光谱效 应,对物体边缘等空间频率变化的响应,以及视觉对时间瞬时变 化运动的响应. 2.2 视觉特性 2.2.1 相对视敏函数 n人眼对不同波长的光有不同的敏感度，不同波长而幅射功 率相同的光不仅给人以不同的色彩感觉，而且亮度感觉也 不同。 u设具有光幅射 的空间、波长 分布的物体的亮度感觉为: n 为视觉系统的相对视敏函数(Relative luminous efficiency function of the Vision System)。 n对于人眼， 是钟形曲线。 2.2 视觉特性

7、 2.2.1 相对视敏函数 n视杆体和视锥体的相对视敏曲线有所不同，对视锥体情 况，在 =555nm 时绿光亮度最敏感，对视杆体暗视情况, 则 =505nm 时最敏感。 图2.4 相对视敏度曲线 2.2 视觉特性 2.2.2 对比度的灵敏度和同时对比度 n眼睛对光强的响应是非线性的。一块光强为 的小块被 背景强度 I 所包围，则可觉察的差值 是I的函数，即对视 觉敏感的是对比度，而不是亮度值本身。 n韦伯定理(Webers Law)：如果一个物体的亮度与其周围背 景I有刚刚可觉察得到的差别,则它们的比值是I的函数。其在 一定的亮度范围内,近似不变，为常数值 0.02，这称为韦伯比 。即： (常

8、 数) n人眼视觉系统对亮度的响应具有对数性质，是单调的非线 性系统。实验证明，这一非线性接近 的幂指数函数。人眼 通过这一对数性质，达到宽达 的视觉亮度范围的。 （2）对比度的灵敏度和同时对比度 图2.5 图像对比度模型 2.2 视觉特性 2.2.2 对比度的灵敏度和同时对比度 图图2.6 2.6 同时对比度示例同时对比度示例 2.2 视觉特性 2.2.3 马赫带(Mach Bands) n一个物体和它周围的亮度的交互作用,产生一种称 为马赫带的效应。这个效应说明视觉的明亮程度并 不是亮度的单调函数，例如,灰阶条带图像呈现的明 亮视觉感觉沿着条带是不均匀的,在条带过渡部分具 有负轮廓的边缘，

9、这就说明了马赫带效应。 n马赫带效应可以用以估计视觉系统的冲激响应。 冲激响应负瓣的出现，称为视觉的侧抑制现象 (Lateral Inhibition)。冲激响应值代表被视杆体和视 锥体接收器的相对空间加权值。负瓣指示在给定位 置上的神经信号(Postretinal)被某些侧位的接收器所 禁止。 2.2 视觉特性 2.2.3 马赫带(Mach Bands) 图图2.7 2.7 马赫带效应马赫带效应 2.2 视觉特性 2.2.4 视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision) n视觉的瞬时性质在处理运动图像和图像显示设计 时变得十分重要。 nA. Blochs La

10、w u能量相等而不同持续时间的光闪烁，在持续 时间低于一个临界值以下是不能辨识的。当眼睛适应 于中等亮度时的临界持续时间是30 ms，当眼睛更多 适应于黑暗时，则临界持续时间将变长。 图图2.7 2.7 马赫带效应马赫带效应 2.2 视觉特性 2.2.4 视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision) B. 临界熔合频率Critical Fusion Frequency (CFF) u缓慢的闪烁光的每单个闪烁都可辨识，但当 闪烁频率高于临界闪烁频率时，闪烁将不再与具有同 样平均强度的稳定发光相区别。一般来说，这个频率 不超过5060HZ。这是视觉暂留，是电影和电视

11、的 基础。 C. Spatial versus Temporal Effects u眼睛对高空间频率的闪烁的敏感高于对低空 间频率的闪烁的敏感度。 2.2 视觉特性 2.2.4 视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision) n在图像编码中，对运动图像的编码时，除了边缘 以外的任何地方可以进行亚取样，以压缩码率。 n同样的原因，非隔行光栅的监视器（闪烁频率高 ，可保留良好的高清析度细节）比隔行光栅（闪烁 频率低,对低空间频率已足够）可提供高空间解析度 的图像显示。 小结 l人类视觉感知能力的特点 n人类视觉系统在对物体的识别上有特殊强大的功 能；但在对灰度、距离和

12、面积的绝对的估计上却有 某些欠缺； n以传感器单元的数目比较：视网膜包含接近130 millions 光接收器，这极大的大于CCD片上的传感 器单元数； n和它每次执行运算的数目比较：和计算机的时钟 频率相比，神经处理单元的开关时间将比之大约慢 倍； n不论这慢的定时和大量的接收器，人类的视觉系 统是比计算机视觉系统要强大得多。它能实时分析 复杂的景物以使我们能即时的反应。 2.3 颜色的基本概念 l牛顿在十七世纪后期用棱镜把太阳光分散成光谱 上的颜色光带，证明了白光是由很多颜色的光混合 而成； l颜色严格地说不同与彩色。 l颜色可分成彩色和无彩色（即不同的灰色）。 l但通常我们所说的颜色是指

13、彩色 2.3 颜色的基本概念 l下图为光谱图。 l可见光的波长大约在400780nm之间。 l可见光区之外，还有红外光区、紫外光区。 l在遥感领域中光谱采样通常不限于红外区、可见光区、紫 外光区三个波段，即为多光谱图像。 l彩色不仅喜人，且可获得更多的信息： n视觉仅能感知十余级灰阶, n彩色感知但却能区分上千种彩色； 400nm400nm 700nm700nm 紫外光紫外光红外光红外光 可见光区可见光区 546.1nm546.1nm 435.8nm435.8nm 780nm780nm 2.3 颜色的基本概念 l彩色可用下面三个基 本特性量描述: n色调（Hue）：色调 表示颜色。 n饱和度（

14、Saturation ）：饱和度是彩色中 包含白光的多少。 n亮度（Brightness 或 Intensity）：亮度表示 感受到的光强度（ Luminance）。 2.3 颜色的基本概念 l颜色纺锤体： n颜色纺锤体的垂直轴线上表示列 的亮度变化，顶部是白色，沿着灰 度过渡，到底部是黑色。在垂直轴 线上越往上亮度越大。 n水平的圆周表示色调，圆周上的 不同角度的点代表了不同色调的颜 色，如红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫等。 n圆心的色调是中灰色，它的亮度 和该水平圆周上各色调的亮度相同 。 n从圆心向圆周过渡表示同一色调 下不同的饱和度。 2.3 颜色的基本概念 l颜色纺锤体： 2.3 颜色

15、的基本概念 l颜色纺锤体： 2.3 颜色的基本概念 l三基色原理 n十九世纪初，Tomas Young提出： u“任何彩色可以用合适的三种基本色混合而 再生” u生理学已证明，视网膜中有三种视锥体， 具有不同的吸收光谱。 uu吸收光谱响应的峰值吸收光谱响应的峰值 分别在光谱的红分别在光谱的红( (黄绿黄绿 ) )、绿、兰区域。且吸、绿、兰区域。且吸 收曲线有相当多的部收曲线有相当多的部 分是相互重叠的。这分是相互重叠的。这 是三基色原理的生理是三基色原理的生理 基础。基础。 2.3 颜色的基本概念 l三基色原理 n三基色相加混色： 红、绿、兰； （光的三基色） n三基色相减混色： 黄、青、品红

16、 （颜料的三基色） n相减是指吸收或过 滤掉。 2.3 颜色的基本概念 l光和颜料间的差别： n光和颜料是对立的，然而又互辅相成。 n如果没有光的照射，就不能看见物体的颜色，而有色光必 须照在不透明的表面上才能看见。 nRGB发射光，而CYM反射光。 n混合所有色彩的光形成白色，而混合所有颜料形成黑色。 n同时观察这两种模式，可见，RGB模式是CMY模式的对立 物， 就像每一种主体部分都是另一种的从属部分。 n利用红（Red）、蓝（Blue）和绿（Green）三种基本颜色 ，可以配制出绝大部分肉眼能看到的颜色。像彩色电视机的 显像管（CRT）以及计算机屏幕，都是以这种方式来混合出 各种不同的颜色效果。 nRGB模式的混色原理是以加法来混合出各种不同的彩色。 2.4