图像处理的基本知识

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， 其饱和度值 为1。在中心是中性（灰色）阴影， 饱和度为0。
1.5 亮度感觉
1.6 马赫带效应 1.7 视觉模型
第三章 图像处理的基本概念 1.1 人眼的构造 •外层
由角膜和巩膜组成。角膜是光线的 入口。巩膜保护整个眼球。
•中间层
虹膜和脉络膜组成。虹膜中的瞳 孔用来控制进入眼睛的光通量大小。 人种不同，其颜色也各异。瞳孔后 面的水晶体如同一个变焦距透镜， 使景像始终聚焦于黄斑区。
第三章 图像处理的基本概念 2.4 常见的色彩模型
常见的色彩模型有RGB模型、CMYK模型、HSV模型、YIQ模型等。每
种模型都有它自己的特点和适用范围,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
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
红、绿、蓝三个基色光分别转换为三个相应的电信号,再经过适当的处理
传送到相应的电子枪上,通过CRT转换成按比例相加的彩色光,从而使计算
机显示器上显示出与原景物颜色一样的彩色图像。如果用放大镜仔细观 察会看到计算机显示器上有很多红、绿、蓝的荧光点,所以,显示器显示彩
色图像是通过色光三原色原理实现的。
第三章 图像处理的基本概念 2.3 色料三原色
很宽，所以总的视觉范围很宽。
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。
第三章 图像处理的基本概念 1.3 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
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
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。
第三章 图像处理的基本概念 2.2 色光三原色
根据色彩学光谱分析理论,白色是由
如前所述，视网膜中有三种视锥细胞，具有不同的光谱特性，峰值吸 收分别在光谱的红、绿、蓝区域， 由此得到下图彩色视觉模型：
绿色视谱感受器e2 LOG
+
Σ
d2
H2(ω x,ω y)
g2
神 经 信 号
－
黄绿色视谱感受器e1 LOG
d1
H1(ω x,ω y)
g1
黄色视谱感受器e3 LOG
－
Σ
d3
H3(ω x,ω y)
d1 loge1
d 2 log
e2 e1
d3 log
e3 e1
最后，信号d1、d2、d3分别经线性系统H1、H2、H3输出g1、g2、g3， 提供给大脑感受彩色。 信号d2和d3与彩色光的色度有关，而d1则正比于它的亮度。这个模 型相当准确地预测许多彩色现象，也能满足色度学的基本定律。
第三章 图像处理的基本概念
和度（S））分开。
H色度，取值范围0°-360°； S饱和度，取值范围0-1/100；
I亮度，取值范围0-1/100；
色相环，0°-红，120°-绿， 240°-蓝
第三章 图像处理的基本概念
图中的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
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
第三章 图像处理的基本概念 1.4 视觉适应性和对比灵敏度
•暗适应性 从亮环境进入暗环境的适应能力，约为30s。人眼之所以有暗适应性，原 因有二：一是暗环境中瞳孔放大,进入眼睛的光通量增加；二是杆状细胞 代替了锥状细胞工作，杆状细胞对低照度景物更为敏感。 •亮适应性 只有几秒钟。原因在于锥状细胞的恢复时间远少于杆状细胞。 •人眼的亮度适应性是人眼通过改变其整个灵敏度来实现的。 •图像对比度C1：图像中最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比：
C1
•相对对比度
Bmax Bmin
Cr
Bmax Bmin Bmin
第三章 图像处理的基本概念 1.5 亮度感觉
•人眼对亮度差别的感觉取决于相对亮度的变化。 令ΔS为亮度感觉的变
化 ， ΔB为亮度变化 ，则：
S K
积分后得亮度感觉为：
B B
S K InB K 0
上式表明亮度感觉与亮度的自然对数成线性关系。
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
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)
①重现图像的亮度不必等于实际图像的亮度，只要保持两者的对比度
不变，就能给人以真实的感觉； ②人眼不能感觉出来的亮度差别在重现图像时不必精确地复制出来。
第三章 图像处理的基本概念 1.6 马赫带（Mach ）效应
对于一幅亮度阶跃变化的竖条灰度梯度图像，其每一竖条宽度内光强均
匀分布，且相邻竖条之间的强度差为常数。然而，人眼看起来每一竖条内右
2 颜色基础
2.1 色彩的产生
2.2 色光三原色 2.3 色料三原色 2.4 常见的色彩模型
第三章 图像处理的基本概念 2.1 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
印刷业所使用的颜色模式。
第三章 图像处理的基本概念
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)为三要素来表
示的。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
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。
第三章 图像处理的基本概念 1.2 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。
•内层
视网膜。其表面有大量的感光细胞。 这些感光细胞按照形状分为可以两 类：锥状细胞和杆状细胞。
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如下：
g3
+
彩色视觉模型
第三章 图像处理的基本概念
该模型中，e1、e2、e3代表视网膜中三个具有s1(λ)、 s2(λ)、 s3(λ) 谱灵敏度的感受器，其输出分别为：
e1 c( )s1 ( )d e2 c( )s2 ( )d
e3 c( )s3 ( )d
式中c(λ) 为入射光源的谱线分布函数。经对数传递后有：
边要比左边稍黑一些，这种现象称为马赫带效应。
第三章 图像处理的基本概念
马赫带上的亮度过冲是眼睛对不同空间频率产生不同视觉响应的结果。 视觉系统对空间高频和空间低频的敏感性较差，而对空间中频则有较高的 敏感性，因而在亮度突变处产生亮度过冲现象，这种过冲对人眼所见的景 物有增强其轮廓的作用。
第三章 图像处理的基本概念 1.7 视觉模型
色料三原色由黄色、品色、青色组成。从白色光中去掉色光三原色(RGB)
中的任何一种就会得到一种色料三原色。任两种RGB颜色相重叠部分的颜色
即为色料三原色的组成原色,即色料三原色中的任何一种颜色都是由任意两种 色光三原色相加而成的。由于缺少了色光三原色中的一种基色,因此习惯上又
称色料三原色为减色三原色。Leabharlann Baidu
下图表示了主观感觉同亮度 的关系曲线。实线表示人眼能感觉的亮度范围。
第三章 图像处理的基本概念
第三章 图像处理的基本概念
•人眼黑白亮度感觉的相对性： 人眼在适应某一平均亮度后，黑、白感觉对应的亮度范围较小；随着平 均亮度的降低，黑白感觉的亮度范围变窄。 • 黑白亮度感觉相对性在图像传输与重现方面的意义：
•黑白视觉模型
大量实验和理论研究表明，眼睛对光强度的非线性响应呈对数型， 并且发生在视觉系统的开始附近（亦就是视觉信号在锥状及杆状细胞空 间上发生相互作用之前）。由此得出人眼黑白视觉的简单对数模型如下 图：
神经信号
光接收器
对数
线性系统
人眼黑白视觉简单对数模型
第三章 图像处理的基本概念 •彩色视觉模型
红(R,Red)、绿(G,Green)、蓝(B,Blue)三种基色等量相加得到的。白色以外
的任何一种颜色都可以由这三种基色以不同比例叠加模拟出来,模拟出来的 彩色与原色所引起的人的彩色视觉是相同的,因此,称红、绿、蓝这三种颜
色为加色三原色,又称为色光三原色，在电子学中称为三基色。 计算机显示器显示色彩缤纷的图像是通过彩色图形适配器将图像的
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，将其它色彩模型 描述为RGB三色的线性或者非线性函数。 RGB模型在视频和显示器中广泛使用。
第三章 图像处理的基本概念
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 人眼的视觉原理 2 3 4 颜色基础 图像模型 图像数字化
5 灰度直方图
6 7 图像处理算法形式 图像的数据结构及特征
第三章 图像处理的基本概念
1 人眼的视觉原理
1.1 人眼的构造 1.2 图像的形成 1.3 视觉范围和分辨力 1.4 视觉适应性和对比灵敏度