第二章 人类视觉与色度学

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1、第二章人类视觉与色度学第一节人眼构造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、γ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(λ)，其倒数(2-1)便称波长λ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

2、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（2－3）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

3、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，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α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

4、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2－1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，

5、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(λ),则对于三种色敏锥状细胞来说，其光通量分别为(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

6、相近两点的能力，可以用能区分的最小视角θ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

7、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。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2－10主观感觉亮度

8、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（2－14）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