二、颜色感知

视觉系统接收的外界光刺激会受到物体、光源和人眼三个基本要素的影响,视觉系统最终响应的客观物体的颜色信息用U(x)表示,E、D和S分别表示光源的相对光谱功率、国际照明委员会标准观察者光谱刺激值和客观物体的光谱反射率,其相互关系以式(3-1)表示。

式中:x表示识别颜色像素点所在的空间位置,λ表示可见光的波长,E(λ)为光源的相对光谱功率分布,S(λ,x)表示物体在点x位置时的光谱反射率,H为调整因子,D(λ)为国际照明委员会标准观察者光谱刺激值[20]。

(一)颜色恒常性

颜色恒常性是人类视觉系统对外界视觉刺激中颜色感知的一种心理倾向,人类视觉的这种认知功能能够自适应地忽略外界光照的光谱成分变化,具有稳定的颜色感知能力。计算颜色恒常性旨在模仿人类视觉系统,通过估计场景光照消除光照变化对物体颜色的影响,从而获得标准白光下的客观物体原本的颜色,使计算机获得具有与人类视觉系统类似的特性。颜色恒常计算方法被广泛应用在计算机视觉,应用于颜色的对象识别、图像检索、图像分类、彩色物体识别和物体跟踪等众多领域。

(二)视觉系统感知颜色

人类视觉系统在感知客观场景颜色的过程中,主要通过视觉系统中感光细胞对外界光刺激的化学反应,感光细胞主要由红敏视锥细胞(波长为570nm)、绿敏视锥细胞(波长为535nm)和蓝敏视锥细胞(波长为445nm)组成。由视蛋白和视黄醛组成感光色素分子,共同加工不同波长的光刺激并将其转换为红、绿、蓝三原色神经脉冲电信号进行传递。生理研究表明,三原色神经脉冲电信号向后一级的视神经通路传导过程中,颜色编码时以拮抗对的形式进行传递,即通过双色拮抗神经元进行颜色信息的传递,如红—绿拮抗,当红色被激活,则绿色被抑制,或红色被抑制,绿色被激活。针对来自不同视锥细胞的信息如何在神经节细胞中进行编码这一问题,Field等绘制了神经节单个细胞的输入—输出图,从神经节细胞群的位置及其类型方面进行研究[21]。

(三)视觉系统对颜色的编码

视觉系统感知颜色主要通过视觉感受器中的千万个感光色素分子,通过吸收不同波长的红、绿、蓝光谱,将光能转换为神经脉冲电活动,再传递至视觉皮层产生对颜色的认知。研究表明,视觉神经节细胞对颜色的反应具有拮抗作用,同时通过同心圆式的感受野对视觉刺激进行中心—周边拮抗反应。外侧膝状体对颜色的编码方式与神经节细胞一样,也通过同心圆式的感受野对颜色刺激产生拮抗反应。如图3-2所示,当持续的红色光谱刺激神经元时,神经元产生持续的兴奋,当红色光谱刺激消失后,神经元产生超极化反应,致使绿色知觉产生,这也是生物体在持续注视红色物体之后看到白色背景,则会看到绿色的原因。色盲被认为视觉神经机制研究过程中的重大发现之一,究其原因,色盲主要是遗传因素引起,即色盲者染色体基因异于常人,由于视锥细胞中缺乏对某种光谱敏感的色素分析,因此缺乏对特定颜色空间的认知能力,但是色盲者的其他视觉功能完好。

图3-2　视觉系统对颜色的编码过程