第2章数字图像处理基础1 (2009.2.16)

2. YIQ和RGB之间转换
NTSC（National television system committee）制式彩色电视使用YIQ模型 其中Y为亮度，I、Q为色度，NTSC制式彩色电视接收显示原色的系统RN、 GN、BN，发送系统YIQ均建立在XYZ之上 Y=0.299R+0.587G+0.114B I=0.5R-0.231G-0.269B Q=0.203R-0.5G+0.297B YIQ 与RGB间的转换借助XYZ来进行，也可写出矩阵形式：
数字图像处理
(Digital Image Processing）
数字图像处理与模式识别研究所
山东科技大学信电学院
第二章 数字图像处理的基本知识
2.1 光的特性 2.2 视觉系统 2.3 颜色模型
2.4 图像的表示
2.5 邻域、连接、距离
2.1 光的特性
光的本质是电磁波。在电磁波谱中，可见光仅占很窄的一个波谱范围。 其波长在0.38～0.76m之间。下图示出电磁波谱的大致划分。可见光的低 频率端是红色，高频率段是紫色。从高频到低频的光谱颜色的变化分别是 紫、蓝、青、绿、黄、橙、红。
减色系统：
3) HSI模型
也称为视觉生理模型。色调（H，Hue）、饱和度（S，Saturation） 以及明度（I，Intensity）,（Museum，孟塞尔颜色系统） 在特定应用环境中，用于图像分析有特殊的优势。比如，在只有光照亮 度发生变化的应用中，不考虑明度，只使用色度进行区域分割。
圆锥体模型：
绿 520nm
NTSC
PAL
红 0 蓝 0.2 色度图 紫 700-770nm 0.8 x
4. RGB到HIS模型的转换
I ( R G B ) / 3; 3 min( R, G , B ); I 0.5[( R G ) ( R B )] cos1[ ], 2 ( R G ) ( R B )(G B ) S 1 , G B; H 2 , G B.
这些射线均可以成像。利用图像处理技术把这些不可见 射线所成数据加以处理并转换成可见图像，实际上大大延伸了 人类视觉器官的功能，扩大了人类认识客观世界的能力。
2.1.1 光度学的几个基本概念
辐射度量学:是研究各种电磁辐射强弱的学科。 光度学：是研究光的强弱的学科，光通量的单位：lm(流明)。
点光源: 线度足够小，或距离观察者足够远的光源。
RN 1.910 0.533 0.288 X G 0.985 2.000 0.028 Y N BN 0.058 0.118 0.896 Z
X 0.607 Y 0.299 Z 0.000 0.146 0.587 0.066 0.151 R N 0.114 G N 1.117 B N
人眼成像有一定的延迟和反应时间，对于切换太快的场景可能会反应 不过来。根据这一点，可制成时间混色系统。
2.2.4 视觉系统对光的感知特点
1.人眼适应的亮度范围
（1）总体范围大：从暗视觉门限到眩目极限之间的范围在1010量级 （2）具体范围小：一般范围在102量级
总体范围
暗视觉门限 眩目极限
具体范围
整体视觉过程
视觉 ＝ “视” ＋ “觉”
2.2.2Leabharlann Baidu视觉过程
1．光学过程 15 / 100 = 2.55 / 17
2．化学过程 主要有锥细胞和柱细胞两种细胞起作用。 锥细胞: 数量少，对颜色很敏感，它在明视觉或亮光 视觉中起到主要作用。 柱细胞: 数量多，分辨率比较低不感受颜色并对低照 度较敏感，它在暗视觉或微光视觉中起到主 要作用。 3．神经处理过程 每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触（ synapse）相连，每个神经元细胞借助其它的突触与其它细胞 连接，从而构成光神经（optical nerve）网络，光神经进一 步与大脑中的侧区域（side region of the brain）连接，并 到达大脑中的纹状皮层（striated cortex），对光刺激产生 的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光 的感觉转化为对景物的知觉。
扩展光源：有一定发光面积的光源光度学亮度B(cd / m2)为：
d
dI dI B dS' dS cos r d d dS cos
扩展光源 d S' dS
N d
r
(a)
(b)
照度（illumination）：一个被光线照射的表面上的照度定义 为照射在单位面积上的光通量。设面元dS上的光通量为d， 则此面元上的照度E为：
RGB加色系统 RGB颜色范围
RGB颜色模型
2) CMYK颜色模型
以品红、青、黄(Cyan,Magenta,Yellow)作为三基色所构 成的颜色模型也是一种常用的颜色表示系统。它是一种减色 系统。CMY减色系统和RGB加色系统颜色互为补色。所谓某颜 色的补色是从白色中减去这种颜色后所得的颜色。品红是绿 色的补色，青色是红色的补色，黄色是蓝色的补色。即相加 系统的补色就是相减系统的基色(R+G=黄，G+B=青，R+B=品 红）。
？？
??？
2.3 颜色模型
颜色的维数？？
三基色原理：三种基色可以合成任意颜色。RGB（红绿蓝）三 基色，国际照明委员会（CIE），1931年规定3种基本色的波长 为R：700nm, G：546.1nm, B：435.8nm。 心理生物学感知原理：能够感知色调、饱和度和明度三个维度
的变化。
色度图
色品坐标系
2.3.3 颜色模型间的转换
1. XYZ和RGB之间转换
RGB三基色系统称为“物理三基色” ，CIE另外规定了 一种虚拟的三基色系（XYZ）标准色度系统，在匹配各种彩 色时，三基色系数都是正值。它们间的转换也可写出矩阵形 式：
( X , Y , Z ) A ( R, G, B)
T T
T
2.7689 1.0000 0.0000 1.7518 4.5907 0.0565 A 1.1302 0.0601 5.5943
0.114 R N Y 0.299 0.587 I 0.596 0.274 0.322 G N Q 0.211 0.523 0.312 B N
R 1.167 0.146 G 0.114 0.753 B 0.001 0.059 0.151 R N 0.159 G N 1.128 B N
X x Z
Y y Z
非线性投影等式（分母含变量Z）
2.人眼的空间分辨率
正常人视力的角区分能力约为一分。因此，如果给定点的尺寸，则可 确定最远观察距离；如果给定观察距离：则能确定能看见的最小点。有以 下关系： 最佳观察距离 = 3400 * 图像高度 / 显示线数
3.人眼的时间分辨率
发光强度：点光源沿某个方向上单位立体角d内发出的光通量
d I d
点光源 Q
单位：cd（坎）； 1 cd = 1 lm / sr
扩展光
d
r
dS
(a)
点光源的立体角（solid angle） 是从一点（称为立体角的顶点）出发通过一条闭合曲线上 所有点的射线围成的空间部分，所以立体角表示由顶点看闭合 曲线时的视角。
2. 错觉现象
人类视觉系统对亮度变化的感知比对亮度本身要敏感，而且对光强度的 响应不是线性的，而是对数形式的（即：对暗光时亮度的增加比对亮光时亮 度的增加更敏感）。因此，有时会产生一些错觉，如马赫效应等。
• 这两个图形在视网膜上是固定不动的，但你对它的感觉却 是在两种可能 图形中动摇。 • 同时感觉到两种有意义的图形是很困难的！
E d 单位：lx（勒[克斯]），1 lx = 1 lm / m2 dS
照度是光源对物体辐射的一种量度，比较客观；亮度是 观察者对物体表面光强的量度，比较主观。
2.1.2 一个简单的成像模型
图像成像模型可表达为一个2-D亮度函数f (x, y)，因为亮 度是能量的量度，一定不为零且为有限值，即：
3. YUV和RGB之间转换
PAL （Phase alternation line : 逐行倒相）制式彩色电视使用YUV模型 其中，Y为亮度，U、V为色度。下式可实现与RBG间的转换： Y=0.299R+0.587G+0.114B U=-0.169R-0.331G+0.5B V=0.5R-0.419G-0.081B y 0.8
为了克服这一缺点，使用了三基色单位制，即所谓的T单 位制。在使用T单位制时，其方程可以改写如下： 1lm(白光)﹦1T(红)﹢1T(绿)﹢1T(蓝) 即1T单位红光=0.30lm，1T单位绿光=0.59lm，1T单位蓝光 =0.11lm。 由不同的RGB分量相加就可以产生其他的颜色，即： C﹦rR﹢gG﹢bB 式中C为混合色，r,g,b为使用T单位制时，所需要RGB三基色 的量值，取值范围在0～1之间。
2.2.3 成像中的空间关系
1.成像几何 1) 投影变换: 将3-D客观场景投影到2-D图像平面 2) 成像过程:
三个坐标系统: 世界坐标系统 XYZ ; 摄象机坐标系统 xyz; 图像平面 xy; 从 XYZ 到 xyz，从 xyz 到 xy可以相互转换 透视变换： 3-D点投影后的图像平面坐标
可见光 射紫 外 红外线 线
γ 线
射 X 线
无线电波 微波 超 短 中 长 短 波 波 波 10cm 10m 1km 100km
0.01nm 1nm
0.1μ
10μ
0.1cm
电磁波谱分布 紫 0.38 0.43 蓝 0.47 青 0.5 绿 0.56 黄 0.59 橙 0.62 红 0.76(m)
一般来说，人的眼睛只能看到可见光部分(波长为0.38～ 0.76μm). 而可成像的射线已有多种，如： γ 射线：0.003～0.03nm； X 射线：0.03～3nm； 紫外线：3～300nm； 红外线：0.8～300μm； 微 波：0.3～100cm。
xyz相对三色系数（色品坐标），x+y+z=1； (x,y)CIE色度图中，对应于 x=y=0.33的 E点， 称等能量点，CIE标准白光。
X Y x , y , X Y Z X Y Z Z z , x y z 1 X Y Z
2.3.2 常用颜色模型 1) RGB颜色模型 通常使用的彩色光栅显示器采用的就是RGB颜色模型系统。 RGB颜色模型是相加混色，称为加色系统。白光可以由RGB 三种基本色相加得到。产生1lm(流明)的白光所需要的三基色 近似值可以用下面的亮度方程来表示： 1lm(白光)﹦0.30lm(红)﹢0.59lm(绿)﹢0.11lm(蓝)
0 i( x, y )
0 r( x, y ) 1
2.2 视觉系统
2.2.1 视觉基础
物理基础：眼睛中的光接受器主要是视网膜中的视觉细胞。有两种类型的 视觉细胞，分别称为锥状体和杆状体。锥状体只有在光线明亮的情况下才 起作用，它具有辨别光波波长的作用，因此对颜色非常敏感。每个眼睛的 锥状体大约有700万个。杆状体比锥状体的灵敏度高，在较暗的光线下就 能起作用，但是它没有辨别颜色的能力，又叫夜视觉，所以黑暗中看到的 东西没有颜色，其数量大约有1亿三千万个。 当眼睛接受到的光包含所有可见光信号，且其强度大体相近时，人们 感觉到的是没有颜色的白光。在光源为白光的照射下，若物体能反射80% 以上的入射光，则看上去是白色的。若反射光小于3%，物体看上去是黑色 的，中间值对应着不同程度的灰色。为了表示方便，光强度可以规一化到 0～1之间，0对应黑色，1对应白色，中间值对应灰色。
0 f ( x, y )
它受到两个因素的影响，1）入射到可见场景上的光量；2) 场景 中目标对入射光反射的比率。它们分别用照度成分 i (x, y)和反射 成分 r (x, y)表示。 i(x, y) 是由光源决定的；r (x, y)是由场景中的 目标特性所决定的。有：
f ( x, y ) i( x, y )r( x, y )