第2章 数字图像处理基础

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第2章 数字图像处理基础2.1 色度学基础 2.2 人眼的视觉特性 2.3 图像的数字化

2.4 图像的代数运算2.5 灰度直方图

2.6 图像文件格式及类型

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本章学习目标： 掌握色度学基础知识

理解人眼的视觉特性 掌握图像的数字化过程 了解图像的代数运算 理解灰度直方图的概念及其应用 了解图像文件的格式及类型

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2.1 色度学基础 彩色是光的一种属性，没有光就没有彩色。 在光的照射下，人们通过眼睛感觉到各种物体的彩色，这些 彩色是人眼特性和物体客观特性的综合效果。 在太阳光的照射下，人们可以看到五彩缤纷的大自然景物。 图像是由人的视觉系统接受物体透射或者反射的光学信息， 然后在大脑中形成的印象和认识，是客观存在的多维物体在 人脑中的“成像”。 因此要研究图像处理就得先从色度学以及人眼的视觉特 性两方面开始。

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2.1.1 三基色原理

光和色由光学理论知道，光是一种以电磁波形式存在的物质， 它的波长范围大约在 380~780nm(1nm=10-9m)之间。

由于这段电磁波的辐射能为人眼看得见，所以称为可见光,习惯上简称为光。人眼对不同波长的光引起不同的颜色 感觉，例如，波长为400nm左右和波长为700nm左右的光

,给人以紫和红的感觉。在可见光的范围内，按波长的依次递减，相应颜色排列为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七 种颜色，把这些色光混合在一起就得到白光。

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把一束光(太阳光)斜射到玻璃棱镜上 ，通过棱镜折射后，可将其分解为波长由长 到短排列的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七 色彩带，如下图所示。这种现象也表明了白 光不是单色光，而是由七色光合成的。

太阳光的分解

光和色本质上是一回事，色 是光的一种形式，色既是客 观物质，又是人眼对客观物 质的视觉反映，色觉是视觉 的一种特性。

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彩色三要素：

亮度、色调和色饱和度称为彩色三要素。任何一 种彩色对人眼引起的视觉作用，都可以用彩色三 要素来描述。1)亮度: 亮度是指人眼所感觉的彩色的明暗程度，亮度取 决于光线的强弱。另外，亮度与波长的长短有关，强度相 同但波长不同的光给人眼的亮度感觉也是不同的，生活中 观察15W的绿色灯泡发出的光比15W的红色灯泡亮，15W 的红色灯泡比15W的蓝色灯泡亮，就是这个道理。光强度是指光波作用于感受器所发生的效应 ，其大小是由物体反射系数来决定，反射系 数越大，物体的光强度愈大，反之愈小。

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彩色三要素

2)色调: 色调是指彩色的颜色类别，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别表示不 同的色调。色调取决于彩色的光谱

成分， 不同波长的光具有不同的色调。色度是由物体反射光线中占优势的波长来决定 ，不同的波长产生不同的颜色感觉，如红、橙

、黄、绿、青、蓝、紫等。它是彩色最为重要的属性，是决定颜色本质的基本特性。

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彩色三要素

3)色饱和度: 色饱和度是指彩色的深浅程度。同 一色调的彩色，其色饱和度越高，颜色越深。色饱和度与 彩色中所掺入的白光比例有关，掺入的白光越多，色光越 浅，色饱和度越低。色饱和度用百分数表示，如某色光中 若掺入一半的白光，则色饱和度为50%,未掺入白光的纯 色光，其色饱和度为100%。白光的色饱和度为0。

色调和色饱和度统称为色度。彩色电视系

统不仅像黑白电视系统那样能够传送景物的亮度信息，还要传送景物的色度信息。

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三基色原理和混色法

三基色原理：实验证明，将红、绿、蓝三种色光投射到一个白色的 屏幕上，调节三种色光的不同比例，几乎可以混合出自然 界所有的彩色。用来混色的三种单色光称为基色。用三基 色可以混合成其他彩色的原理称三基色原理。 在电视技术中，以红(R)、绿(G)、蓝 (B) 为三 基色，红光的波长取700nm,绿光的波长取546.1nm, 蓝光的波长取435.8nm。

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三基色原理：

三基色原理的主要内容有：1) 自然界的所有彩色几乎都可用三种基色按一定的比 例混合而成；反之，任何彩色也可分解为比例不同的三种 基色； 2) 三种基色必须是相互独立的，即任一基色不能由另 外两种基色混合而成；

3) 用三基色混合成的彩色，其色调和色饱和度皆由三 基色的比例决定；4) 混合色的亮度等于参与混色的基色的亮度的总和。

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混色法：

彩色电视重现景物的彩色，通常是靠 彩色显像管荧光屏上的三种荧光粉在电子 束轰击下发出各自的基色光而完成的，即 它们分别发出红、绿、蓝三种基色光，并 混合成彩色图像，这三种基色称为显像三基色。

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利用三基色按不同的比例混合来获得彩色的方法称为混 色法。彩色显像管之所以能够显示出各种各样的丰富多彩 的彩色是利用了三基色的混色原理。彩色显像管中的荧光 粉粒本身是发光体，它的混色规律是遵从相加混色法，即 以彩色光的互相叠加来实现混色产生另一种新的彩色光。 相加混色法的混色规律可用下图表示：

以等量的红、绿、蓝三基色光进行相加 混色效果如下：红色十绿色=黄色；绿 色十蓝色=青色；蓝色十红色=紫色；红 色十绿色十蓝色=白色。

相加混色

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三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。根据人眼的三基色吸收特性，人眼所感受到

的颜色其实是三种基色 按照不同比例的组合。国际照明委员会(CIE)为了建立统一的标准， 于1931年制定了特定波长的三基色标准：蓝(B=435.8nm)、绿 (G=546.1nm)、红(R=700nm)。这样，任一彩色C均可表示为：

C (C ) R( R) G(G) B( B)其中C为未知色光，(R),(G),(B)为三基色光， C,R,G,B 为调配系数。

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2.1.2 颜色模型为了科学地定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜色 模型。目前常用的颜色模型按用途可分为两类，一类面向诸 如视频监视器、彩色摄像机或打印机之类的硬件设备。另一 类面向以彩色处理为目的的应用，如动画中的彩色图形。面 向硬件设备的最常用彩色模型是 RGB 模型，而面向彩色处

理的最常用模型是HSI模型。另外，在印刷工业上和电视信号传输中，经常使用CMYK和YUV色彩系统。

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(1) RGB模型 RGB 颜色空间是图像处理中最基础的颜色模型，它是 在配色实验基础上建立的。其 RGB 彩色空间示意图如图所

示，RGB颜色空间的主要观点是人的眼睛有红、绿、蓝3种色感细胞，它们的最大感光灵敏度分别落在红色、蓝色和绿 色区域，其合成的光谱响应就是视觉曲线，由此可推论出任 何彩色都可以用红、绿、蓝3种基色来配制。c[C ] n[ N ] p[ P] q[Q] c[C ] n[ N ] p[ P] q[Q] c[C ] n[ N ] p[ P] q[Q]其中[C]为未知色光，[N],[P],[Q]为三基色光，c,n,p,q 为调配系数。

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RGB彩色空间示意图

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(2) HSI模型HIS 颜色模型是 Munseu (孟赛尔)颜色系统中的一种，以人眼的

视觉特征为基础，利用三个相对独立、容易预测的颜色心理属性：色度(Hue)、光强度 (Intensity) 和饱和度 (Saturation)来表示颜色，反映了人 的视觉系统观察彩色的格式。

HIS颜色系统模型：

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(3) HIS 与 RGB 之间的非线性映射 对任何 3 个[ 0 , 1 ]范围内的 R、 G、 B值，其对应 HSI模型 中的I、S、H分量的计算公式为1 I ( R G B) 3 3 S I [min( R, G, B)] ( R G B) [( R G ) ( R B)] / 2 arccos G B 2 1/ 2 [( R G ) ( R B)(G B)] H [( R G ) ( R B)] / 2 2- - arccos G B 2 1/ 2 [( R G ) ( R B)(G B)]

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0 1 2 R G B 0 90 tan G B 255 / 360 3 G B 0 1 2 R G B 0 0 90 tan 180 255 / 360 G B 3 G B H 255 G B

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常见彩色图像处理流程：

I分量

I分量 图像处理

原始 图像

RGB模型

HSI模型 变换

S分量

RGB 模型 变换

处理 结果

H分量

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5l91.html