第2章 图像、图像处理系统及视觉系统(第2-2讲)

•
白－蓝－绿－红＝黑
格拉斯曼定律（Grassman Law)包括如下四项内容： （１）所有颜色都可以用互相独立的三基色混合得
到；
（２）假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度 也相等；
（３）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； （４）混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总
这条定律就叫做里克定律。这里面积A的大小在 如下范围内：在中央凹处，视角在几分之内；离 中央凹４o～７°处的亚中央凹处大约为 0.5°以 内；距中央凹处３５°左右约２°以内都适合本 定理。当刺激面积较大时，有下式的关系成立
I
A 常数
(2—48)
这个关系就是里波定律。这个定律在视 角范围内都可成立。一般情况下，里克 定律和里波定律常含在一起用,统称为里
光觉门限的适应状态受多种因素的影响：
生理条件、
光的波长、
光刺激的持续时间、
刺激面积、
视网膜上的位置等。
光觉门限的值大约为1×10－6 （尼特)(cd/m2)。人感 觉光的范围的最大值和最小值之比达到 1010以上。
锥状体和杆状体各自的最大灵敏度随波长而异， 杆状体的最灵敏点比锥状体最灵敏点波长短50nm左 右。波长从380～740nm分别与紫、蓝、绿、黄、橙、 红等顺序相对应。这就是在傍晚光线变暗时我们所 看到的物体没有颜色的原因，这种现象叫 Purkinje shift 现象。
数字图像处理基础
第2章 图像、图像系统与视觉系统
（第二讲）
2. 3 视觉系统
在图像处理中所采用的许多处理技术，其主要目的 是帮助观察者理解和分析图像中的某些内容。因此， 图像处理系统不但应该是从视觉系统的角度来看是 理想的系统，而且又是最经济有效的系统。为了达 到预期的目的，在图像处理中不但要考虑图像的客 观性质而且也要考虑视觉系统的主观性质。
• 在数字图像处理中的终端显示通常用显像管
（CRT）也就是用彩色监视器显示。由相加混
色原理可知白光可由红、绿、蓝三种基色光相
加得到。产生1lm的白光所需要的三基色的近
似值可用下面的亮度方程来表示
1 lm(白光)=0.30 lm(红)+0.59 lm(绿、)+0.11 lm(蓝)
(2—51)
由上式可见，产生白光时三基色的比例关系是不等的，
。赫林的假说是在视网膜上有红－绿物质，黄－蓝
物质，白－黑物质。在光刺激下，各物质同时向对 立的方向发生化学变化，向两个方向变化的程度根
据刺激的波长不同而不同，由此产生色觉。赫林的
相对色假说对说明色适应和色对比现象理由较好，
但对色盲的性质却不能加以详细说明。
• 三原色假说和相对色假说考虑方法是对立的，
2.4.1、颜色的表示方法及观察条件
颜色的表示方法大体上有二套方法。
芒塞尔(Munsell)表示系统：设置一套作为标准的颜色 样本，被试的颜色与样本进行比较，然后用特殊的记 号来表示。
CIE表示系统： 取决于刺激光的物理性质和色的感觉的 对应关系。用与这个规定的相对应的量 来表示试料的光的物理性质。这就是国 际上规定的CIE表示系统。
图2—31 人眼的断面图
虹膜的中间开口处是瞳孔，瞳孔的大小是可变的， 大约可以从2mm变到8mm。虹膜的前部有眼睛 的明显的色素，而后部则含有黑色素。眼睛最里 层的膜是视网膜，它布满了整个后部的内壁上。 当眼球被适当地聚焦时，从眼睛外部物体来的光 就在视网膜上成像。
视网膜具有高度的信息处理机能。视网膜的厚度
视觉。杆状体分布面积较大，其数量大约有１亿３千
万个。正因为两种视觉细胞的不同特点，所以我们看
到的物体在白天有鲜明的色彩，而在夜里却看不到颜
色。与视觉细胞相比，神经节细胞数目较少，大约有
100万左右。
2.3.2、光觉和色觉
眼睛对光的感觉称为光觉，对颜色的感觉称为色觉。 这是眼睛的基本特性。 1) 、光觉门限及亮度辨别门限 光觉门限： 把产生光觉的最小亮度叫做光觉门限或光觉阈。
由三基色混配各种颜色的方法通常有两种： 相加混色：彩色电视机上的颜色是通过相加混色 产生的。 相减混色：彩色电影和幻灯片等与绘画原料一样 是通过相减混色产生各种颜色的。
相加混色和相减混色的主要区别： • 第一，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，尔后
从中减去某些成份（吸收）得到各种彩色。
• 第二，相加混色的三基色是红、绿、蓝，而相减 混色的三基色是黄、青、紫（一般不确切地说成 是黄、蓝、红）。也就是说相加混色的补色就是 相减混色的基色。 • 第三，相加混色和相减混色有不同规律（指颜料 相混）。
• 相加混色：
• • 红＋绿＝黄 红＋蓝＝紫
•
•
蓝＋绿＝青
红＋绿＋蓝＝白
• 相减混色： • • • 黄＝白－蓝 紫＝白－绿 青＝白－红
图2—33 锥状体(a)和杆状体(b)的相对灵敏度特性
光觉门限与刺激面积和刺激时间有密切关系。关于
光觉门限与刺激面积的关系有里克（Ricco）定律
和里波（Riper）定律来描述。当刺激面积较小时，
光觉门限的强度 I 与面积 A 的关系遵循下式之关系， 即：
IA 常数
刺激面积大，光觉门限小
(2—47)
波定理。
关于光觉门限与时间的关系由布洛克（Block） 定理来描述，它在时间较短的范围内才成立。布 洛克定理是指光强等于光觉门限时，刺激时间T 与光强度I的关系如下：
IT 常数
刺激时间长，光觉门限小
(2—49)
式（2—49）约在0.1S 以下的范围内成立。
光觉门限是指产生光觉的最小值，而辨别门限是指 辨别亮度差别而必须的光强度差的最小值。这个最 小值 △I 随光强 I 的大小而异。有时也采用相对辨
• 三角形的中心就是三基色分量都相等的白色。以
三角形三个边为界，其内部每一点都是三基色混
合而成的颜色。穿过中心点的任何一条直线所连
系的两种彩色互为补色，即两者混配起来就形成
白色。越靠近三角形中点则色饱和度越低。
•
图 2—35 相加混色彩色三角形
• 对彩色的感觉必须考虑三个量，即： • 色调 • 色饱和度 • 亮度。 • 彩色三角形是二维图形，因此，它只能表示色 调和色饱和度，它不能表示亮度。
候可以很容易地进行转换。由于T单位的采用
就除掉了复杂数字带来的麻烦。
由三基色原理可知，任何颜色都可由三基色混配而
得到。为了简单又方便地描绘出各种彩色与三基色的
关系，采用了彩色三角形与色度的表示方法。
这是一个等边三角形，三个顶点分别为红、绿、蓝
三色。其中黄色位于红与绿之中间，紫色落在蓝色和
红色中间，青色在绿色与蓝色中间。
大约有0.1～0.5mm。参与信息处理的细胞有视觉
细胞（包括锥状体和杆状体）、水平细胞
(Horizontal cell)、埃玛克里细胞(Amacrine cell)、
两极细胞(Bipolar cell)和神经节细胞(Ganglion
cell)等５种。
图2—32 视网膜结构模型
眼睛中的光接收器主要是视觉细胞，它包括锥状
和。
这里色调、色饱和度及亮度是表示色觉程度的量。
色调－－表示各种颜色的种类的术语；
色饱和度－－表示颜色深浅（添加白光的多少）。
以三基色为基础的格拉斯曼定律可用下式表示
F≡Ｒ（Ｒ）＋Ｇ（Ｇ）＋Ｂ（Ｂ）
(2—50)
2.4.3、CIE的R、G、B颜色表示系统 国际照明委员会（CIE）规定： 红色（波长λ ＝700.00nm）， 绿色（波长λ ＝546.1nm） 蓝色（波长λ ＝438.8nm） 这就是CIE的R、G、B颜色表示系统。
在处理光的物理性质和色觉的关系时，可在单纯的 条件下来决定这种规定。一般条件规定如下： (1) 刺激亮度在视觉细胞的锥状体起作用又不刺眼 的范围内；
(2)观察视野在2°(或10°）范围内，而且 范围外是黑暗的； (3) 视野内的光分布均匀并且不随时间变化。
在这样单纯化了的条件下观察颜色与日 常在复杂情况下观察到的颜色不一样， 为与感觉色相区别，把这种颜色叫做心 理物理色。
2.4.2、三基色混色及色度表示原理 根据光的波动说，单一波长的光称为单色光。从人
们可以区别种种不同颜色这样一个事实出发，似乎
可以假设视网膜上也存在着许多不同类型的锥状体，
每一类型的锥状体只“谐振”于某一特定的颜色。
如果锥状体果真有这样的单色响应，那么某一彩色
感觉只能由相应波长的电磁能引起。
• 然而，事实却不完全如此，照射到视网膜上的某 一单色光并不是引起该彩色的唯一因素。例如， 有几种单色黄光可以由射到视网膜上的红光和绿 光配出来。几乎所有的彩色都能由三种基本彩色 混配出来。这三种彩色就叫做三基色。
此又引起大脑三种神经细胞兴奋而产生色觉。
这就是扬－赫姆霍尔兹(Young—Helmholtz)的
色觉三原色学说。
另一方面，也有对三原色假说持反对立场的人， 特别是扬－赫姆霍尔兹的三原色为红、绿、紫。 据经验，黄色用红色和绿色混合而成是难于理 解的。也就是说，用他的三原色假说不能说明 黄色的纯色性。提出这一反对论点的代表人物 是赫林(Hering)。
这显然给实际使用带来一些不方便。为了克服这一缺
点，使用了三基色单位制。这就是所谓的T单位制。
在使用T单位制时，认为白光是由等量的三基色组成。
因此，表示的亮度方程可改写如下
1lm(W)=1T(R)+1T(G)+1T(B) (2—52)
• 1T单位红光=0.30lm；
• 1T单位绿光=0.59lm；
• 1T单位蓝光=0.11lm。 • 由此可知T单位与流明数的关系，在需要的时
本世纪也有提倡一种折衷的假说，如LaddFranklindel发展假说，Hart-ridgedel多色假说 等等。最近采用物理手段研究生理学的方法发 展很迅速。