教学课件第2章 图像、图像处理系统及视觉系统（第2－3讲）（研究生学位课）.ppt

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1、教学课件第2章图像、图像处理系统及视觉系统（第23讲）（研究生学位课）数字图像处理学数字图像处理学第第2章章图图像、像、图图像系像系统统与与视觉视觉系系统统（第（第3讲）讲）阮秋琦教授阮秋琦教授2.5 视觉系统视觉系统在图像处理中所采用的许多处理技术，其主要目的是帮助观察者理解和分析图像中的某些内容。因此，图像处理系统不但应该是从视觉系统的角度来看是理想的系统，而且又是最经济有效的系统。为了达到预期的目的，在图像处理中不但要考虑图像的客观性质而且也要考虑视觉系统的主观性质。2.5.1、视觉系统的基本构造、视觉系统的基本构造 人的视觉系统是由眼球、神经系统及大脑的视觉中枢构成。人眼的形状为一球形

2、，其平均直径约20mm。这球形之外壳有三层薄膜，最外层是角膜和巩膜。角膜是硬而透明的组织，它覆盖在眼睛的前表面。巩膜与角膜联在一起，它是一层不透明的膜，包围着眼球剩余的部分。巩膜的里面是脉络膜，脉络膜外壳着色很深，因此，有利于减少进入眼内的外来光和光在眼球内的反射。脉络膜的前边被分为睫状体和虹膜。虹膜的收缩和扩张控制着允许进入眼内的光量。图244 人眼的断面人眼的断面图 虹膜的中间开口处是瞳孔，瞳孔的大小是可变的，大约可以从2mm变到8mm。虹膜的前部有眼睛的明显的色素，而后部则含有黑色素。眼睛最里层的膜是视网膜，它布满了整个后部的内壁上。当眼球被适当地聚焦时，从眼睛外部物体来的光就在视网膜上

3、成像。视网膜具有高度的信息处理机能。视网膜的厚度大约有0.10.5mm。参与信息处理的细胞有视觉细胞（包括锥状体和杆状体）、水平细胞(Horizontal cell)、埃玛克里细胞(Amacrine cell)、两极细胞(Bipolar cell)和神经节细胞(Ganglion cell)等种。图245 视网膜网膜结构模型构模型眼睛中的光接收器主要是视觉细胞，它包括锥状体和杆状体。中央凹部分特别薄，这部分没有杆状体，只密集地分布锥状体。它具有辨别光波波长的能力，因此，对颜色十分敏感。有时它被叫做白昼视觉。每只眼睛的锥状体大约有700万个，在中央凹的分布间隔大约为22.5微米。杆状体比锥状体的灵

4、敏度高，在较暗的光线下就能起作用。但是，它没有辨别颜色的能力，有时又叫它夜视觉。杆状体分布面积较大，其数量大约有亿千万个。正因为两种视觉细胞的不同特点，所以我们看到的物体在白天有鲜明的色彩，而在夜里却看不到颜色。与视觉细胞相比，神经节细胞数目较少，大约有100万左右。2 25 52 2 光光觉觉和色和色觉觉光觉门限的适应状态受多种因素的影响：光觉门限的适应状态受多种因素的影响：生理条件、生理条件、光的波长、光的波长、光刺激的持续时间、光刺激的持续时间、刺激面积、刺激面积、视网膜上的位置等。视网膜上的位置等。光觉门限的值大约为光觉门限的值大约为1106（尼特（尼特)(cd/m2)。人感觉光的范围

5、的最大值和最小值之比达到人感觉光的范围的最大值和最小值之比达到 10101010以上。以上。锥状体和杆状体各自的最大灵敏度随波长而异锥状体和杆状体各自的最大灵敏度随波长而异，杆状体的最灵敏点比锥状体最灵敏点波长短杆状体的最灵敏点比锥状体最灵敏点波长短50nm左右。波长从左右。波长从380740nm分别与紫、蓝、绿、黄、分别与紫、蓝、绿、黄、橙、红等顺序相对应。这就是在傍晚光线变暗时橙、红等顺序相对应。这就是在傍晚光线变暗时我们所看到的物体没有颜色的原因。我们所看到的物体没有颜色的原因。图图246 锥状体锥状体(a)和杆状体和杆状体(b)的相对灵敏度特性的相对灵敏度特性光觉门限与刺激面积和刺激时

6、间有密切关系光觉门限与刺激面积和刺激时间有密切关系。关于。关于光觉门限与刺激面积的关系有里克（光觉门限与刺激面积的关系有里克（Ricco）定律）定律和里波（和里波（Riper）定律来描述。当刺激面积较小时，）定律来描述。当刺激面积较小时，光觉门限的强度光觉门限的强度 I 与面积与面积 A 的关系遵循下式之关系，的关系遵循下式之关系，即：即：(244)刺激面积大，光觉门限小刺激面积大，光觉门限小这个关系就是里波定律。这个定律在视角范围内这个关系就是里波定律。这个定律在视角范围内都可成立。一般情况下，里克定律和里波定律常都可成立。一般情况下，里克定律和里波定律常含在一起用含在一起用,统称为里波定理

7、统称为里波定理。关于关于光觉门限与时间的关系光觉门限与时间的关系由由Block定理来描述，定理来描述，它在时间较短的范围内才成立。它在时间较短的范围内才成立。Block定理是指定理是指光强等于光觉门限时，刺激时间光强等于光觉门限时，刺激时间T与光强度与光强度I的关的关系如下：系如下：(246)刺激时间长，光觉门限小刺激时间长，光觉门限小式（式（246）约在在0.1S 以下的范以下的范围内成立内成立。光觉门限光觉门限是指产生光觉的最小值，而是指产生光觉的最小值，而辨别门限辨别门限是指是指辨别亮度差别而必须的光强度差的最小值。这个最辨别亮度差别而必须的光强度差的最小值。这个最小值小值 I 随光强随

8、光强 I 的大小而异。有时也采用相对辨的大小而异。有时也采用相对辨别门限别门限 I/I 或称之为或称之为韦伯比韦伯比来表示辨别门限。来表示辨别门限。亮度的相对辨别门限亮度的相对辨别门限 I/I 与光强度水平与光强度水平 I 及刺激及刺激面积的关系曲线如图面积的关系曲线如图234所示。这些曲线是斯坦所示。这些曲线是斯坦哈特（哈特（Steinhardt）在年测定的。）在年测定的。亮度辨别门限与光觉门限一样受刺激时间和面积亮度辨别门限与光觉门限一样受刺激时间和面积的影响。刺激时间的影响。刺激时间T在某一范围内在某一范围内I值与值与T成反比成反比。I与刺激面积的关系有与皮埃隆（与刺激面积的关系有与皮埃

9、隆（Pieron）定理）定理相似的关系成立。相似的关系成立。关于光的波长与辨别门限的关系由赫克特关于光的波长与辨别门限的关系由赫克特(Hecht)在在450670nm进行了测定。进行了测定。一般规律是波一般规律是波长越长则辨别门限越高长越长则辨别门限越高（即辨别灵敏度低）。（即辨别灵敏度低）。在中央凹处及其周围的辨别门限也进行了测定，在中央凹处及其周围的辨别门限也进行了测定，一般周围的辨别门限大。特别是在明亮的场合下，一般周围的辨别门限大。特别是在明亮的场合下，这种倾向将增强。这种倾向将增强。2)、有关色觉的学说有关色觉的学说 自年牛顿成功地分解了太阳光谱以来，自年牛顿成功地分解了太阳光谱以来

10、，认为光的波动经过神经传到大脑，由于波长不同而认为光的波动经过神经传到大脑，由于波长不同而产生不同颜色感觉的这一假说至今还在提倡。产生不同颜色感觉的这一假说至今还在提倡。图2-48 牛牛顿发现顿发现的的连续连续的光的光谱谱 YoungYoung(1801)(1801)认为认为颜色不是光的物理性质而是颜色不是光的物理性质而是一种感觉现象一种感觉现象。后来赫姆霍尔兹。后来赫姆霍尔兹(Helmholtz)(Helmholtz)发展了这种假说，认为视网膜有三种色细胞，发展了这种假说，认为视网膜有三种色细胞，由于光学反应引起三种视神经纤维的兴奋，由由于光学反应引起三种视神经纤维的兴奋，由此又引起大脑三种

11、神经细胞兴奋而产生色觉。此又引起大脑三种神经细胞兴奋而产生色觉。这就是扬赫姆霍尔兹这就是扬赫姆霍尔兹(Young(YoungHelmholtz)Helmholtz)的的色觉三原色学说。色觉三原色学说。另一方面，也有对三原色假说持反对立场的人，另一方面，也有对三原色假说持反对立场的人，特别是扬赫姆霍尔兹的三原色为红、绿、紫。特别是扬赫姆霍尔兹的三原色为红、绿、紫。据经验，黄色用红色和绿色混合而成是难于理据经验，黄色用红色和绿色混合而成是难于理解的。也就是说，用他的三原色假说不能说明解的。也就是说，用他的三原色假说不能说明黄色的纯色性。提出这一反对论点的代表人物黄色的纯色性。提出这一反对论点的代表

12、人物是是赫林赫林(Hering)。赫林赫林的假说是在视网膜上有红绿物质，黄蓝的假说是在视网膜上有红绿物质，黄蓝物质，白黑物质。在光刺激下，各物质同时向对物质，白黑物质。在光刺激下，各物质同时向对立的方向发生化学变化，向两个方向变化的程度根立的方向发生化学变化，向两个方向变化的程度根据刺激的波长不同而不同，由此产生色觉。赫林的据刺激的波长不同而不同，由此产生色觉。赫林的相对色假说相对色假说对说明色适应和色对比现象理由较好，对说明色适应和色对比现象理由较好，但对色盲的性质却不能加以详细说明。但对色盲的性质却不能加以详细说明。三原色假说三原色假说和和相对色假说相对色假说考虑方法是对立的，考虑方法是对

13、立的，本世纪也有提倡一种折衷的假说，如本世纪也有提倡一种折衷的假说，如Ladd-Franklindel发展假说发展假说，Hart-ridgedel多色假说多色假说等等。最近采用物理手段研究生理学的方法发等等。最近采用物理手段研究生理学的方法发展很迅速。展很迅速。2.6 光度学及色度学原理光度学及色度学原理 亮度和颜色是进入眼睛的可见光的强弱及波长亮度和颜色是进入眼睛的可见光的强弱及波长成份的一种感觉的属性。从某一入射光产生的成份的一种感觉的属性。从某一入射光产生的亮度和颜色的感觉无法测定，并且这种因人而亮度和颜色的感觉无法测定，并且这种因人而异的感觉也不能比较。异的感觉也不能比较。既使对同一个

14、人来说，既使对同一个人来说，由于观察条件不同感觉也不一样。由于观察条件不同感觉也不一样。2.6.1、颜色的表示方法及观察条件、颜色的表示方法及观察条件 颜色的表示方法大体上有二套方法。颜色的表示方法大体上有二套方法。芒塞尔芒塞尔(Munsell)表示系统：表示系统：设置一套作为标准设置一套作为标准的颜色样本，被试的颜色与样本进行比较，然的颜色样本，被试的颜色与样本进行比较，然后用特殊的记号来表示。后用特殊的记号来表示。CIE表示系统：表示系统：取决于刺激光的物理性质和色的感觉的对应关取决于刺激光的物理性质和色的感觉的对应关系。用与这个规定的相对应的量来表示试料的系。用与这个规定的相对应的量来表

15、示试料的光的物理性质。这就是国际上规定的光的物理性质。这就是国际上规定的CIE表示表示系统。系统。在处理光的物理性质和色觉的关系时，可在单纯的在处理光的物理性质和色觉的关系时，可在单纯的条件下来决定这种规定。一般条件规定如下：条件下来决定这种规定。一般条件规定如下：(1)刺激亮度在视觉细胞的锥状体起作用又不刺刺激亮度在视觉细胞的锥状体起作用又不刺眼的范围内；眼的范围内；(2)观察视野在观察视野在2(或或10）范围内，而且范围外是黑）范围内，而且范围外是黑暗的；暗的；(3)视野内的光分布均匀并且不随时间变化。视野内的光分布均匀并且不随时间变化。在这样单纯化了的条件下观察颜色与日常在复杂在这样单纯

16、化了的条件下观察颜色与日常在复杂情况下观察到的颜色不一样，为与感觉色相区别，情况下观察到的颜色不一样，为与感觉色相区别，把这种颜色叫做把这种颜色叫做心理物理色。心理物理色。2.6.2、三基色混色及色度表示原理、三基色混色及色度表示原理根据光的波动说，根据光的波动说，单一波长的光称为单色光单一波长的光称为单色光。人们。人们可以区别种种不同颜色，似乎可以假设视网膜上也可以区别种种不同颜色，似乎可以假设视网膜上也存在着许多不同类型的锥状体，每一类型的锥状体存在着许多不同类型的锥状体，每一类型的锥状体只只“谐振谐振”于某一特定的颜色。如果锥状体果真有于某一特定的颜色。如果锥状体果真有这样的单色响应，那

17、么某一彩色感觉只能由相应波这样的单色响应，那么某一彩色感觉只能由相应波长的电磁能引起。长的电磁能引起。然而，事实却不完全如此，照射到视网膜上的某然而，事实却不完全如此，照射到视网膜上的某一单色光并不是引起该彩色的唯一因素。例如，一单色光并不是引起该彩色的唯一因素。例如，有几种单色黄光可以由射到视网膜上的红光和绿有几种单色黄光可以由射到视网膜上的红光和绿光配出来。光配出来。几乎所有的彩色都能由三种基本彩色几乎所有的彩色都能由三种基本彩色混配出来。这三种彩色就叫做三基色。混配出来。这三种彩色就叫做三基色。由三基色混配各种颜色的方法通常有两种：由三基色混配各种颜色的方法通常有两种：相加混色：相加混色

18、：彩色电视机上的颜色是通过相加混色彩色电视机上的颜色是通过相加混色 产生的。产生的。相减混色：相减混色：彩色电影和幻灯片等与绘画原料一样彩色电影和幻灯片等与绘画原料一样 是通过相减混色产生各种颜色的。是通过相减混色产生各种颜色的。相加混色和相减混色的主要区别：相加混色和相减混色的主要区别：第一第一，相加混色是由发光体发出的光相加而产，相加混色是由发光体发出的光相加而产生各种颜色，而相减混色是先有白色光，尔后生各种颜色，而相减混色是先有白色光，尔后从中减去某些成份（吸收）得到各种彩色。从中减去某些成份（吸收）得到各种彩色。第二第二，相加混色的三基色是红、绿、蓝，而相减混，相加混色的三基色是红、绿

19、、蓝，而相减混色的三基色是黄、青、紫（一般不确切地说成是黄、色的三基色是黄、青、紫（一般不确切地说成是黄、蓝、红）。也就是说相加混色的补色就是相减混色蓝、红）。也就是说相加混色的补色就是相减混色的基色。的基色。第三第三，相加混色和相减混色有不同规律（指颜料相，相加混色和相减混色有不同规律（指颜料相混）。混）。相加混色：相加混色：红红绿绿黄黄 红红蓝蓝紫紫 蓝蓝绿绿青青 红红绿绿蓝蓝白白相减混色：相减混色：黄黄白白蓝蓝 紫紫白白绿绿 青青白白红红 白白蓝蓝绿绿红红黑黑 格拉斯曼定律（格拉斯曼定律（Grassman Law)包括如下四项内容：包括如下四项内容：（）所有颜色都可以用互相独立的三基色混

20、合得（）所有颜色都可以用互相独立的三基色混合得 到；到；（）假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度（）假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度 也相等；也相等；（）任意两种颜色相混合产生的新颜色与采用三（）任意两种颜色相混合产生的新颜色与采用三 基色分别合成这两种颜色的各自成分混合起基色分别合成这两种颜色的各自成分混合起 来得到的来得到的 结果相等；结果相等；（）混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总（）混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总 和。和。这里色调、色饱和度及亮度是表示色觉程度的量。这里色调、色饱和度及亮度是表示色觉程度的量。色调色调表示各种颜色的种类的术语；表示各种颜色的种类的术语

21、；色饱和度色饱和度表示颜色深浅（添加白光的多少）。表示颜色深浅（添加白光的多少）。以三基色为基础的格拉斯曼定律可用下式表示以三基色为基础的格拉斯曼定律可用下式表示F F（）（）（）（）（）(247)2.62.6.3 3、CIECIE的的R R、G G、B B颜色表示系统颜色表示系统 国际照明委员会（国际照明委员会（CIECIE）规定：）规定：红色红色（波长（波长700.00nm700.00nm），），绿色绿色（波长（波长546.1nm546.1nm）蓝色蓝色（波长（波长438.8nm438.8nm）这就是这就是CIECIE的的R R、G G、B B颜色表示系统。颜色表示系统。在数字图像处理中的

22、终端显示通常用显像管在数字图像处理中的终端显示通常用显像管（CRTCRT）也就是用彩色监视器显示。由相加混）也就是用彩色监视器显示。由相加混色原理可知白光可由红、绿、蓝三种基色光相色原理可知白光可由红、绿、蓝三种基色光相加得到。产生加得到。产生1 1lmlm的白光所需要的三基色的近的白光所需要的三基色的近似值可用下面的亮度方程来表示似值可用下面的亮度方程来表示1 lm(白光白光)=0.30 lm(红红)+0.59 lm(绿绿)+0.11 lm(蓝蓝)(248)由上式可见，产生白光时三基色的比例关系是不等的，由上式可见，产生白光时三基色的比例关系是不等的，这显然给实际使用带来一些不方便。为了克服

23、这一缺这显然给实际使用带来一些不方便。为了克服这一缺点，使用了三基色单位制。这就是所谓的点，使用了三基色单位制。这就是所谓的T T单位制。单位制。在使用在使用T T单位制时，认为白光是由等量的三基色组成。单位制时，认为白光是由等量的三基色组成。因此，表示的亮度方程可改写如下因此，表示的亮度方程可改写如下 1 lm(W)=1 T(R)+1 T(G)+1 T(B)(249)1T1T单位红光单位红光=0.30=0.30lmlm；1T1T单位绿光单位绿光=0.59=0.59lmlm；1T1T单位蓝光单位蓝光=0.11=0.11lmlm。由此可知由此可知T T单位与流明数的关系，在需要的时单位与流明数的

24、关系，在需要的时候可以很容易地进行转换。由于候可以很容易地进行转换。由于T T单位的采用单位的采用就除掉了复杂数字带来的麻烦。就除掉了复杂数字带来的麻烦。由三基色原理可知，任何颜色都可由三基色混由三基色原理可知，任何颜色都可由三基色混配而得到。为了简单又方便地描绘出各种彩色与配而得到。为了简单又方便地描绘出各种彩色与三基色的关系，采用了彩色三角形与色度图的表三基色的关系，采用了彩色三角形与色度图的表示方法。示方法。图 249相加混色彩色三角形相加混色彩色三角形 这是一个等边三角形，三个顶点分别为红、绿、这是一个等边三角形，三个顶点分别为红、绿、蓝三色。其中黄色位于红与绿之中间，紫色落蓝三色。其

25、中黄色位于红与绿之中间，紫色落在蓝色和红色中间，青色在绿色与蓝色中间。在蓝色和红色中间，青色在绿色与蓝色中间。三角形的中心就是三基色分量都相等的白色。以三角形的中心就是三基色分量都相等的白色。以三角形三个边为界，其内部每一点都是三基色混三角形三个边为界，其内部每一点都是三基色混合而成的颜色。穿过中心点的任何一条直线所连合而成的颜色。穿过中心点的任何一条直线所连系的两种彩色互为补色，即两者混配起来就形成系的两种彩色互为补色，即两者混配起来就形成白色。越靠近三角形中点则色饱和度越低。白色。越靠近三角形中点则色饱和度越低。对彩色的感觉必须考虑三个量，即：对彩色的感觉必须考虑三个量，即：色调色调色饱和

26、度色饱和度亮度。亮度。彩色三角形是二维图形，因此，它只能表示色彩色三角形是二维图形，因此，它只能表示色调和色饱和度，它不能表示亮度。调和色饱和度，它不能表示亮度。一般在彩色三角形上标上标度就可直接读出产生一般在彩色三角形上标上标度就可直接读出产生某给定色调所需的三基色比例。图某给定色调所需的三基色比例。图245便是采用便是采用直角三角形表示的彩色三角形。图中每一色调的直角三角形表示的彩色三角形。图中每一色调的量取为个量取为个T单位。红色沿着单位。红色沿着x轴，绿色沿着轴，绿色沿着y轴，轴，给定的蓝色可简单地用格拉斯曼定律推出。给定的蓝色可简单地用格拉斯曼定律推出。图250直角彩色三角形直角彩色

27、三角形 因为每一色调都规定因为每一色调都规定T个单位，所以，任一色个单位，所以，任一色调的红、绿、蓝分量总和为，蓝色的调的红、绿、蓝分量总和为，蓝色的T单位数就单位数就可以从减去红色和绿色的可以从减去红色和绿色的T单位而推出。单位而推出。例如点的颜色，这一色调位于例如点的颜色，这一色调位于R=0.5，G=0.2处，这说明，个单位的处，这说明，个单位的“”色调包含有色调包含有0.5T单位的红色和单位的红色和0.2T单位的绿色。由格拉斯曼定律单位的绿色。由格拉斯曼定律可算出蓝色量为可算出蓝色量为1-(0.5+0.2)=0.3单位。也就是说单位。也就是说个个T单位的单位的“”色调等于色调等于0.5T

28、单位的红色，单位的红色，0.2T单位的绿色，单位的绿色，0.3T单位的蓝色之和。单位的蓝色之和。在在CIE色度图色度图中，采用了假想的三基色。这样就可中，采用了假想的三基色。这样就可以画出一个包括一切彩色的色度图。其中假想的三以画出一个包括一切彩色的色度图。其中假想的三基色位于于三角形的三个顶点，所有谱色都位于三基色位于于三角形的三个顶点，所有谱色都位于三角形内马蹄形曲线上。角形内马蹄形曲线上。在马蹄形图的一部分曲线上注有波长数，这样就在马蹄形图的一部分曲线上注有波长数，这样就可以根据波长辨别颜色。在马蹄形的底部没有标可以根据波长辨别颜色。在马蹄形的底部没有标度，这里是非谱色，波长在这里自然没

29、有意义。度，这里是非谱色，波长在这里自然没有意义。图251 CIE色度图 谱色谱色 能以单色出现在光谱上而且有一定波能以单色出现在光谱上而且有一定波长的彩色；长的彩色；非谱色非谱色 不能作为单色出现在光谱上的颜色称不能作为单色出现在光谱上的颜色称为非谱色，各种紫红色就是非谱色的例子。为非谱色，各种紫红色就是非谱色的例子。图中的点是标准白光。图中的点是标准白光。作为标准光源，规定的有、三种，作为标准光源，规定的有、三种，光源光源是绝对温度约为是绝对温度约为284528450 0 K K的全辐射体发出的光，的全辐射体发出的光，其色度坐标为其色度坐标为x=0.4476x=0.4476，y=0.407

30、5y=0.4075。有代表性的就是。有代表性的就是白炽电灯发出的光。白炽电灯发出的光。光源光源是绝对温度约为是绝对温度约为4870oK 全辐射体发出全辐射体发出的光，其色度坐标为的光，其色度坐标为x=0.3485，y=0.3518。正午时刻直射的日光与其近似。在实验室中可正午时刻直射的日光与其近似。在实验室中可由光源用特制的滤色镜得到。由光源用特制的滤色镜得到。光源光源的绝对温度为的绝对温度为67406740o oK K，色度坐标为，色度坐标为x=0.3101x=0.3101，y=0.3163y=0.3163。直射的日光与天上蓝色天空的光混合起来近似直射的日光与天上蓝色天空的光混合起来近似于这

31、种光源。于这种光源。由于色觉与刺激视野有关，所以上述色度图对视由于色觉与刺激视野有关，所以上述色度图对视野大约为野大约为时成立。为了适应视野较大的场合，时成立。为了适应视野较大的场合，在年又定义了视野为在年又定义了视野为的颜色表示的颜色表示系统。系统。另外，也用另外，也用“彩色图彩色图”表示颜色系统，最常见表示颜色系统，最常见的是美国芒塞尔制。这是一个圆形的图形，它的是美国芒塞尔制。这是一个圆形的图形，它分为十大块扇形部分，如图分为十大块扇形部分，如图238所示。每一所示。每一扇形又分十小块，直径两端的色调互为补色，扇形又分十小块，直径两端的色调互为补色，饱和度在圆周上最大，分级向圆心逐步减饱

32、和度在圆周上最大，分级向圆心逐步减小，直到白色。小，直到白色。图252 彩色图2 2 7 7 亮度和亮度和颜颜色感色感觉觉的的视觉视觉特征特征1.1.刺激刺激强强度与感度与感觉觉的关系的关系 对于感觉器官来说，刺激强度I产生I的变化，而且这个变化刚刚能辨别出来，那么对应于的感觉有下式成立(2-50)颜色刺激与颜色感觉的对应关系比较复杂，光颜色刺激与颜色感觉的对应关系比较复杂，光的辉度变化时，颜色也变化，这种现象叫贝佐的辉度变化时，颜色也变化，这种现象叫贝佐尔得布鲁克尔得布鲁克(BezoldBrucke)现象。现象。2.亮度适应和颜色适应亮度适应和颜色适应 从较亮的场所到较暗的场所时，很难马上看

33、到东从较亮的场所到较暗的场所时，很难马上看到东西，相反，从较暗的场所到较亮的场所，也看不东西，相反，从较暗的场所到较亮的场所，也看不东西。一般把西。一般把眼睛的状态适应明暗条件的变化叫亮度眼睛的状态适应明暗条件的变化叫亮度适应适应。从亮到暗的变化叫暗适应；从暗向亮的变化。从亮到暗的变化叫暗适应；从暗向亮的变化叫亮适应。一般亮适应时间较短，暗适应较长。叫亮适应。一般亮适应时间较短，暗适应较长。与亮度适应相区别，随着光的分布而变化，眼与亮度适应相区别，随着光的分布而变化，眼睛有对颜色刺激灵敏度变化的性质。例如，用睛有对颜色刺激灵敏度变化的性质。例如，用强红光刺激眼睛后看本来是黄色的物体却是绿强红光

34、刺激眼睛后看本来是黄色的物体却是绿色的。这种色的。这种依赖光分布的视觉灵敏度变化现象依赖光分布的视觉灵敏度变化现象叫色适应。叫色适应。3 亮度对比和颜色对比亮度对比和颜色对比一般情况，在相同亮度的刺激下，背景亮度不同一般情况，在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感觉到的物体明暗程度也不同。图所感觉到的物体明暗程度也不同。图239中的圆中的圆环的亮度是一样的，但是，由于左右两边的背景环的亮度是一样的，但是，由于左右两边的背景不同，看到的圆环两边的明暗程度也不一样，背不同，看到的圆环两边的明暗程度也不一样，背景暗会觉得圆环亮一些；背景亮会感觉圆环较暗。景暗会觉得圆环亮一些；背景亮会感觉圆环较暗。图

35、2-53 明暗对比的例子 在观察颜色的场合也一样，在图形的色度一样，在观察颜色的场合也一样，在图形的色度一样，但背景颜色不一样时，感觉到的图形的色度也不但背景颜色不一样时，感觉到的图形的色度也不一样。一样。刺激的亮度和色度受周围背景的影响而使其产刺激的亮度和色度受周围背景的影响而使其产生不同感觉的现象叫同时对比现象生不同感觉的现象叫同时对比现象。这里包括亮。这里包括亮度对比和颜色对比。另外，在二个刺激相继出现度对比和颜色对比。另外，在二个刺激相继出现的场合，后续刺激的感觉受到先行刺激的影响，的场合，后续刺激的感觉受到先行刺激的影响，这种现象叫这种现象叫相继对比相继对比。实验表明，在背景亮度比目

36、标亮度低的场合，实验表明，在背景亮度比目标亮度低的场合，感觉目标有一定亮度。当背景亮度比目标亮时，感觉目标有一定亮度。当背景亮度比目标亮时，看到的目标就有暗得多的感觉。同时对比效果看到的目标就有暗得多的感觉。同时对比效果在背景大的场合比较显著，但不一定在目标被在背景大的场合比较显著，但不一定在目标被包围的情况下才产生，在其他场合也可以产生，包围的情况下才产生，在其他场合也可以产生，只是效果小一些罢了。只是效果小一些罢了。关于对比效果有一定性的法则，即基尔希曼关于对比效果有一定性的法则，即基尔希曼(Kirschman)法则。其基本内容如下：法则。其基本内容如下：（）目标比背景小，颜色对比大；（）

37、目标比背景小，颜色对比大；（）颜色对比在空间分离的两个领域内也发生，（）颜色对比在空间分离的两个领域内也发生，间隔大时则效果较小；间隔大时则效果较小；（）背景大，对比量亦大；（）背景大，对比量亦大；（）明暗对比最小时，颜色对比最大；（）明暗对比最小时，颜色对比最大；（）明暗相同时，背景色度高对比量大；（）明暗相同时，背景色度高对比量大；（）亮度及颜色的恒定性。（）亮度及颜色的恒定性。亮度的恒定性亮度的恒定性。这种物理亮度在变化而感觉却有保持一定的倾向这种物理亮度在变化而感觉却有保持一定的倾向叫亮度的恒定性。叫亮度的恒定性。如如：白纸白纸 煤堆煤堆另外，在照明光的颜色稍微改变的场合，我们另外，在

38、照明光的颜色稍微改变的场合，我们感觉白纸仍然是白的。这一类照明光改变但感感觉白纸仍然是白的。这一类照明光改变但感觉到物体颜色能稍微保持一定的倾向叫觉到物体颜色能稍微保持一定的倾向叫颜色的颜色的恒定性恒定性。这些恒定性与亮度和颜色的适应性与。这些恒定性与亮度和颜色的适应性与对比因素有关，同时也与材质有关。对比因素有关，同时也与材质有关。4.颜色感觉与刺激面积的关系颜色感觉与刺激面积的关系 对于一个色觉正常的人来说，颜色刺激面积非常对于一个色觉正常的人来说，颜色刺激面积非常小时就不能识别颜色了，这种色觉异常状态叫小时就不能识别颜色了，这种色觉异常状态叫第第三色盲三色盲。米德尔顿。米德尔顿(Midd

39、leton)Middleton)和霍姆斯和霍姆斯(Holmes)Holmes)曾用视角为曾用视角为 2 2 和和 1 1 的目标研究了色度变化的目标研究了色度变化的感觉。的感觉。他们得到的结果是当面积较小时，橙、蓝、绿直他们得到的结果是当面积较小时，橙、蓝、绿直线的感觉很接近，当更小时，就只有灰色的感觉线的感觉很接近，当更小时，就只有灰色的感觉了。这个原理被用到彩色电视机原理中，对减少了。这个原理被用到彩色电视机原理中，对减少传送频带作出了贡献。传送频带作出了贡献。5.主主观颜观颜色色如图如图254所示的黑白圆板。当它旋转时，我们将所示的黑白圆板。当它旋转时，我们将看到色度较低的颜色。因为这个

40、现象不能用刺激光看到色度较低的颜色。因为这个现象不能用刺激光的分光特性来预测，所以叫主观色。当模型板缓慢的分光特性来预测，所以叫主观色。当模型板缓慢旋转时，会看到旋转时，会看到a、b、c、d位置上的不同颜色。位置上的不同颜色。图254 贝纳姆（姆（Benham）模型）模型 6.记忆记忆色色 我们经常接触的物体，对它的特有的颜色我们经常接触的物体，对它的特有的颜色会有记忆，这就是记忆色的概念。例如人的皮会有记忆，这就是记忆色的概念。例如人的皮肤颜色，草木的颜色等很容易从颜色样本中选肤颜色，草木的颜色等很容易从颜色样本中选出来，这是人人都有的视觉倾向。出来，这是人人都有的视觉倾向。但是，一般来但是

41、，一般来说记忆色与色与实际颜色并不一色并不一样，记忆色的色度和亮度比色的色度和亮度比实际颜色都要高。色都要高。记忆色与理想色与理想颜色的再色的再现关系密切，无关系密切，无论在彩色在彩色电视技技术上上还是是绘画上都受到广泛的关注。画上都受到广泛的关注。7 7.进入色、后退色、膨胀色、收缩色进入色、后退色、膨胀色、收缩色使你有拉近距离的颜色叫进入色，它有较长的波使你有拉近距离的颜色叫进入色，它有较长的波长。有推远距离感觉的颜色叫后退色，它有较短长。有推远距离感觉的颜色叫后退色，它有较短的波长。的波长。使我们有物体变大的感觉，这叫膨胀色。使我们有物体变大的感觉，这叫膨胀色。有的会有缩小的感觉，这叫收

42、缩色。有的会有缩小的感觉，这叫收缩色。这些特性又与亮度有关。亮度高的黄色有增大这些特性又与亮度有关。亮度高的黄色有增大的感觉，亮度低的蓝色有缩小的感觉，除此之的感觉，亮度低的蓝色有缩小的感觉，除此之外，还有所谓的暖色、冷色等等。外，还有所谓的暖色、冷色等等。8.颜颜色和色和爱爱好好颜色与人的感情有关。人们也各自有自己所爱好颜色与人的感情有关。人们也各自有自己所爱好的颜色。这种爱好会随着性别、年龄、时代等因的颜色。这种爱好会随着性别、年龄、时代等因素而变化。另外，两种颜色相邻时，由配色而产素而变化。另外，两种颜色相邻时，由配色而产生的和谐感也是一个重要的问题。有人作了大量生的和谐感也是一个重要的问题。有人作了大量研究，提出了一些所谓彩色和谐理论。研究，提出了一些所谓彩色和谐理论。