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彩色数字图像基础 四川大学 计算机学院 陈 虎 huchen@scu.edu.cn 视觉系统对颜色的感知 颜色是什么 视觉系统对可见光的感知结果 可见光是波长在380～780 nm之间的电磁波，我 们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许 多不同波长的光组合成的，因此有多种颜色的感觉 颜色只存在于眼睛和大脑， 人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的 三种锥体细胞（约有600万到700万个，主要位于视网膜的中间部分） 杆状体细胞在光功率极低的条件下才起作用（约7500万到15000 万个，分布在视网膜表面 ） 在计算机图像处理中，锥体细胞扮演重要角色 视觉系统对颜色的感知 视觉系统对颜色的感知特性 眼睛本质上是一个照相机 人的视网膜(human retina)通过神经元感知外部世界的颜 色，每个神经元是一个对颜色敏感的锥体(cone) 视觉系统对颜色的感知 红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同 这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低表示 图像的数据量而不使人感到图像质量有明显下降。 从理论上说，自然界中的任何一种颜色都可以由 R，G，B这三种颜色值之和来确定，它们构成一个三维的RGB矢量空间 这就是说，R，G，B的数值不同，混合得到的颜色就不 同，也就是光波的波长不同 视觉系统对颜色的感知 视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线 （各个波长的光的强度相等） 视觉系统对颜色的感知 上面的颜色响应曲线表明，人类眼睛对蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度。 亮度响应曲线表明人眼对波长为550nm左右的黄绿色最为敏感。 视觉系统对颜色的感知 许多具有不同光谱分布的光产生的视觉效果（颜色）是一样的。即光谱与颜色的对应是多对一的。 光谱分布不同而看上去相同的两种颜色称为条件等色（匹配等色）。 绝大部分可见光谱对眼睛的刺激效果都可以用红（700nm）、绿（546.1）、蓝（435.8nm）三色光按不同比例和强度的混合来等效表示。（三刺激理论） 视觉系统对颜色的感知 匹配任意可见光所需的三原色光比例曲线 视觉系统对颜色的感知 从人的主观感觉角度，颜色包含三个要素： 1、色调（hue）： 色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。色调大致对应光谱分布中的主波长。 视觉系统对颜色的感知 2、饱和度（Saturation） 饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。 视觉系统对颜色的感知 3、明亮度（luminance） 明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。 大量试验表明，人的眼睛能分辨128种不同的色调，10－30种不同的饱和度，而对亮度非常敏感。人眼大约可以分辨35万种颜色。 人的主观感觉 人的视觉系统能够适应光强度的级别的范围是很宽的，由夜视阈值到强闪光之间的光强度的级别约为1010级 ； 背景亮度会影响到对目标亮度的感觉； 同时对比度（Simultaneous Contrast） 在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同,人眼所感受到的主观亮度不同 颜色模型 颜色模型（color model）是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义。某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。 颜色空间通常用三维模型表示，空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定 对于人来说，可以通过色调、饱和度和亮度来定义颜色（HSL颜色模型）；对于显示设备来说，可以用红、绿、蓝磷光体的发光量来描述颜色（RGB颜色模型）；对于打印设备来说，可以使用青色、品红、黄色和黑色颜料的用量来指定颜色（CMYK颜色模型）。 RGB颜色模型 显示彩色图像用RGB相加混色模型 一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由 该物体发出的光波决定 CRT使用3个电子枪分别产生红(red)、绿(green)和蓝(blue)三 种波长的光，如图4-1所示，并以各种不同的相对强度组合 产生不同的颜色 RGB颜色模型 RGB相加混色模型 组合红、绿和蓝光波来产生特定颜色的方法叫做相加混色 法(additive color mixture) ，即RGB相加混色模型 相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法 任何一种颜色都可用三种基本颜色按不同的比例混 合得到 颜色＝R(红的百分比)＋G(绿的百分比)＋B(蓝的