Chapter2數(shù)字圖像表示及其處理

1、第第2章章 數(shù)字圖像表示及其處理數(shù)字圖像表示及其處理2.1 人眼成像及視覺(jué)信息的產(chǎn)生人眼成像及視覺(jué)信息的產(chǎn)生 2.2 圖像形成模型圖像形成模型2.3 圖像的數(shù)字化圖像的數(shù)字化 2.4 數(shù)字圖像的基本類(lèi)型數(shù)字圖像的基本類(lèi)型2.5 數(shù)字圖像的基本文件格式數(shù)字圖像的基本文件格式2.6 像素之間的基本關(guān)系像素之間的基本關(guān)系人眼2.1 人眼成像及視覺(jué)信息的產(chǎn)生人眼成像及視覺(jué)信息的產(chǎn)生 虹膜的中間有一個(gè)圓孔，稱(chēng)為瞳孔。它的大小可以由連接虹膜的環(huán)狀肌肉組織來(lái)調(diào)節(jié)，以控制進(jìn)入眼睛內(nèi)部的光通量大小，其作用和照相機(jī)中的光圈一樣。最內(nèi)一層為視網(wǎng)膜，它的表面分布有大量光敏細(xì)胞。 人類(lèi)視網(wǎng)膜感光細(xì)胞有視桿人類(lèi)視網(wǎng)膜感光

2、細(xì)胞有視桿 (rod)和視錐和視錐(cone)細(xì)胞細(xì)胞兩種。視桿細(xì)胞對(duì)光的敏感性較高，只能區(qū)別明暗、兩種。視桿細(xì)胞對(duì)光的敏感性較高，只能區(qū)別明暗、而無(wú)色覺(jué)。視錐細(xì)胞對(duì)光的敏感性較差，但能辨別而無(wú)色覺(jué)。視錐細(xì)胞對(duì)光的敏感性較差，但能辨別顏色，且對(duì)物體表面的細(xì)節(jié)和境界顏色，且對(duì)物體表面的細(xì)節(jié)和境界 都能看得清楚，都能看得清楚，有很高的分辨力。有很高的分辨力。視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)和兩種感光換能系統(tǒng)視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)和兩種感光換能系統(tǒng)視網(wǎng)膜的感光換能系統(tǒng)視網(wǎng)膜的感光換能系統(tǒng) 視桿細(xì)胞視桿細(xì)胞視錐細(xì)胞視錐細(xì)胞數(shù)量數(shù)量1.21.2 10109 9個(gè)個(gè)6 6 10107 7個(gè)個(gè)感光色素感光色素1 1種（視紫紅質(zhì)）種（視紫

3、紅質(zhì)）3 3種種分布分布中間和周邊均少中間和周邊均少中央凹最多，向外越少中央凹最多，向外越少突觸聯(lián)系突觸聯(lián)系樹(shù)狀樹(shù)狀一對(duì)一一對(duì)一功能功能暗光覺(jué)暗光覺(jué)晝光覺(jué)，色覺(jué)晝光覺(jué)，色覺(jué) 視桿細(xì)胞特征視桿細(xì)胞特征主要負(fù)責(zé)暗視條件下的視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)桿狀細(xì)胞大約在可見(jiàn)光譜的范圍內(nèi)，對(duì)微小變化的光線非常敏感桿狀細(xì)胞可以接收的光強(qiáng)幾乎是人工光學(xué)傳感器可接收光強(qiáng)的理論下限。這樣寬的工作范圍是到目前為止的任何一種人工光學(xué)傳 感器所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 視錐細(xì)胞特征視錐細(xì)胞特征主要負(fù)責(zé)顏色視覺(jué)和敏銳性；在暗視條件下作用變?nèi)酰虼嗽谝雇韼缀鯖](méi)有顏色視覺(jué)2.22.2圖像形成模型一、亮度成像模型二、顏色成像模型三、顏色空間圖2-2 圖

4、像數(shù)字化器數(shù)字成像傳感器圖象圖象的形成的形成一、亮度成像模型 人們?nèi)粘？吹降膱D像一般是由目標(biāo)物體上反射出的光亮度而得到的，因此，一幅圖像基本上由兩部分構(gòu)成： （1）入射到可見(jiàn)場(chǎng)景上光的量 i (x,y)； （2）場(chǎng)景中目標(biāo)物體反射光的量 r(x,y) 。i (x,y)-照度成分r(x,y)-反射成分由于圖像與照度成分和反射成分都成正比，所以可以認(rèn)為圖像是由照度和反射量相乘得到的,即 f(x,y)=i(x,y)r(x,y) f(x,y)為圖像的二維函數(shù)表示。這樣，把一幅圖像用二維函數(shù)f(x,y)來(lái)表示。此時(shí)，在特定的坐標(biāo)(x,y)處，f的值或幅度是一個(gè)正的標(biāo)量，當(dāng)為單色圖像，該標(biāo)量就是圖像值的灰

5、度級(jí)。 f(x,y)=i(x,y)r(x,y) 二、顏色成像模型 人的視覺(jué)不僅能感知光的刺激，還將不同頻率的電磁波感知為不同的顏色。光能本身是無(wú)顏色的，顏色是人們眼睛感知光后產(chǎn)生的生理和心理現(xiàn)象。眼睛對(duì)光的感覺(jué)稱(chēng)為光覺(jué)，對(duì)顏色的感覺(jué)稱(chēng)為色覺(jué)，這是眼睛的特性。人的彩色視覺(jué)彩色視覺(jué)的物理基礎(chǔ)是人類(lèi)視網(wǎng)膜中有感受彩色的傳感器錐(cone）細(xì)胞 。 Young-HelmhotzYoung-Helmhotz三色假說(shuō)三色假說(shuō)為了解釋視覺(jué)對(duì)顏色的感知能力，美國(guó)物理學(xué)家Thomas Young 1801年提出三色假說(shuō)，后來(lái)由Helmholtz加以發(fā)展，形成著名的Young-Helmholtz三色學(xué)說(shuō)視錐細(xì)胞含

6、有對(duì)光做出反應(yīng)的感光色素，分別為：第一類(lèi)：藍(lán)色敏感短波長(zhǎng)第二類(lèi)：綠色敏感中波長(zhǎng)第三類(lèi)：紅色敏感長(zhǎng)波長(zhǎng) 三色假說(shuō)的中心內(nèi)容：三色假說(shuō)的中心內(nèi)容：假設(shè)有三種視覺(jué)(錐體)感受器，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)三種顏色敏感；當(dāng)光線同時(shí)作用在這三種感受器上時(shí)，三個(gè)感受器產(chǎn)生的興奮程度不同；在不同波長(zhǎng)光的刺激下發(fā)出不同的信號(hào)，傳至大腦，產(chǎn)生不同的顏色感覺(jué)，三種感受器處于等強(qiáng)度興奮時(shí)，便產(chǎn)生白色的感覺(jué)。 現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展充分證實(shí)了三色假說(shuō)的合理性。人類(lèi)視知覺(jué)信息處理系統(tǒng)人類(lèi)視知覺(jué)信息處理系統(tǒng)一些研究人員利用20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的顯微分光光度術(shù)、眼底反射術(shù)等新技術(shù)，成功地鑒別了不同類(lèi)型的視錐色素，并發(fā)現(xiàn)每類(lèi)視錐細(xì)胞都在一

7、個(gè)較大波長(zhǎng)幅度內(nèi)起作用視錐細(xì)胞數(shù)量紅敏感：400萬(wàn)綠敏感：200萬(wàn)藍(lán)敏感：100萬(wàn)三種視錐細(xì)胞的吸收 峰 分 別 為 5 6 4（ 紅 敏 ） 、 5 3 4（ 綠 敏 ） 、 4 2 0（藍(lán)敏）納米。 三原色假說(shuō)的驗(yàn)證三原色假說(shuō)的驗(yàn)證例如600 nm的單色黃光就處在VR（）、 VG（）曲線之下， 所以600 nm的單色黃光既激勵(lì)了紅敏細(xì)胞， 又激勵(lì)了綠敏細(xì)胞， 可引起混合的感覺(jué)。當(dāng)混合紅綠光同時(shí)作用于視網(wǎng)膜時(shí)， 分別使紅敏細(xì)胞、 綠敏細(xì)胞同時(shí)受激勵(lì)， 只要混合光的比例適當(dāng)， 所引起的彩色感覺(jué)， 可以與單色黃光引起的彩色感覺(jué)相同。色盲/色障/色弱患者大多為紅綠色盲原因（參見(jiàn)Sekuler &a

8、mp; Blake, 1994）紅綠視錐細(xì)胞缺失/損壞根據(jù)三色假說(shuō)，不同波長(zhǎng)的光對(duì)三種細(xì)胞的刺激量是不同的，產(chǎn)生的彩色視覺(jué)各異，人眼因此能分辨出五光十色的顏色。現(xiàn)在很多顯示技術(shù)正式基于這一假設(shè)，在圖像復(fù)現(xiàn)過(guò)程中，不是重現(xiàn)原來(lái)景物的光譜分布，而是利用3種相似于紅、綠、藍(lán)錐狀細(xì)胞特性的3種光源進(jìn)行配色，在色感上得到相同的效果。人眼對(duì)顏色的采樣采用相應(yīng)的紅、綠和藍(lán)三種錐體細(xì)胞，這些錐體細(xì)胞采樣得到的信號(hào)通過(guò)大腦產(chǎn)生不同顏色的感覺(jué)，這些感覺(jué)由國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)作了定義：用顏色的三個(gè)特性，即色調(diào)（ h u e ） ， 飽 和 度 （ s a t u r a t i o n ） 和 明 度（brig

9、htness）來(lái)區(qū)分。人眼看到任意彩色光都是這三個(gè)特性的綜合效果。1) 亮度（ Intensity ）:指由于彩色刺激而使人眼感覺(jué)到的明暗程度；亮度為光的強(qiáng)度值或灰度值2) 色調(diào)（Hue）:色調(diào)是光波混合中與主波長(zhǎng)有關(guān)的屬性，色調(diào)表示觀察者接收的主要顏色。3) 飽和度（Saturation）:指色彩的濃淡程度，如粉紅色是欠飽和的。飽和度與所加白光數(shù)量成反比。亮度、色調(diào)和飽和度色調(diào)是與混合光譜中色調(diào)是與混合光譜中主要光的波長(zhǎng)相聯(lián)系的，或者說(shuō)主要光的波長(zhǎng)相聯(lián)系的，或者說(shuō)觀察者感覺(jué)到的主要顏色。觀察者感覺(jué)到的主要顏色。每個(gè)波長(zhǎng)代表不同的色調(diào) 。它反映顏色的種類(lèi)，決定顏色的基本特性。某一物體的色調(diào)，是

10、指該物體在日光照射下所反射的各光譜成分作用于人眼的綜合效果，對(duì)于透射物體則是透過(guò)該物體的光譜綜合作用的結(jié)果。當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)物體是紅色、橘黃色、黃色時(shí)，是指它的色調(diào)。色色 調(diào)調(diào)（Hue）飽和度飽和度( (saturation)saturation)飽和度越高，色彩越艷麗、越鮮明突出，越能發(fā)揮飽和度越高，色彩越艷麗、越鮮明突出，越能發(fā)揮其色彩的固有特性。但飽和度高的色彩容易讓人感到其色彩的固有特性。但飽和度高的色彩容易讓人感到單調(diào)刺眼。飽和度低，色感比較柔和協(xié)調(diào)，可混色太單調(diào)刺眼。飽和度低，色感比較柔和協(xié)調(diào)，可混色太雜則容易讓人感覺(jué)渾濁，色調(diào)顯得灰暗。雜則容易讓人感覺(jué)渾濁，色調(diào)顯得灰暗。 飽和度是單

11、色光中摻入白光的度量，單色光的色飽和度為100%，白光加入后，其色飽和度下降，非彩色光的色飽和度為0%。v 為了科學(xué)地描述和使用顏色，需要建立描述顏色為了科學(xué)地描述和使用顏色，需要建立描述顏色的數(shù)學(xué)方法，即建立色彩模型。的數(shù)學(xué)方法，即建立色彩模型。v 建立彩色模型可看作建立一個(gè)建立彩色模型可看作建立一個(gè)3D的坐標(biāo)系統(tǒng)，其的坐標(biāo)系統(tǒng)，其中每個(gè)空間點(diǎn)都代表某一特定的彩色。中每個(gè)空間點(diǎn)都代表某一特定的彩色。v 彩色模型也稱(chēng)為彩色空間，或者彩色系統(tǒng)。在彩彩色模型也稱(chēng)為彩色空間，或者彩色系統(tǒng)。在彩色圖像處理中，選擇合適的彩色模型是很重要的。色圖像處理中，選擇合適的彩色模型是很重要的。三、彩色空間（模型）

12、三、彩色空間（模型）顏色模型主要有HSV、RGB、HSI、CHL、LAB、CMY、CMYK等。它們?cè)诓煌男袠I(yè)各有所指，但在計(jì)算機(jī)技術(shù)方面運(yùn)用最為廣泛。彩色模型種類(lèi)彩色模型種類(lèi)自然界中絕大部分的可見(jiàn)光譜可以用紅、綠和藍(lán)三基色光按不同比例和強(qiáng)度的混合來(lái)表示。RGB分別代表著3種顏色：R、G、B 。 RGB顏色模型是相加混色，稱(chēng)為加色模型。 RGBRGB顏色模型顏色模型 Fr Rg Gb B紅藍(lán)綠品紅黃青任意色F 可以用R、G、B三色不同分量的相加混合而成，即：R（波長(zhǎng)=700.00nm)G（波長(zhǎng)=546.1nm)B （波長(zhǎng)=435.8nm) RGB顏色模型是相加混色，稱(chēng)為加色模型。GBR Fr

13、Rg Gb BFRGBRGB顏色模型顏色模型 對(duì)于真彩色圖像R:0255; G:0255;B:0255黑(0,0,0)綠(0,255,0)藍(lán)(0,0,255)白(255,255,255)紅(255,0,0)RGBRGB真彩色真彩色黃(1,1,0)黑(0,0,0)綠(0,1,0)青(0,1,1)藍(lán)(0,0,1)品紅(1,0,1)白(1,1,1)紅(1,0,0)圖中黑色在原點(diǎn)處，白色位于離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的角上。不同的灰度等級(jí)沿著從原點(diǎn)的黑色（0, 0, 0）到點(diǎn)（1,1,1）的白色的主對(duì)角線分布，在主對(duì)角線上各原色的強(qiáng)度相等。綠(0,1,0)RGBRGB空間的歸一化表示空間的歸一化表示RGBRGB顏色模

14、型應(yīng)用顏色模型應(yīng)用 RGB顏色空間是一種與硬件設(shè)備相關(guān)的色彩空間，彩色電視和計(jì)算機(jī)彩色顯示器就是基于三基色原理，采用R、G、B相加得到各種各樣的顏色。如彩色陰極射線管使用R、G、B數(shù)值來(lái)驅(qū)動(dòng)R、G、B 電子槍發(fā)射電子，并分別激發(fā)熒光屏上的R、G、B三種顏色的熒光粉發(fā)出不同亮度的光，并通過(guò)相加混合產(chǎn)生各種顏色。 基于三基色原理的CRT顯示器陰極射線管使用R、G、B數(shù)值來(lái)驅(qū)動(dòng)R、G、B 電子槍發(fā)射電子，并分別激發(fā)熒光屏上的R、G、B三種顏色的熒光粉發(fā)出不同亮度的光，并通過(guò)相加混合產(chǎn)生各種顏色。使用R、G、B數(shù)值來(lái)驅(qū)動(dòng)R、G、B 液晶光閥，分別發(fā)出不同亮度的R、G、B三種顏色的光，并通過(guò)相加混合產(chǎn)生

15、各種顏色?；谌淼囊壕э@示器v 施加電壓的大小控制通過(guò)光線的亮度VcomClcRGBClcClcRBGTFT液晶顯示器結(jié)構(gòu)液晶顯示器結(jié)構(gòu)TFT液晶顯示器工作原理液晶顯示器濾光片彩色成像設(shè)備工作原理彩色成像CCD或CMOS)設(shè)備的關(guān)鍵是濾色器陣列。圖所示是一種常用的濾色器形式 Bayer filter。GCFS濾色器彩色成像設(shè)備的濾光片透過(guò)率曲線是根據(jù)人眼三種彩色視覺(jué)細(xì)胞的光譜靈敏度曲線來(lái)設(shè)計(jì)的，優(yōu)化設(shè)計(jì)的紅、綠、藍(lán)濾光片的峰值波長(zhǎng)分別為600nm、545nm、450nm，峰值半寬高分別為50nm、50nm、40nm。索尼相機(jī)光譜靈敏度函數(shù)RGBRGB顏色模型特點(diǎn)顏色模型特點(diǎn) RGB顏色

16、空間的主要缺點(diǎn)是不直觀，從RGB顏色空間中很難知道該值所表示顏色的認(rèn)知屬性，因此RGB顏色空間不符合人對(duì)顏色的感知心理。 其次，RGB顏色空間是最不均勻的顏色空間之一，兩種顏色之間的知覺(jué)差異不能采用該顏色空間中兩個(gè)顏色點(diǎn)之間的距離來(lái)表示。 由于RGB顏色空間是一種與硬件設(shè)備相關(guān)的色彩空間，與人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色相似性的主觀判斷不符合，因此在圖像分析過(guò)程中經(jīng)常會(huì)將RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到符合人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的顏色空間中。 CMYK顏色空間顏色空間彩色印刷或彩色打印的紙張是不能發(fā)射光線的，因而印刷機(jī)或彩色打印機(jī)就只能使用一些能夠吸收特定的光波而反射其它光波的油墨或顏料。油墨 或 顏 料 的 三 基 色 是

17、青 （ C y a n ） 、 品 紅（Magenta）和黃（Yellow），簡(jiǎn)稱(chēng)為CMY。CMY模型是指采用青色（Cyan）、品紅色（Magenta）、黃色（Yellow）3種基本顏色按一定比例合成顏色的方法，是一種依靠反光顯色的色彩模式。 CMY顏色空間顏色空間 CMY模型稱(chēng)為減色模型，產(chǎn)生的顏色被稱(chēng)為相減色，這是因?yàn)樵贑MY模型中，顯示的色彩不是直接來(lái)自于光線的色彩，而是光線被物體吸收掉一部分之后反射回來(lái)的剩余光線所產(chǎn)生的。 CMY空間正好與RGB空間互補(bǔ)，也即用白色減去RGB空間中的某一顏色值就等于同樣顏色在CMY空間中的值。CMY(K)是一種依靠反光的色彩模式光源“CMYK色彩空間”

18、的三基色：青色（C，紅色的補(bǔ)色）、品紅色（M，也稱(chēng)為“洋紅色”，綠色的補(bǔ)色）、黃色（Y，藍(lán)色的補(bǔ)色）。黃（Yellow）品紅（Magenta）青（Cyan）CMY模型三基色青色物質(zhì)吸收紅光只反射綠光和藍(lán)光，品紅色物質(zhì)吸收綠光只反射紅光和藍(lán)光，黃色物質(zhì)吸收藍(lán)光只反射紅光和綠光，所以理論上，同等量的青色、品紅色、黃色三種顏色混在一起的顏色為黑色（無(wú)反射光出來(lái)）。由于彩色墨水和顏料的化學(xué)特性，用等量的CMY三基色得到的黑色不是真正的黑色，因此在印刷術(shù)中常加一種真正的黑色，所以CMY又寫(xiě)成CMYK。 CMY 與 CMYK在印刷中，同樣是用CMYK四種油墨來(lái)產(chǎn)生各種顏色的，因此印刷采用的是“色彩減色法”

19、。因印刷中，色彩的載體一般為紙，故紙的質(zhì)量對(duì)于印刷成色來(lái)說(shuō)同樣重要，若紙無(wú)法把油墨未吸收的光線全部反射出來(lái)，則在人眼中的成色就會(huì)差很多，所以在印刷中為了更好的成色要選用反射性較好的紙張。 CMY(K)模式與RGB模式的區(qū)別 紅藍(lán)綠品紅黃青CMY(K)RGBRGB模式是一種發(fā)光的色彩模式。比如在一間黑暗的房間里，你可以看到投射在墻壁上的光斑；CMY(K)是一種依靠反光的色彩模式。在黑暗房間里你是無(wú)法閱讀報(bào)紙的，我們之所以能夠看到報(bào)紙上的內(nèi)容是因?yàn)橛泄庹丈涞綀?bào)紙上，再反射到我們的眼中?？傊灰谄聊簧巷@示的圖像，就是RGB模式表現(xiàn)的。例如顯示器、投影儀、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等屬于RGB模式；在印刷品

20、上看到的圖像，就是CMYK模式表現(xiàn)的。例如，期刊、雜志、報(bào)紙、宣傳畫(huà)等，都是印刷出來(lái)的，那么就是屬于CMYK模式了。RGB空間轉(zhuǎn)換成CMY空間轉(zhuǎn)化公式： BGRYMC111 YUV模型 彩色電視信號(hào)傳輸時(shí)，將R、G、B改成亮度信號(hào)和色差信號(hào)。 PAL制式將RGB三色信號(hào)改組成Y、U、V信號(hào) Y-亮度，U、V-色差BGRY114. 0587. 0299. 0YBUYRV YUVYUV色彩空間的重要性色彩空間的重要性采用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號(hào)Y和色差信號(hào)U、V是分離的。如果只有Y信號(hào)分量而沒(méi)有U、V分量，那么這樣表示的圖就是黑白灰度圖。彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信號(hào)Y解決彩

21、色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問(wèn)題，使黑白電視機(jī)也能接收彩色信號(hào)。 Y,U,VYYY,0,0目的是為了可以與黑白電視兼容。目的是為了可以與黑白電視兼容。電視信號(hào)在發(fā)射時(shí)，轉(zhuǎn)換成電視信號(hào)在發(fā)射時(shí)，轉(zhuǎn)換成YUV形式，接收時(shí)再還形式，接收時(shí)再還原成原成RGB三基色信號(hào)，由顯像管顯示。三基色信號(hào)，由顯像管顯示。YUV色彩空間與RGB色彩空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：BGRVUY100. 0515. 0615. 0436. 0289. 0147. 0114. 0587. 0299. 0VUYBGR001. 0032. 2000. 1581. 0395. 0000. 1140. 1000. 0000. 1YIQYIQ顏

22、色模型顏色模型NTSC 制式將RGB三色信號(hào)改組成Y、I、Q信號(hào)Y IQ=0.299 0.587 0.1440.596 -0.275 -0.3210.212 -0.528 0.311RGBRGB=1.000 0.956 0.6201.000 -0.272 -0.6471.000 -1.108 1.705Y IQ轉(zhuǎn)換關(guān)系為： HSI 顏色模型顏色模型 HSIHue-Saturation-Intensity), 顏色模型用H、S、I三參數(shù)描述顏色特性，HSI 色彩空間是從人的視覺(jué)系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)、色飽和度和亮度來(lái)描述色彩。 色調(diào)（Hue）: 光線所呈現(xiàn)的顏色 飽和度（Saturation）:指色彩

23、的濃淡程度 亮度（ Intensity ）:指由于彩色刺激而使人眼感覺(jué)到的明暗程度；亮度為光的強(qiáng)度值.HSI彩色模型I：雙三棱錐中心線：表示光照強(qiáng)度或稱(chēng)為亮度，它確定了像素的整體亮度，而不管其顏色是什么。H：表示色度，由角度表示。反映了該顏色最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)。0o為紅色，120o為綠色，240o為藍(lán)色。0o到240o覆蓋了700nm435.8nm的可見(jiàn)光譜顏色。S：飽和度，飽和度參數(shù)是沿雙棱錐中心線垂直方向到彩色點(diǎn)的長(zhǎng)度。在雙棱錐的外表面是純的或稱(chēng)飽和的顏色，其飽和度值為1。在中心是中性(灰色)影調(diào)，即飽和度為0。0o120o240oI I 表示光照強(qiáng)度或稱(chēng)為亮度，它確定了像素的整體表示

24、光照強(qiáng)度或稱(chēng)為亮度，它確定了像素的整體亮度，而不管其顏色是什么。亮度，而不管其顏色是什么。 I: 小小 大大HSI彩色模型色度（色度（H H） 的效果示意圖的效果示意圖H=0H=60H=120H=180H=240H=300 S S：表示飽和度，飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)到彩色：表示飽和度，飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)到彩色點(diǎn)的半徑長(zhǎng)度。點(diǎn)的半徑長(zhǎng)度。在環(huán)的外圍圓周是純的或稱(chēng)飽和的顏色，其飽和度在環(huán)的外圍圓周是純的或稱(chēng)飽和的顏色，其飽和度值為值為1 1。在中心是中性（灰）色，即飽和度為。在中心是中性（灰）色，即飽和度為0 0。S飽和度（飽和度（S S） 的效果示意圖的效果示意圖S=0S=1S=1/4S=1

25、/2HSIHSI色彩空間和色彩空間和RGBRGB色彩空間的關(guān)系色彩空間的關(guān)系 ,)()()()(21cos. ,2; ,);,min(31 ; 3/ )(21BGBRGRBRGRBGBGHBGRISBGRIHSIHSI顏色模型優(yōu)點(diǎn)顏色模型優(yōu)點(diǎn)人的視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)常采用人的視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)常采用HSIHSI色彩空間，它比色彩空間，它比RGBRGB色彩空間更符合人的視覺(jué)特性。色彩空間更符合人的視覺(jué)特性。在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中大量算法都可在在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中大量算法都可在HSIHSI色彩空間中方便地使用，它們可以分開(kāi)處色彩空間中方便地使用，它們可以分開(kāi)處理而且是相互獨(dú)立的。因此，在理而且是相互獨(dú)立的。因

26、此，在HSIHSI色彩空間色彩空間可以大大簡(jiǎn)化圖像分析和處理的工作量?？梢源蟠蠛?jiǎn)化圖像分析和處理的工作量。RGBHSI彩色模型轉(zhuǎn)換hsi_g=rgb2hsi(rgb_f)clear all;close all;rgb_f=imread(d:workwoman.bmp);hsi_g=rgb2hsi(rgb_f); RGB轉(zhuǎn)換成HIS模型fh=hsi_g(:,:,1); 色調(diào)fs=hsi_g(:,:,2); 飽和度f(wàn)i=hsi_g(:,:,3); 亮度f(wàn)igure,imshow(fi) 顯示亮度分量RGB_hsichange.mRGBHSI彩色模型轉(zhuǎn)換rgb_g=hsi2rgb (hsi_f)色彩

27、空間及應(yīng)用色彩空間及應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用中，一幅圖像在計(jì)算機(jī)中用RGB空間顯示；用RGB或HSI空間編輯處理；打印輸出時(shí)要轉(zhuǎn)換成CMY空間；如果要印刷，則要轉(zhuǎn)換成CMYK四幅印刷分色圖，用于套印彩色印刷品。圖像采樣和量化圖像采樣和量化是將一幅畫(huà)面轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能處理的形式數(shù)字圖像。 2.3 圖像的數(shù)字化圖像的數(shù)字化 圖像數(shù)字化圖像數(shù)字化我們獲取圖像的方法有很多種，模擬圖像是不能直接用數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)處理的。為使圖像能在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，首先必須將各類(lèi)圖像（如照片，圖形，X光照片等等）轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像。為了產(chǎn)生一幅數(shù)字圖像，需要把連續(xù)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，即圖像數(shù)字化。圖像數(shù)字化包括兩種處理：采樣和量化

28、。數(shù)字圖像是離散采樣點(diǎn)的集合，每個(gè)點(diǎn)具有各自的屬性。象素對(duì)圖像采樣，就是把模擬圖像分割成若干個(gè)稱(chēng)為象素的小區(qū)域每個(gè)象素的屬性用一個(gè)或幾個(gè)數(shù)值來(lái)表示，如灰度圖像，該屬性用一個(gè)整數(shù)值表示亮度或灰度值?？梢?jiàn)，采樣是對(duì)圖像空間坐標(biāo)的離散化。 圖像采樣圖像采樣 圖像量化圖像量化經(jīng)過(guò)抽樣，模擬圖像已在空間上離散化為象素。但抽樣結(jié)果所得的象素的值仍是連續(xù)量。把采樣所得到的各象素的灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為量化。量化決定了圖像灰度的分辨率。如均勻量化為256個(gè)灰度級(jí)。25525412812710灰度圖像量化灰度圖像量化012.255Rr.012.255Gg.012.255Bb.彩色圖像的數(shù)字化彩色圖像的

29、數(shù)字化 數(shù)字圖像的表示方法數(shù)字圖像的表示方法數(shù)字圖像表示數(shù)字圖像表示當(dāng)一幅圖像f(x,y)被采樣，則產(chǎn)生的數(shù)字圖像有M行和N列。一幅圖像就變成離散量， 用一個(gè)2-D數(shù)組表示： f (x, y)x ， y：2-D空間XY中坐標(biāo)點(diǎn)的位置f：代表圖象在(x, y)的性質(zhì)F 的數(shù)值f，x，y 的值可以是任意實(shí)數(shù)性質(zhì)F : 可對(duì)應(yīng)不同物理量對(duì)于灰度圖象，f 代表(x,y)點(diǎn)處象素的灰度值這樣表示是很重要的，但并不表示這是圖像的實(shí)際物理坐標(biāo)值，只是一個(gè)約定。我們以下面的緊湊的矩陣形式表示完整的MN數(shù)字圖像：為了表達(dá)清楚和方便起見(jiàn)，我們通常用整數(shù)表示離散的坐標(biāo)。這樣原點(diǎn)的坐標(biāo)我們?cè)O(shè)為(x,y)=(0,0)。

30、沿圖像的第一行的下一個(gè)坐標(biāo)值用(x,y)=(0,1)來(lái)表示。) 1, 1(.) 1 , 1()0 , 1(.) 1, 1 (.) 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0(.) 1 , 0()0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffyxf1, 11 , 10, 11, 11 , 10, 11, 01 , 00, 0.NMMMNNaaaaaaaaaA數(shù)字圖像所用坐標(biāo)的M,N為正數(shù)，灰度 級(jí)取值為2的整數(shù)次冪L=2k,為k位圖像。在某些討論中，我們可以用傳統(tǒng)的矩陣來(lái)表示數(shù)字圖像和像素：) 1, 1(.) 1 , 1()0 , 1(.) 1, 1 (.) 1 , 1 ()0 , 1 ()

31、1, 0(.) 1 , 0()0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffyxf經(jīng)過(guò)數(shù)字化過(guò)程（采樣、量化）得到矩陣假定圖像取MN個(gè)像素，每個(gè)像素量化后的灰度級(jí)用Q表示，一般Q總是取為2的整數(shù)冪，即Q=2K, 則存儲(chǔ)一幅數(shù)字圖像所需的二進(jìn)制位數(shù)b為存儲(chǔ)一幅數(shù)字圖像所需的空間字節(jié)數(shù)B為bMNK()8KBMNByte如某幅圖像大小為MN=512512，灰度級(jí)Q=256=28，則存儲(chǔ)該幅數(shù)字圖像所需的二進(jìn)制位數(shù)b為： 8512512b字節(jié)數(shù)B為:KBByteB256)(262144512512空間分辨率變化產(chǎn)生的效果空間分辨率變化產(chǎn)生的效果 對(duì)1幅512512，256個(gè)灰度級(jí)的具有較多細(xì)節(jié)的圖像

32、，如果保持灰度級(jí)數(shù)不變僅將其空間分辨率減為256 256，就可能在圖中各區(qū)域的邊界處看到方塊狀的棋盤(pán)模式，并在全圖看到像素粒子變粗的現(xiàn)象。這種效果一般在128128的圖中看得更為明顯而在64 64和32 32的圖中就已相當(dāng)明顯了?？臻g分辨率變化產(chǎn)生的效果空間分辨率變化產(chǎn)生的效果512512256256128128646432321616幅度分辨率變化產(chǎn)生的效果幅度分辨率變化產(chǎn)生的效果現(xiàn)在仍借助上述512512，256級(jí)灰度級(jí)的圖，考慮減少圖像幅度分辨率(即灰度級(jí)數(shù))所產(chǎn)生的效果。如果保持空間分辨率而僅將灰度級(jí)數(shù)減為128或64，一般并不能發(fā)現(xiàn)有什么區(qū)別，如果將其灰度級(jí)數(shù)進(jìn)一步減為32，則在灰度

33、緩變區(qū)常會(huì)出現(xiàn)一些幾乎看不出來(lái)的非常細(xì)的山脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。這種效應(yīng)稱(chēng)為虛假虛假輪廓輪廓，它是由于在數(shù)字圖像的灰度平滑區(qū)使用的灰度級(jí)數(shù)不夠而造成的。它一般在用16級(jí)或不到16級(jí)均勻灰度數(shù)的圖中比較明顯。幅度分辨率變化產(chǎn)生的效果幅度分辨率變化產(chǎn)生的效果256灰度級(jí)8灰度級(jí)4灰度級(jí)2灰度級(jí)（木刻畫(huà)效果）64灰度級(jí)16灰度級(jí)黑黑白白圖圖像像灰灰度度圖圖像像彩彩色色圖圖像像2.4 數(shù)字圖像的基本類(lèi)型數(shù)字圖像的基本類(lèi)型灰度圖像是指每個(gè)像素的信息由一個(gè)量化的灰度級(jí)來(lái)描述的圖像，沒(méi)有彩色信息，如2級(jí)（二值圖像）、64級(jí)、256級(jí)。象素用8位表示的圖像，包含256個(gè)灰度，即用256種不同灰度值來(lái)表示圖像，灰度值為02

34、55，0表示黑色，255表示白色。任何模式的圖像都可轉(zhuǎn)換為灰度模式?；叶葓D像灰度圖像100220250180501202001500I黑白（二值）圖像黑白（二值）圖像二值圖像（黑白圖像）黑白圖像又稱(chēng)為二值圖像是指圖像的每個(gè)像素只能是黑或者白，沒(méi)有中間的過(guò)渡，即像素的值為0、1。100011110IRGB顏色模式下紅、綠、藍(lán)分別占用8位，每個(gè)像素包含24（83）位顏色信息。 RGB色彩模式的圖像可以在屏幕上生成多達(dá)25631,670萬(wàn)種顏色。RGB真彩色圖像真彩色圖像RGB彩色圖像是指每個(gè)像素的色彩信息由RGB三原色構(gòu)成的圖像，其中RGB是由不同的灰度級(jí)來(lái)描述的。每個(gè)像素的RGB分量是一個(gè)介于0

35、（黑色）255（白色）之間的灰度值。每一個(gè)象素的顏色由存儲(chǔ)在該位置的紅、綠、藍(lán)顏色共同決定。RGB彩色圖像不能用一個(gè)矩陣來(lái)描述了，是用三個(gè)矩陣同時(shí)來(lái)描述。00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800Bclear all;close all;rgb_f=imread(d:workwoman.bmp);imshow(rgb_f)fR=rgb_f(:,:,1);fG=rgb_f(:,:,2);fB=rgb_f(:,:,3);RGBimagebuile.m位圖圖像存儲(chǔ)空間：水平像素垂直像素每個(gè)像素所需位數(shù)8（字節(jié)B）24位

36、 8位(28=256) 4位(24=16) 8位(28=256) 1位(21=2) 一個(gè)像素所占的位數(shù) 24位真彩色 256色彩色 16色彩色 256級(jí)灰度 黑白 位圖圖像類(lèi)別 索引模式使用0255種顏色來(lái)表示圖像，當(dāng)一幅RGB圖像轉(zhuǎn)化為索引顏色時(shí)，將建立一個(gè)256色的顏色查找表（調(diào)色板）存放并索引圖像所用到的顏色。索引圖像把象素值直接作為索引顏色的序號(hào)，這樣，根據(jù)索引顏色的序號(hào)在調(diào)色板中可以查到該象素的實(shí)際顏色。對(duì)于256色圖像有256個(gè)索引顏色，相應(yīng)的調(diào)色板就有256個(gè)單元。索引圖像索引圖像調(diào)色板索引圖像索引圖像GRBGRB圖像圖像 數(shù)據(jù)區(qū)1N像素的調(diào)色板索引值像素的調(diào)色板索引值 調(diào)色板索

37、引色的圖像占硬盤(pán)空間較小，但是圖像質(zhì)量也不高，適用于多媒體動(dòng)畫(huà)和網(wǎng)頁(yè)圖像制作。顏色索引紅綠藍(lán)顏色索引紅綠藍(lán)0000251255255011280025200255253255025524925500254025525525002550255255255255256色彩圖像的索引表（調(diào)色板）不同類(lèi)型圖像之間的轉(zhuǎn)換RGB圖像灰度圖像Matalab 函數(shù)：gray_g=rgb2gray(rgb_f)作用：把一幅文件名為rgb_f的RGB圖像轉(zhuǎn)換成一幅灰度圖像，文件名gray_grgb_fgray_g%應(yīng)用rgb2gray 函數(shù)將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像clear all;close all;rgb_f

38、=imread(d:workwoman.bmp);imshow(rgb_f)gray_g=rgb2gray(rgb_f); %將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像figure,imshow(gray_g)RGB圖像灰度圖像Sortchange.m 位圖（BMP）BMP格式是微軟公司特為windows環(huán)境應(yīng)用設(shè)計(jì)的一種標(biāo)準(zhǔn),特點(diǎn)： BMP圖像文件擴(kuò)展名為bmp 可以多種色彩模式保存圖像，如16色、256色、32bit真彩色。 數(shù)據(jù)排列順序是從圖像左下角為起點(diǎn)存儲(chǔ)圖像，而不是以圖像的左上角作為起點(diǎn)。 調(diào)色板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，RGB三基色數(shù)據(jù)的排列順序恰好與其它格式文件的順序相反。2.5 數(shù)字圖像的基本文件格式數(shù)字圖

39、像的基本文件格式BMP圖像文件包括3部分： 位圖文件頭(也稱(chēng)表頭)； 位圖信息； 彩色表（調(diào)色板） ； 位圖陣列(即圖像數(shù)據(jù))。一個(gè)位圖文件只能存放幅圖像。BMP圖像文件的總體結(jié)構(gòu)圖像文件的總體結(jié)構(gòu)位圖文件的總體結(jié)構(gòu)位圖文件的總體結(jié)構(gòu) 文件頭 BITMAPFILEHEADER 位圖 信息 BITMAPINFOHEADER 調(diào)色板 RGBQUAD 數(shù)據(jù)區(qū) 文件頭 BITMAPFILEHEADER 位圖信息 BITMAPINFOHEADER 數(shù)據(jù)區(qū) 像素的像素的RGBRGB值值 像素的調(diào)色板索引值像素的調(diào)色板索引值RGB模式模式索引色模式索引色模式位圖文件頭長(zhǎng)度固定為14個(gè)字節(jié)，它給出圖像文件的類(lèi)

40、型、大小和位圖陣列的起始位置等信息。 文件頭文件頭(也稱(chēng)表頭也稱(chēng)表頭)BTPMAPFILEHEADER(位圖文件頭)BfType文件類(lèi)型，必須是0 x424D,即字符串“BM”bfSize指定文件大小，包括這14個(gè)字節(jié)bfReserved1保留字bfReserved2保留字bfOffBits從文件頭到實(shí)際位圖數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù) 位圖信息頭位圖信息頭位圖信息長(zhǎng)度固定為40個(gè)字節(jié)，給出圖像的長(zhǎng)、寬、每個(gè)像素的位數(shù)(可以是1，4，8，24，分別對(duì)應(yīng)單色、16色、256色和真彩色的情況)、壓縮方法、目標(biāo)設(shè)備的水平和垂直分辨率等信息。BITMAPINFOHEADER（位圖信息頭）bfSize該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，

41、為40biWidth圖像的寬度，單位是像素biHeight圖像的高度，單位是像素biplanes位平面數(shù)，必須是1，不用考慮biBitCount指定顏色位數(shù)，1為二色，4為16色，8為256色，16、24、32為真彩色biCompression指定是否壓縮，有效值為BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDSbiSizeImage實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)biXPelsPerMeter目標(biāo)設(shè)備水平分辨率，單位是每米的像素?cái)?shù)biYPelsPerMeter目標(biāo)設(shè)備垂直分辨率，單位是每米的像素?cái)?shù)biClrUsed實(shí)際使用的顏色數(shù)，若該值為0，則使用顏色數(shù)為2的biBitCo

42、unt次方種biClrImprotant圖像中重要的顏色數(shù)，若該值為0，則所有的顏色都是重要的位圖信息頭位圖信息頭 色彩表（調(diào)色板）色彩表（調(diào)色板）這里是對(duì)那些需要調(diào)色板的位圖文件而言的（如索引圖像），真彩色圖像是不需要調(diào)色板的。調(diào)色板是一個(gè)數(shù)組，該數(shù)組占4個(gè)字節(jié)。COLORTABLERgbBlue 該顏色的藍(lán)色分量RgGreen 該顏色的綠色分量RgbRed 該顏色的紅色分量RgbReseved 保留值 位圖陣列位圖陣列ImageData(位圖數(shù)據(jù))像素按行優(yōu)先順序排列，每一行的字節(jié)數(shù)必須是4的整倍數(shù)對(duì)于用到調(diào)色板的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該象素顏色在調(diào)色板中的索引值，對(duì)于真彩色，位圖陣列給出原始

43、圖像里每個(gè)像素藍(lán)、綠、紅的值(每3個(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素，分別是藍(lán)、綠、紅的值)。真彩色模式位圖文件的數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)構(gòu)真彩色模式位圖文件的數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)構(gòu)像素的像素的RGBRGB值值 ：數(shù)據(jù)排列順序是從圖像左下角為起點(diǎn)存儲(chǔ)圖像TIFF格式格式TIFF(Tagged lmage Fomat File)格式是一種獨(dú)立于操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的格式，很便于在軟件之間進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)交換，是目前最流行的圖像文件交換標(biāo)準(zhǔn)之一。TIFF格式文件設(shè)計(jì)考慮了擴(kuò)展性、方便性和可維修性，因此非常復(fù)雜。TIFF格式的描述信息很強(qiáng)，可以制定私人用的標(biāo)示信息。 TIFF格式支持任意大小的圖像，文件可分為二值圖像、灰度圖像、索引圖像、真彩色圖像。文件擴(kuò)展名為“.tifTIFF圖像文件包括文件頭、文件目錄(標(biāo)識(shí)信息區(qū))和文件目錄項(xiàng)(圖像數(shù)據(jù)區(qū))。文件頭圖像