数字图像处理基础课件

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1、第2章 数字图像处理基础 2.1 色度学基础2.2 人眼的视觉特性2.3 图像的数字化2.4 图像的代数运算2.5 灰度直方图2.6 图像文件格式及类型u掌握色度学基础知识u理解人眼的视觉特性u 掌握图像的数字化过程u 了解图像的代数运算u 理解灰度直方图的概念及其应用u 了解图像文件的格式及类型本章学习目标：2.1 色度学基础l 彩色是光的一种属性，没有光就没有彩色。l 在光的照射下，人们们通过过眼睛感觉觉到各种物体的彩色，这这些 彩色是人眼特性和物体客观观特性的综综合效果。l 在太阳光的照射下，人们们可以看到五彩缤纷缤纷 的大自然景物。l 图图像是由人的视觉视觉 系统统接受物体透射或者反射

2、的光学信息， 然后在大脑脑中形成的印象和认识认识 ，是客观观存在的多维维物体在人脑脑中的“成像”。l 因此要研究图图像处处理就得先从色度学以及人眼的视觉视觉 特 性两方面开始。u 光和色n 由光学理论知道，光是一种以电磁波形式存在的物质，它的波长范围大约在 380780nm（1nm10-9m）之间。由于这段电磁波的辐射能为人眼看得见，所以称为可见光，习惯上简称为光。人眼对不同波长的光引起不同的颜色感觉，例如，波长为400nm左右和波长为700nm左右的光，给人以紫和红的感觉。在可见光的范围内，按波长的依次递减，相应颜色排列为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，把这些色光混合在一起就得到白光。2

3、.1.1 三基色原理n 把一束光（太阳光）斜射到玻璃棱镜上，通过棱镜折射后，可将其分解为波长由长 到短排列的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七 色彩带，如下图所示。这种现象也表明了白 光不是单色光，而是由七色光合成的。太阳光的分解光和色本质上是一回事，色 是光的一种形式，色既是客 观物质，又是人眼对客观物 质的视觉反映，色觉是视觉 的一种特性。n亮度、色调和色饱和度称为彩色三要素。任何一 种彩色对人眼引起的视觉作用，都可以用彩色三 要素来描述。n n 1)亮度: 亮度是指人眼所感觉的彩色的明暗程度，亮度取决于光线的强弱。另外，亮度与波长的长短有关，强度相 同但波长不同的光给人眼的亮度感觉也是不同的，

4、生活中 观察15W的绿色灯泡发出的光比15W的红色灯泡亮，15W 的红色灯泡比15W的蓝色灯泡亮，就是这个道理。彩色三要素：光强度是指光波作用于感受器所发生的效应 ，其大小是由物体反射系数来决定，反射系 数越大，物体的光强度愈大，反之愈小。 n 2)色调: 色调是指彩色的颜色类别，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别表示不 同的色调。色调取决于彩色的光谱成分， 不同波长的光具有不同的色调。彩色三要素色度是由物体反射光线中占优势的波长来决定，不同的波长产生不同的颜色感觉，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。它是彩色最为重要的属性，是决定颜色本质的基本特性。n 3)色饱和度: 色饱和度是指彩色的深浅程度。

5、同一色调的彩色，其色饱和度越高，颜色越深。色饱和度与 彩色中所掺入的白光比例有关，掺入的白光越多，色光越 浅，色饱和度越低。色饱和度用百分数表示，如某色光中 若掺入一半的白光，则色饱和度为50%，未掺入白光的纯 色光，其色饱和度为100%。白光的色饱和度为0。彩色三要素色调和色饱和度统称为色度。彩色电视系统不仅像黑白电视系统那样能够传送景物的亮度信息，还要传送景物的色度信息。 三基色原理和混色法n三基色原理：n 实验证明，将红、绿、蓝三种色光投射到一个白色的屏幕上，调节三种色光的不同比例，几乎可以混合出自然 界所有的彩色。用来混色的三种单色光称为基色。用三基 色可以混合成其他彩色的原理称三基色

6、原理。n 在电视技术中，以红（R）、绿（G）、蓝 (B) 为三 基色，红光的波长取700nm，绿光的波长取546.1nm，蓝 光的波长取435.8nm。三基色原理：n 三基色原理的主要内容有：n 1) 自然界的所有彩色几乎都可用三种基色按一定的比例混合而成；反之，任何彩色也可分解为比例不同的三种基 色；n 2) 三种基色必须是相互独立的，即任一基色不能由另外两种基色混合而成；n 3) 用三基色混合成的彩色，其色调和色饱和度皆由三基色的比例决定；n 4) 混合色的亮度等于参与混色的基色的亮度的总和。混色法：n 彩色电视重现景物的彩色，通常是靠彩色显像管荧光屏上的三种荧光粉在电子 束轰击下发出各自

7、的基色光而完成的，即 它们分别发出红、绿、蓝三种基色光，并 混合成彩色图像，这三种基色称为显像三基色。 n 利用三基色按不同的比例混合来获得彩色的方法称为混色法。彩色显像管之所以能够显示出各种各样的丰富多彩 的彩色是利用了三基色的混色原理。彩色显像管中的荧光 粉粒本身是发光体，它的混色规律是遵从相加混色法，即 以彩色光的互相叠加来实现混色产生另一种新的彩色光。 相加混色法的混色规律可用下图表示：相加混色以等量的红、绿、蓝三基色光进行相加 混色效果如下：红色十绿色=黄色；绿 色十蓝色=青色；蓝色十红色=紫色；红 色十绿色十蓝色=白色。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜颜色合成。

8、根据人眼的三基色吸收特性，人眼所感受到的颜颜色其实实是三种基色按照不同比例的组组合。国际际照明委员员会（CIE）为为了建立统统一的标标准，于1931年制定了特定波长长的三基色标标准：蓝蓝（B=435.8nm）、绿绿（G=546.1nm）、红红（R=700nm）。这样这样 ，任一彩色C均可表示为为：其中C为为未知色光，(R)，(G)，(B)为为三基色光 ，C，R，G，B 为调为调 配系数。2.1.2 颜色模型为了科学地定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜色模型。目前常用的颜色模型按用途可分为两类，一类面向诸如视频监视器、彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。另一类面向以彩色处理为目的的应用，如动画中

9、的彩色图形。面向硬件设备的最常用彩色模型是RGB模型，而面向彩色处理的最常用模型是HSI模型。另外，在印刷工业上和电视信号传输中，经常使用CMYK和YUV色彩系统。(1) RGB模型RGB颜色空间是图像处理中最基础的颜色模型，它是在配色实验基础上建立的。其RGB彩色空间示意图如图所示，RGB颜色空间的主要观点是人的眼睛有红、绿、蓝3种色感细胞，它们的最大感光灵敏度分别落在红色、蓝色和绿色区域，其合成的光谱响应就是视觉曲线，由此可推论出任何彩色都可以用红、绿、蓝3种基色来配制。 其中C为未知色光，N，P，Q为三基色光，c，n，p，q 为调配系数。RGB彩色空间示意图 （2） HSI模型HIS颜色

10、模型是Munseu（孟赛尔）颜色系统中的一种，以人眼的视觉特征为基础，利用三个相对独立、容易预测的颜色心理属性：色度(Hue)、光强度(Intensity)和饱和度(Saturation)来表示颜色，反映了人的视觉系统观察彩色的格式。HIS颜色系统模型： （3） HIS 与 RGB 之间的非线性映射对任何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 常见彩色图像处理流程：RGBRGBHSIHSI2.2 人眼的视觉特性2.2.2图像在人眼中的形成过程：人眼在观观察景物时时，光线线通过过角膜、晶状体、玻璃体的折射，在视视 网膜上显显出景物的影像（倒立的像），构成光

11、刺激。视视网膜上的光敏细细 胞感受到强弱不同的光刺激，相应应的产产生强度不同的电电脉冲，并经经由神 经纤维传经纤维传 送至视视神经经中枢，经过经过 大脑脑皮层层的综综合分析，从而产产生视觉视觉 。人眼成像的过过程如图图所示：人眼成像过程2.2.3 亮度范围和分辨率1人眼的亮度感觉范围根据人眼机理及人的视觉模型，人眼感知的主观亮度和实际的客观 亮度之间并非完全相同，但是有一定的对应关系。人眼能够感觉的亮度 范围（称为视觉范围）非常宽，从千分之几尼特到几百万尼特，这是由 于瞳孔对光敏细胞具有一定的调节作用。瞳孔根据外界光的强弱调节其 大小，使射到视网膜上的光通量尽可能是适中的。在强光和弱光下，分

12、别由锥状细胞和杆状细胞作用，而后者的灵敏度是前者的1万倍。在不同 的亮度环境下，人眼对于同一实际亮度所产生的相对亮度感觉是不相同 的。另外，当人眼适应了某一环境亮度时，所能感觉范围将变小很多。 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大，总 的来说，人眼的视觉范围是很宽的。2.人眼的分辨率人眼的分辨率与环境照度有关，当照度太低时，只有杆状细胞起作 用，则分辨率下降；但照度太高则可能引起“眩目”现象。人眼的分辨 率还与被观察对象的相对对比度有关。当相对对比度小时，对象和背景 亮度很接近，使得人眼的分辨率下降。分辨力 人眼在一定距离上能区分开相近两点的能力，用能区分开的最小视角之倒

13、数来描述=1/2.2.4 视觉适应性当我们从明亮的阳光下进入正在放映电影的电影院时，除了可以很清晰的看到屏幕上的图像外，其他都会是一片漆黑，只有过一段时间后 ，我们对周围的视觉才能恢复，这种适应过程大约需要十几秒到三十秒 钟。人眼对这种从亮突变到暗环境的适应能力称为暗适应性。相比之下 ，人们从黑暗中走到光亮处，视觉能很快恢复，亮适应性过程要短很多 。这是由于锥状细胞恢复工作所需的时间要比杆状细胞少得多。人眼的适应：(1)亮度适应暗亮 亮适应 适应时间短几秒钟亮暗 暗适应 适应时间长30秒(2)颜色适应随着光的波长分布变化，研究眼睛对于颜 色刺激产生变化的特性；强红光刺激后，将黄色看成绿色。2.

14、2.5人眼视觉的时间特性(1) 视觉起始特性 在加入阶跃光波刺激时所产生的感觉变化，在刺激后 几十毫秒时感觉才达到顶点，然后慢慢减少到一个常值。 人眼视觉曲线的上升沿时间随着刺激光强的增加而缩短。(2) 视觉惰性人眼的亮度感觉不会随着物体亮度的消失而立即消失 ，而有一个过渡时间，这为视觉惰性。在亮度消失以后尚能保持1/20 1/10秒；当闪烁光 源每秒钟闪烁次数越过10 20次时便会给人以均匀发光 体的感觉，电影画面24幅/s。2.2.6 亮度对比效应人眼对亮度差别的感觉是由相对亮度的变化决定的，同时相对亮 度也会影响人眼对目标的感觉亮度，而且在客观亮度的突变处，人眼 感觉的主观亮度会出现超调

15、现象。1.同时对比效应大小和亮度均相同的四个小正方形的物体处于不同的亮度 背景中，当人同时观察目标物与背景时，会感到较暗背景 中的目标物较亮，而较亮背景中的目标物则较暗。这是由 于人的视觉灵敏度在高亮度背景下会下降。这种效应称为 同时对比效应。如图所示。同时对比效应还包括以下几 种情况。同时对比效应：（1）当目标物具有相同亮度时，人会感到暗背景中的目标物较亮， 而亮背景中的目标物较暗。（2）当两个不同亮度的目标物处于不同亮度的背景中时，人会按照对比度感觉目标物的亮度对比。（3）当人眼观察对比度相近的两个目标物时，会认为两个目标物的亮度接近，这种现象称为亮度恒定现象。2 马赫效应马赫现象是186

16、8年由奥地利物理学家E.马赫发现的一种 明度对比现象，是指人们在明暗交界处感到亮处更亮、暗 处更暗的现象。它是一种主观的边缘对比效应。当亮度发生跃变时，在亮暗边缘附近，亮侧亮度上冲、 暗侧亮度下冲的现象。由8个亮度逐渐减弱且连在一起的窄带组成 的图像，其中每个窄带的亮度是分布均匀的 。但由于人类的视觉系统有增强边缘对比度 的机制，在亮度变化的地方会出现虚幻的亮 或暗的条纹，即增强了轮廓。马赫效应示意图：3人眼的错觉现象人眼视觉系统所感觉到的物体的形状，并不是简单的 投影到视网膜上原封不动的形状，其对形状的感觉受物体 自身形状及其周围背景的影响。2.3 图像数字化技术 n所谓的图像数字化，是指将模拟图像经过离 散化之后，得到用数字表示的图像。n图像的数字化包括了空间离散化（即采样） 和明暗表示数据的离散化（即