视觉10彩色感知.doc

彩色感知 　　前面几章主要讨论了二维数字图像，图像的灰度值一般表示光强，光强是两个空间变量的函数．实际上，光是由不同波段的光谱组成的，一幅图像常常对应一个波段或多个波段光谱样本，因此，图像灰度值是两个空间变量和一个光谱变量的函数．我们称这样的图像为多光谱图像(multi-spectral image)，其中的每一个波段称为一个通道．比如，气象卫星获取的云图，其波段是红外波段；扇形束Ｂ型超声诊断仪输出的图像，其波段是超声波段．通常进入我们眼睛的光是由各种波段的光组成的混合光，很少是纯粹的单一波段的光．单色光只有在人工实验室条件下，利用单色仪或单色滤光片才能观察到．混合光中各种波长光的量的比例不同而会呈现不同的颜色，例如，短波光能量较大时呈现蓝色，长波光能量较大时则呈现红色． 场景或物体的颜色是由照射光源的光谱成分、光线在物体上反射和吸收的情况决定的．比如，一个蓝色物体在日光下观察呈现蓝色，是由于这个物体将日光中的蓝光反射出来，而吸收了光谱中的其它部分的光谱．而同样的蓝色物体，在红色的光源照射下，则呈现红紫色．对于机器视觉系统，彩色图像还与成象系统敏感器的光谱响应有关． 本章的讨论中，假设表面是不透明的，场景表面上一点的位置由图像平面坐标表示．由于我们在本章一直使用以观察者为中心的坐标系，所以图像平面坐标系中的上标撇将被省略． 10.1 三色原理 　　我们知道，可见光的波长分布在380到780之间，人的颜色感觉是不同波长的可见光刺激人的视觉器官的结果．在可见光的波段内，随着波长的增长，使人产生紫、蓝、青、绿、黄、橙、红等颜色的感觉．我们知道，人的视网膜上有两类细胞：杆体细胞和锥体细胞．杆体细胞灵敏度高，能感受微弱的光；锥体细胞灵敏度低，但能很好地区分颜色．为了解释视觉对颜色的感知能力，美国物理学家T．Young 1801年提出三色假说，后来由Helmholtz加以发展，形成著名的Young-Helmholtz三色学说．三色假说的中心内容是：假设有三种视觉(锥体)感受器，分别对红、绿、蓝三种颜色敏感；当光线同时作用在这三种感受器上时，三个感受器产生的兴奋程度不同；不同兴奋程度的组合将产生不同的颜色感觉，三种感受器处于等强度兴奋时，便产生白色的感觉．现代技术的发展充分证实了三色假说的合理性．比如，采用反射分光光度法、显微分光光度法和单细胞电生理学方法证实，人类视网膜中确实含有三种不同的光敏感性视色素．在光照射下，它们吸收某些波长的光而反射另一些波长的光，每一种锥体细胞色素对光谱不同部位的敏感性是不同的。根据[Wald 1964]对人类色彩视觉的研究结果，三种锥体细胞的光谱吸收的峰值分别在、和左右，这三个区间分别对应红、绿和蓝波段，如图10．1所示．由于这个原因，这三种颜色被称为人类视觉的三基色。实践证明，光谱上的大多数颜色都可以用红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三种单色加权混合产生，基于RGB三基色的颜色表示称为RGB颜色模型． RGB颜色模型在工业中得到了广泛的应用，如视频监视器显示用的是RGB颜色模型，彩色摄象机输出用的是RGB彩色模型． 图10.1 三种感受器的光谱敏感示意图[Wald,1964] 10．2 颜色模型 为了使用RGB三基色有效地描述或混合各种颜色。人们还根据RGB三基色模型提出了CMY颜色模型，XYZ颜色模型，YIQ颜色模型，HSV颜色模型，HLS颜色模型等，以适应不同应用的需求。下面将简要介绍这些模型的特点及其相互转换表示． 10.2.1 　RGB和CMY颜色模型 　　根据RGB三基色原理，各种颜色的光都可以由红、绿和蓝三种基色加权混合而成，这可以用图10.2所示的RGB直角坐标定义的单位立方体来说明．坐标原点（0，0，0）表示黑色，坐标点（1,1,1）表示白色，在坐标轴上的三个顶点表示RGB 三个基色．因此，彩色空间是三维的线性空间，任意一种具有一定亮度的颜色光都可用空间中的一个点或一个向量表示．因此我们可以选择具有确定光通量的红、绿、蓝三基色作为这三维空间的基，这样组成的表色系统称为RGB表色系统．国际公认的RGB表色系统的三基色光的波长为,，按以下比例混合而成： 　　　　　　　（10.1） 通常把光通量为1流明的红光，流明的绿光，流明的蓝光作为三基色的“单位基色量”，用(R)、(G)、(B)表示．因此，任何一种具有一定亮度的彩色光的光通量为： (10.2) 其中为每种原基色的比例系数．例如，对某种蓝绿色，可以用下式表示： (10.3) 上式表示彩色光的明亮程度．显然，光的色度只取决于之间的比例关系．如果不考虑光的亮度，只对色度感兴趣，则只要知道的相对值即可．因此可以令：