数字图像处理－图像和视觉基础

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1、数字图像处理(DigitalImageProcessing）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图像和视觉基础2.1光的特性2.2视觉系统2.3颜色2.3.1CIE色度图2.3.2常用颜色模型2.4图像的表示2.1光的特性光是一种电磁波。在电磁波谱中，可见光仅占很窄的一个波谱范围。其波长在0.38～0.76m之间。下图(a)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，如图(b)所示。太阳或灯泡等光源发射可见光谱中的全部频

2、率而产生白色光。当白色光投射到一个物体上时，某些频率被反射，某些则被物体吸收了。在反射光中混合的频率确定了我们所感受到的物体的颜色。如果在反射光中以低频率为主，则物体呈现红色，此时，我们可以说光主要含有光谱中红色端的频率。除了频率以外，描述光的各种性质还需要另一些特征。在观察光源时，我们的眼睛对颜色（或主频率）和另外两个基本的感觉作出反应。其中之一是亮度,即感受到的光明度。第二个感受的特征是光的纯度或饱和度。这三种特征：主频率、明度和纯度通常用来描述光源的不同性质。通常用色度说明纯度和主频率这两种颜色特征。另外，人的眼睛

3、只能看到可见光部分，但就目前科技水平看，能够成像的并不仅仅是可见光。一般来说可见光的波长为0.38～0.76μm，而迄今为止人类发现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。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图像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。2.2视觉系统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，

4、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，中间值对应不同程度的灰色。为了表示方便，光

5、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。光能本身是无颜色的，颜色是人们眼睛感知光后产生的生理和心理现象。眼睛对光的感觉称为光觉，对颜色的感觉称为色觉，这是眼睛的基本特性。光觉的门限值大约为1×10cd/m(尼特），人眼感觉光的范围的最大值和最小值之比达到10以上。但人的眼睛并不能同时对这样大范围的明亮程度都作出反应。某一时刻眼睛只能感知很小范围的明亮度。一般情况下，在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感觉到的明暗程度也不同，例如白天我们看不见星星，而夜晚却能看到。同样，在观察颜色时，在图形的色度

6、一样，但背景颜色不一样时，感觉到的图像的色度也不一样。这种现象叫做对比现象。对比现象包括亮度对比和颜色对比。实验表明，在背景亮度比目标亮度低的场合，感觉目标有一定亮度。当背景亮度比目标亮时，看到的目标就有亮的多的感觉。同时，对比效果在背景大的场合比较显著。2.3颜色白光通过棱镜，就会折射出颜色的光谱。一般可以分解成红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七色。可见光谱的每部分都有它自己唯一的值，它被称之为颜色，理论上可以选择几百万种颜色，从一种颜色转换成另一种颜色实际上很难区别。可见光谱可以由多种颜色构成，但是人们一般只看到一种颜色，

7、它是多种颜色混合后结果。因为人眼有把多种颜色相混合的能力。在心理生物学上，颜色由其色彩、色饱和度和明度决定。顾名思义，色彩即颜色的“色彩”，它是某种颜色据以定义的名称。色饱和度是单色光中掺入白光的度量，单色光的色饱和度为100%，白光加入后，其色饱和度下降，非彩色光的色饱和度为0%，明度为光的强度值。在心理物理学上，与色彩、色饱和度和明度相对应的是主波长、色纯和亮度。在可见光谱上，单一波长的电磁能所产生的颜色是单色的。光的颜色由其主波长决定，而色纯则由单色光中掺入的白光量的相对大小决定。亮度与光的能量成比例，它是单位面积

8、上所接受的光强。纯的单色光在实际生活中是少见的，人们所看到的颜色都是混合色。彩色图形显示器（CRT）上每个像素都是由红、绿、蓝三种荧光点组成，这是以人类视觉颜色感知的三刺激理论为基础设计的。三刺激理论基于这样一个假设：人类眼睛视网膜中的锥状视觉细胞，分别对红、绿、蓝三种光最敏感。实验表明，对蓝色敏感的细胞对波长为44