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1、第二节 光学度的基本知识,一、电磁辐射和可见光 电磁波的波长范围非常广泛，根据电磁波的性质和应用范围，人们将其划分为宇宙射线、射线、X射线、紫外线、可见光、红外、微波、无线电波等不同波段。,电磁波辐射波谱,太阳辐射功率波谱 煤粉燃烧辐射功率波谱,二、相对视敏函数 在辐射功率相同的情况下，不同波长的光不仅给人不同的色彩感觉，而且也给人不同的亮度感觉。在获得相同的亮度感觉前提下，测出各种波长的辐射功率为P()，其倒数(2-1)便称波长的光的视敏度。视敏度说明人眼对这种波长的光的灵敏度。它小说明人眼对该种波长的光不够敏感。人眼对555nm的光有最大的敏感度，即,于是相对视敏函数为(2-2)其曲线如图
2、所示。,相对视敏函数曲线,三、光通量 可见光是电磁波，因此有两种描述可见光方法：一种是辐射量方法，一种光学量 衡量可见光对人的视觉刺激程度的量为光通量，其定义为（23）光通量的单位是流明（lm）。1W辐射功率的555nm波长的单色光所产生的光通量为680lm。于是光瓦和流明的关系为 1W=680lm,四、发光强度 发光强度为光源在单位立体角内发出的光通量，简称光强，用I表示，它和光通量的关系为 单位为坎德拉（cd）。若光源是各向同性的，发光强度为I的点光源，它向全空间发射的光通量为 光通量的单位流明（lm）等于坎德拉球面度。,(2-4),(2-5),五、亮度 亮度是用来描述发光表面的明亮程度的
3、，它定义为光源单位面积在法线方向的发光强度，称为光源亮度。而客观亮度B是观察者所看到的亮度，其定义为 亮度的单位为每平方米坎德拉,(2-6),图为观察方向与面元ds法线的夹角，I为发光强度。显然客观亮度与观察者观察角度有关。客观亮度（以后简称亮度）是图像处理中最常用的物理量之一。,六、照度 受照面上某点的照度E是通过包含该点单位面积的光通量，即(2-7)其单位是勒克司（lx）。1勒克司是1平方米表面上照射1流明的光通量。照度是光源对物体辐射的一种度量。在自然光照射下，各环境中的照度列于表21中。,第三节 人眼的视觉特性,一、明暗和彩色视觉 由于光照条件不同，人眼的锥状细胞和杆状细胞在视觉过程中
4、起的作用不同，于是就有了人眼的明、暗视觉视敏函数曲线之分。,人眼相对视敏函数曲线,彩色视觉是一种明视觉，描述彩色的方法很多，一种是用亮度、色调和饱和度三个量来描述，称为彩色三要素。,不同波长的光会引起人眼的不同颜色感觉，但同一种颜色可以用不同的光谱成份加以合成。,视觉三色假说 假设人的视网膜上存在 3种不同的锥状细胞，分别对红、绿、蓝三色光十分敏感，它们的相对视敏函数曲线如图所示，这三条曲线叠加便是图中的明视觉视敏函数曲线。当一种色光进入眼睛之中，它同时不同程度地激发这3种锥状细胞，它们总的刺激结果产生了对该可见光色彩的感觉,设外界色光的功率波谱为P(),则对于三种色敏锥状细胞来说，其光通量分
5、别为(2-8)(2-9)(2-10)大脑根据FR、FG、FB三色的比例获得总的色度感觉，而三者合成的总光通量决定了总的亮度感觉。,二、视觉范围和分辨力,视觉范围:指人眼所能感觉的亮度范围。人眼的明暗感觉是相对的，但由于人眼能适应的平均亮度范围很宽（100：1），所以总的亮度适应范围才很宽。,人眼的分辨力是指人眼在一定距离上能区分相近两点的能力，可以用能区分的最小视角之倒数来描述(2-11)d表示能区分的两点间的最小距离，L为眼睛和该两点连线的垂直距离。,人眼的分辨力还和被观察对象的相对对比度Cr有关,如果用B和Bo分别表示对象和背景的亮度，则相对对比度Cr定义为(2-12)当Cr小时，表明对象
6、和背景的亮度很接近，此时，分辨力下降。此外，运动速度也会影响分辨力，速度大，则分辨力下降。,人眼对灰度图像灰度分别率一般为32级，图为不同灰度等级下的图像。,不同灰度等级下的图像,人眼对彩色的分辨能力要比对黑白的分辨能力低。就是对于不同彩色，人眼的分辨能力也不相同。表给出了当把对黑白细节的分辨能力定为100见时，人眼对其他彩色的分辨力。,三、视觉适应性,暗适应性：当我们从明亮处走进黑屋时，眼前会感到一片漆黑，但过一会后，视觉便会逐渐恢复，人眼这种适应暗环境的能力称为暗适应性。和暗适应性相比，亮适应性过程要快得多，通常只需几秒钟。色调对比效应：在不同彩色背景中观察同一彩色，会感到彩色色调不同。,
7、四、亮度感觉,实际上人眼感觉到的主观感觉亮度S与实际亮度B之间的关系不是线性关系，而是一个对数线性关系，其为 式中K、K0均为常数。这一规律为韦伯费赫涅尔（Weber-Fechner）定律。,(2-13),图210 主观感觉亮度和亮度的关系,主观感觉亮度和亮度的关系,重现的影像的亮度无需等于实际影像的亮度，而只需保持两者的最大亮度Bmax和最小亮度Bmin之比C不变就可以,比值（214）称为对比度。人眼不能辨别的亮度差别，在重现时也没有必要复制出来。,五、视觉惰性,由于人眼对于亮度的突变并不是马上就适应的，而是需要一定的适应程时间，人眼这种对亮度改变所呈现出的滞后响应特性称为视觉惰性。,马赫带
8、效应:人眼对图像边缘特别敏感，图为5个不同灰度的条带，每个条带内的亮度是一常数，我们可以感到有强烈边缘效应，这种现象称为马赫带效应。,马赫带效应示意图,六、视觉感知模型,低通对数高通模型是根据人眼对外界光刺激的感知过程建立起来的模型。,第四节 色度学基础,一、三基色原理与RGB模型,人们发现：自然界常见的各种色光都可以由红、绿、蓝三种光按不同比例相配而成，同样，绝大多数色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光，这是便是色度学中的三基色原理。为了统一标准，国际照明委员会（CIE）1931年规定：分别取水银光谱中波长为700nm、546.1nm和435.8nm的红、绿、蓝光为作为标准的红(R，Red)、
9、绿(G,Green)、蓝(B,Blue)基色光。,将三基色按不同比例进行相加混色的方法称为相加混色。由红、绿、蓝三基色进行相加混色的情况如图示。,图 相加混色,国际上规定波长为700nm，光通量为1W的红光作为一个红基色单位，用R表示。波长为546.1nm，光通量为4.5907W的绿光作为一个绿基色单位，用G表示。波长为435.8nm，光通量为0.0601W的蓝光作为一个蓝基色单位，用B表示。则任何色光的配色方程式为 其中r1、g1、b1 为三基色的单位数。标准白色光配色方程式为 即标准白色光是由1份红光，1份绿光，1份蓝光组成。,（215）,色彩的亮度与r1、g1、b1有关，亮度Y与r1、g
10、1、b1的关系为（在PAL制电视信号中）色彩的种类与各基色的比例有关，常用（r1，g1，b1）三个分量表示。也可用相对比例来表示，设m=r1+g1+b1,则r=r1/m,g=g1/m，b=b1/m。r，g，b代表三基色分量的比例，称RGB制的色度坐标，或相对系数，m为各分量的代数之和，称为色模。因此，配色方程式又可如下的色彩公式,（216）,（217）,为此，就有了相对系数与具体色彩关系的色彩图表，即色度图。它的用图途：在图上指定一种色彩，即可查出相应的r，g，b三个分量。,直角三角型色度系统,1931年国际照明委员会规定了标准CIE色度图，色度图中的三种基色单位为X、Y、Z,色彩公式为（21
11、8）其中X、Y、Z不是真正的红、绿、蓝三基色，而是一种人为设定的三基色单位，它们与R、G、B的关系（219）,色彩公式又可写为 其中m=x1+y1+z1称为色模数，x=x1/m,y=y1/m，z=z1/m,x+y+z=1。如图示标准CIE色度图的坐标即为x，y。,（220）,彩色光的合成也可以依据人眼的视觉特性利用如下方法实现：（1）空间混色法（2）时间混色法（3）生理混色法,各种相加混色法适用于发光物体，对于一个不发光的无源物体来说，物体的颜色由该物体吸收或反射哪些光波决定，因此表示物体颜色的方法是相减混色法。,相加混色和相减混色的关系，如表所示。,二、其它颜色模型,（一）HSI模型 在HS
12、I模型中，用色调H(hue)又称色相来描述色彩类型。在HSI模型中，用饱和度S(saturation)来颜色的鲜明程度。在HSI模型中，用亮度I(intensity,对应成像亮度)又称明暗度，来描述颜色的相对明暗程度。,HSI模型的两个特点：（1）I分量与图像的色彩信息无关（2）H与I分量与人感受颜色的方式是 紧密相联的,图为色相环，其中色调由角度来表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。,色相环,HSI模型的三个属性定义了一个三维柱形空间。,（二）YIQ、YUV和YCrCb模型,为了利用人的视觉特性以降低数据量，通常把RGB空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。目前采用的彩色空间变换有三
13、种：YIQ，YUV和YCrCb。每一种彩色空间都用一种亮度分量信号和两种色度分量信号，而每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备。,在彩色电视制式中，使用YUV和YIQ模型来表示彩色图像。在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，Y表示亮度，U，V用来表示色差，U，V是构成彩色的两个分量；即（221）在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I，Q是两个彩色分量。,YUV表示法的优点：（1）它的亮度信号Y和色度信号U，V是 相互独立的，也就是Y信号分量构成 的黑白灰度图与用U，V信号构成 的另外两幅单色图是相互独立的。（2）可以利用人眼的特性来降低数字彩色图 像所需要的存
14、储容量。,无论是用YIQ、YUV，还是用YCrCb 模型来表示彩色图像，由于现在所有的显示器都采用RGB值来驱动，这就要求在显示每个像素之前，须要把彩色分量值转换成RGB值。,YUV与 RGB彩色空间变换关系：,（222）,（223）,YIQ与 RGB彩色空间变换关系：YCrCb与 RGB彩色空间变换关系：,(2-24),（225）,RGB与HIS之间的转换比较复杂，对任何3个0,1范围内的R、G、B值，其对应HSI模型中的I、S、H分量的计算公式为：,（226）,HSI转换到RGB关系为：假设S、I的值在0，1之间，R、G、B的值也在0，1之间，则HSI转换为RGB的公式为（分成3段以利用对称性）：当H在0，120之间,（227）,当 H在120，240之间,（228）,当 H在240，360之间,（229）,
