第2章数字图像基础

体中有三个角对应于三基色——红、绿、蓝。剩下的三个角对应于
三基色的三个补色——黄色、 青色（蓝绿色）、品红（紫色）。
RGB彩色模型 （The RGB Color Model） 24bit的RGB图像中颜色总数是 (28 )3 16,777,216
z 蓝(Blu e) 品红 (Mag en ta)
应用实例：可见光及红外线波段成像
用光显微镜方法获取 图像的例子
应用实例：微波波段成像
Imaging in the Microwave Band
微波波段成像的典型应用是雷达。成像雷达的独特之处是在 任何范围、任何时间内不考虑气候、光照条件的收集数据能力 。雷达波可以穿透云层，在一定条件下还可以通过植被、冰层 和极干燥的沙漠。 成像雷达的工作原理像一个闪光照相机，它自己提供照明（ 微波脉冲）去照亮地面的一个地区，并快速拍摄图像。

c
2.2光和电磁波谱(2) Light and the Electromagnetic Spectrum 电磁波谱的可见光波段约为：0.43μm(紫 色）～ 0.79μm（红色）
应用实例：γ射线成像
Gamma-Ray Imaging
γ射线成像主要用于核医学 和天文观察．在核医学中 ，这种处理是将放射性同 位素注射到病人体内，当 这种物质衰变时放射出γ射 线，然后用γ射线检测器产 生图像．
Synthesis)。 CMYK 模式的原色为青色 (Cyan)、品红色 (Magenta)、黄色 (Yellow)和黑色（Black）。在处理图像时，一般不用CMYK模式， 主要是因为这种模式的文件大， 占用的磁盘空间和内存大。这
种模式一般在印刷时使用。
2.4 图像取样和量化 Image Sampling and Quantization
分量与图像的彩色信息无关；② H和S分量与人感受颜色的方
式是紧密相联的。这些特点使得HSI模型非常适合借助人的视觉 系统来感知彩色特性的图像处理算法。
色相环描述了色相和饱和度两个参数。
色相由角度表示，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。
在低照明级别，亮度辨别较差，在高照明级别，亮度辨别较好。
2.1.3 亮度适应和鉴别(3) Brightness Adaptation and Discrimination
感觉亮度不是简ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的强度函数的例1：
视觉系统倾向不同强度区域边界周围的欠调或过调现象
2.1.3 亮度适应和鉴别(4) Brightness Adaptation and Discrimination
•视网膜图像主要反射在中央凹域上，然后由光接收器的相应 刺激作用产生感觉，感觉把辐射能转变为电脉冲，最后由大 脑解码。
h=2.55mm
2.1.3 亮度适应和鉴别(1) Brightness Adaptation and Discrimination
•人的视觉系统能适应的光强度级别范围约 1010 量级。
• 为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知 数据转换为数字形式。这包括两种处理：
– 取样处理 – 量化处理
2.4.1 取样和量化的基本概念(1)
Basic Concepts in Sampling and Quantization
1. RGB模型 RGB模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色，每个点有 三个分量，分别代表该点颜色的红、绿、蓝亮度值， 亮度值限定
在［0, 1］。
在RGB模型立方体中，原点所对应的颜色为黑色，它的三个 分量值都为零。距离原点最远的顶点对应的颜色为白色，它的三 个分量值都为 1 。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。立方体内其余各点对应不同的颜色。彩色立方
青(Cy an) O 红(Red )
x
绿(Green) 黄(Yellow) y
RGB模型单位立方体
2. HSI模型 HSI 模型反映了人的视觉系统观察彩色的方式， H 表示色调 (Hue)，S表示饱和度(Saturation)， I表示亮度(Intensity，对应成像 亮度和图像灰度)。这个模型的建立基于两个重要的事实： ① I
2) HSI转换到RGB
H o H H - 120 H 240o B I (1 S )
0o B 120 o 120 B 240
o o
240o B 360o
S cos H R I 1 o cos( 6 0 H ) G 1 ( R B)
2.3.2 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。
第2章 数字图像基础
Digital Image Fundamentals
主要内容
• • • • •
视觉感知要素 光和电磁波谱 颜色基础 图像取样和量化 像素间的一些基本关系
2.1 视觉感知要素 Elements of Visual Perception
本节简单地综述了人类视觉系统的构造、人 眼中图像的形成及对亮度的适应和鉴别。
应用实例：紫外波段成像
Imaging in the Ultraviolet Band
紫外线被用于荧光显微镜方 法，这是显微镜方法中发展 最快的领域。荧光是在19世 纪中叶发现的．当紫外辐射 光子与荧光材料内原子中的 电子碰撞时，它把电子提高 到较高的能级，随后受激电 子释放到较低的能级并以可 见光范围内的低能光子放光 。
应用实例：Ｘ射线成像
X-ray Imaging
X射线是最早用于成像的电磁辐 射源之一。Ｘ射线管是带有阴极 和阳极的真空管．阴极加热释放 自由电子，这些电子以很高的速 度向阳极流动，当电子撞击一个 原子核时，能量被释放并形成Ｘ 射线辐射。Ｘ射线的能量由另一 边的阳极电压控制，而Ｘ射线的 数量由施加于阴极灯丝的电源控 制。
绿 红 蓝 1 20 ° I

HSI 模型的三个属性定义了一个三维
柱形空间， 如图所示。灰度阴影沿着轴
线从底部的黑变到顶部的白，具有最高亮
度。最大饱和度的颜色位于圆柱上顶面的 圆周上。
0° 2 40 °
柱形彩色空间
1) 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
色调表示观测者接收的主要颜色。饱和度与所加白光数量成反比。
色调与饱和度一起被称为彩色。 形成任何特殊颜色需要的红,绿,蓝的量称做三色值,分别用表示为 X,Y,Z。一种颜色由三色值系数定义为: x = X/(X+Y+Z) y = Y/(X+Y+Z) z = Z/(X+Y+Z) x+y+z=1
色度图 • CIE色度图,该图以x(红)和 y(绿)函数表示颜色组成. • 各纯色标在舌形色度图的 周围. • 等能量点的饱和度为零. • 位于色度图边界上的任何 点都是全饱和的. • 从等能量点到位于色度图 边界上的任何一点画一线 段将定义特定普色的所有 色调. • 以任意确定颜色为顶点的 三角形不能包围图6.5中的 所有颜色范围.
•主观亮度（人的视觉系统感觉到的亮度）是进入人眼的光强度的对数函数。 •人的视觉不能同时在这么大范围工作，存在亮度适应现象。 •人眼能同时鉴别的光强度级的范围是很小的。 •在低照明级别，亮度辨别较差，在高照明级别，亮度辨别较好。
亮度适应级范围
2.1.3 亮度适应和鉴别(2) Brightness Adaptation and Discrimination
应用实例：无线电波成像Imaging in the Radio Band
无线电波用于磁共振成像(MRI)。该技术把病人放在强磁场中 并使无线电短波脉冲通过病人的身体，每个脉冲将导致一个 病人组织发射的无线电响应脉冲，这些信号发生的位置和强 度由计算机确定，从而产生一个病人的横截面。
2.3 颜色基础(6) Color Fundamentals 2.3.1 颜色基础 颜色是外界光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。 颜色分两大类：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于这 两者之间深浅不同的灰色， 也称为无色系列。彩色是指除了非彩
3. CMYK表色系统 CMYK表色系统也是一种常用的表示颜色的方式。计算机屏
幕显示通常用 RGB 表色系统，它是通过相加来产生其他颜色，
这种做法通常称为加色合成法(Additive Color Synthesis)。而在 印刷工业上则通常用CMYK表色系统，它是通过颜色相减来产生
其他颜色的，所以称这种方式为减色合成法 (Subtractive Color
色以外的各种颜色。
根据人眼的结构，所有颜色都可看作是三种基本颜色 —— 红
绿和蓝按照不同的比例组合而成。国际照度委员会(CIE)早在1931
年就规定三种基本色的波长分别为 R：700 nm，G：546.1 nm，B：
435.8 nm。
颜色有三个基本特征量：色调、 饱和度和亮度。 亮度是色彩明亮的概念,色调是光波混合中与主波长有关的属性,
2.1.1人眼的构造(1) Structure of the Human Eye
•眼球的平均直径约20mm。 •有三层薄膜（眼角膜/巩膜，脉络膜 和视网膜）包围着眼睛。 •虹膜的收缩和扩张控制进入眼睛的光 量。 •虹膜中间的瞳孔的直径约2～8mm
•来自外部的光在视网膜上成像。
•每只眼睛有600～700万个锥状体（白 昼视觉），主要分布在中央凹。 •可以把中央凹看作1.5×1.5mm的方形 传感器。 •眼睛中最高敏感区的锥状体数量约为 337,000个，与一个中等分辨率30万像 素的CCD（电荷耦合器，chargecoupled device）相当。
1 I ( R G B) 3 3 SI [min(R, G , B )] ( R G B) [( R G ) ( R B )] / 2 H arccos 2 1/ 2 [( R G ) ( R B )(G B )]
HIS色彩模型The HIS Color Model
2.1.3 亮度适应和鉴别(7) Brightness Adaptation and Discrimination
2.2光和电磁波谱(1)Light and the Electromagnetic Spectrum
E h 为波长 为频率
E为电磁波能量 光速c 2.998108 m/s 普朗克常数h＝6.626068 ×10－34 m 2 kg / s
感觉亮度不是简单的强度函数的例2： 视觉系统的同时对比现象，即感觉的亮度区域不是简单地取 决于强度。
2.1.3 亮度适应和鉴别(5) Brightness Adaptation and Discrimination
在错觉中，眼睛填上了不存在的信息或错误地感 知物体地几何特点。
2.1.3 亮度适应和鉴别(6) Brightness Adaptation and Discrimination
绿 ° 0 2 1
S H 0° 红
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
240 绿。饱和度参数是色环的原点到彩色点 ° 蓝
的半径的长度。环的边界上其饱和度值
色相环
为1。在中心是中性（灰色）阴影， 饱
和度为0。
亮度是指光波作用于感受器所发生的 效应，其大小由物体反射系数来决定，反 射系数越大，物体的亮度愈大，反之愈小。
•每只眼睛有7500万～15000万个杆状 体，用于给出总体图像，它们没有色 彩感觉，在低照明度下对图像较敏感 （如：夜视觉）。
2.1.2 人眼中图像的形成 Image Formation in the Eye •眼睛的晶状体与普通光学透镜之间的主要差别在于眼睛的适 应性强。
•晶状体的聚焦中心与视网膜间的距离在14～17mm之间。