1、1.6 视觉基础视觉基础1.视感觉和视知觉人的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和热觉等功能都可分为感觉和知觉两个层次v 感觉是较低层次的，它主要接收外部刺激。v 知觉则处于较高层次，它要将外部刺激转化为有意义的内容 视知觉亮度知觉颜色知觉形状知觉空间知觉 人眼光学过程人眼光学过程 镜头镜头成像成像面面晶状体晶状体视网膜视网膜人眼截面示意图人眼截面示意图15m100m17mmx/17=15/100 x=2.55mm人眼视觉范围 （1）总体范围大：从暗视觉门限到眩目极限之间的范围在1010量级（2）具体范围小：一般范围在102量级总体范围具体范围暗视觉门限眩目极限亮度变化的感知人类视觉系统对亮度变化的
2、感知比对亮度本身要敏感 人类视觉系统对光强度的响应不是线性的，而是对数形式的（对暗光时亮度的增加比对亮光时亮度的增加更敏感）人眼化学过程人眼化学过程 锥细胞和柱细胞：锥细胞：数量少，对颜色很敏感锥细胞视觉：明视觉或亮光视觉柱细胞：数量多，分辨率比较低 不感受颜色并对低照度较敏感柱细胞视觉：暗视觉或微光视觉神经处理过程 1.每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触（synapse）相连2.每个神经元细胞借助其它的突触与其它细胞连接，从而构成光神经（optical nerve）网络3.光神经进一步与大脑中的侧区域（side region of the brain）连接，并到达大脑中的纹状皮层（
3、striated cortex）4.对光刺激产生的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光的感觉转化为对景物的知觉 整体视觉过程视觉 “视”“觉”视觉首先并主要是一个空间的感受，但时间因素也是视觉感知中的一个基本因素。这可从三方面解释：(1)大多数视觉刺激是随时间变化的，或者是顺序产生的(2)眼睛一般是在不停运动的，这使得由大脑获取的信息是不断变化的(3)感知本身并不是一个瞬间的过程，尽管有些感知步骤很快，但总有一些步骤会较慢，因为信息处理总是需要时间的 视觉的时间特性视觉的时间特性1.随时间变化的视觉现象(1)亮度适应当眼睛遇到亮度的突然变化时，眼睛会暂时看 不见一会儿以尽快适应
4、新的亮度 对亮光的适应比对暗光的适应要快(2)眼睛的时间分辨率60-80微秒区分两种不同步的亮度现象20-40微秒以确定哪个亮度现象先出现 视觉的时间特性2.感知中的时间因素（快响应）(1)闪烁当入射光的强度变化频率不太快时，视觉系统能感知到入射光强的变化，当光的频率增加且超过一个临界（critical）频率（其值依赖于光的强度）后，这种效果就消失了(2)视觉屏蔽一个接一个快速到来的光刺激有可能互相影响 视觉的时间特性3.视觉在时间上的累积效应当对一般亮度（光刺激不太大）的物体进行观察时，接收光的总能量E与物体可见面积A、表面亮度L和时距（观察时间长度）T成正比，如令Ec为以50%的概率觉察到
5、所需的临界光能量（即在多次试验中，每两次中有一次观察到光刺激时的光能量），则有成立的条件是T Tc，Tc为临界时距 TLAEc视觉的空间特性1.视觉在空间上的累积效应光面积和强度的反比定律其中Ec为50%觉察概率所需的临界光能量，即视觉的绝对阈值，A为累积面积，L为亮度，k是一个常数，它与Ec，A，L所用的单位有关当小而弱的光点单独呈现时可能看不见，但是当多个这样的光点连在一起作为一个大光点同时呈现时便能看见了 LAkEc视觉的空间特性2.视敏度反映对细节的分辨能力 对应观察者所能看见的最小测试物体的尺寸 形状知觉形状知觉 形状的感知与形状密切相关的概念(1)视觉边缘和目标(2)前景和背景的分
6、离(3)形状构造的规律接近，相似，连续，封闭(4)形状和信息 轮廓人在知觉一个形状以前一定先看到轮廓轮廓的构成用数学语言来说：轮廓对应亮度的二阶导数亮度变化不产生轮廓，需要亮度的加速变化 轮廓不等于形状轮廓主观轮廓 在没有直接刺激作用下而产生的轮廓知觉 在一定感觉信息的基础上进行知觉假设的结果图形和背景形成图形和背景的决定因素 1.视野中的距离（接近程度）2.相同或相似（颜色和亮度）图形和背景形成图形和背景的决定因素 3.良好图形刺激性因素(1)封闭；(2)连续；(3)对称 图形和背景形成图形和背景的决定因素 非刺激性因素(1)定势（心向）(2)先验知识对图形“良好性”的客观测量：(1)图形的
7、“良好性”可借助信息论进行判定；(2)图形的“良好性”也可由它能变换出来的图形数量来定量地说明几何图形视错觉 当观察线条图形而把注意力只集中于它的某一特征如它的长度、面积或方向时，由于各种主客观因素的影响，有时感知到的结果与实际的刺激模式不相对应(1)数量（尺寸）上的视错觉，包括在大小、长短方面引起的视错觉(2)方向上的视错觉，指直线或曲线在方向上变化引起的视错觉彩色和颜色彩色和颜色颜色可分为无彩色和有彩色两大类颜色可分为无彩色和有彩色两大类无彩色指白色、黑色和各种深浅程度不同的灰色能够同样吸收所有波长光的表面看起来是灰色的，反射的光多显浅灰色，反射的光少显深灰色以白色为一端，通过一系列从浅到
8、深排列的各种灰色，到达另一端的黑色，这些灰色可以组成一个黑白系列！彩色彩色指除去上述黑白系列以外的各种颜色指除去上述黑白系列以外的各种颜色！通常所说的颜色一般多指彩色！通常所说的颜色一般多指彩色 1.7 颜色视觉和色度学颜色视觉和色度学三基色与色匹配 三种基本色三种基本色：红（R，red）：700 nm绿（G，green）：546.1 nm蓝（B，blue）：435.8 nm三种三种补色补色：品红（M，magenta，即红加蓝）蓝绿（C，cyan，即绿加蓝）黄（Y，yellow，即红加绿）视网膜中存在三种基本的颜色感知锥细胞反应曲线：分布较宽，互相重叠三色混合/匹配：相加配对：C rR+gG+
9、bBR，G，B：三原色r，g，b：比例系数，r+g+b=1国际照度委员会国际照度委员会CIE设定的彩色R，G，B 亮度（亮度（Intensity）色调色调(Hue)饱和度饱和度(Saturation)区分颜色的区分颜色的3种基本特性种基本特性色度色度对彩色图像来说，颜色中对彩色图像来说，颜色中掺入白色越多，就越亮，掺入白色越多，就越亮，掺入黑色越多灰度就越小掺入黑色越多灰度就越小与混合光谱中主要光波长与混合光谱中主要光波长相联系相联系与一定色调的纯度有关，纯光与一定色调的纯度有关，纯光谱是完全饱和的，随着白光的谱是完全饱和的，随着白光的加入，饱和度逐渐减少加入，饱和度逐渐减少彩色彩色可用可用亮
10、度亮度和和色度色度共同表示共同表示色度图设每种刺激量的比例系数为x，y，z，则有C=xX+yY+zZ 三个色系数 （归一化）：ZYXXxZYXYyZYXZz1zyx对白光，有X=1，Y=1，Z=1如果每种刺激量的比例系数为x，y，z，则有C=xX+yY+zZ。比例系数x，y，z也称为色系数色系数0.49020.30990.1999XRGB0.17700.81230.0107YRGB0.00000.01010.9899ZRGB色度图：(舌形图)借助于已归一化的三个色系数 x X y Yz=1 (x+y)红色色系数红色色系数绿绿色色色色系系数数空间能量位置空间能量位置（波长，以（波长，以nm为单位
11、）为单位）色度图色度图(1)在色度图中每点都对应一种可见的颜色。反过来，任何可见的颜色都在色度图中占据确定的位置(2)在色度图轮廓上的点代表纯颜色，移向中心表示混合的白光增加而纯度减少(3)在色度图中，过C点直线端点的两彩色互补(4)在色度图轮廓上的各点具有不同的色调(5)在色度图中连接任两端点的直线上的各点表示将这两端点所代表的彩色相加可组成的一种新彩色彩色模型彩色模型 面向硬设备的彩色模型 面向硬件设备的彩色模型主要有面向硬件设备的彩色模型主要有RGB模型模型、CMY（青、品红、黄）（青、品红、黄）模型和模型和CMYK（青、品红、黄、黑）模型。（青、品红、黄、黑）模型。RGB模型主要用于彩
12、色监视器和模型主要用于彩色监视器和彩色视频摄像机；彩色视频摄像机；CMYK主要用于彩色打印机。主要用于彩色打印机。面向视觉感知的彩色模型 以彩色处理为目的的应用以彩色处理为目的的应用 (HSI模型，模型，HSV模型模型)面向硬设备的彩色模型RGB模型模型：建立在笛卡儿坐标系统里，其中三个轴分别为R，G，B，模型的空间是个正方体，原点对应黑色，离原点最远的顶点对应白色从黑到白的灰度值分布在从原点到离原点最远顶点间的连线上，而立方体内其余各点对应不同的颜色，可用从原点到该点的矢量表示 黄黄(255,255,0)(255,255,0)黑黑(0,0,0)(0,0,0)绿绿(0,255,0)(0,255
13、,0)青青(0,255,255)(0,255,255)蓝蓝(0,0,255)(0,0,255)品红品红(255,0,255)(255,0,255)白白(255,255,255)(255,255,255)红红(255,0,0)(255,0,0)RGB色系：面向硬设备的彩色模型 (0,0,1(0,0,1)蓝蓝品红品红黑黑黄黄 白白青青 (1,0,0)(1,0,0)红红 (0,1,0)(0,1,0)绿绿R RG GB B灰度级灰度级RGBRGB彩色立方体示意图彩色立方体示意图 RGBRGB彩色模型彩色模型 相加混色原理 CMY模型模型：这三种补色可分别由从白光中减去三种基色而得到从CMY到RGB的转
14、换为 CR1MG1YB1面向硬设备的彩色模型归一化颜色模型：归一化颜色模型：对观察方向、物体几何、照明方向和亮度变化具有不变性 22221)()()()(),(BGBRGRGRBGRl22222)()()()(),(BGBRGRBRBGRl22223)()()()(),(BGBRGRBGBGRl面向视觉感知的彩色模型HSI模型：模型：H 表示色调（hue）S 表示饱和度（saturation）I 表示密度（intensity，对应成象亮度和图象灰度）两个基本特点：两个基本特点：I 分量与图象的彩色信息无关H 和 S 分量与人感受颜色的方式紧密相连（合称色度）HSI彩色空间坐标系 HSI色系 亮
15、度分量I I I 表示光照强度或称为表示光照强度或称为亮度亮度，它确定了像，它确定了像素的整体亮度，而不管其颜色是什么。素的整体亮度，而不管其颜色是什么。I:小小 大大HSI色系 亮度(I)效果示意图HSI色系 色度分量H H H：表示表示色度色度，由角度表示。反映了该颜色，由角度表示。反映了该颜色最接近什么样的光谱波长。最接近什么样的光谱波长。0 0o o为红色，为红色，120120o o为绿色，为绿色，240240o o为蓝色。为蓝色。HSI色系 色度(H)效果示意图H=0H=60H=120H=180H=240H=300HSI色系 饱和度分量S S S：表示：表示饱和度饱和度，饱和度参数是
16、色环的原点，饱和度参数是色环的原点到彩色点的半径长度。到彩色点的半径长度。在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为饱和度值为1 1。在中心是中性（灰）色，即。在中心是中性（灰）色，即饱和度为饱和度为0 0。P P S S H H 。红红 青青。黄黄蓝蓝 绿绿。品红品红HSIHSI彩色模型中的色调和饱和度彩色模型中的色调和饱和度HSI色系 饱和度(S)效果示意图S=0S=1S=1/4S=1/2 白白 红红 H H S S 青青 黑黑绿绿黄黄蓝蓝品红品红 I I I=1 I=1 I=0I=0 I=0.5I=0.5基于圆形彩色平面的基于圆形彩色平面的HS
17、IHSI彩色模型彩色模型 HSI模型表示：模型表示：彩色模型及转换彩色模型及转换HSI模型和模型和RGB模型的转换模型的转换RGBRGB彩色模型到彩色模型到HSIHSI彩色模型的转换彩色模型的转换 黑黑 品红品红 绿绿 红红 黄黄 蓝蓝白白 青青RGBRGB立方体旋转示意图立方体旋转示意图 彩色模型及转换彩色模型及转换2/12)()()()(21arccosBGGRGRBRGR)(31BGRI),min(31BGRBGRSBGBGH360RGBRGB彩色模型到彩色模型到HSIHSI彩色模型的转换彩色模型的转换 22()()arccos2()()()()()2arccos2()()()RGRBB
18、GRGRB GBHRGRBBGRGRB GB31min(,)()SR G BRGB()3IR B G)1(SIB)60cos()cos(1 HHSIR)(3RBIG（1 1）当）当0 0H120H120：HSIHSI彩色模型到彩色模型到RGBRGB彩色模型的转换彩色模型的转换 )1(SIR)180cos()120cos(1 HHSIG)(3GRIB（2 2）当）当120120H 240H 240：HSIHSI彩色模型到彩色模型到RGBRGB彩色模型的转换彩色模型的转换 )1(SIGHSIHSI彩色模型到彩色模型到RGBRGB彩色模型的转换彩色模型的转换 （3 3）当）当240240H 360H
19、 360：)(3BGIR)300cos()240cos(1 HHSIB300360300360之间为非可见之间为非可见光谱色，没有定义。光谱色，没有定义。彩色模型及转换彩色模型及转换HSV模型模型H代表色调，S代表饱和度，V代表（亮度）值HSV模型的坐标系统也是圆柱坐标系统，但一般用六棱锥来表示 与与RGB之间关系之间关系60*),min(),max(),max(hHbgrbgrmmVmmSBGRV其它和若和若和若和若和若5),min(),max(3),min(),max(3),min(),max(1),min(),max(1),min(),max(5rbgrgbgrbgbgrbbgrgbbg
20、rbbgrgrbgrgbgrrgbgrgbgrrbhmmbVbmmgVgmmrVrYUV彩色空间彩色空间 一种彩色传输模型，主要用于彩色电视一种彩色传输模型，主要用于彩色电视信号传输标准信号传输标准 Y黑白亮度分量，黑白亮度分量，U,V彩色信息用以彩色信息用以显示彩色图像显示彩色图像其它彩色模型简介其它彩色模型简介 在这种表色系统中在这种表色系统中 Y Y：亮度；：亮度；U U，V V：色差信号：色差信号 目的是为了可以使电视节目可用同时被黑白目的是为了可以使电视节目可用同时被黑白电视及彩色电视接收。电视及彩色电视接收。电视信号在发射时，转换成电视信号在发射时，转换成YUVYUV形式；接收形式
21、；接收时再还原成时再还原成RGBRGB三基色信号，由显像管显示三基色信号，由显像管显示。YUV表色系 电视信号接收原理示意图Y,U,VYYY,0,0彩色电视信号黑白电视信号黑白电视机彩色电视机RGB与与YUV之间的转换关系之间的转换关系 BGRVUY100.0515.0615.0437.0289.0148.0114.0587.0299.0YUV到到RGB转换关系转换关系 VUYBGR0032.21581.0395.01140.101 对于YUV模型，实际上很多时候，我们是把它和YIQ/YCrCb模型混为一谈的。实际上,YUV模型用于PAL制式的电视系统，Y表示亮度，UV并非任何单词的缩写。YI
22、Q模型与YUV模型类似，用于NTSC制式的电视系统。YIQ颜色空间中的I和Q分量相当于将YUV空间中的UV分量做了一个33度的旋转。YCbCr颜色空间是由YUV颜色空间派生的一种颜色空间，主要用于数字电视系统中。从RGB到YCbCr的转换中，输入、输出都是8位二进制格式。YIQ色彩空间 YIQ色彩空间通常被北美的电视系统所采用，属于NTSC（National Television Standards Committee）系统。这里Y不是指黄色，而是指颜色的明视度（Luminance），即亮度（Brightness）。其实Y就是图像的灰度值（Gray value），而I和Q则是指色调（Chrom
23、inance），即描述图像色彩及饱和度的属性。在YIQ系统中，Y分量代表图像的亮度信息，I、Q两个分量则携带颜色信息，I分量代表从橙色到青色的颜色变化，而Q分量则代表从紫色到黄绿色的颜色变化。将彩色图像从RGB转换到YIQ色彩空间，可以把彩色图像中的亮度信息与色度信息分开，分别独立进行处理。YCrCb彩色空间彩色空间 一种彩色传输模型一种彩色传输模型，主要用于彩色电视信号传输标主要用于彩色电视信号传输标准方面，被广泛的应用在电视的色彩显示等领域中准方面，被广泛的应用在电视的色彩显示等领域中 优点优点人类视觉人类视觉感知过程感知过程相类似相类似应用于电视显应用于电视显示，视频压缩，示，视频压缩，MPGE/JPEG将色彩中的将色彩中的亮度分量分亮度分量分离离计算过程和计算过程和空间坐标形空间坐标形式简单式简单 与与RGB之间关系之间关系12812816214.18786.93112112203.74797.37966.24553.128481.652561BGRCCYrb
