第3章　圖像形成與相機幾何

3.1　引　　言

在電磁波譜中，人類視覺可見的光稱為可見光，其波長范圍為380～780 nm，電磁波譜如圖3.1所示。白光源入射棱鏡后可分解為七彩可見光，其中白光稱為復合光，單一波長和波譜寬度小于5 nm的光稱為單色光。在計算機視覺中，成像的主要方式為可見光成像，目前對于其余各種電磁波譜成像的研究也逐漸深入，如紅外成像等。本書主要關注可見光成像。

3.1.1　色度學

在第1章中已經提到，人眼視網膜上主要存在視桿和視錐兩類細胞，并分別負責暗視覺與明視覺情況下的視覺感知。其中視桿細胞約有1.3億個，它的光敏感程度比視錐細胞敏感1000倍，并且對綠色波譜部分最敏感，會產生相對模糊的圖像，純粹的視桿視覺稱為暗視覺。而視錐細胞約有700萬個，主要包含紅敏（長波視錐細胞，占65%）、綠敏（中波視錐細胞，占33%）和藍敏（短波視錐細胞，占2%）三類細胞，這三類細胞對紅、綠、藍這三種顏色特別敏感，視錐細胞產生清晰的彩色圖像，純粹的視錐細胞視覺稱為彩色視覺或明視覺。視桿細胞對不同波譜的響應與三種視錐細胞對波譜的吸收特性如圖3.2所示。

人眼中視桿細胞數目遠大于視錐細胞數目，但對視敏感度而言，視桿細胞遠不如視錐細胞敏感。這是因為視桿細胞主要分布于視網膜上，而視錐細胞則聚集在中央凹處。紅、綠、藍三種視錐細胞對于不同波譜的響應比較類似，但數目變化較大，因此造成對波譜的相對敏感度不一致。并且，對于任意給定的刺激，紅敏細胞和綠敏細胞的響應有很大部分是重疊的，且人眼對綠光最敏感。紅、綠、藍三種視錐細胞對不同波譜刺激的響應特性如圖3.3所示。

3.1.2　三色視覺原理

計算機視覺中的圖像和視頻之所以有顏色，主要是因為人眼的紅、綠、藍三種視錐細胞傳輸過來的信號。根據這三種顏色與視錐細胞之間的對應關系來建立三基色。任何外界顏色通過人眼后，其紅、綠、藍三種視錐細胞根據圖3.3所示的響應特性將外界的刺激分解為三基色刺激。最后感知的顏色與光照強度、目標的反射率和觀察者的響應有關。

總之，英國物理學家麥克斯韋認為，將紅、綠、藍（Red，Green，Blue，RGB）作為基色，可以拍出彩色照片，自然界的絕大部分顏色均可以由RGB三基色表示出來，因此可以將自然界中海量的顏色信息通過采用RGB編碼的方式有效地表達出來。

目前，在已有標準的顏色編碼表示方法中，常見的表示方式為色域圖（Gamut），如圖3.4所示。色域表示設備能表示所有顏色的范圍，不同的設備有不同的色域。當不同的圖像在不同的設備上顯示時，由于設備的色域不同，因此人眼看到的效果會有輕微的差異。

圖3.4中的人類視覺色域最寬，覆蓋所有的其他色域。顯然，不同的設備色域實際上只是人類視覺色域的一個子集（或稱子空間），不同的色域覆蓋人類視覺色域的不同部分。從顏色感知來看，色域越寬表示的顏色數目越多，意味著顏色越豐富。在色域圖中，色域均采用三角形來表示，三角形的三個頂點分別對應該色域下的RGB三基色，該三角形區域中的任意顏色均可以采用RGB三基色線性表示出來。注意，在圖3.4中的二維x-y坐標系中，色域中的任意一點都可以用坐標表示出來。從圖中可以看出，坐標絕對值實際上在不同的色域中表示不同的意義，其對應的顏色也各不相同，它只是確定了其在色域中的相對位置而已。