色彩視覺分析綜述

1、 得分：_摘 要：色彩是自然界客觀存在的一種物理現(xiàn)象，色彩視覺是受大腦支配的認(rèn)識(shí)和辨別顏色的感覺機(jī)能。光源、呈現(xiàn)顏色的物體、正常視覺系統(tǒng)是產(chǎn)生色彩視覺的三要素。對(duì)于色彩視覺的分析與研究產(chǎn)生了許多理論和成果。關(guān)鍵詞：顏色；視覺；顏色模型1 光與顏色 1.1 顏色物理基礎(chǔ)光是一種能在人眼的視覺系統(tǒng)上引起明亮感覺的電磁輻射。電磁輻射的波長(zhǎng)范圍很大。從最短的宇宙線(10-14-10-15m)到最長(zhǎng)的交流電(數(shù)千千米)中，只有380-780nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的那部分電磁輻射能引起視覺響應(yīng)，這段波長(zhǎng)叫做可見光譜。其他波長(zhǎng)的電磁輻射，不管是與可見光譜短波段相鄰的紫外線(具有強(qiáng)烈的光化學(xué)作用)、與可見光長(zhǎng)波段相鄰

2、的紅外線(具有很強(qiáng)的發(fā)熱性能)，還是宇宙線、交流電，人眼都是看不見的。圖 1 可見光譜在可見光譜范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)的輻射能引起人的不同顏色感覺。色散實(shí)驗(yàn)表明白色陽光可分解成由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等光譜色組成的譜帶;反之,這些單色光又可以合成原來的白光。每一種顏色只有一種波長(zhǎng)。這種只含有一種波長(zhǎng)而不能再分解的光稱為單色光，也稱為光譜色。真正的單色光并不存在。由于人眼的分辨能力，平時(shí)所謂的單色光就是指波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)的光，其范圍的大小決定了該色光的單純性或單色性。試驗(yàn)指出,可見光區(qū)除了572、503和478 nm這三個(gè)光譜點(diǎn)不受光強(qiáng)變化的影響外,其它各波長(zhǎng)的單色光顏色感覺都會(huì)隨光強(qiáng)度的不同而變

3、化1。大自然中的太陽光、火光以及人造光源日光燈等發(fā)出的光都是復(fù)合光。這是由不同波長(zhǎng)的單色光組合而成的混色光。復(fù)色光的不同波長(zhǎng)輻射的相對(duì)功率分布決定了人們對(duì)它的顏色感覺。所以，一定組分的復(fù)色光對(duì)應(yīng)一種確定的顏色。1.2 顏色名詞用語言描述一個(gè)顏色、在互聯(lián)網(wǎng)上傳遞一個(gè)顏色、用數(shù)學(xué)方法換算一個(gè)顏色都涉及到顏色屬性的應(yīng)用,顏色屬性是人眼對(duì)于視覺光譜響應(yīng)的語言描述或量化的數(shù)據(jù)描述,定位一個(gè)具體的顏色需要三個(gè)屬性:描述色相的屬性、描述彩色強(qiáng)度的屬性和描述顏色明暗的屬性2。一個(gè)顏色如果是在同一照明中與另外一個(gè)不同的顏色并排地進(jìn)行觀察,這兩個(gè)顏色就稱為相關(guān)色。如果一個(gè)顏色是在和其他任何顏色相隔離的情況下被觀察

4、的,這個(gè)被觀察的顏色就是一個(gè)非相關(guān)色。顏色的基本視覺屬性是指顏色的色相(Hue)、彩度(Colorfulness, )和亮度(Brightness),他們是為非相關(guān)色定義的3個(gè)基本顏色屬性,那是人眼對(duì)于觀測(cè)對(duì)象產(chǎn)生的直接顏色感覺。色相:簡(jiǎn)單的說,色相就是人們?yōu)椴煌伾〉念伾?如:紅色、綠色、黃色、藍(lán)色、紫色、米黃、深紅)或標(biāo)志符號(hào)(用色相角表示的方法)。亮度:送給大腦的非彩色信號(hào)強(qiáng)度A為觀察面上的顏色賦予了亮度屬性,它是視覺對(duì)于一個(gè)顏色明亮或暗淡程度的感知效果,信號(hào)強(qiáng)度A大,則亮度高,反之,則亮度低。任何一個(gè)顏色、不管是黑白的還是彩色的,都具有自己的亮度屬性,在照明固定的情況下,提高顏色

5、的純度,亮度隨之增加。有色度:有色度體現(xiàn)了被觀察面上彩色量的多少,對(duì)于某一個(gè)色相的顏色來說,有色度體現(xiàn)了展現(xiàn)該色相的能力。上面所講的色相、亮度和有色度都是指非相關(guān)色的顏色屬性,它們是視覺色的最基本的屬性,但是更多的情況是把一個(gè)顏色與另一個(gè)顏色關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行觀察或評(píng)價(jià),特別是在顏色度量技術(shù)中,經(jīng)常把一個(gè)顏色與一個(gè)參考白色并列在一起進(jìn)行觀察或評(píng)價(jià),也就是說把一個(gè)顏色與另一個(gè)顏色放在同一視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)也是必不可少的,例如在白紙上印刷出來的彩色圖像。兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)起來觀察的顏色就是相關(guān)色。人們把對(duì)于相關(guān)顏色相對(duì)于“參考白色”的亮度、有色度感知效果分別稱之為明度、彩度。明度:雖然亮度和明度都是描述顏色的

6、明暗程度的術(shù)語,但亮度與明度的根本區(qū)別在于:明度是將被觀察色在同一照明條件下、以參考白色為基準(zhǔn),將將兩者的亮度進(jìn)行比較,根據(jù)二者視覺亮度的差異,由大腦對(duì)該顏色的明暗程度做出判斷,如果被觀察色的亮度用A表示,“參考白色”的亮度用An表示,則明度的含義可簡(jiǎn)式A/An示意。彩度:對(duì)于相關(guān)色來說,被觀察色的彩色量的多少是用“彩度”屬性描述的,彩度是將被觀察色的彩色刺激與一個(gè)作為基準(zhǔn)的“參考白色”進(jìn)行比較,從而對(duì)彩色刺激的相對(duì)強(qiáng)弱做出判斷。飽和度是被評(píng)價(jià)表面本身的彩色刺激跟它本身亮度刺激比較得出的有色程度判斷,使用色相和飽和度兩個(gè)參數(shù)可以考察表面顏色的均勻程度,彩度則是在同一照明下跟“參考白色”的亮度進(jìn)

7、行比較,得出的有色程度判斷,使用色相和彩度兩個(gè)參數(shù)不能考察表面顏色的均勻程度2。2 人眼視覺與顏色2.1 人眼視覺系統(tǒng)圖2 人眼結(jié)構(gòu)人眼的形狀很像一個(gè)小球，通常稱它為眼球-前極稍凸出，前后直徑約2425mm，橫向直徑約為20mm。眼球內(nèi)有著極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如圖所示：分別擔(dān)負(fù)著成像和感光兩大功能3。人眼睛的機(jī)能可以比喻為一個(gè)照相機(jī)。外界物體發(fā)出的光線，進(jìn)人眼睛后經(jīng)角膜、水晶體、玻璃體等屈光系統(tǒng)的屈折和會(huì)聚，在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)清晰的圖像。屈光系統(tǒng)類似于照相機(jī)的鏡頭。瞳孔隨著入射光線的強(qiáng)弱可自動(dòng)收放，以控制光線的入射量，它的作用相當(dāng)于一個(gè)可變光圈。脈絡(luò)膜吸收雜散光線，相當(dāng)于暗箱：視網(wǎng)膜則相當(dāng)于感光片

8、。物體上一點(diǎn)的光線進(jìn)入眼球以后會(huì)聚在視網(wǎng)膜的不同點(diǎn)上；這些點(diǎn)在視網(wǎng)膜上形成了左右換位、上下倒立的影像。至于我們所看到的物體，并沒有感覺它是倒像，那是心理回倒的原因。圖 3 視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)視網(wǎng)膜可以分為三層，最外層是視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞：兩種細(xì)胞都是以它們的形狀命名的。這一層構(gòu)成了視覺通路的第一級(jí)神經(jīng)元。中間層為雙極細(xì)胞及其它細(xì)胞層。雙極細(xì)胞的兩極突起，一極與視覺細(xì)胞(視錐和視桿)相連接，另一極與神經(jīng)節(jié)細(xì)胞相接。它是視覺通路的第二級(jí)神經(jīng)元。最內(nèi)層主要含有神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞與視神經(jīng)相連，它是視覺通路的第三級(jí)神經(jīng)元：神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的軸突組成視神經(jīng)纖維，視神經(jīng)纖維從四周向黃斑鼻側(cè)約4mm處匯集，成一圓盤狀，

9、沒有感光能力，又稱盲點(diǎn)。視神經(jīng)纖維穿過眼球后壁成為視神經(jīng)，進(jìn)入腦內(nèi)視覺中樞4。2.2 視覺效應(yīng)視網(wǎng)膜上的不同種細(xì)胞都具有各自特性，在形成視覺的構(gòu)成中，不同細(xì)胞產(chǎn)生不同視覺效應(yīng)，最終形成人眼視覺感知。視錐細(xì)胞能感受顏色和分辨物體的細(xì)微層次，但它對(duì)光的敏感性能很低，必須在足夠的光照條件下才能起作用，如果光亮不足時(shí)，它就失去工作能力，人們就不能感覺到自然界各種物體的色彩和細(xì)微層次：視桿細(xì)胞雖然對(duì)光的敏感性很高，但是它對(duì)物體的顏色沒有反應(yīng)而只能感受物體的亮度差異：而且對(duì)物體細(xì)部的分辨能力也很差?人們?cè)诠饩€暗淡的環(huán)境下只能看到一個(gè)只有明暗沒有色彩模模糊糊的輪廓。水平細(xì)胞連接視錐和視桿細(xì)胞，其作用是調(diào)節(jié)多

10、個(gè)感光細(xì)胞的輸入信號(hào)，即調(diào)節(jié)視覺上的適應(yīng)性5。對(duì)應(yīng)視柱細(xì)胞的雙極細(xì)胞只有一種，對(duì)應(yīng)視錐細(xì)胞的雙極細(xì)胞有8種。雙極細(xì)胞具有抑制和刺激作用，其作用原理是當(dāng)光照射在光感知細(xì)胞上，光感知細(xì)胞感光極化，產(chǎn)生抑制作用，反之，感光去極化，產(chǎn)生刺激作用。神經(jīng)節(jié)細(xì)胞分為小型、雙層與陽傘狀三種。不同種神經(jīng)節(jié)細(xì)胞對(duì)應(yīng)連接不同細(xì)胞，對(duì)與顏色或?qū)Ρ榷让舾行砸灿胁町悾渲行⌒团c陽傘狀神經(jīng)節(jié)細(xì)胞具有中央-邊緣感知場(chǎng)結(jié)構(gòu)。小型神經(jīng)節(jié)細(xì)胞產(chǎn)生紅-綠顏色對(duì)立，陽傘狀神經(jīng)節(jié)細(xì)胞產(chǎn)生明暗對(duì)立，雙層神經(jīng)節(jié)細(xì)胞產(chǎn)生黃-藍(lán)顏色對(duì)立。圖4 視覺對(duì)立效應(yīng)上述視覺對(duì)立是視網(wǎng)膜細(xì)胞所產(chǎn)生的視覺效應(yīng)的一方面，研究表明，視網(wǎng)膜細(xì)胞還具有聚合與邊緣相阻

11、的視覺效應(yīng)。視網(wǎng)膜上多個(gè)視柱細(xì)胞對(duì)應(yīng)一個(gè)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，由視柱細(xì)胞所產(chǎn)生的信號(hào)相應(yīng)會(huì)聚合在神經(jīng)節(jié)細(xì)胞上，這種現(xiàn)象稱為聚合效應(yīng)。圖5 聚合效應(yīng)以圖6上部分形式，如果一個(gè)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞所連接都是具有相同刺激作用的感光細(xì)胞，隨著光照范圍增大，所產(chǎn)生的信號(hào)也將不斷增大。圖 6 邊緣相阻效應(yīng)如果一個(gè)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中央和邊緣分別連接的是具有刺激作用和抑制作用的感光細(xì)胞，隨著光照范圍增加，所產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)先增大，后減小。以上現(xiàn)象，就是邊緣相阻效應(yīng)。邊緣相阻效應(yīng)可用于解釋眾多視覺現(xiàn)象，如馬赫現(xiàn)象、赫曼網(wǎng)格、同時(shí)對(duì)比、色彩同時(shí)對(duì)比等。3 顏色模型與理論3.1 色適應(yīng)模型色適應(yīng)是，為了盡可能保持物體的色貌不變，人類視覺系統(tǒng)針對(duì)

12、外在刺激條件的改變，調(diào)整對(duì)刺激的響應(yīng)靈敏度的一種能力。在色適應(yīng)的基礎(chǔ)上可以獲得大量的“對(duì)應(yīng)色”視覺數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)色就是在不同觀察條件下色貌匹配的兩個(gè)刺激。例如，如果在一組觀察條件下的一個(gè)刺激（X1,Y1,Z1,），與另一組觀察條件下的另一個(gè)刺激（X2,Y2,Z2,）的色貌相匹配，那么（X1,Y1,Z1,），（X2,Y2,Z2,）和它們的觀察條件一起組成了一對(duì)對(duì)應(yīng)色。所以也可以說色適應(yīng)是預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)色的一種能力。通過視覺實(shí)驗(yàn)來獲得不同觀察條件下的對(duì)應(yīng)色數(shù)據(jù)是有限的，所以期望有一個(gè)基于數(shù)學(xué)模型的色適應(yīng)變換來預(yù)測(cè)每個(gè)（X1,Y1,Z1,）所對(duì)應(yīng)的（X2,Y2,Z2,）。 色適應(yīng)變換，或者叫做色適應(yīng)模型，不包

13、括明度、彩度和色調(diào)等色貌屬性，它僅僅提供從一個(gè)觀察條件下的三刺激值到另一個(gè)觀察條件下匹配的三刺激值的變換公式。色適應(yīng)變換是在大量視覺匹配實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過歸納演繹后總結(jié)出的一個(gè)模擬人的視覺感知適應(yīng)變換過程的數(shù)學(xué)模型。完整的色適應(yīng)變換步驟如下6： 1. 從 CIE 三刺激值 X1， Y1， Z1 開始。2. 用一個(gè) 3×3 矩陣將 X1， Y1， Z1 變換成錐體響應(yīng) L1， M1， S1。 3. 加入第一個(gè)觀察條件的信息，使用正變換預(yù)測(cè)適應(yīng)錐體信號(hào) La，Ma， Sa。 4. 加入第二個(gè)觀察條件信息，用逆變換確定對(duì)應(yīng)色的錐體響應(yīng) L2，M2， S2，最后用另一個(gè) 3×3 矩

14、陣計(jì)算 CIE 三刺激值 X2， Y2， Z2。較為著名的色適應(yīng)模型為von Kries 模型、Nayatani 模型、Guth 模型、Fairchild 模型。3.2 色貌模型基于 CIE 色度體系的色度學(xué)從 1931 年 CIE 推薦出 x ( ) ， y()， z ()三匹配函數(shù)并得到 X，Y，Z 三刺激值發(fā)展至今已有 74 年的歷史，期間 CIE色度學(xué)不斷在實(shí)驗(yàn)和運(yùn)用過程中逐步得到完善。英國的 Hunt 教授在 1994年北京的訪問講學(xué)中指出：CIE 色度學(xué)的發(fā)展根據(jù)其特點(diǎn)可以分為三個(gè)階段，即色匹配、色差和色貌的研究22。三刺激值、色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)、興奮純度等量值可以用來判斷兩個(gè)顏色刺

15、激匹配與否；CIELAB、CIELUV色空間的提出及其明度、彩度、色調(diào)的計(jì)算為色差的精確量化提供了可能。但是上述這些量值的計(jì)算，事實(shí)上局限于特定的觀察條件，比如，兩個(gè)顏色刺激應(yīng)該呈現(xiàn)在相同的媒體上并采用相同的標(biāo)準(zhǔn)照明光源，背景應(yīng)該單一并且基本呈現(xiàn)中性灰。CIELAB、CIELUV 色空間考慮了照明光源對(duì)顏色外貌的影響，但其公式中的處理是非常近似的。因此，我們可以認(rèn)為，CIE色度學(xué)對(duì)不同光源、照明水平和觀察背景等條件引起的色適應(yīng)、色對(duì)比、色同化等效應(yīng)并沒有從量值上作比較精確的預(yù)測(cè)，至于不同媒體對(duì)顏色顯色特性的影響，更沒有提出合理的計(jì)算參數(shù)6。 由于不同的觀察條件會(huì)使同一物理目標(biāo)表面具有不同的色貌

16、，所以對(duì)于人的視覺系統(tǒng)來說，這意味著，若要在不同條件下感覺到相同的色貌，物理目標(biāo)就要具有不同的三刺激值XYZ。為了找到XYZ隨觀察條件改變的規(guī)律，就需要建立“色貌模型”，它應(yīng)具有兩種功能：正向變換功能，即根據(jù)給定觀察條件下的XYZ預(yù)測(cè)相應(yīng)的色貌屬性（顏色色貌的度量參數(shù)）；以及逆（反）向變換功能，即根據(jù)所需要的色貌屬性預(yù)測(cè)某一觀察條件下應(yīng)有的X'Y'Z'。色 貌 模 型主 要 是 解 決 不 同 媒 體在 不 同 的 觀 察 條 件、 不 同 的 背景和不同的環(huán)境下的真實(shí)再現(xiàn)問題。開展色貌模型研究具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值：在顏色科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，色貌模型的理論可以直接用于

17、解決均勻色空間、標(biāo)準(zhǔn)色差理論等問題；而在應(yīng)用研 究 領(lǐng) 域，色 貌 模 型 的 研 究 結(jié) 果 可 以 解 決 各 種 跨 媒 體 的 顏 色 信 息 保 真問題。經(jīng)過 20 年的發(fā)展，CAM 還只能夠預(yù)測(cè)大塊色樣的色貌，在圖像應(yīng)用上（把每個(gè)象素作為一個(gè)刺激）還存在困難。隨著技術(shù)的發(fā)展，還會(huì)進(jìn)一步要求 CAM 能夠處理刺激時(shí)間變化的色貌現(xiàn)象，圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)（或是復(fù)雜刺激的色貌差異）和圖像處理等問題。另外，CAM 參數(shù)眾多，過于復(fù)雜，也限制了其實(shí)際的應(yīng)用。一個(gè)模型在實(shí)際應(yīng)用中的效用是必須要考慮的。例如，在色域映射中常常希望依靠沿著恒常感知色調(diào)改變明度和/或彩度來處理圖像象素。然而許多空間，像 CI

18、ELAB 和 CIECAM97s，恒常色調(diào)角線不能代表恒常感知色調(diào)線，必須進(jìn)行色域映射和色空間的修正。Ebner 等描述了的色空間在圖像處理應(yīng)用中恒常色調(diào)角線表示恒常感知色調(diào)。這樣一個(gè)色空間不能解決所有的色貌問題，但是它在實(shí)際應(yīng)用中仍應(yīng)有很大價(jià)值。3.3 圖像色貌模型iCAM（ Image color appearance model） 是 一 個(gè) 新 一 代 的 色 貌 模 型，稱為圖像色貌模型。其目的是在一個(gè)足夠簡(jiǎn)單實(shí)用的模型中，同時(shí)提供傳統(tǒng)的色貌模型屬性、空間視覺屬性和色差度量。該模型包括了色適應(yīng)、色貌分度、色差、邊緣增強(qiáng)、拉伸、高動(dòng)態(tài)范圍圖像和圖像質(zhì)量測(cè)量等功能。iCAM既適用于簡(jiǎn)單的

19、顏色刺激,稱為點(diǎn)態(tài)iCAM,也適用于復(fù)雜的圖像刺激,稱為空間iCAM。點(diǎn)態(tài)iCAM像傳統(tǒng)的色貌模型一樣,把每個(gè)像素當(dāng)作獨(dú)立的顏色刺激來處理?？臻giCAM則將色貌模型提升到一個(gè)新的水平,其起始輸入條件包括:圖像和適應(yīng)場(chǎng)的三刺激值、適應(yīng)場(chǎng)和環(huán)境的絕對(duì)亮度。適應(yīng)場(chǎng)是圖像的低通濾波圖像，用來預(yù)測(cè)色適應(yīng)程度。適應(yīng)場(chǎng)的亮度來自低通濾波圖像的亮度通道,用來預(yù)測(cè)與亮度有關(guān)的色貌現(xiàn)象,如Hunt和Stevens效應(yīng)；環(huán)境亮度則來自于另一個(gè)比圖像更大空間范圍的低通濾波圖像,用來控制圖像對(duì)比度的預(yù)測(cè)7。3.4 Retinex理論Retinex理論始于Land和McCann于20世紀(jì)60年代作出的一系列貢獻(xiàn)，其基本思想是人感知到某點(diǎn)的顏色和亮度并不僅僅取決于該點(diǎn)進(jìn)入人眼的絕對(duì)光線，還和其周圍的顏色和亮度有關(guān).該結(jié)論基于一系列在可控光照下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，受試者被要求區(qū)分色板的顏色.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只要色板不是均勻的一種顏色，受試者觀察到色板的顏色幾乎與設(shè)置的特定光照的顏色無關(guān);即無論如何設(shè)置光照顏色，受試者觀察到同一塊色板的顏色是相同的.Retinex這個(gè)詞是由視網(wǎng)膜 (Retina)和大腦皮層 (Cortex)兩個(gè)詞組合構(gòu)成的.Land之所以設(shè)計(jì)這個(gè)詞是為了表明他不清楚視覺系統(tǒng)的特性究竟取