贾云得 机器视觉 第10章 彩色感知

石鑫华视觉

第十章           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f(x,y)．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f(x,y,λ)．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(x,y,z)的位置由图像平面坐标(x',y')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380nm到780nm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430nm、540nm和570nm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．

三种感受器的光谱敏感示意图

图10.1 三种感受器的光谱敏感示意图[Wald,1964]

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