第2章 圖像、圖像處理系統(tǒng)及視覺系統(tǒng)(第2-2講)

數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)第2章圖像、圖像系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)（第二講）2.3視覺系統(tǒng)在圖像處理中所采用的許多處理技術(shù)，其主要目的是幫助觀察者理解和分析圖像中的某些內(nèi)容。因此，圖像處理系統(tǒng)不但應該是從視覺系統(tǒng)的角度來看是理想的系統(tǒng)，而且又是最經(jīng)濟有效的系統(tǒng)。為了達到預期的目的，在圖像處理中不但要考慮圖像的客觀性質(zhì)而且也要考慮視覺系統(tǒng)的主觀性質(zhì)。

2.3.1、視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)造

人的視覺系統(tǒng)是由眼球、神經(jīng)系統(tǒng)及大腦的視覺中樞構(gòu)成。人眼的形狀為一球形，其平均直徑約20mm。這球形之外殼有三層薄膜，最外層是角膜和鞏膜。角膜是硬而透明的組織，它覆蓋在眼睛的前表面。鞏膜與角膜聯(lián)在一起，它是一層不透明的膜，包圍著眼球剩余的部分。

鞏膜的里面是脈絡(luò)膜，脈絡(luò)膜外殼著色很深，因此，有利于減少進入眼內(nèi)的外來光和光在眼球內(nèi)的反射。脈絡(luò)膜的前邊被分為睫狀體和虹膜。虹膜的收縮和擴張控制著允許進入眼內(nèi)的光量。圖2—31人眼的斷面圖

虹膜的中間開口處是瞳孔，瞳孔的大小是可變的，大約可以從2mm變到8mm。虹膜的前部有眼睛的明顯的色素，而后部則含有黑色素。眼睛最里層的膜是視網(wǎng)膜，它布滿了整個后部的內(nèi)壁上。當眼球被適當?shù)鼐劢箷r，從眼睛外部物體來的光就在視網(wǎng)膜上成像。

視網(wǎng)膜具有高度的信息處理機能。視網(wǎng)膜的厚度大約有0.1～0.5mm。參與信息處理的細胞有視覺細胞（包括錐狀體和桿狀體）、水平細胞(Horizontalcell)、?，斂死锛毎?Amacrinecell)、兩極細胞(Bipolarcell)和神經(jīng)節(jié)細胞(Ganglioncell)等５種。圖2—32視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)模型

眼睛中的光接收器主要是視覺細胞，它包括錐狀體和桿狀體。中央凹部分特別薄，這部分沒有桿狀體，只密集地分布錐狀體。它具有辨別光波波長的能力，因此，對顏色十分敏感。有時它被叫做白晝視覺。每只眼睛的錐狀體大約有700萬個，在中央凹的分布間隔大約為2～2.5微米。桿狀體比錐狀體的靈敏度高，在較暗的光線下就能起作用。但是，它沒有辨別顏色的能力，有時又叫它夜視覺。桿狀體分布面積較大，其數(shù)量大約有１億３千萬個。正因為兩種視覺細胞的不同特點，所以我們看到的物體在白天有鮮明的色彩，而在夜里卻看不到顏色。與視覺細胞相比，神經(jīng)節(jié)細胞數(shù)目較少，大約有100萬左右。2.3.2、光覺和色覺

眼睛對光的感覺稱為光覺，對顏色的感覺稱為色覺。這是眼睛的基本特性。1)、光覺門限及亮度辨別門限光覺門限：把產(chǎn)生光覺的最小亮度叫做光覺門限或光覺閾。

光覺門限的適應狀態(tài)受多種因素的影響：生理條件、光的波長、光刺激的持續(xù)時間、刺激面積、視網(wǎng)膜上的位置等。光覺門限的值大約為1×10－6

（尼特)(cd/m2)。人感覺光的范圍的最大值和最小值之比達到1010以上。錐狀體和桿狀體各自的最大靈敏度隨波長而異，桿狀體的最靈敏點比錐狀體最靈敏點波長短50nm左右。波長從380～740nm分別與紫、藍、綠、黃、橙、紅等順序相對應。這就是在傍晚光線變暗時我們所看到的物體沒有顏色的原因，這種現(xiàn)象叫Purkinjeshift現(xiàn)象。圖2—33錐狀體(a)和桿狀體(b)的相對靈敏度特性光覺門限與刺激面積和刺激時間有密切關(guān)系。關(guān)于光覺門限與刺激面積的關(guān)系有里克（Ricco）定律和里波（Riper）定律來描述。當刺激面積較小時，光覺門限的強度I與面積A

的關(guān)系遵循下式之關(guān)系，即：

(2—47)刺激面積大，光覺門限小

這條定律就叫做里克定律。這里面積A的大小在如下范圍內(nèi)：在中央凹處，視角在幾分之內(nèi)；離中央凹４o～７°處的亞中央凹處大約為0.5°以內(nèi)；距中央凹處３５°左右約２°以內(nèi)都適合本定理。當刺激面積較大時，有下式的關(guān)系成立

(2—48)

這個關(guān)系就是里波定律。這個定律在視角范圍內(nèi)都可成立。一般情況下，里克定律和里波定律常含在一起用,統(tǒng)稱為里波定理。

關(guān)于光覺門限與時間的關(guān)系由布洛克（Block）定理來描述，它在時間較短的范圍內(nèi)才成立。布洛克定理是指光強等于光覺門限時，刺激時間T與光強度I的關(guān)系如下：(2—49)刺激時間長，光覺門限小式（2—49）約在0.1S以下的范圍內(nèi)成立。

光覺門限是指產(chǎn)生光覺的最小值，而辨別門限是指辨別亮度差別而必須的光強度差的最小值。這個最小值△I隨光強I的大小而異。有時也采用相對辨別門限△I/I或稱之為韋伯比來表示辨別門限。

亮度的相對辨別門限△I/I與光強度水平I及刺激面積的關(guān)系曲線如圖2—34所示。這些曲線是斯坦哈特（Steinhardt）在１９３６年測定的。圖2—34相對亮度辨別門限與光強I及刺激面積A的關(guān)系曲線由圖可見，開始時隨I的增大，△I/I減小，當I增大到一定值后，△I/I則穩(wěn)定在某一值上不再變化。在logI=0

處有一個不平滑點，這是因為處在桿狀體和錐狀體交替起作用的強度處。

亮度辨別門限與光覺門限一樣受刺激時間和面積的影響。刺激時間T在某一范圍內(nèi)△I值與T成反比?！鱅與刺激面積的關(guān)系有與皮埃隆（Pieron）定理相似的關(guān)系成立。

關(guān)于光的波長與辨別門限的關(guān)系由赫克特(Hecht)在450~670nm進行了測定。一般規(guī)律是波長越長則辨別門限越高（即辨別靈敏度低）。在中央凹處及其周圍的辨別門限也進行了測定，一般周圍的辨別門限大。特別是在明亮的場合下，這種傾向?qū)⒃鰪姟?)、有關(guān)色覺的學說

自１７３０年牛頓成功地分解了太陽光譜以來，認為光的波動經(jīng)過神經(jīng)傳到大腦，由于波長不同而產(chǎn)生不同顏色感覺的這一假說至今還在提倡。

Young(1801)認為顏色不是光的物理性質(zhì)而是一種感覺現(xiàn)象。后來赫姆霍爾茲(Helmholtz)發(fā)展了這種假說，認為視網(wǎng)膜有三種色細胞，由于光學反應引起三種視神經(jīng)纖維的興奮，由此又引起大腦三種神經(jīng)細胞興奮而產(chǎn)生色覺。這就是揚－赫姆霍爾茲(Young—Helmholtz)的色覺三原色學說。

另一方面，也有對三原色假說持反對立場的人，特別是揚－赫姆霍爾茲的三原色為紅、綠、紫。據(jù)經(jīng)驗，黃色用紅色和綠色混合而成是難于理解的。也就是說，用他的三原色假說不能說明黃色的純色性。提出這一反對論點的代表人物是赫林(Hering)。。赫林的假說是在視網(wǎng)膜上有紅－綠物質(zhì)，黃－藍物質(zhì)，白－黑物質(zhì)。在光刺激下，各物質(zhì)同時向?qū)α⒌姆较虬l(fā)生化學變化，向兩個方向變化的程度根據(jù)刺激的波長不同而不同，由此產(chǎn)生色覺。赫林的相對色假說對說明色適應和色對比現(xiàn)象理由較好，但對色盲的性質(zhì)卻不能加以詳細說明。三原色假說和相對色假說考慮方法是對立的，本世紀也有提倡一種折衷的假說，如Ladd-Franklindel發(fā)展假說，Hart-ridgedel多色假說等等。最近采用物理手段研究生理學的方法發(fā)展很迅速。2.4光度學及色度學原理

亮度和顏色是進入眼睛的可見光的強弱及波長成份的一種感覺的屬性。從某一入射光產(chǎn)生的亮度和顏色的感覺無法測定，并且這種因人而異的感覺也不能比較。既使對同一個人來說，由于觀察條件不同感覺也不一樣。

2.4.1、顏色的表示方法及觀察條件

顏色的表示方法大體上有二套方法。芒塞爾(Munsell)表示系統(tǒng)：設(shè)置一套作為標準的顏色樣本，被試的顏色與樣本進行比較，然后用特殊的記號來表示。CIE表示系統(tǒng)：

取決于刺激光的物理性質(zhì)和色的感覺的對應關(guān)系。用與這個規(guī)定的相對應的量來表示試料的光的物理性質(zhì)。這就是國際上規(guī)定的CIE表示系統(tǒng)。在處理光的物理性質(zhì)和色覺的關(guān)系時，可在單純的條件下來決定這種規(guī)定。一般條件規(guī)定如下：

(1)刺激亮度在視覺細胞的錐狀體起作用又不刺眼的范圍內(nèi)；

(2)觀察視野在2°(或10°）范圍內(nèi)，而且范圍外是黑暗的；(3)視野內(nèi)的光分布均勻并且不隨時間變化。

在這樣單純化了的條件下觀察顏色與日常在復雜情況下觀察到的顏色不一樣，為與感覺色相區(qū)別，把這種顏色叫做心理物理色。2.4.2、三基色混色及色度表示原理根據(jù)光的波動說，單一波長的光稱為單色光。從人們可以區(qū)別種種不同顏色這樣一個事實出發(fā)，似乎可以假設(shè)視網(wǎng)膜上也存在著許多不同類型的錐狀體，每一類型的錐狀體只“諧振”于某一特定的顏色。如果錐狀體果真有這樣的單色響應，那么某一彩色感覺只能由相應波長的電磁能引起。然而，事實卻不完全如此，照射到視網(wǎng)膜上的某一單色光并不是引起該彩色的唯一因素。例如，有幾種單色黃光可以由射到視網(wǎng)膜上的紅光和綠光配出來。幾乎所有的彩色都能由三種基本彩色混配出來。這三種彩色就叫做三基色。

由三基色混配各種顏色的方法通常有兩種：

相加混色：彩色電視機上的顏色是通過相加混色產(chǎn)生的。

相減混色：彩色電影和幻燈片等與繪畫原料一樣是通過相減混色產(chǎn)生各種顏色的。相加混色和相減混色的主要區(qū)別：第一，相加混色是由發(fā)光體發(fā)出的光相加而產(chǎn)生各種顏色，而相減混色是先有白色光，爾后從中減去某些成份（吸收）得到各種彩色。第二，相加混色的三基色是紅、綠、藍，而相減混色的三基色是黃、青、紫（一般不確切地說成是黃、藍、紅）。也就是說相加混色的補色就是相減混色的基色。第三，相加混色和相減混色有不同規(guī)律（指顏料相混）。相加混色：紅＋綠＝黃紅＋藍＝紫藍＋綠＝青紅＋綠＋藍＝白相減混色：黃＝白－藍紫＝白－綠青＝白－紅白－藍－綠－紅＝黑

格拉斯曼定律（GrassmanLaw)包括如下四項內(nèi)容：（１）所有顏色都可以用互相獨立的三基色混合得到；（２）假如三基色的混合比相等，則色調(diào)和色飽和度也相等；（３）任意兩種顏色相混合產(chǎn)生的新顏色與采用三基色分別合成這兩種顏色的各自成分混合起來得到的結(jié)果相等；（４）混合色的光亮度是原來各分量光亮度的總和。這里色調(diào)、色飽和度及亮度是表示色覺程度的量。色調(diào)－－表示各種顏色的種類的術(shù)語；色飽和度－－表示顏色深淺（添加白光的多少）。以三基色為基礎(chǔ)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顏色表示系統(tǒng)

國際照明委員會（CIE）規(guī)定：

紅色（波長λ＝700.00nm），

綠色（波長λ＝546.1nm）

藍色（波長λ＝438.8nm）這就是CIE的R、G、B顏色表示系統(tǒng)。

在數(shù)字圖像處理中的終端顯示通常用顯像管（CRT）也就是用彩色監(jiān)視器顯示。由相加混色原理可知白光可由紅、綠、藍三種基色光相加得到。產(chǎn)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來表示

1lm(白光)=0.30lm(紅)+0.59lm(綠、)+0.11lm(藍)(2—51)由上式可見，產(chǎn)生白光時三基色的比例關(guān)系是不等的，這顯然給實際使用帶來一些不方便。為了克服這一缺點，使用了三基色單位制。這就是所謂的T單位制。在使用T單位制時，認為白光是由等量的三基色組成。因此，表示的亮度方程可改寫如下

1lm(W)=1T(R)+1T(G)+1T(B)(2—52)1T單位紅光=0.30lm；1T單位綠光=0.59lm；1T單位藍光=0.11lm。由此可知T單位與流明數(shù)的關(guān)系，在需要的時候可以很容易地進行轉(zhuǎn)換。由于T單位的采用就除掉了復雜數(shù)字帶來的麻煩。

由三基色原理可知，任何顏色都可由三基色混配而得到。為了簡單又方便地描繪出各種彩色與三基色的關(guān)系，采用了彩色三角形與色度圖的表示方法。這是一個等邊三角形，三個頂點分別為紅、綠、藍三色。其中黃色位于紅與綠之中間，紫色落在藍色和紅色中間，青色在綠色與藍色中間。三角形的中心就是三基色分量都相等的白色。以三角形三個邊為界，其內(nèi)部每一點都是三基色混合而成的顏色。穿過中心點的任何一條直線所連系的兩種彩色互為補色，即兩者混配起來就形成白色。越靠近三角形中點則色飽和度越低。

圖2—35相加混色彩色三角形

對彩色的感覺必須考慮三個量，即：色調(diào)色飽和度亮度。彩色三角形是二維圖形，因此，它只能表示色調(diào)和色飽和度，它不能表示亮度。

一般在彩色三角形上標上標度就可直接讀出產(chǎn)生某給定色調(diào)所需的三基色比例。圖2—36便是采用直角三角形表示的彩色三角形。圖中每一色調(diào)的量取為１個T單位。紅色沿著x軸，綠色沿著y軸，給定的藍色可簡單地用格拉斯曼定律推出。

因為每一色調(diào)都規(guī)定１T個單位，所以，任一色調(diào)的紅、綠、藍分量總和為１，藍色的T單位數(shù)就可以從１減去紅色和綠色的T單位而推出。

圖2—36直角彩色三角形例如Ｐ點的顏色，這一色調(diào)位于R=0.5，G=0.2處，這說明，１個單位的“Ｐ”色調(diào)包含有0.5T單位的紅色和0.2T單位的綠色。由格拉斯曼定律可算出藍色量為1-(0.5+0.2)=0.3單位。也就是說１個T單位的“Ｐ”色調(diào)等于0.5T單位的紅色，0.2T單位的綠色，0.3T單位的藍色之和。

在CIE色度圖中，采用了假想的三基色。這樣就可以畫出一個包括一切彩色的色度圖。其中假想的三基色位于于三角形的三個頂點，所有譜色都位于三角形內(nèi)馬蹄形曲線上。在馬蹄形圖的一部分曲線上注有波長數(shù)，這樣就可以根據(jù)波長辨別顏色。在馬蹄形的底部沒有標度，這里是非譜色，波長在這里自然沒有意義。

圖2—37CIE色度圖譜色能以單色出現(xiàn)在光譜上而且有一定波長的彩色；非譜色不能作為單色出現(xiàn)在光譜上的顏色稱為非譜色，各種紫紅色就是非譜色的例子。

圖中的Ｃ點是標準白光。作為標準光源，規(guī)定的有Ａ、Ｂ、Ｃ三種，Ａ光源是絕對溫度約為28450K的全輻射體發(fā)出的光，其色度坐標為x=0.4476，y=0.4075。有代表性的就是白熾電燈發(fā)出的光。Ｂ光源是絕對溫度約為4870oK

全輻射體發(fā)出的光，其色度坐標為x=0.3485，y=0.3518。正午時刻直射的日光與其近似。在實驗室中可由Ａ光源用特制的濾色鏡得到。Ｃ光源的絕對溫度為6740oK，色度坐標為x=0.3101，y=0.3163。直射的日光與天上藍色天空的光混合起來近似于這種光源。由于色覺與刺激視野有關(guān)，所以上述色度圖對視野大約為２°時成立。為了適應視野較大的場合，在１９６４年又定義了視野為１０°的顏色表示系統(tǒng)。

另外，也用“彩色圖”表示顏色系統(tǒng)，最常見的是美國芒塞爾制。這是一個圓形的圖形，它分為十大塊扇形部分，如圖2—38所示。每一扇形又分十小塊，直徑兩端的色調(diào)互為補色，飽和度在圓周上最大，分１６級向圓心逐步減小，直到白色。圖2—38彩色圖從彩色圖上可見，5Y是最黃的顏色，10Y則接近黃綠色，同理，５R是最紅色，10R近于紅黃色，而１R近于紫紅色等等?？傊?，顏色表示系統(tǒng)有多種，除此之外還有CIE1960UCS(UniformChromaticityScale),ULCS(UniformLightChromaticityScale)等。2.5亮度和顏色感覺的視覺特征2.5.1刺激強度與感覺的關(guān)系

對于感覺器官來說，刺激強度I產(chǎn)生△I的變化，而且這個變化剛剛能辨別出來，那么對應于△I

的感覺△s

有下式成立(2—53)兩邊積分后即成為式（2—54）的形式

(2—54)這個式子說明感覺量與刺激強度的對數(shù)成比例，式中的I0

為絕對門限值。這個關(guān)系叫韋伯－費克納法則(Weber—Fechner)。關(guān)于刺激光的強度和顏色的感覺，由于在較暗的情況下只有桿狀體起作用，所以此時并沒有顏色感覺。亮度達到時錐狀體才起作用，也就是亮度達到所謂微明視覺的水平時才有色覺。

顏色刺激與顏色感覺的對應關(guān)系比較復雜，光的輝度變化時，顏色也變化，這種現(xiàn)象叫貝佐爾得－布魯克(Bezold—Brucke)現(xiàn)象。2.5.2亮度適應和顏色適應

從較亮的場所到較暗的場所時，很難馬上看到東西，相反，從較暗的場所到較亮的場所，也看不東西。一般把眼睛的狀態(tài)適應明暗條件的變化叫亮度適應。從亮到暗的變化叫暗適應；從暗向亮的變化叫亮適應。一般亮適應時間較短，暗適應較長。與亮度適應相區(qū)別，隨著光的分布而變化，眼睛有對顏色刺激靈敏度變化的性質(zhì)。例如，用強紅光刺激眼睛后看本來是黃色的物體卻是綠色的。這種依賴光分布的視覺靈敏度現(xiàn)象叫色適應。2.5.3亮度對比和顏色對比一般情況，在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感覺到的明暗程度也不同。圖2—39中的圓環(huán)的亮度是一樣的，但是，由于左右兩邊的背景不同，看到的圓環(huán)兩邊的明暗程度也不一樣，背景暗會覺得圓環(huán)亮一些；背景亮會感覺圓環(huán)較暗。在觀察顏色的場合也一樣，在圖形的色度一樣，但背景顏色不一樣時，感覺到的圖形的色度也不一樣。

刺激的亮度和色度受周圍背景的影響而使其產(chǎn)生不同感覺的現(xiàn)象叫同時對比現(xiàn)象。這里包括亮度對比和顏色對比。另外，在二個刺激相繼出現(xiàn)的場合，后續(xù)刺激的感覺受到先行刺激的影響，這種現(xiàn)象叫相繼對比。實驗表明，在背景亮度比目標亮度低的場合，感覺目標有一定亮度。當背景亮度比目標亮時，看到的目標就有暗得多的感覺。同時對比效果在背景大的場合比較顯著，但不一定在目標被包圍的情況下才產(chǎn)生，在其他場合也可以產(chǎn)生，只是效果小一些罷了。

關(guān)于對比效果有一定性的法則，即基爾希曼(Kirschman)法則。其基本內(nèi)容如下：（１）目標比背景小，顏色對比大；（２）顏色對比在空間分離的兩個領(lǐng)域內(nèi)也發(fā)生，間隔大時則效果較??；（３）背景大，對比量亦大；（４）明暗對比最小時，顏色對比最大；（５）明暗相同時，背景色度高對比量大；（６）亮度及顏色的恒定性。

亮度的恒定性。這種物理亮度在變化而感覺卻有保持一定的傾向叫亮度的恒定性。如：白紙煤堆另外