第2章 圖像、圖像處理系統(tǒng)及視覺(jué)系統(tǒng)(第2-2講)

1、第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 2.1 圖像數(shù)字化2.2 數(shù)字圖像的顯示 2.3 色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型2.4 灰度直方圖2.5 圖像文件格式2.6 圖像的基本運(yùn)算第二部分 數(shù)字圖像可以用一個(gè)離散量組成的矩陣g (i, j)（即二維數(shù)組）來(lái)表示。 其中：矩陣中的每一個(gè)元素稱為像元、像素或圖像元素。而g (i, j)代表(i, j)點(diǎn)的灰度值，即亮度值。 2.1 圖像數(shù)字化 模擬圖像 數(shù)字圖像 正方形點(diǎn)陣 和正六邊形 具體來(lái)說(shuō)，就是把一幅圖畫(huà)分割成上圖所示的一個(gè)個(gè)小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域灰度用整數(shù)來(lái)表示，形成一幅數(shù)字圖像。 一、圖像數(shù)字化過(guò)程： 矩陣中的每一個(gè)元素稱為像元、像素或圖像元素。而g

2、 (i, j)代表(i, j)點(diǎn)的灰度值，即亮度值。以上數(shù)字化有以下幾點(diǎn)說(shuō)明： （1）由于g (i, j)代表該點(diǎn)圖像的光強(qiáng)度，而光是能量的一種形式，故g (i, j)必須大于零，且為有限值，即：0g (i, j)。 （2）數(shù)字化采樣一般是按正方形點(diǎn)陣取樣的， 除此之外還有三角形點(diǎn)陣、正六角形點(diǎn)陣取樣。 （3）以上是用g (i, j)的數(shù)值來(lái)表示(i, j)位置點(diǎn)上灰度級(jí)值的大小，即只反映了黑白灰度的關(guān)系， 如果是一幅彩色圖像， 各點(diǎn)的數(shù)值還應(yīng)當(dāng)反映色彩的變化，可用g (i, j, )表示，其中是波長(zhǎng)。如果圖像是運(yùn)動(dòng)的，還應(yīng)是時(shí)間t的函數(shù)，即可表示為g (i, j, , t)。 概念： 采樣：

3、將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點(diǎn)的操作。 采樣點(diǎn)：用空間上部分點(diǎn)的灰度值代表圖像的這些點(diǎn)。采樣步驟： ）先沿垂直方向按一定間隔從上到下順序地沿水平方向直線掃描，取出各水平線上灰度值的一維掃描。）再對(duì)一維掃描線信號(hào)按一定間隔采樣得到離散信號(hào)。（水平方向采樣）對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像，需先在時(shí)間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣由這三個(gè)步驟完成。 1. 采樣采樣采樣示意圖 對(duì)一幅圖像采樣時(shí)，若每行（即橫向）像素為M個(gè)，每列（即縱向）像素為N個(gè)，則圖像大小為MN 個(gè)像素。?采樣 對(duì)一幅圖像采樣時(shí)，若每行（即橫向）像素為M個(gè)，每列（即縱向）像素為N個(gè)，則圖像大小為MN個(gè)像素。 在進(jìn)行采樣時(shí)，采樣點(diǎn)間隔的

4、選取是一個(gè)非常重要的問(wèn)題， 它決定了采樣后圖像的質(zhì)量，即忠實(shí)于原圖像的程度。采樣間隔的大小選取要依據(jù)原圖像中包含的細(xì)微濃淡變化來(lái)決定。一般， 圖像中細(xì)節(jié)越多，采樣間隔應(yīng)越小。 一維采樣定理：若一維信號(hào)g(t)的最大頻率為， 以T1/2為間隔進(jìn)行采樣，則能夠根據(jù)采樣結(jié)果g(iT) (i=, -1, 0, 1， )完全恢復(fù)g(t)， 即 式中 2. 量化 原因：經(jīng)采樣圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續(xù)的，還不能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 量化：將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過(guò)程。 灰度級(jí)數(shù)：一幅數(shù)字圖像中不同灰度值的個(gè)數(shù)，用G表示。 量化圖2-3 量化示意圖（a） 量化； (b) 量化為8 bi

5、t 量化量化過(guò)程示意圖 一般來(lái)說(shuō) ，g就是表示圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)(如bit或bit)。 一幅大小為MN、灰度級(jí)數(shù)為G的圖像所需的存儲(chǔ)空間，即圖像的數(shù)據(jù)量，大小為 MNg(bit）黑白圖像 是指圖像的每個(gè)像素只能是黑或白，沒(méi)有中間的過(guò)渡，故又稱為二值圖像。二值圖像的像素值為0或1。例如量化灰度圖像灰度圖像是指每個(gè)像素由一個(gè)量化的灰度值來(lái)描述的圖像。它不包含彩色信息。彩色圖像 彩色圖像是指每個(gè)像素由R、G、B三原色像素構(gòu)成的圖像，其中R、B、G是由不同的灰度級(jí)來(lái)描述的。量化3.采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系 數(shù)字化方式可分為均勻采樣、量化和非均勻采樣、量化。 所謂“均勻”，指的是采樣

6、、量化為等間隔。圖像數(shù)字化一般采用均勻采樣和均勻量化方式。 非均勻采樣是根據(jù)圖像細(xì)節(jié)的豐富程度改變采樣間距。細(xì)節(jié)豐富的地方，采樣間距小，否則間距大。 非均勻量化是對(duì)像素出現(xiàn)頻度少的間隔大，而頻度大的間隔小。（非等間隔量化） 采用非均勻采樣與量化，會(huì)使問(wèn)題復(fù)雜化，因此很少采用。采樣與量化采樣間隔（采樣點(diǎn)）與圖像的關(guān)系 一般來(lái)說(shuō)，采樣間隔越大，所得圖像像素?cái)?shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)像素呈塊狀的國(guó)際棋盤(pán)效應(yīng)；采樣間隔越小，所得圖像像素?cái)?shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。（a）原始圖像(256256)；（b）采樣圖像1(128128)；（c） 采樣圖像2(6464)； （d）采

7、樣圖像3(3232)； （e）采樣圖像4(1616)；（f） 采樣圖像5(88)采樣與量化量化等級(jí)與圖像關(guān)系 圖像的采樣點(diǎn)數(shù)一定時(shí)： 量化等級(jí)越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大； 量化等級(jí)越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會(huì)出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量小。采樣與量化不同量化級(jí)別對(duì)圖像質(zhì)量的影響（a） 原始圖像(256級(jí))； （b） 量化圖像1(64級(jí))； （c） 量化圖像2(32級(jí))； （d） 量化圖像3(16級(jí))； （e） 量化圖像4(4級(jí))； （f） 量化圖像5(2級(jí)) 采樣與量化采樣和量化的一般原則 當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時(shí), 為了得到質(zhì)量較好的圖像

8、可采用 （1）對(duì)緩變的圖像，應(yīng)該細(xì)量化，粗采樣，以避免假輪廓。 （2）對(duì)細(xì)節(jié)豐富的圖像，應(yīng)細(xì)采樣，粗量化，以避免模糊（混疊）。 對(duì)于彩色圖像，是按照顏色成分紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8 bit量化，即每種顏色量級(jí)別是256，則可以處理256256256=16777216種顏色。 采樣與量化4 .圖像數(shù)字化設(shè)備 將模擬圖像數(shù)字化成為數(shù)字圖像，需要某種圖像數(shù)字化設(shè)備。常見(jiàn)的數(shù)字化設(shè)備有數(shù)字相機(jī)、掃描儀、數(shù)字化儀等。 1. 圖像數(shù)字化設(shè)備的組成 采樣和量化是數(shù)字化一幅圖像的兩個(gè)基本過(guò)程。即把圖像劃分為若干圖像元素(像素)并給出它們的地址（采樣）； 度量每一像素的

9、灰度， 并把連續(xù)的度量結(jié)果量化為整數(shù)（量化）；最后將這些整數(shù)結(jié)果寫(xiě)入存儲(chǔ)設(shè)備。為完成這些功能， 圖像數(shù)字化設(shè)備必須包含以下五個(gè)部分： (1) 采樣孔(Sampling aperture)： 使數(shù)字化設(shè)備能夠單獨(dú)地觀測(cè)特定的圖像元素而不受圖像其他部分的影響。 (2) 圖像掃描機(jī)構(gòu)： 使采樣孔按照預(yù)先確定的方式在圖像上移動(dòng)，從而按順序觀測(cè)每一個(gè)像素。 (3) 光傳感器： 通過(guò)采樣檢測(cè)圖像的每一像素的亮度， 通常采用CCD陣列。 (4) 量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。典型的量化器是A/D轉(zhuǎn)換電路，它產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓或電流成比例的數(shù)值。 (5) 輸出存儲(chǔ)裝置：將量化器產(chǎn)生的灰度值按適當(dāng)格

10、式存儲(chǔ)起來(lái)，以用于計(jì)算機(jī)后續(xù)處理。 2. 圖像數(shù)字化設(shè)備的性能 雖然各種數(shù)字化設(shè)備的組成不相同，但可從如下幾個(gè)方面對(duì)其性能進(jìn)行比較。 1) 像素大小 采樣孔的大小和相鄰像素的間距是兩個(gè)重要的性能指標(biāo)。如果數(shù)字化設(shè)備是在一個(gè)放大率可變的光學(xué)系統(tǒng)上，那么對(duì)應(yīng)于輸入圖像平面上的采樣點(diǎn)大小和采樣間距也是可變的。 2) 圖像大小 圖像大小即數(shù)字化設(shè)備所允許的最大輸入圖像的尺寸。 3) 線性度 對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，灰度正比于圖像亮度的實(shí)際精確程度是一個(gè)重要的指標(biāo)。非線性的數(shù)字化設(shè)備會(huì)影響后續(xù)過(guò)程的有效性。能將圖像量化為多少級(jí)灰度也是非常重要的參數(shù)。圖像的量化精度經(jīng)歷了早期的黑白二值圖像、灰度圖像及現(xiàn)在的彩

11、色及真彩色圖像。當(dāng)然，量化精度越高，存儲(chǔ)像素信息需要的字節(jié)數(shù)也越大。 4) 噪聲 數(shù)字化設(shè)備的噪聲水平也是一個(gè)重要的性能參數(shù)。例如， 數(shù)字化一幅灰度值恒定的圖像，雖然輸入亮度是一個(gè)常量，但是數(shù)字化設(shè)備中固有的噪聲卻會(huì)使圖像的灰度發(fā)生變化。因此數(shù)字化設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲是圖像質(zhì)量下降的根源之一，應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差點(diǎn)(即對(duì)比度)。 2.2 數(shù)字圖像的顯示1. 圖像的顯示方法：永久性、暫時(shí)性2. 圖像的顯示特性：圖像大小、光度分辨率、空間分辨率、低頻響應(yīng)、噪聲特性。3. 顯示系統(tǒng)的噪聲4. 顯示設(shè)備 一、 分辨率 1. 圖像分辨率 圖像分辨率：是指每英寸圖像含有多少個(gè)點(diǎn)或像素， 分辨率的單位為p

12、pi。在數(shù)字圖像中，分辨率的大小直接影響到圖像的質(zhì)量。圖像尺寸分辨率文件大小2. 屏幕分辨率 顯示器上每單位長(zhǎng)度顯示的像素或點(diǎn)的數(shù)量稱為屏幕分辨率。通常以每英寸點(diǎn)數(shù)(dpi)來(lái)表示。屏幕分辨率取決于顯示器的大小及其像素設(shè)置。(VGA)2.3 色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型 3. 打印機(jī)分辨率 打印機(jī)分辨率又稱輸出分辨率，是指打印機(jī)輸出圖像時(shí)每英寸的點(diǎn)數(shù)(dpi)。打印機(jī)分辨率也決定了輸出圖像的質(zhì)量。一般打印機(jī)的分辨率可達(dá)300 dpi，甚至720 dpi（需用特殊紙張）；由于超微細(xì)碳粉技術(shù)的成熟，新的激光打印機(jī)的分辨率可達(dá)6001200 dpi。 4. 掃描儀分辨率 掃描儀分辨率的表示方法與打印機(jī)相類(lèi)似

13、，一般也用dpi表示， 不過(guò)這里的點(diǎn)是樣點(diǎn)，與打印機(jī)的輸出點(diǎn)是不同的。臺(tái)式掃描儀的分辨率可以分為光學(xué)分辨率和輸出分辨率。光學(xué)分辨率是指掃描儀硬件所真正掃描到的圖像分辨率，目前的產(chǎn)品，其光學(xué)分辨率可達(dá)8001200 dpi以上。輸出分辨率是通過(guò)軟件強(qiáng)化以及內(nèi)插補(bǔ)點(diǎn)之后產(chǎn)生的分辨率，大約為光學(xué)分辨率的34倍。當(dāng)見(jiàn)到號(hào)稱分辨率高達(dá)4800 dpi或6400 dpi的掃描儀時(shí)， 這一定指的是輸出分辨率。二、色度學(xué)基礎(chǔ) 灰度圖像中，圖像的像素值是光強(qiáng)， 即二維空間變量的函數(shù)f(x, y)。如果把灰度值看成是二維空間變量和光譜變量的函數(shù)f(x, y, )，即多光譜圖像，也就是通常所說(shuō)的彩色圖像。在計(jì)算機(jī)上

14、顯示一幅彩色圖像時(shí)，每一個(gè)像素的顏色是通過(guò)三種基本顏色（即紅、綠、藍(lán)）合成的，即最常見(jiàn)的RGB顏色模型。要理解顏色模型， 首先應(yīng)了解人的視覺(jué)系統(tǒng)。 人眼構(gòu)造簡(jiǎn)介水晶體虹膜角膜瞳孔視神經(jīng)盲點(diǎn)視網(wǎng)膜黃斑區(qū)睫狀小帶 眼睛中的光接收器主要是視覺(jué)細(xì)胞，它包括錐狀體和桿狀體。中央凹部分特別薄，這部分沒(méi)有桿狀體，只密集地分布錐狀體。它具有辨別光波波長(zhǎng)的能力，因此，對(duì)顏色十分敏感。有時(shí)它被叫做白晝視覺(jué)。每只眼睛的錐狀體大約有700萬(wàn)個(gè)，在中央凹的分布間隔大約為22.5微米。桿狀體比錐狀體的靈敏度高，在較暗的光線下就能起作用。但是，它沒(méi)有辨別顏色的能力，有時(shí)又叫它夜視覺(jué)。桿狀體分布面積較大，其數(shù)量大約有億千萬(wàn)個(gè)

15、。正因?yàn)閮煞N視覺(jué)細(xì)胞的不同特點(diǎn)，所以我們看到的物體在白天有鮮明的色彩，而在夜里卻看不到顏色。與視覺(jué)細(xì)胞相比，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞數(shù)目較少，大約有100萬(wàn)左右。三、光覺(jué)和色覺(jué) 眼睛對(duì)光的感覺(jué)稱為光覺(jué)，對(duì)顏色的感覺(jué)稱為色覺(jué)。 這是眼睛的基本特性。 1) 光覺(jué)門(mén)限及亮度辨別門(mén)限光覺(jué)門(mén)限：把產(chǎn)生光覺(jué)的最小亮度叫做光覺(jué)門(mén)限或光覺(jué)閾。錐狀體和桿狀體各自的最大靈敏度隨波長(zhǎng)而異，桿狀體的最靈敏點(diǎn)比錐狀體最靈敏點(diǎn)波長(zhǎng)短50nm左右。波長(zhǎng)從380740nm分別與紫、藍(lán)、綠、黃、橙、紅等順序相對(duì)應(yīng)。這就是在傍晚光線變暗時(shí)我們所看到的物體沒(méi)有顏色的原因，這種現(xiàn)象叫 Purkinje shift 現(xiàn)象。 圖233 錐狀體(a)和

16、桿狀體(b)的相對(duì)靈敏度特性光覺(jué)門(mén)限與刺激面積和刺激時(shí)間有密切關(guān)系。關(guān)于光覺(jué)門(mén)限與刺激面積的關(guān)系有里克（Ricco）定律和里波（Riper）定律來(lái)描述。當(dāng)刺激面積較小時(shí)，光覺(jué)門(mén)限的強(qiáng)度 I 與面積 A 的關(guān)系遵循下式之關(guān)系，即： (247)刺激面積大，光覺(jué)門(mén)限小 當(dāng)刺激面積較大時(shí)，有下式的關(guān)系成立 (248)2) 有關(guān)色覺(jué)的學(xué)說(shuō) 自年牛頓成功地分解了太陽(yáng)光譜以來(lái)，認(rèn)為光的波動(dòng)經(jīng)過(guò)神經(jīng)傳到大腦，由于波長(zhǎng)不同而產(chǎn)生不同顏色感覺(jué)的這一假說(shuō)至今還在提倡。 Young (1801)認(rèn)為顏色不是光的物理性質(zhì)而是一種感覺(jué)現(xiàn)象。后來(lái)赫姆霍爾茲(Helmholtz)發(fā)展了這種假說(shuō)，認(rèn)為視網(wǎng)膜有三種色細(xì)胞，由于光

17、學(xué)反應(yīng)引起三種視神經(jīng)纖維的興奮，由此又引起大腦三種神經(jīng)細(xì)胞興奮而產(chǎn)生色覺(jué)。這就是揚(yáng)赫姆霍爾茲(YoungHelmholtz)的色覺(jué)三原色學(xué)說(shuō)。 另一方面，也有對(duì)三原色假說(shuō)持反對(duì)立場(chǎng)的人，特別是揚(yáng)赫姆霍爾茲的三原色為紅、綠、紫。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，黃色用紅色和綠色混合而成是難于理解的。也就是說(shuō)，用他的三原色假說(shuō)不能說(shuō)明黃色的純色性。提出這一反對(duì)論點(diǎn)的代表人物是赫林(Hering)。 赫林的假說(shuō)是在視網(wǎng)膜上有紅綠物質(zhì)，黃藍(lán)物質(zhì)，白黑物質(zhì)。在光刺激下，各物質(zhì)同時(shí)向?qū)α⒌姆较虬l(fā)生化學(xué)變化，向兩個(gè)方向變化的程度根據(jù)刺激的波長(zhǎng)不同而不同，由此產(chǎn)生色覺(jué)。赫林的相對(duì)色假說(shuō)對(duì)說(shuō)明色適應(yīng)和色對(duì)比現(xiàn)象理由較好，但對(duì)色盲的性質(zhì)卻

18、不能加以詳細(xì)說(shuō)明。三原色假說(shuō)和相對(duì)色假說(shuō)考慮方法是對(duì)立的，本世紀(jì)也有提倡一種折衷的假說(shuō)，如Ladd-Franklindel發(fā)展假說(shuō)，Hart-ridgedel多色假說(shuō)等等。最近采用物理手段研究生理學(xué)的方法發(fā)展很迅速。四、光度學(xué)及色度學(xué)原理 亮度和顏色是進(jìn)入眼睛的可見(jiàn)光的強(qiáng)弱及波長(zhǎng)成份的一種感覺(jué)的屬性。從某一入射光產(chǎn)生的亮度和顏色的感覺(jué)無(wú)法測(cè)定，并且這種因人而異的感覺(jué)也不能比較。既使對(duì)同一個(gè)人來(lái)說(shuō)，由于觀察條件不同感覺(jué)也不一樣。 顏色的表示方法及觀察條件： 顏色的表示方法大體上有二套方法。芒塞爾(Munsell)表示系統(tǒng)：設(shè)置一套作為標(biāo)準(zhǔn)的顏色樣本，被試的顏色與樣本進(jìn)行比較，然后用特殊的記號(hào)來(lái)表

19、示。 CIE表示系統(tǒng)： 取決于刺激光的物理性質(zhì)和色的感覺(jué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。用與這個(gè)規(guī)定的相對(duì)應(yīng)的量來(lái)表示試料的光的物理性質(zhì)。這就是國(guó)際上規(guī)定的CIE表示系統(tǒng)。 在處理光的物理性質(zhì)和色覺(jué)的關(guān)系時(shí)，可在單純的條件下來(lái)決定這種規(guī)定。一般條件規(guī)定如下： (1) 刺激亮度在視覺(jué)細(xì)胞的錐狀體起作用又不刺眼的 范圍內(nèi)；(2)觀察視野在2(或10）范圍內(nèi)，而且范圍外是 黑暗的；(3) 視野內(nèi)的光分布均勻并且不隨時(shí)間變化。 在這樣單純化了的條件下觀察顏色與日常在復(fù)雜情況下觀察到的顏色不一樣，為與感覺(jué)色相區(qū)別，把這種顏色叫做心理物理色。根據(jù)光的波動(dòng)說(shuō)，單一波長(zhǎng)的光稱為單色光。照射到視網(wǎng)膜上的某一單色光并不是引起該彩色的

20、唯一因素。例如，有幾種單色黃光可以由射到視網(wǎng)膜上的紅光和綠光配出來(lái)。幾乎所有的彩色都能由三種基本彩色混配出來(lái)。這三種彩色就叫做三基色。 三基色混色及色度表示原理 由三基色混配各種顏色的方法通常有兩種： 相加混色：彩色電視機(jī)上的顏色是通過(guò)相加混色 產(chǎn)生的。 相減混色：彩色電影和幻燈片等與繪畫(huà)原料一樣 是通過(guò)相減混色產(chǎn)生各種顏色的。相加混色和相減混色的主要區(qū)別：第一，相加混色是由發(fā)光體發(fā)出的光相加而產(chǎn)生各種顏色，而相減混色是先有白色光，爾后從中減去某些成份（吸收）得到各種彩色。第二，相加混色的三基色是紅、綠、藍(lán)，而相減混色的三基色是黃、青、紫（一般不確切地說(shuō)成是黃、藍(lán)、紅）。也就是說(shuō)相加混色的補(bǔ)色

21、就是相減混色的基色。第三，相加混色和相減混色有不同規(guī)律（指顏料相混）。相加混色： 紅綠黃 紅藍(lán)紫 藍(lán)綠青 紅綠藍(lán)白相減混色： 黃白藍(lán) 紫白綠 青白紅 白藍(lán)綠紅黑 格拉斯曼定律（Grassman Law)反映了視覺(jué)對(duì)顏色的反應(yīng)取決于紅、綠、藍(lán)三輸入量的代數(shù)和。包括如下四項(xiàng)內(nèi)容：（）所有顏色都可以用互相獨(dú)立的三基色混合得 到；（）假如三基色的混合比相等，則色調(diào)和色飽和度 也相等；（）任意兩種顏色相混合產(chǎn)生的新顏色與采用三基色分別合 成這兩種顏色的各自成分 混合起來(lái)得到的 結(jié)果相等；（）混合色的光亮度是原來(lái)各分量光亮度的總和。以三基色為基礎(chǔ)的格拉斯曼定律可用下式表示F（）（）（） 國(guó)際照明委員會(huì)（C

22、IE）規(guī)定： 紅色（波長(zhǎng)700.00nm）， 綠色（波長(zhǎng)546.1nm） 藍(lán)色（波長(zhǎng)438.8nm）這就是CIE的R、G、B顏色表示系統(tǒng)。 CIE的R、G、B顏色表示系統(tǒng)在數(shù)字圖像處理中的終端顯示通常用顯像管（CRT）也就是用彩色監(jiān)視器顯示。由相加混色原理可知白光可由紅、綠、藍(lán)三種基色光相加得到。產(chǎn)生1lm的白光所需要的三基色的近似值可用下面的亮度方程來(lái)表示： 1 lm(白光)=0.30 lm(紅)+0.59 lm(綠、)+0.11 lm(藍(lán))產(chǎn)生白光時(shí)三基色的比例關(guān)系是不等的，這顯然給實(shí)際使用帶來(lái)一些不方便。為了克服這一缺點(diǎn)，使用了三基色單位制。這就是所謂的T單位制。在使用T單位制時(shí)，認(rèn)為白

23、光是由等量的三基色組成。因此，表示的亮度方程可改寫(xiě)如下： 1lm(W)=1T(R)+1T(G)+1T(B)1T單位紅光=0.30lm；1T單位綠光=0.59lm；1T單位藍(lán)光=0.11lm。由此可知T單位與流明數(shù)的關(guān)系，在需要的時(shí)候可以很容易地進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于T單位的采用就除掉了復(fù)雜數(shù)字帶來(lái)的麻煩。 由三基色原理可知，任何顏色都可由三基色混配而得到。為了簡(jiǎn)單又方便地描繪出各種彩色與三基色的關(guān)系，采用了彩色三角形與色度圖的表示方法。這是一個(gè)等邊三角形，三個(gè)頂點(diǎn)分別為紅、綠、藍(lán)三色。其中黃色位于紅與綠之中間，紫色落在藍(lán)色和紅色中間，青色在綠色與藍(lán)色中間。相加混色彩色三角形 根據(jù)人眼的結(jié)構(gòu)，所有顏色都

24、可看作是三種基本顏色R表示紅（Red）、 G表示綠（Green)和B表示藍(lán)（Blue)按照不同的比例組合而成。為了建立標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)早在1931年就規(guī)定三種基本色的波長(zhǎng)分別為R：700 nm，G：546.1 nm，B： 435.8 nm。 一幅彩色圖像的像素值可看作是光強(qiáng)和波長(zhǎng)的函數(shù)值f(x, y, )，但實(shí)際使用時(shí)，將其看作是一幅普通二維圖像， 且每個(gè)像素有紅、綠、藍(lán)三個(gè)灰度值會(huì)更直觀些。 2 顏色的三個(gè)屬性 顏色是外界光刺激作用于人的視覺(jué)器官而產(chǎn)生的主觀感覺(jué)。顏色分兩大類(lèi)：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于這兩者之間深淺不同的灰色， 也稱為無(wú)色系列。彩色是指除了非彩色

25、以外的各種顏色。顏色有三個(gè)基本屬性， 分別是色調(diào)、 飽和度和亮度?；谶@三個(gè)基本屬性，提出了一種重要的顏色模型HSI（Hue、 Saturation、 Intensity）。3. 顏色模型 為了科學(xué)地定量描述和使用顏色，人們提出了各種顏色模型。目前常用的顏色模型按用途可分為兩類(lèi)，一類(lèi)面向諸如視頻監(jiān)視器、 彩色攝像機(jī)或打印機(jī)之類(lèi)的硬件設(shè)備。另一類(lèi)面向以彩色處理為目的的應(yīng)用，如動(dòng)畫(huà)中的彩色圖形。面向硬件設(shè)備的最常用彩色模型是RGB模型，而面向彩色處理的最常用模型是HSI模型。另外，在印刷工業(yè)上和電視信號(hào)傳輸中，經(jīng)常使用CMYK和YUV色彩系統(tǒng)。 1）RGB模型 RGB模型用三維空間中的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示

26、一種顏色。每個(gè)點(diǎn)有三個(gè)分量，分別代表該點(diǎn)顏色的紅、綠、藍(lán)亮度值， 亮度值限定在0, 1。 在RGB模型立方體中，原點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顏色為黑色，它的三個(gè)分量值都為零。距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色為白色，它的三個(gè)分量值都為1。從黑到白的灰度值分布在這兩個(gè)點(diǎn)的連線上， 該線稱為灰色線。立方體內(nèi)其余各點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的顏色。彩色立方體中有三個(gè)角對(duì)應(yīng)于三基色紅、綠、藍(lán)。剩下的三個(gè)角對(duì)應(yīng)于三基色的三個(gè)補(bǔ)色黃色、 青色（藍(lán)綠色）、品紅（紫色）。 圖2.6 RGB模型單位立方體 2） HSI模型 HSI模型是Munseu提出的， 它反映了人的視覺(jué)系統(tǒng)觀察彩色的方式，在藝術(shù)上經(jīng)常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色調(diào)(H

27、ue)，S表示飽和度(Saturation)， I表示亮度(Intensity，對(duì)應(yīng)成像亮度和圖像灰度)。 這個(gè)模型的建立基于兩個(gè)重要的事實(shí)： I分量與圖像的彩色信息無(wú)關(guān)； H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相聯(lián)的。 圖2.7中的色相環(huán)描述了色相和飽和度兩個(gè)參數(shù)。色相由角度表示，它反映了該彩色最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)。一般假定0表示的顏色為紅色， 120的為綠色， 240的為藍(lán)色。0到240的色相覆蓋了所有可見(jiàn)光譜的彩色，在240到300之間為人眼可見(jiàn)的非光譜色（紫色）。 飽和度是指一個(gè)顏色的鮮明程度，飽和度越高，顏色越深， 如深紅，深綠。飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)（圓心）到彩色點(diǎn)的半徑的長(zhǎng)度。由色

28、相環(huán)可以看出，環(huán)的邊界上純的或飽和的顏色， 其飽和度值為1。在中心是中性（灰色）陰影， 飽和度為0。 圖2.7 色相環(huán) 亮度是指光波作用于感受器所發(fā)生的效應(yīng)，其大小由物體反射系數(shù)來(lái)決定，反射系數(shù)越大，物體的亮度愈大，反之愈小。 HSI模型的三個(gè)屬性定義了一個(gè)三維柱形空間， 如圖2.8所示?；叶汝幱把刂S線從底部的黑變到頂部的白，具有最高亮度。最大飽和度的顏色位于圓柱上頂面的圓周上。 圖2.8 柱形彩色空間 4. 顏色模型的相互轉(zhuǎn)換 1) RGB轉(zhuǎn)換到HSI 對(duì)任何3個(gè)0， 1范圍內(nèi)的R、G、B值，其對(duì)應(yīng)HSI模型中的I、S、H分量的計(jì)算公式為 上式計(jì)算出的H值的范圍為 0, 180， 對(duì)應(yīng)于。

29、在時(shí)，值大于180,只要令360H，即可把轉(zhuǎn)換到180，360區(qū)間。當(dāng)S0時(shí)對(duì)應(yīng)的是無(wú)色彩的中心點(diǎn)，這時(shí)H就沒(méi)有意義，此時(shí)定義H為0。當(dāng)I0時(shí)，S也沒(méi)有意義。 2) HSI轉(zhuǎn)換到RGB 假設(shè)S、I的值在0，1之間，R、G、B的值也在0，1之間，則HSI轉(zhuǎn)換為RGB的公式為(分成3段以利用對(duì)稱性) （1）當(dāng)H在0，120之間 (2-5) (2) 當(dāng)H在120，240之間 (2-6) (3) 當(dāng)H在240，360之間 (2-7) 5. CMYK表色系統(tǒng) CMYK表色系統(tǒng)也是一種常用的表示顏色的方式。計(jì)算機(jī)屏幕顯示通常用RGB表色系統(tǒng)，它是通過(guò)相加來(lái)產(chǎn)生其他顏色， 這種做法通常稱為加色合成法(Add

30、itive Color Synthesis)。而在印刷工業(yè)上則通常用CMYK表色系統(tǒng)，它是通過(guò)顏色相減來(lái)產(chǎn)生其他顏色的，所以稱這種方式為減色合成法(Subtractive Color Synthesis)。 CMYK模式的原色為青色(Cyan)、品紅色(Magenta)、黃色(Yellow)和黑色（Black）。在處理圖像時(shí)，一般不用CMYK模式， 主要是因?yàn)檫@種模式的文件大， 占用的磁盤(pán)空間和內(nèi)存大。這種模式一般在印刷時(shí)使用。 6. 其他表色系統(tǒng) 1） YUV電視信號(hào)彩色坐標(biāo)系統(tǒng) YUV彩色電視信號(hào)傳輸時(shí)，將R、G、B改組成亮度信號(hào)和色度信號(hào)。PAL制式(一種電視標(biāo)準(zhǔn))將R、G、B三色信號(hào)改

31、組成Y、U、V信號(hào)， 其中Y信號(hào)表示亮度，U、V信號(hào)是色差信號(hào)。 2） Lab顏色模型 Lab顏色模型是CIE于1976年推薦的設(shè)計(jì)成符合孟塞爾彩色系統(tǒng)的表色系。Lab 顏色由亮度或光亮度分量L 和a、b兩個(gè)色度分量組成。其中a在的正向數(shù)值越大表示越紅，在負(fù)向的數(shù)值越大則表示越綠；b在的正向數(shù)值越大表示越黃，在負(fù)向的數(shù)值越大表示越藍(lán)。Lab顏色與設(shè)備無(wú)關(guān)， 無(wú)論使用何種設(shè)備（如顯示器、打印機(jī)、計(jì)算機(jī)或掃描儀）創(chuàng)建或輸出圖像，這種模型都能生成一致的顏色。 2.5 圖像文件格式 數(shù)字圖像有多種存儲(chǔ)格式，每種格式一般由不同的開(kāi)發(fā)商支持。因此，要進(jìn)行圖像處理，必須了解圖像文件的格式， 即圖像文件的數(shù)據(jù)

32、構(gòu)成。 圖像的一般結(jié)構(gòu)：包含有文件頭、文件體和文件尾等三部分文件頭：文件類(lèi)型、文件制作者、制作時(shí)間、版本號(hào)、 文件大小 軟件ID、軟件版本號(hào)、圖像分辨率、圖像尺寸、圖像深 度、彩色類(lèi)型、編碼方式、壓縮算法 文件體：圖像數(shù)據(jù)、彩色變換表 文件尾：用戶名、注釋、開(kāi)發(fā)日期、工作時(shí)間1.BMP格式Windows Bit Map的縮寫(xiě)，是最普遍的點(diǎn)陣圖像格式之一，是Windows和OS/2。在Windows環(huán)境中運(yùn)行的圖像軟件都支持BMP圖像格式。 BMP只能存儲(chǔ)4種圖像數(shù)據(jù)：?jiǎn)紊?6色、256色和全彩色。 2. PCX文件 PCX文件格式由ZSoft公司設(shè)計(jì), 最早使用的圖像文件格式之一， 由各種掃

33、描儀掃描得到的圖像幾乎都能保存成PCX格式。PCX支持256種顏色，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，存取速度快，壓縮比適中，適合于一般軟件的使用。 3. GIF圖像文件格式 CompuServe開(kāi)發(fā)的圖形交換文件格式GIF（Graphics Interchange Format），目的是在不同的系統(tǒng)平臺(tái)上交流和傳輸圖像。它是在Web及其他聯(lián)機(jī)服務(wù)上常用的一種文件格式，用于超文本標(biāo)記語(yǔ)言(HTML)文檔中的索引顏色圖像， 但圖像最大不能超過(guò)64 M，顏色最多為256色。GIF主要是為數(shù)據(jù)流而設(shè)計(jì)的一種傳輸格式，而不是作為文件的存儲(chǔ)格式。4. JPEG圖像格式 JPEG(Joint Photographers Exp

34、erts Group)格式即聯(lián)合圖像專(zhuān)家組, 是由ISO和CCITT為靜態(tài)圖像所建立的第一個(gè)國(guó)際數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，主要是為了解決專(zhuān)業(yè)攝影師所遇到的圖像信息過(guò)于龐大的問(wèn)題。由于JPEG的高壓縮比和良好的圖像質(zhì)量， 使得它廣泛應(yīng)用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)程序中。JPEG和GIF成為HTML語(yǔ)法選用的圖像格式。 標(biāo)記圖像文件格式TIFF (Tag Image File Format)， 它是現(xiàn)存圖像文件格式中最復(fù)雜的一種，它提供存儲(chǔ)各種信息的完備的手段， 是目前流行的圖像文件交換標(biāo)準(zhǔn)之一，主要用于應(yīng)用程序和計(jì)算機(jī)平臺(tái)之間交換文件，與計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和圖形硬件無(wú)關(guān)。TIF格式文件的設(shè)計(jì)考慮了擴(kuò)展性、 方便性

35、和可修改性，因此非常復(fù)雜，要求用更多的代碼來(lái)控制它，結(jié)果導(dǎo)致文件讀寫(xiě)速度慢， TIF代碼也很長(zhǎng)。TIF文件由文件頭、參數(shù)指針表與參數(shù)域、參數(shù)數(shù)據(jù)表和圖像數(shù)據(jù)4部分組成。如表2-2表2-4所示。 5. TIFF文件格式 (TIF)JPG比BMP小但不丟信息2305K300K1.239K2305KTIFF2.6 圖像的灰度直方圖定義性質(zhì)用途1234565456214123456643221166466345666146623136466灰度直方圖圖像灰度直方圖的定義 灰度直方圖是灰度級(jí)的函數(shù)，描述的是圖像中該灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù)。即：橫坐標(biāo)表示灰度級(jí)，縱坐標(biāo)表示圖像中該灰度級(jí)出現(xiàn)的個(gè)數(shù)。 灰度直方圖另一種