第2章-图像处理的光学与视觉基础-2015

2015/3/251第二章图像处理的视觉与光学基础一、视觉基础二、光学基础三、色度学原理与颜色模型1,人眼结构图与成像原理一、视觉基础成像原理：倒立的实像视网膜上视网膜面分布着许多感光细胞整体视觉过程:视觉＝“视”＋“觉”2,视觉功能人们借助视觉器官完成一定视觉任务的能力称为视觉功能。区分物体细节的能力辨认对比的能力正常人眼能分辨空间两点间形成的最小视角为(1/60)°DA)~AtanD，DAtan~1)视角：物体的大小对眼睛形成的张角(当很小时)1衡量指标：2)分辨率：人眼在一定距离上能区分相邻两点的能力d：能区分开的两点间的最小距离,D：眼睛和这两点连线的垂直距离，：最小视角，则有Dd~00影响分辨力的因素：(a)与环境光线的强弱有关光线太弱：看不清，分辨率下降光线太强：“炫目”，分辨率下降(b)与被观察对象和背景的相对对比度有关当对象与背景的相对对比度很小时，两者亮度接近，导致人眼的分辨率下降。Dd)0例如：迷彩仿生伪装2015/3/252(c)物体的运动速度速度快，则分辨率下降（例如：飞奔的汽车）3)光觉和色觉眼睛对光的感觉为光觉眼睛对颜色的感觉称为色觉(a)光觉门限(b)色觉门限眼睛能够感受到的最低刺激光的强度，称为光觉门限人眼感觉光的强度范围的最大值和最小值之比可到1010以上眼睛能够感受到的产生颜色差别所需要的最小波长差，也称为颜色的分辨门限。能区分的最小的波长变化为1nm在可见光范围内，人眼对波长在500nm左右的蓝绿光段和600nm左右的黄光波段最为敏感某个视觉信号并不是只由一个视觉细胞感光产生，而是由许多空间上相邻的视觉细胞的信号加权求和而产生的。LOGLOGLOGLOG•••a1a2a3an感受体加权因子神经信号4)视觉特性和视觉现象中间哪个球更黑或更白？环境对比侧抑制效应(Lateralinhibition)被亮块包围的黑圆块更黑！被黑块包围的白圆块更白！侧抑制效应眼睛感觉相近的神经元彼此之间发生的抑制作用:某个神经元受到刺激而产生兴奋时，再刺激相近的神经元，后者所发生的兴奋对前者产生的抑制作用当亮区一侧的抑制大于暗区一侧的抑制时，则暗区更暗；当暗区一侧的抑制小于亮区一侧的抑制时，则亮区更亮。A方块的颜色要比B方块深？C2015/3/253Hermann栅格看到交叉处的灰点？注视交叉处的视网膜区域比注视白条的区域受到更多的抑制，这样交叉处显得比其它区域暗一些栅格火花错觉眼睛环视它,交叉点是不是放出火花？每一竖条内的灰度是均匀分布的，但人眼睛感觉到每一竖条内右边比左边稍暗一点。马赫带效应具有增强图像轮廓、提高图像反差的作用。人眼感受到的亮度不是光强的简单函数！马赫带效应马赫带(Machbands)效应指视觉的主观感受在亮度有变化的地方出现虚幻的明亮或黑暗的条纹。错视觉现象：线段等长？直线平行？缪勒莱耶错觉，箭形错觉车行道纵向减速标线中间的球一样大?2015/3/254人眼在观察景物时，光信号传人大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。视觉暂留视觉暂留特性是现代电影和电视的基础，运动的视频图像都是用快速更换静态图像产生的。二、光学基础一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。例，一只40W普通白炽灯：350~470lm一只40W普通直管形荧光灯：2800lm左右常用投影机的流明数值在1000-4000lm之间1,光通量Ø光源在单位时间内发射出去的光量称为光源的发光通量国际单位：流明(Lumen,lm)它标度了可见光对人眼的视觉刺激程度！简单地说：蜡烛在1米外所显现出的亮度，称为1流明（蜡烛大小和燃烧速度是有规定的）2,发光强度I点光源在单位立体角内辐射出的光通量。国际单位：坎德拉(candela,cd)；其它单位：烛光(c),1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量,测定光强的仪器称为光度计指物体被照亮的程度，即单位面积上所接受的光通量国际单位：勒[克斯](Lux,lx)，即lm/m21lx等于1流明的光通量均匀分布于1m2面积上的光照度3,照度E自然光照射下各环境中的照度（供参考）：夏季中午在太阳直接照射下：~100,000lx没有太阳的室外:1000~10,000lx明朗夏天的室内：100~500lx月夜：0.02~0.2lx黑夜：0.001lx或更低是指一个表面的明亮程度。4,亮度L即从一个面光源发射出来的光通量或者入射光在某个表面反射出来的光通量(单位面积上的光通量)。单位：1尼特=1坎德拉/米2(cd/m2)L=R×E（L为亮度，R为反射系数，E为照度）三、色度学与颜色模型1,描述颜色的几个术语1)颜色人的视觉系统感知到的颜色由光波波长决定.波长(m)10-1410-1210-910-610-410-2可见光：380~780nm太阳光中含有较多紫外光成分；电烤火炉的炉丝发出很多红外光成分。2015/3/255电磁波谱2)区分颜色的三个特性A,色调(Hue)B,饱和度(Saturation)C,明度(Brightness)，也称亮度色度：表示颜色的类别与深浅程度A,色调(Hue)视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉。色调用黑、灰和白描述无彩色，用红、橙、黄、绿、浅蓝和深蓝等描述彩色红橙黄绿青蓝紫色调表示法：色调数目多于1000万种，普通人可区分200种色调，专业人士可辨认的色调数大约300～400种。色调在颜色圆上用圆周表示圆周上的颜色具有相同的饱和度与明度，不同的色调牛顿色圆B,饱和度(Saturation)表示颜色的纯洁性（纯度），可用来区别颜色明暗的程度单一波长的光谱色(红…紫)是完全饱和(100%)的颜色当一种颜色掺入其它光的成分越多，该颜色越不饱和半径表示法：沿径向方向，颜色具有相同的色调和明度，不同的饱和度B,饱和度(Saturation)右下图中所示的七种颜色具有相同的色调和明度，但具有不同的饱和度，左边的饱和度最浅，右边的最深。表示颜色的纯洁性（纯度），可用来区别颜色明暗的程度单一波长的光谱色(红…紫)是完全饱和(100%)的颜色当一种颜色掺入其它光的成分越多，该颜色越不饱和2015/3/256C,明度(Brightness)此值目前无法用物理设备测量，可用亮度(luminance)即辐射的能量来度量，也可用一个数值范围表示。例：0～10。一个极端是黑色(无光，0明度)，另一个极端是白色(10明度)，在这两个极端之间是灰色。视觉系统对可见物体辐射光或发射光多少的感知属性。例:一根点燃的蜡烛在黑暗中看起来要比在白炽光下亮。右下图，七种颜色具有相同色调与饱和度，不同的明度，底部的明度最小，顶部的明度最大——垂直轴表示明度的表示方法3)颜色空间对人，可以通过色调(H)、饱和度(S)和明度(B)来定义颜色(三维模型表示)例：色调-饱和度-明度(HSB)颜色空间(色彩纺锤形表示法)色调用角度标定红色标为0°,青色标为180°饱和度的深浅用半径大小表示明度用垂直轴表示(0~10)黑为0，白为10.对显示设备，用红(R)、绿(G)和蓝(B)三基色来描述颜色(RGB模型)对打印或印刷设备，使用青色(C)、品红(M)、黄色(Y)和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色(CMYK模型)（后面两种模型以后详述）1)Newton色圆牛顿色圆2,三基色原理Newton在1666年开始研究颜色，把红色和紫色首尾相接形成色圆/色轮(colorcircle/wheel)，称牛顿色圆(Newtoncolorcircle)，如右图所示。圆周表示色调，圆的半径表示饱和度揭示了红(R)、绿(G)和蓝(B)相加混色情况并为三基色原理奠定了基础，其互补色是青(C)、紫(M)和黄(Y)。Magenta(M):紫红、洋红、品红Cyan(C):青Magenta(M):紫红、洋红、品红Cyan(C):青红橙黄绿青蓝紫三基色光700nm,546nm,435.8nm2)三基色原理白光通过三棱镜后被分解为多种单色光大部分颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生----三基色原理(色度学的基本原理)红、绿、蓝是三种基(原)色，它们相互独立，任一色都不能由其它两色混合产生。人眼对红、绿、蓝三色最敏感，就像一个三色接收器。2015/3/257加色系统：原色是红、绿、蓝，不同比例的三原色光相加得到的彩色称为相加混色。两种原色系统黄红＋蓝＝紫(品红)红＋绿＋蓝＝白蓝＋绿＝青红＋绿＝黄紫青白黄、青和紫都是由两种基色混合产生的，所以称为相加二次色。彩色电视显示技术、电脑显示器、彩色摄像机等图像显示设备中采用的是相加混色法！(用于发光物体)RGB红25500绿02550蓝00255黄2552550紫2550255青0255255白255255255蓝红绿三原色是黄、青、紫(品红)。相减混色利用了滤光特性，即在白光中减去不需要的彩色，留下所需要的颜色。减色系统：黄＝白－蓝紫＝白－绿青＝白－红黄＋紫＝白－蓝－绿＝红黄＋青＝白－蓝－红＝绿紫＋青＝白－绿－红＝蓝黄＋紫＋青＝白－蓝－绿－红＝黑彩色还可由混合各种比例的绘画颜料来配出，这就是相减混色。因为颜料能吸收入射光光谱中的某些成分，未吸收的部分被反射，从而形成了该颜料特有的彩色。当不同比例的颜料混合在一起的时候，它们吸收光谱的成分也随之改变，从而得到不同的彩色。相减混色主要用于美术、印刷、纺织等行业！(用于不发光物体)(白)(紫)(黄)(青)RedGreenBlueBlack红紫蓝用相加混色三原色(R/G/B)所表示的颜色模式称为RGB模式，用相减混色三原色(C/M/Y)所表示的颜色模式称为CMY模式，为改善印刷质量而增加了黑色颜色(Blackink)，其模式称为CMYK模式。RGB模式与CMY(K)模式（总结）：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模式存储的图像要比CMYK图像要小，可以节省内存和空间。例如，显示器采用RGB模式，就是因为显示器是电子光束轰击萤光屏上的萤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。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。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他光的颜色，所以需要用减色法来解决。补色原理：黄+蓝＝白，紫+绿＝白，青+红＝白简单地看：色轮上成180度相对的颜色互为补色，即红与青、蓝与黄、绿与紫互为补色。当两个色光混合成白色色光时，则这两个色光的主波长定义为互补波长，而这一对互补波长的光所对应的颜色称为补色。20:44思考：医院手术室、手术台、外科医生护士的衣服一般都采用浅绿色？补色搭配在一起的视觉效果是最强烈的。当人们注视色彩的时候，视觉范围内的各种颜色的光便刺激视网膜上的锥状感光细胞而产生所看到的色彩；但是视网膜上的锥状感光细胞一直受到同一色光刺激后，便会有刺激疲劳现象产生，形成补色。思考题：医院手术室、手术台、外科医生护士的衣服一般都采用浅绿色？2015/3/258光电图像处理第二章图像处理的视觉与光学基础2015.03.19.一、视觉基础二、光学基础三、色度学原理与颜色模型1,人眼结构图与成像原理一、视觉基础2,视觉功能区分物体细节的能力辨认对比的能力1)视角2)分辨率环境光线、相对对比度、运动速度3)光觉和色觉4)视觉特性和视觉现象侧抑制效应、马赫带效应、错视觉、视觉暂留1,光通量二、光学基础2,发光强度光源在单位时间内发射出去的光量国际单位：流明(Lumen,lm)3,照度4,亮度点光源在单位立体角内辐射出的光通量国际单位：坎德拉(Candela,cd)指物体被照亮的程度，即单位面积上所接受的光通量国际单位：勒[克斯](Lux,lx),lm/m2)指一个表面的明亮程度国际单位：尼特(坎德拉/米2,cd/m2)1,颜色三、色度学与颜色模型色调(H):视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉饱和度(S):颜色的纯洁性(纯度)明度(B):对可见物体辐射光或发射光多少的感知特性HSB颜色空间(色彩纺锤形表示法)2,三基色原理三、色度学与颜色模型三基色:RGB互补色:CMY1)Newton色圆黄+蓝＝白，紫+绿＝白，青+红＝白2,三基色原理三、色度学与颜色模型2)加色系统黄红＋蓝＝紫(品红)红＋绿＋蓝＝白蓝＋绿＝青红＋绿＝黄紫青白蓝红绿2015/3/2592,三基色原理三、色度学与颜色模型3)减色系统黄＝白－蓝紫＝白－绿青＝白－红黄＋紫＝白－蓝－绿＝红黄＋紫＋青＝白－蓝－绿－红＝黑RedGreenBlueBlack紫＋青＝白－绿－红＝蓝黄＋青＝白－蓝－红＝绿为了定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜色模型。为满足不同的应用需求，需要在各种不同的颜色空间之间进行转换。几乎所有的颜色空间都是从RGB颜色空间导出的。三、色度学与颜色模型3,颜色模型1)RGB颜色模型三原色(R/G/B)相加混色三维的单位正方体模型：原点为黑色，距离原点最远处为白色，三维空间中任一点表示一种颜色。bBgGrRC24位真彩色模型RGB色彩空间：与设备相关的色彩空间不同的扫描仪扫描同一幅图像，会得到不同色彩的图像数据；不同的显示器显示同一幅图像，也会有不同的色彩显示结果。蓝青紫红绿黄R(0~255),G(0~255),B(0~255)1931年由国际照明委员会(CIE)定义的颜色空间，用作颜色的基本度量方法，该颜色空间是与设备无关的颜色表示法。CIE在RGB系统基础上，改用假想的三原色红(X)、绿(Y)、蓝(Z)建立了一个新的标准色度系统。设组成某种颜色C所需要的X、Y、Z的量称为三个刺激量，而每种刺激量的比例系数(色系数)为x、y和z，则一种颜色可以表示为：2)1931CIE-XYZ型颜色空间ZYXZzZYXYyZYXXxzyxzZyYxXC1光谱三刺激值1931CIE标准色度观察者函数CIE规定所有的刺激值为正值，用x和y两个坐标表示所有可见的颜色绘制的CIE色度图(CIEchromaticitydiagram)是用xy平面表示的马蹄形曲线。由于x+y+z=1，因此只用x和y两个坐标即可确定一种颜色，其亮度信息由Y表示。图中颜色波长单位为nm.蓝青绿黄红紫光谱颜色CCIE色度图xyx色度坐标相当于红原色的比例，y色度坐标相当于绿原色的比例。CIE色度图(1)x/y轴表示红/绿色色系数,蓝色色系数为z=1-(x+y)。(4)在色度图中边界上的点代表纯颜色，颜色的纯度（饱和度）为100%；点移向中心则表示混合的白光增加而颜色纯度减少。(2)图中每点对应一种可见光颜色(6)表示互补色的两点连线一定通过参考白光C点。(5)在色度图中连接任意两端点的直线上的各点，表示将这两端点所代表的颜色相加可组成的一种颜色。(3)中心点C处为白色。C点处各种光谱能量相等而显为白色，此处纯度为零。2015/3/2510CIE色度图C590例：在如下色度图中，中心C点对应于白色，由三原色各1/3组合产生，色纯度(饱和度)为多少？P点的色度坐标为(x=0.48,y=0.40)，直线段CP的延长线与色度边界线交于Q点(约590nm)，色调为橙色，它的色纯度为多少？P点位于从C到橙色Q点的66%的地方，它的色纯度为多少？MNEFPQCIE色度图C590例：在如下色度图中，中心C点对应于白色，由三原色各1/3组合产生，色纯度(饱和度)为零。P点的色度坐标为(x=0.48,y=0.40)，直线段CP的延长线与色度边界线交于Q点(约590nm)，色调为橙色，它的色纯度为100%。P点位于从C到橙色Q点的66%的地方，它的色纯度为66%。MNEF图中颜色E和颜色F的连线经过白光C点，表示颜色E和F为互补色。图中颜色M和N的混合色对应的色度点一定在MN连线上。PQCMYK分别是青色(Cyan)、品红(Magenta)、黄色(Yellow)、黑色(blacK)三种油墨色，每一种颜色都用百分比来表示。理想状态下，100%的青色油墨加上100%的品红油墨再加上100%的黄色油墨，可以得出黑色。但是这种理想状态是难以实现的，往往得出来的是深褐色而不是黑色。因此为了能得到更纯正的黑色，就加入了黑色油墨。3)CMYK颜色模型可以得到类似于RGB模型的三维的单位正方体模型：原点为白色，距离原点最远处为黑色，三维空间中任一点表示一种颜色CMYK颜色空间是和设备或者是印刷过程相关的，工艺方法、油墨的特性、纸张的特性等，不同的条件有不同的印刷结果。所以CMYK颜色空间称为与设备有关的表色空间。CMYK空间正好与RGB空间互补用白色减去RGB空间中的某一种颜色值就等于同样颜色在CMYK空间中的值。据此很容易把RGB空间转换成CMYK空间。RGB相加混色CMYK相减混色对应颜色(0,0,0)(1,1,1)黑色(0,0,1)(1,1,0)蓝色(0,1,0)(1,0,1)绿色(0,1,1)(1,0,0)青色(1,0,0)(0,1,1)红色(1,0,1)(0,1,0)紫色(1,1,0)(0,0,1)黄色(1,1,1)(0,0,0)白色蓝青紫红绿黄青+红＝白紫+绿＝白黄+蓝＝白4)YUV颜色模型这就是我们常用的YUV色彩空间。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色差信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，表示的图就是黑白灰度图。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号(当然看不到彩色)。彩色摄像机得到的彩色图像信号RGB图像亮度信号：Y色差信号：U(R-Y)V(B-Y)在现代彩色电视系统中(PAL制式)：编码发送矩阵变换电路分色放大校正注：色差是指基色信号中的3个分量信号(R、G、B)与亮度信号(Y)之差。电视系统的颜色空间2015/3/2511YUV颜色模型和RGB颜色模型的转换关系'0.2990.5870.114''-0.1470.2890.436''0.6150.5150.100'---YRUGVB如果要由YUV空间转化成RGB空间，进行相反的逆运算即可。VUYBGR003020001580039000001140100001.......5)YIQ颜色模型如果要由YIQ空间转化成RGB空间，进行相反的逆运算即可。YIQ模型与YUV模型类似，用于NTSC制式的电视系统。Y表示亮度，I、Q表示两个彩色分量(I:橙－青,Q:绿－品红)。BGRQIY311.0528.0212.0321.0275.0596.0144.0587.0299.0QIYBGR705.1108.1000.1647.0272.0000.1620.0956.0000.16)其它与计算机绘图有关的颜色空间但使用不方便，所以使用时要转换成RGB模式。HSV(Hue,SaturationandValue)HSL/HLS(Hue,SaturationandLightness)HIS(Hue,SaturationandIntensity)HSB(Hue,SaturationandBrightness)HCI(Hue,Chroma/ColourfulnessandIntensity)HVC(Hue,ValueandChroma)这些颜色空间都是从RGB变换来的、与设备相关的颜色空间。特点：这些颜色空间描述颜色更加自然，符合人眼对颜色的感知。指定颜色方式非常直观，很容易选择所需要的色调;把亮度从颜色信息中分离出来。HSV(Hue,SaturationandValue)颜色空间A.R.Smith根据颜色的直观特性于1978年创建的,也称六角锥体模型(Hexconemodel)HSV的表示方法:色调：用角度度量，0°~360°红色为0°,按逆时针方向计算，绿色为120°，蓝色为240°饱和度：0.0～1.0亮度值：0.0(黑色)～1.0(白色)HSV和RGB之间没有转换矩阵，但可对它们之间的转换算法进行描述。HSL颜色空间HSL用明度(lightness)作坐标HSV用亮度(luminance)作坐标HSL/HSB(Hue,SaturationandLightness/Brightness)Windows中画图软件中HSL和RGB的对应关系HSI(Hue,SaturationandIntensity)色调(H)：颜色的外观色调H用角度表示角度从(红)→(绿)→(蓝)→(红)纯度(S)：饱和度低(0%～20%)，灰色中(40%～60%)，柔和的色调高(80%～100%)，鲜艳的颜色强度(I)：颜色的明度取值范围从0%(黑)～100%(最亮)2015/3/2512HSI(Hue,SaturationandIntensity)（A）HSI圆锥空间模型（B）线条示意图：圆锥上亮度、色调和饱和度的关系色调(H)、饱和度(S)、强度(I）（C）纵轴表示亮度：亮度值是沿着圆锥的轴线度量的，沿着圆锥轴线上的点表示完全不饱和的颜色，最亮点为纯白色、最暗点为纯黑色。（D）圆锥纵切面：描述了同一色调的不同亮度与饱和度关系。（E）圆锥横切面：色调H为绕着圆锥截面度量的色环，圆周上的颜色为完全饱和的纯色，色饱和度为穿过中心的半径横轴。六角(边)形圆锥体金字塔形IntensityIntensity纺锤体RedYellowGreenCyanBlueMagentaSH异同点？White坐标以Red为起点，Red,Green,Blue间隔120度分布；中心为White，纵轴为Intensity.小结：HSI颜色空间比RGB颜色空间更符合人的视觉特性，但它和RGB颜色空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系。