1、图像基础,Fundamental of Image Processing,2.5 图像基础,人眼视觉通路,2.5 图像基础,红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同，因此不同组成成分的可见光就呈现出不同的颜色,2.5 图像基础,人眼对亮度的感知特性 大量的实验表明主观亮度（人的视觉系统感知的亮度，也称为辉度）是眼睛入射光强度（照度）的对数函数 人的视觉系统能适应的亮度范围是很大的。但人的视觉系统在同一时刻所能够区分亮度的具体范围比总的适应范围要小得多。它是靠改变它的总体敏感度来实现亮度适应的。,2.5 图像基础,有2个事实可以表明人所感觉到的亮度并不是强度
2、的简单函数。 第1个是基于视觉系统有趋向于过高或过低估计不同亮度区域边界值的现象。（马赫带） 第2个现象称为同时对比度。,马赫带,同时对比度,颜色简史,颜色的几个术语 颜色用光的波长定义的颜色叫光谱色。 不同波长的光混合可以产生相同的颜色感觉,描述颜色的几个术语,色调(hue) 又称为色相，指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。,描述颜色的几个术语,饱和度. 饱和度(saturation)是相对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的纯洁性，它可用来区别颜色明暗的程度。,半径表示法,描述颜色的几个术语,亮度 1. 明度（根据国际照明委员会的定义，明度(brightness)是视觉系统对可见物
3、体辐射或者发光多少的感知属性。）,2 颜色度量体系,又称为颜色制或叫颜色体制，实际上就是人们组织和表示颜色的方法，有时候又翻译成“颜色系统” 分为两种： 颜色模型（颜色空间）：RGB、HSB、CMY 编目系统：Munsell、Pantone,Munsell 颜色系统,彩色视觉和三基色原理,国际照度委员会（CIE）在1931年规定3种基本色的波长为：R：700nm， G：546.1nm， B：435.8nm,CIE 1931 RGB,产生波长不同的光所需要的三基色值,CIE 1931 XYZ,在这个颜色系统中，X、Y、Z是想像的三种基色，它们于可见颜色不相应。 XYZ颜色系统具有如下性质： 与R
4、GB一样，XYZ是相加基色，每一种颜色都可以表示成XYZ的混合。 XYZ匹配所有颜色时系数都是正值 用Y表示颜色的亮度信息,RGBXYZ,|X| |0.489 989 0.310 008 0.20| |R| |Y| = |0.176 962 0.812 400 0.01|* |G| |Z| |0.000 000 0.010 000 0.99| |B|R| | 2.364 700 -0.896 580 -0.468 083| |X| |G| = |-0.515 150 1.426 409 -0.088 746|*|Y| |B| | -0.005 203 -0.014 407 1.009 200|
5、 |Z|,2.5 图像基础,2 颜色模型 XYZ色度图彩色光F的配色方案F=xX+yY+zZ,CIE 1931 XYZ 颜色空间,x+y+z=1，可以以x，y为坐标，绘出XYZ色度图,色度图上看色域,CIE 1931 xyY色度图的感知均匀性,CIE LUV色度图,图像的颜色模型,RGB相加混色模型,2.5 图像基础,颜色模型 RGB模型 HIS模型,2.5 图像基础,颜色模型,2.5 图像基础,CMY相减混色模型 青色(Cyan)、品红(Magenta)和黄色(Yellow),2.5 图像基础,RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法,颜色空间分类,RGB型/计算机图形颜色空间：这类模型主要用
6、于电视机和计算机的颜色显示系统。 XYZ型/CIE颜色空间：这类颜色是由国际照明委员会定义的颜色空间，能常作为国际性的颜色空间标准，用作颜色的基本度量方法，是设备无关的颜色表示法。 YUV型/电视系统颜色空间：由广播电视需求的推动而开发的颜色空间，主要目的是通过压缩色度信息以有效地传播彩色电视图像。 HSI型/计算机图形颜色空间：这类颜色空间是以色调为基础的颜色空间，这些颜色空间在计算机应用软件中得到广泛的应用，使用都可以方便的指定所需要的颜色。,2.5 图像基础,YUV、YIQ与YCrCb模型 YIQ适用于NTSC彩色电视制式， YUV适用于PAL和SECAM彩色电视制式 YCrCb适用于计
7、算机用的显示器 Y表示亮度，UV用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量,2.5 图像基础,颜色模型 RGB模型与HIS模型的转换,2.5 图像基础,颜色模型 RGB模型与HIS模型的转换,2.5 图像基础,YUV与RGB彩色空间变换,2.5 图像基础,YIQ与RGB彩色空间变换,2.5 图像基础,YCrCb与RGB彩色空间变换,2.5 图像基础,RGB相加混色模型,一幅图像由许多像素组成,2.5 图像基础,3 图像的三个基本属性 分辨率 显示分辨率 图像分辨率 像素深度 真彩色、伪彩色与直接色,图像的基本属性,1、分辨率显示分辨率：指显示屏上能够显示出的象素数目。同样大小显示屏能够显示的象素
8、越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。（640480，1024 768）图像分辨率：指组成一副图像的像素的密度，一般用单位长度上包含像素的个数来衡量。常用单位为DPI（dots per inch），即每英寸多少点。,图像分辨率,图像的基本属性,2、像素深度像素深度是指存储每个像素所用的位数。像素深度决定彩色图像每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像每个像素可能有的灰度级数。 3、调色板一个彩色图像假如只包含24位真彩色空间中的16个离散的点（16色图），则可以建立一个颜色查找表，表中的每一行记录一组RGB值，实际像素的值用来指定该点颜色在查找表中的索引值，这样就可以大大缩小
9、存储量。这个颜色查找表就叫做调色板。,图像的基本属性,4、真彩色、伪彩色与直接色真彩色：真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。伪彩色：每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表(调色板)的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色称为伪彩色。直接色：每个像素值分成R，G，B分量，每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的R，G，B强度值产生的彩色称为直接色。,2.5
10、图像基础,2.5 图像基础,5 伽马(g )校正yxn = 输出(输入) (gamma)是幂函数的指数，它用来衡量非线性部件的转换特性 校正,伽马()校正,一个图像系统中一般包含输入设备（扫描仪、摄像机、数码相机）、存储设备（胶片、磁盘）和输出设备三大模块。 各种涉及到光电转换的设备的输入输出特性曲线一般是非线性的，且表现为幂函数的形式： yxn 输出(输入) （按照惯例，“输入”和“输出”都缩放到01之间）。所以整个图像系统的传递函数是一个幂函数。 12n 一个图像系统追求的目标：真实的再现原始场景。,伽马()校正,为了真实地再现原始场景，如果图像再现环境为明亮环境则必须时整个图像系统的1；
11、如果为暗淡环境，则必须使整个系统的1.25；如果为黑暗环境，则必须使系统的1.5。 实际图像系统的值并非符合我们要求的值，且是不能随意改变的。所有要求我们加入一个中间环节来校正整个系统的值，即补偿系统的非特性曲线，使之接近于应用环境所要求的值。这个过程就叫做伽马（）校正。,伽马()校正,Photoshop 中提供的Gamma校正功能,2.5 图像基础,6 图像的种类 矢量图与点位图 灰度图与彩色图,图像的分类,灰度图,标准单色图 标准灰度图,图像的分类,彩色图,256色标准图像 24位标准图像,图像的分类,矢量图,点位图,图像的分类,矢量图与点位图矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图，如画点
12、、画线、画曲线、画圆、画矩形等。这种方法实际上是用数学方法来描述一幅图。矢量图的优点是：（1）缩放、旋转、移动时图像不会失真。（2）存储和传输时数据量较小。矢量图的缺点是：（1）图像显示时花费时间比较长。（2）真实世界的彩色图像难以转化为矢量图。,图像的分类,矢量图与点位图点位图是将一副图像在空间上离散化，即将图像分成许许多多的像素，每个象素用若干个二进制位来指定该像素的颜色或灰度值。点位图的优点是：（1）显示速度快。（2）真实世界的图像可以通过扫描仪、数码相机、摄像机等设备方便的转化为点位图。点位图的缺点是： （1）存储和传输时数据量比较大。（2）缩放、旋转时算法复杂且容易失真。,位图文件(
13、Bitmap-File，BMP)格式是Windows采用的图像文件存储格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持这种格式。BMP位图文件默认的文件扩展名是bmp或者dib。,BMP图像文件格式,BMP文件大体上分为四个部分：,BMP图像文件格式,typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; /* 说明文件的类型 */DWORD bfSize; /* 说明文件的大小，用字节为单位 */WORD bfReserved1; /* 保留，设置为0 */WORD bfReserved2; /* 保留，设置为0 */DWORD bfOffBi
14、ts; /* 说明从BITMAPFILEHEADER结构开始到实际的图像数据之间的字 节偏移量 */ BITMAPFILEHEADER;,BMP图像文件格式,typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize; /* 说明结构体所需字节数 */LONG biWidth; /* 以像素为单位说明图像的宽度 */LONG biHeight; /* 以像素为单位说明图像的高速 */WORD biPlanes; /* 说明位面数，必须为1 */WORD biBitCount; /* 说明位数/像素，1、2、4、8、24 */DWORD biCompressi
15、on; /* 说明图像是否压缩及压缩类型 */DWORD biSizeImage; /* 以字节为单位说明图像大小 */LONG biXPelsPerMeter; /* 说明水平分辨率，像素/米 */LONG biYPelsPerMeter; /* 说明垂直分辨率，像素/米 */DWORD biClrUsed; /* 说明图像实际用到的颜色数，如果为0则颜色数为2的biBitCount次方 */DWORD biClrImportant; /*说明对图像显示有重要影响的颜色 索引的数目，如果是0，表示都重要。*/ BITMAPINFOHEADER;,BMP图像文件格式,调色板实际上是一个数组，它
16、所包含的元素与位图所具有的颜色数相同，决定于biClrUsed和biBitCount字段。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构。typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; /*指定蓝色分量*/BYTE rgbGreen; /*指定绿色分量*/BYTE rgbRed; /*指定红色分量*/BYTE rgbReserved; /*保留，指定为0*/ RGBQUAD;,BMP图像文件格式,紧跟在彩色表之后的是图像数据字节阵列。图像的每一扫描行由表示图像像素的连续的字节组成，每一行的字节数取决于图像的颜色数目和用像素表示的图像宽度。扫描行是由底向上存储的，这就是说，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。,2.5 图像基础,参考阅读材料： 章毓晋编著，“图像工程上册：图像处理和分析” ，第2章 陈廷标、夏良正编，“数字图像处理”，第3章 阮秋琦编著，“数字图像处理学”，第2章,
