第3章 图像处理的基本知识

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第三章 图像处理的基本概念

第三章 图像处理的基本概念1 2 色度学基础 人的视觉特性

3 图像模型4 5 图像数字化 数字图像的表示形式及特点

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第三章 图像处理的基本概念

1 色度学基础1.1 色彩的产生 1.2 三基色原理 1.3 常见的颜色模型

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第三章 图像处理的基本概念 1.1 色彩的产生一般人眼感受到的光有三种：直射光、反射光和投射光 直射光：发光物体产生的光直接刺激人眼产生光感。如日光、照明光、显象管 荧光屏发出的光等。 投射光：发光物体产生的光照射到透明或半透明物体上，通过物体投射过来的 光。例如，玻璃是透明体，滤色片、电影胶片是半透明体。 反射光：发光物体所产生的光照射到其他物体上,被其他物体反射而发出的光 称为反射光。 物体之所以呈现出不同的颜色,就是由于物体反射(或透射)了可见光谱中的

不同成分,同时又吸收了其余的成分,从而使人眼产生了不同的彩色感觉。一般来说,某一物体的颜色是该物体在特定光源照射下所反射(或透射)的

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第三章 图像处理的基本概念一定可见光谱成分作用于人眼而引起的视觉效果。白色物体对不同波 长的光具有相同的反射特性。白色物体在白光的照射下,将白光中所 有色光都反射出来,从而呈现白色。既不反射光也不透射光,而能完全 吸收入射光的物体,就呈现黑色。

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第三章 图像处理的基本概念 1.2 三基色原理 人眼的视网膜上存 在有大量能在适当亮度 下分辨颜色的锥状细胞， 它们分别对红光、绿光、 蓝光敏感。由此，红 (R)、绿(G)、蓝(B) 这三种颜色被称为三基 色。 根据人眼的三基色吸收特性，人眼所感受到的颜色其实 是三种基色按照不同比例的组合。 则任一彩色 则任一彩色C可表示为：

C R G B

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第三章 图像处理的基本概念 1.3 常见的颜色模型各种表示颜色的方法叫做颜色模型。目前使用最多的是RGB模型、

CMYK模型、HSI模型。它们可以根据需要相互转换。

RGB模型这是最常见的色彩模型，由R(红)、G(绿)、B(蓝)三个分量组成，三维空 间中的三个轴分别与红、绿、蓝三基色相对应.原点对应于黑色，离原点最远

的顶点对应于白色。从黑到白的灰度值分布在这两个点的连线上， 该线称为 灰色线。 其他颜色则落在三维空间中由红、绿、蓝三基色组成的彩色立方体中。通常情况下以RGB色彩模型为基础描述其它色彩模型。 RGB模型在视频和显示器中广泛使用。

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第三章 图像处理的基本概念z 蓝(Blu e) 品红(Mag en ta)

青(Cy an) O 红(Red )

x

绿(Green) 黄(Yellow) y

RGB模型单位立方体

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第三章 图像处理的基本概念

CMY(K)模型RGB模式是显示器上的颜色模式,而在

图像印刷中却是用CMYK 4色印

刷模式来确定颜色的。是指通过混合青(Cyan)、品红(Magenta)、黄(Yellow)与黑(Black)色来产生全彩色阶调的颜色,这就是CMYK模式。其中Black以

“K”表示(为了避免与Blue混淆)。这就是平常所说的减色模式,因为青、品红、

黄分别是光谱色中的红、绿、蓝的补色,从而模拟出白光被物体吸收了一部分色光后的反射光。 CMYK模式中的颜色种类远不及RGB模式,但它却是打印的标准模式,是

印刷业所使用的颜色模式。

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第三章 图像处理的基本概念

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第三章 图像处理的基本概念

HSI模型以色彩的色调(Hue)、饱和度

(Saturation)、亮度(Intensity)三要素来表示。它反映了人的视觉系统观察彩色的方 式，同人对色彩的感知相一致，是适合人

的视觉特性的色彩空间，在艺术上经常使用HSI模型。这种模型的优点在于它将亮 度(I)与反映色彩本质特性的两个参数

(色度(H)和饱和度(S))分开。

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第三章 图像处理的基本概念色度由角度表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。一般 假定0°表示的颜色为红色， 120°的为绿色， 240°的为蓝色。0°到 240°的色相覆盖了所有可见光谱的彩色，在240°到300°之间为人眼 可见的非光谱色(紫色)。 饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色越深， 如深 红，深绿。饱和度参数是色环的原点(圆心)到彩色点的半径的长度。 由色相环可以看出，环的边界上纯的或饱和的颜色。在中心是中性(灰 色)阴影， 饱和度为0。

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第三章 图像处理的基本概念

模型之间的转换 RGB转换到HSI 对任何3个[0, 1]范围内的R、G、B值，其对应HSI模型中的I、S、H 分量的计算公式为1 ( R G B) 3 3 S I [min(R, G , B )] ( R G B) I [(R G ) ( R B )] / 2 arccos [(R G ) 2 ( R B )(G B )]1 / 2 H [(R G ) ( R B )] / 2 360 arccos [(R G ) 2 ( R B )(G B )]1 / 2 B G B G

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第三章 图像处理的基本概念 HSI 转换到RGB 若S、I、R、G、B的取值区间均为[0, 1],则 S cos H R I 1 cos(60 H ) B I (1 S ) G 3I ( B R ) S cos(H 120) G I 1 cos( 180 H ) R I (1 S ) B 3I (G R ) S cos(H 240) B I 1 cos(300 H ) G I (1 S ) R 3I (G B )

当0°≤H<120 °时，有

当120°≤H<240 °时，有

当240°≤H<360 °时，有

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第三章 图像处理的基本概念常见的彩色图像处理流程

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第三章 图像处理的基本概念

2 人眼的视觉原理2.1 人眼的构造 2.2 图像的形成

2.3 视觉范围和分辨力

2.4 视觉适应性和对比灵敏度 2.5 亮度感觉 2.6 马赫带效应 2.7 视觉模型

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第三章 图像处理的基本概念 2.1 人眼的构造(1)瞳孔：

透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，控 制进入人眼内之光通量 (照相机光圈)。 (2)晶状体： 瞳孔后是晶状体，其曲率可调节，以改变焦距， 使不同距离的图在视网膜上成象 (照相机透镜)。 (3)视细胞： 视网膜上集中了大量视细胞，分为两类：锥状细胞和杆状细胞

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第三章 图像处理的基本概念 锥状细胞每只眼睛中大约有600万到700万个锥状细胞，集中分布在视轴和视 网膜相交点附近的黄斑区内。 每个锥状细胞都连接一个神经末梢，因此，黄斑区对光有较高的分 辨力，能充分识别图像的细节。 锥状细胞既可以分辨光的强弱，也可以辨别色彩。 白天视觉过程主要靠锥状细胞来完成，所以锥状机觉又称白昼视觉。 按感光化学特性，锥状细胞有三种，它们分别对红、绿、蓝颜色敏 感，因此红绿蓝称为人类视觉的三基色。

三种锥状细胞的光谱敏感曲线：

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第三章 图像处理的基本概念 杆状细胞每只眼睛大约有7600万个到15000万个杆状细胞。它广泛分布在

整个视网膜表面上，并且有若干个杆状细胞同时连接在一根神经上，因此，这条神经只能感受多个杆状细胞的平均光刺激，使得在这些区 域的视觉分辨力显著下降，无法辨别图像中的细微差别，而只能感知

视野中景物的总的形象。杆状细胞不能感觉彩色，但对低照明度的景物柱往比较敏感，所以，夜晚所观察到的景物只有黑白、浓淡之分， 而看不清它们的颜色差别。由于夜晚的视觉过程主要由杆状细胞完成，

所以杆状视觉又称夜视觉。

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第三章 图像处理的基本概念 2.2 图像的形成人眼在观察景物时，光线通过角膜、前室水状液、水晶体、后室 玻璃体，成像在视网膜的黄斑区周围。视网膜上的光敏细胞感受到强弱不 同的光刺激，产生强度不同的电脉冲，并经神经纤维传送到视神经中枢， 由于不同位置的光敏细胞产生了和该处光的强弱成比例的电脉冲，所以， 大脑中便形成了一幅景物的感觉。

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第三章 图像处理的基本概念 2.3 视觉范围和分辨力

视觉范围人眼所能感觉到的亮度范围，从10-4cd/m2 到104cd/m2。 注：cd—坎德拉，光通量。 人眼并不能同时感受这样宽的亮度范 围。事实上，在人眼适应了某一平均的亮 度环境以后，它所能感受的亮度范围要小 得多。当平均亮度适中时，能分辨的亮度 上、下限之比为1000:1。而当平均亮度 较低时，该比值只有10:1。即使是客观上 相同的亮度，当平均亮度不同

时，主观感 觉的亮度也不相同。人眼的明暗感觉是相 对的，但由于人眼能适应的平均亮度范围 很宽，所以总的视觉范围很宽。

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第三章 图像处理的基本概念 分辨力人眼的分辨力是指人眼在一定距离上能区分开相邻两点的能力，可以用能 区分开的最小视角θ的倒数来描述，如下图所示： d l

上图中，d表示能区分的两点间的最小距离，l为眼睛和这两点 连线的垂直距离。 人眼分辨力和环境照度、被观察对象的相对对比度等因素有关。