中山市实验高级中学-小学一年级语文上册教案

第三章数字图像处理基础
DIGITAL IMAGE PROCESSING
主讲：杨涛副教授
单位：西北工业大学计算机学院陕西省语音与图像信息处理重点实验室
电话：
办公室：计算机学院215房间
Email : yangtaonwpu@
主页：
课程主页：ngclassclass_
★本章 内容
•光度学
•视觉模型
•色度学
•采样和量化
•图像格式
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课程回顾z第一章：绪论
z第二章：常用图像采集与处理工具
z第三章：数字图像处理基础
z第四章：图像变换
z第五章：图像增强
z第六章：图像分割
z第七章：图像特征提取
z第八章：图像特征描述与匹配
z第九章：图像压缩编码
z第十章：图像复原
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★光度学•世界是多彩的，白天色彩争奇斗艳，黄昏色彩被夜幕
吞没，夜晚，一切色彩全部消失
•没 有光就没有色，色来源于光
•光是色的源泉，色是光的表现
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★光度学
杨涛西北工业大学计算机学院Email: yangtaonwpu@ 主页： ★光度学
•光度学(photometry)：
–在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素 后的相应计
量学科称为光度学
–1760年郎伯建立光度学
–比较某个物体更亮
–比较某个光源发光效率更高
–对各种光源进行光度的特性测量广泛应用于光学工业
、照明工 业、遥感遥测、色度学和大气光学等领域。
对各种光敏和热敏探测器也需要运用光度的测量技术
来确定其灵敏度及响应特性。
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★光度学
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★光度学
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★光度学
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★光度学
•立体角
将弧 度表示平面角度大小的定义（弧长除以半径）
•光通量
推广到三维空间中，定义“立体角”为：
•发光强度
球面面积与半径平方的比值。即：Ω=
A
•光亮度
r2
•光照度
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★光度学
•立体角
•光通量
•发光强度
•光亮度
• 光照度
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★光度学
•立体角
光通量(Flux)，单位流明(lm)
•光通量
定义： 光源在单位时间内发射出的光量称为光源的
•发光强度
光通量，符号
•光亮度
•光照度
解释：描述发光总量大小，光通量越大，则发出的
光线越多，对于各向同性的光，则光 通量=4*PI*I。
如I=1cd,则光通量= 12.56lm
光通量(
Φ
) ＝发光强度x立体角=
I
×
Ω
lm
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★光度学< br>•立体角
•光通量
•发光强度
•光亮度
•光照度
人眼对不同颜 色光的感觉不同，这种感觉决定了光
通量与光功率的换算关系，对于人眼最敏感的是
555nm 的黄绿光，1w=683lm，也就是说1w的功率转换
成波长为555nm的光。
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★光度学
•立体 角
发光强度(I,Intensity)，单位坎德拉(candela, cd)
•光通量< br>解释：发光强度描述了光源到底有多“亮”，他可以表
•发光强度
示光源的汇聚能力，< br>•光亮度
缺点：仅用发光强度来表示“亮度”的缺点是，如果一
•光照度
样的L ED，则汇聚程度好的光强高，很多I值高的LED并
非提高自身的发射效率，而是把镜头加长，照射角 度变
窄来实现。
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★光度学
•立体角
发光强度(I,Intensity)，单位坎德拉(ca ndela, cd)
•光通量
定义：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定
•发光强度
义为光源在该方向的发光强度。1cd 就是“全幅射体”
•光亮度
加温到铂的熔点( 2024K ）时从1平方厘米表面面积上•光照度
发出的光的160。全幅射体就是某一物质加热到某一温
度时，它发出的能量分布 在整个可见光范围内。
发光强度(
I
) = 光通量立体角= Φ Ωcd
1 lm sr ＝1 candela (cd)
1 cd ＝12.57 lm
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★光 度学
•立体角
光亮度(L,Luminance)，单位尼特(nt)
•光通量
定义：单位光源面积在法线方向上，单位立体角内所发
•发光强度
出的光流。
•光亮 度
解释：亮度是针对面光源而言，通俗的说亮度是一块比
•光照度
较小的面积看起来到 底有多亮。另外，发光面的亮度与
•光出射度
距离无关，但与观察者的方向有关。
亮度 ( L ) ＝发光强度面积＝I AP
单位：cd ㎡(nt)
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★光度学
•立体角
光亮度(E,Illumina nce)，单位勒克斯(lx)
•光通量
定义：1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上。< br>•发光强度
解释：光照度是对被照射物体而言，但又和照射物体无
•光亮度
关。 1流明的光，均匀照射到1m2的物体上，照度就是
•光照度
1lx。
照度( E ) ＝光通量 面积＝F A
单位：lm ㎡＝lux (lx)
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★光 度学
例题1：
一个40w的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10流明，因此可以发出____
流明的光。如果假定灯泡在空间上发光均匀，则距离灯泡1米处，照度为
____勒克司。杨涛西北工业大学计算机学院Email: yangtaonwpu@ 主页：
★光度学
•立体角
光通量(
Φ
) ＝发光强度x立体角=
I
×
Ω
lm
•光通量
发光强度(
I
) = 光通量立体角= Φ Ωcd
•发光强度
•光亮度
亮度( L ) ＝发光强度面积
表
3-1.
眼睛功能與相機之類比
•光照度
照度( E ) ＝光通量 面积
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★光度学
例题1：
一个40w的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10流明， 因此可以发出
40x10=400流明的光。如果假定灯泡在空间上发光均匀，则距离灯泡1米处，照度为400(4*pi)=40012.56=32勒克司。
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★视觉模型
•视觉：外界光辐射到人眼中刺激视网膜所引起的知觉
•人眼构造
–眼球< br>–神经系统
–大脑的视觉中枢
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★视觉模型
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★视觉模型
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★视觉模型
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★视觉模型
•黄斑：视网膜上视觉最 灵敏的区域；
•盲点：神经纤维的出口，由于没有感光细胞，所以不能产
生视觉；
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
•视觉范围范围大（千分之几直到几百万尼特）
–瞳孔根据外界光的强弱 调节其大小，使射到视网膜上
的光通量尽可能是适中的。
–在强光和弱光下，分别由锥状和杆状 光敏细胞作用，
而后者的灵敏度是前者的1万倍。
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★视觉模型
•黄斑：视网膜上视觉最灵敏的区域；< br>•盲点：神经纤维的出口，由于没有感光细胞，所以不能产
生视觉；
•杆状细胞:（夜晚 ）对入射光的强度很敏感，它能分辨亮
度的差别，而对颜色的分辨本领极差；
•锥状细胞:（白 天）对亮度灵敏度不高，但能分辨颜色。
–红色锥状细胞
–绿色锥状细胞
–蓝色锥状细 胞
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★ 视觉模型
——人眼的视觉特性
•明暗感觉的相对性。不同的亮度环境下，人眼对于同一实
际亮度所产生的相对亮度感觉是不相同的
–白天环境亮度10，000尼特时，人眼能分辨的亮度范围
为200～20，000尼特，低于200尼特的亮度感觉为黑色
–而夜间环境为30尼特时， 可分辨的亮度范围为1～200
尼特，这时100尼特的亮度就引起相当亮的感觉。只有
低于1 尼特的亮度才引起黑色感觉。
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★视觉模型
——人眼的视觉特性•影响分辨力的因素
–与物体在视网膜上成象的位置有关，黄斑区锥状细胞
密度最大，分辨 力最高。越是偏离黄斑区，光敏细胞
的分布越稀，分辨力也就低。
–与照明强度有关。照度太低 ，仅杆状细胞起作用，分
辨力大大下降，且无彩色感；照度太大，分辨力不会
增加，甚至由于“ 眩目”现象而降低。
–与对比度有关，物体亮度与背景亮度接近时分辨力要
降低。
–与 被观察物体运动速度有关。运动速度快，分辨力将
要下降。
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
彩色色调分辨力
人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。
人眼能分辨出色调差别的最小波长变化 称为色调分
辨阈，色调分辨力与色调分辨阈成反比。
色调分辨力随波长变化而改变，480～6 40nm区间色
光的色调分辨力较高。
饱和度变小时，人眼的色调分辨力下降。
亮度太 大或太小时，人眼的色调分辨力下降
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
彩色细节分 辨力
•人眼对彩色细节的分辨力远比对黑白细节的分辨力低
背景颜色白红蓝
斑点颜色黑 .绿.绿.
可分辨斑点直径
1mm2.5mm5mm
细节色别黑白黑绿黑红黑蓝绿红红 蓝绿蓝
分辨力100%94%90%26%40%23%19%
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★视觉模型
——人眼的视觉特性彩色饱和度分辨力
视觉所能分辨的色光饱和度由100到0变化的等级
数称为彩色饱和度分 辨力
彩色饱和度分辨力随波长变化而改变。数值在4
～25之间。红色、蓝色区域饱和度分辨力 较高
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
视觉惰性视觉惰性是人眼重要特性之一
，它描述了主观亮度与光作用
时间的关系。当一定强度的光< br>突然作用于视网膜时，人眼并
不能立即产生稳定的亮度感觉
，而须经过一个短暂的变化过
程才能达到稳定的亮度感觉。
在过渡过程中，亮度感觉先随
时间变化由小到大，达到最 大
值后，再回降到稳定的亮度感
觉值。
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
错觉
视觉系统所感觉到的物体的形
状并不是简单的投影到视网膜
上的原封不动的形状。
对 形状的感觉受到物体自身形
状及周围背景的影响。
这类影响是多种多样的，有神
经系统 引起的错视现象也有心
理因素的作用。
。
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
视觉惰性< br>当光线消失后的视觉残留现象
称为视觉暂留或视觉残留。人
眼视觉暂觉留时间，在日间视
觉时约为0.02秒，中介视觉时
为0.1秒，夜间视觉时为0.2秒
，中介视觉是介 于日视觉与夜
视觉之间的状态。人眼亮度感
觉变化滞后于实际亮度变化，
以及视觉暂留 特性，总称为视
觉惰性。
视觉暂留时间在0.02～0.2秒
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★视觉模型
——人眼的视觉特 性
错觉
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
错觉
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
马赫带现象是1868年由奥地利物理学家E.马赫发现的一种明度对比现 象。
生理学对马赫带效应的解释是：人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制。
简而言之，同样 的物体放在暗背景里看起来亮，放在亮背景里看起来暗。
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★视觉模 型
——人眼的视觉特性
马赫带现象是1868年由奥地利物理学家E.马赫发现的一种明度对比 现象。
生理学对马赫带效应的解释是：人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制。
简而言之，同 样的物体放在暗背景里看起来亮，放在亮背景里看起来暗。
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★色度学
•了解颜色的形成原理
•了解颜色 的基本属性
•理解颜色空间
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★视觉模型
——人眼的视觉特性
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★色度学
•颜色是视觉系统对可见光的感知结果。< br>•在1670年，牛顿证明了一束白光可以由所有颜色混合得来
•当阳光穿越三棱镜，会产生一条 如彩虹般的色带。这条色
带就被称为色谱。这种分离光的方式称作“色散”。彩虹就
是阳光穿越 水汽（水滴）形成的三棱镜而产生的一个色谱。
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★色度学
•从物理学的角度来说，光
是一种电磁波。这些波的
波谷间（波峰间）的距离
被称作波长。
•色谱的顺序为红、橙、黄
、绿、蓝、靛蓝、紫。这
是因为每一种光的波 长都
是不同的。我们可感知的
波长最长的光是红色光的
，而波长最短的是紫色光
。人眼可以看到的波长范
围被称为“可见光”。
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红光显红色是因为...
★色度学——我们怎样感知 色彩
•为什么苹果看起来是红色的？简单地说，物体将光反射到
我们的眼睛中，随即相应信息传 输至大脑，于是大脑感知
到了色彩。苹果之所以看起来是红色的，是因为苹果表面
反射了红色的 光，而吸收了其它的色光。
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绿光显绿色是因为…
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★色度学—— 光与颜色
•颜色是视觉系统对可见光的感知结果，它与光有着密切
的联系。
•一个物体 的表面必须与光发生作用，才能产生颜色的感
觉。
•在光与物体表面原子相互作用时，物体吸收 了一些波长
的光，并反射其余波长的光。
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★色度学——彩色空间
•面向诸如彩色监视器、彩色 视频摄像机和彩色打印机的硬件
设备。面向硬件设备的彩色模型主要有RGB模型、CMY（青、
品红、黄）模型和CMYK（青、品红、黄、黑）模型。RGB模
型主要用于彩色监视器和彩色视频摄 像机；CMYK主要用于
彩色打印机。
•面向诸如彩色动画图形创作等的彩色处理应用。面向彩 色处
理应用的模型主要是HSI模型（hue-saturation-intensity，
即色调、亮度和饱和度）。
•面向电视信号应用的，如YUV、YIQ空间
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★色度学——颜色的度量
•可以用色调、饱和度、亮度来描述颜色，但是这种描
述方式是很主观的，如何用数学方法来定量描述颜 色
信息呢？
•颜色信息能否量化？
•实验表明：一些颜色的混合可以产生几乎所有的可 见
颜色。
•数学问题：在一个什么样的坐标系下，如何定义某种
颜色？---颜色空间
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★色 度学——RGB空间
现代颜色视觉理论中的三色学说认为人眼的锥状细胞是
由红、绿、蓝三种感 光细胞组成的。
自然界中的任何一种颜色都可以由R、G、B这3种颜色值
之和来确定。
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★色度学——RGB空间
人眼的视网膜上有三种椎体细胞
感红椎体细胞
感绿椎体细胞
感蓝椎体细胞
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★色度学——RGB空间
¾数学描述：
¾在 RGB颜色空间，色光F都可以
用R、G、B这3种颜色不同分量
的相加混合而成，即
F=r[R]+g[G]+b[B]
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★色度学——RGB空间
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★色度学——RGB空间
最常用的用途就是显示器系 统，彩色阴极射线管使用R、G、
B数值来驱动R、G、B 电子枪发射电子，并分别激发荧光屏
上的R、G、B三种颜色的荧光粉发出不同亮度的光线，并通
过相加混合产生各种颜色。
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★色度学——RGB空间
荧光面
控制电路
电子枪像
素
发
光
电子束
点
CTR结构示意图
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★色度学——RGB空间
红色+ 蓝色= 品红色
红色+ 绿色= 黄色
绿色+ 蓝色= 青色
红色+ 绿色+ 蓝色= 白色
红色+ 青色= 白色
绿色+ 品红色= 白色
蓝色+ 黄色= 白色
所以，一般把青色、品红
色和黄色称为红、绿、篮
三色的补色。
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★色度学——RGB空间
在RGB模式中，由红、绿 、蓝相叠加可以产生其它颜色，因此该模式也叫加色模
式。所有显示器、投影设备以及电视机等等许多设 备都依赖于这种RGB加色模式
来实现的。
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★色度学——CMY空间
•补色：从白色中减去颜色 A所形成的颜色，称之为颜色A的补色
（complementary color)。
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★色度学——CMY空间
¾油墨或颜料的3 基色是：青（Cyan）、品红（Magenta
）和黄（Yellow），简称为CMY。
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★色度学——C MY空间
(减色混合)
¾RGB的互补空间—CMY空间
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★色度学——CMY空间
(减色混 合)
•印刷三原色CMY青(C)、品(M)、黄(Y)
•颜料是吸收光线，而不是增强光线 ，因此颜料的三原色必须
是可以个别吸收红、绿、蓝的颜色，那就是红绿蓝的补色
例：黄色+青 色颜料
黄色颜料—吸收蓝色光，青色颜料—吸收红色光
只剩下绿色光可以反射出来，故黄色+青 色=绿色
杨涛西北工业大学计算机学院Email: yangtaonwpu@ 主页： ★色度学——CMYK空间
(减色混合)
•这种表色系用于印刷行业。
•是一种减 色系统，将从白光中滤出三种原色之后获得的颜
色作为其表色系的三原色CMY。
•K为黑色， 为了印刷时对黑色可用黑色墨来印刷。
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★色度学 ——CMYK空间
(减色混合)
•理论上：印刷三原色混合，将得到黑色
•现实中并找 不到这种光线吸收、反射特性都十分完美的颜
料，将三种颜色混合后还是会有些许光线反射出来，而呈现
暗灰色或深褐色。
•用颜料三原色也无法混和出许多暗色系的颜色，因此实际
印刷的时 候会额外加入黑色的颜料，以解决无法产生黑色的
问题。
•CMYK的色彩模式，K表示黑色。
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★色度学——CMYK空间
(减色混合)
●CMYK 青、品红、黄、黑
C
K
MY
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★色度学——CMYK空间
(减色混合)
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★色度学——HSI空间
•HSI（hue- saturation-intensity）彩色模型比较适合
于人用色调（H）、饱和度（S）和亮 度（I）描述被观
察物体颜色的解释，对于开发基于彩色描述的图像处理
方法是一个理想的工具 。
•HSB合乎人对彩色的认识：
色彩：色调、饱和度
亮度：非彩色属性，对应黑白图 像的灰度。
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★色度学——HSI空间
•右图是2个红色圆 圈。
•首先，它们都是红色的。
•但是左边的颜色要比右边
的更亮一些。
•而 且，左圈的颜色更饱满
一些，右边则显得灰暗一
些。
•因此，颜色可以从不同角
度加以描述。
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★色度学——HSI空间
HSI颜色空间优势
•更加接近于人们对颜色的直观感受。< br>•彩色（色调和饱和度）+亮度（灰度），相互独立，分
开处理，简化了图像分析和处理的工作量 。
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★ 色度学——HSI空间
•光的物理性质：波长（光速，频率）和幅度
•人眼对色彩的感觉：色调 、饱和度和亮度
–色调——波长
–亮度——幅度
–饱和度——色光的纯度
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★色度学——HS I空间
●
亮度
——彩色光作用于人眼时，视觉上引
起的明暗程度，它与光的发 射功率有关。
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★色度学——HSI空间
•I表示光照强度 或称为亮度，它确定了像
素的整体亮度，而不管其颜色是什么。
I: 小大
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★色度学——HSI空间
•H：表示色度，由角度表示。反映了该颜色
最接近什么样的光谱波长 。0
o
为红色，120
o
为绿色，240
o
为蓝色。
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★色度学— —HSI空间
●
亮度
——彩色光作用于人眼时，视觉上引
起的明暗程度，它与 光的发射功率有关。
●
色调
——描述颜色的种类，反映了观察者
接收到的主要 颜色。人眼感觉到物体反射或发射
自然光中纯度最高的颜色
光波的波长。
黑白灰没有色 调信息
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★色度学——HSI空间
H=0º
H=60º
H=120º
H=180ºH =240ºH=300º
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★色度学——HSI空间
●
亮度
——彩色光作用于人眼时，视觉上引
起的明暗程度，它与光的发射功率有关。
●
色调
——描述颜色的种类，反映了观察者
接收到的主要颜色。人眼感觉到物体反射或发 射
自然光中纯度最高的颜色
光波的波长。
黑白灰没有色调信息
●
饱和 度
——色彩的饱和程度，亦称“鲜
艳度”、“纯净度”。纯度不够时，色调区分
不明显 ，亮度也受到影响。某一色调参入白光，
色调不变但饱和度降低
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★色度学——HSI空间
S=0S= 14S=12S=1
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★色度学——HSI空间
•S：表示饱和度，饱和度参数是色环的原点到彩色点的半径长度。
•在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值
为1。在中心是中性（灰 ）色，即饱和度为0。
绿
。
。
黄
P
S
H
青
。
·
。
红
蓝
。
品红
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★色度学——HSI空间
H SI双锥体圆锥横切面：色环线条示意图
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★色度学 ——YUV空间
应用需求：
（1）彩色电视机与黑白电视的兼容问题。
（2）传输需求 ，需要通过压缩色度信息，占用较少
的带宽。
解决思路：
¾亮度和彩色信号分离。¾相互独立的彩色分量。
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★色度学——RGB—YUV
R = Y + 1.402 (V-128)
G = Y -0.34414 (U-128) -0.71414 (V-128)
B = Y + 1.772 (U-128)
Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B
U = -0.1687 R -0.3313 G + 0.5 B + 128
V = 0.5 R -0.4187 G -0.0813 B + 128
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★色度学——YUV空间
彩
色
黑
电
白
视
电
信
视
号
信
号
Y,U,VY
Y
Y,0,0
黑白电视机
彩色电视机
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★色度学——RGB—HSI
推导可参考Smith, A.R. [1978]. “Color Gamut Transform Pairs.” Proc.
SIGGRAPH’78, published as Computer Graphics, Vol.12, no.3, pp.12-19
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★色度学 ——RGB—HSI
推导可参考Smith, A.R. [1978]. “Color Gamut Transform Pairs.” Proc.
SIGGRAPH’78, published as Computer Graphics, Vol.12, no.3, pp.12-19
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★采样和量化
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★采样和量化
•采样
–一幅图像需采样多少 点能达到不失真？
•量化
–均匀量化
–非均匀量化
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★采样和量化
265x180< br>133x9066x4533x22
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★采样和 量化
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★本章小结
图像本身的客观性质而言，至今尚未找到一个更加贴切
的数学模型来表达图像的内在 实质视觉模型
对视觉器官以及人的生理和心理特性的研究也远未穷尽
边缘学科知识的带动作用< br>杨涛西北工业大学计算机学院Email: yangtaonwpu@ 主页：
★采样 和量化
256灰度级
16灰度级8灰度级4灰度级
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★作业
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★作业
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★作业
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★作业
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