《数字图象处理》 第二章 图象与视觉系统

第二章图象与视觉系统 光的特性 视觉系统 颜色 CIE色度图 常用颜色模型 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021年2月20日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 1 第二章 图象与视觉系统 • 光的特性 • 视觉系统 • 颜色 • CIE色度图 • 常用颜色模型

2.1光的特性 光是一种电磁波。在电磁波谱中,可见光仅占很窄 的一个波谱范围。其波长在0.38~0.76um之间。下图(a) 示出电磁波谱的大致划分。可见光的低频率端是红色, 高频率段是紫色。从高频到低频的光谱颜色的变化分别 是紫、蓝、青、绿、黄、橙、红,如图(b)所示。 太阳或灯泡等光源发射可见光谱中的全部频率而产生 白色光。当白色光投射到一个物体上时,某些频率被反 射,某些则被物体吸收了。在反射光中混合的频率确定 了我们所感受到的物体的颜色。如果在反射光中以低频 率为主,则物体呈现红色,此时,我们可以说光主要含 有光谱中红色端的频率 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021年2月20日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 2 2.1 光的特性 光是一种电磁波。在电磁波谱中，可见光仅占很窄 的一个波谱范围。其波长在0.38～0.76m之间。下图(a) 示出电磁波谱的大致划分。可见光的低频率端是红色， 高频率段是紫色。从高频到低频的光谱颜色的变化分别 是紫、蓝、青、绿、黄、橙、红，如图(b)所示。 太阳或灯泡等光源发射可见光谱中的全部频率而产生 白色光。当白色光投射到一个物体上时，某些频率被反 射，某些则被物体吸收了。在反射光中混合的频率确定 了我们所感受到的物体的颜色。如果在反射光中以低频 率为主，则物体呈现红色，此时，我们可以说光主要含 有光谱中红色端的频率

可见光 γ射X射紫外红外线 无线电波 线线线 微波超中|长 短波陂波 0. 0lnm Inm . u 10 u 1cm 10cm 10m lkm 100km 电磁波谱分布 卩紫」蓝青绿黄橙红 0.380.430.470.50.560.590.620.76(μum) 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021 年 2 月20 日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 3 可见光 γ 射 无线电波 线 X 射 线 紫 外 线 红外线 微波 超短 短波 中波 长 波 0.01nm 1nm 0.1 μ 10 μ 0.1cm 10cm 10m 1km 100km 电磁波谱分布 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 0.38 0.43 0.47 0.5 0.56 0.59 0.62 0.76( m)

除了频率以外,描述光的各种性质还需要另一些特征。 在观察光源时,我们的眼睛对颜色(或主频率)和另外两 个基本的感觉作出反应。其中之一是亮度,即感受到的光 明度。第二个感受的特征是光的纯度或饱和度。这三种特 征:主频率、明度和纯度通常用来描述光源的不同性质 通常用色度说明纯度和主频率这两种颜色特征。 另外,人的眼睛只能看到可见光部分,但就目前科技 水平看,能够成像的并不仅仅是可见光。一般来说可见光 的波长为0.38~0.76μm,而迄今为止人类发现可成像的 射线已有多种,如: 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021年2月20日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 4 除了频率以外，描述光的各种性质还需要另一些特征。 在观察光源时，我们的眼睛对颜色（或主频率）和另外两 个基本的感觉作出反应。其中之一是亮度,即感受到的光 明度。第二个感受的特征是光的纯度或饱和度。这三种特 征：主频率、明度和纯度通常用来描述光源的不同性质。 通常用色度说明纯度和主频率这两种颜色特征。 另外，人的眼睛只能看到可见光部分，但就目前科技 水平看，能够成像的并不仅仅是可见光。一般来说可见光 的波长为0.38～0.76μm，而迄今为止人类发现可成像的 射线已有多种，如：

Y射线:0.003~0.03nm; Ⅹ射线:0.03~3nm 紫外线:3~300nm; 红外线:0.8~300um; 微波:0.3~100cm。 这些射线均可以成像。利用图像处理技术把这些不 可见射线所成图像加以处理并转换成可见图像,实际上 大大延伸了人类视觉器官的功能,扩大了人类认识客观 世界的能力。 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021年2月20日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 5 γ射线：0.003～0.03nm； X射线：0.03～3nm； 紫外线：3～300nm； 红外线：0.8～300μm； 微波：0.3～100cm。 这些射线均可以成像。利用图像处理技术把这些不 可见射线所成图像加以处理并转换成可见图像，实际上 大大延伸了人类视觉器官的功能，扩大了人类认识客观 世界的能力

22视觉系统 眼睛中的光接受器主要是视网膜中的视觉细胞。有两 种类型的视觉细胞,分别称为锥状体和杆状体。锥状体只 有在光线明亮的情况下才起作用,它具有辨别光波波长的 作用,因此对颜色非常敏感。每个眼睛的锥状体大约有700 万个。杄状体比锥状体的灵敏度高,在较暗的光线下就能 起作用,但是它没有辨别颜色的能力,又叫夜视觉,所以 黑暗中看到的东西没有颜色,其数量大约有1亿三千万个。 当眼睛接受到的光包含所有可见光信号,且其强度大 体相近时,人们感觉到的是没有颜色的白光。在光源为白 光的照射下,若物体能反射80%以上的入射光,则看上去是 白色的。若反射光小于3%,物体看上去是黑色的,中间值 对应不同程度的灰色。为了表示方便,光强度可以规一化 到0~1之间,0对应黑色,1对应白色,中间值对应灰色。 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021年2月20日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 6 2.2 视觉系统 眼睛中的光接受器主要是视网膜中的视觉细胞。有两 种类型的视觉细胞，分别称为锥状体和杆状体。锥状体只 有在光线明亮的情况下才起作用，它具有辨别光波波长的 作用，因此对颜色非常敏感。每个眼睛的锥状体大约有700 万个。杆状体比锥状体的灵敏度高，在较暗的光线下就能 起作用，但是它没有辨别颜色的能力，又叫夜视觉，所以 黑暗中看到的东西没有颜色，其数量大约有1亿三千万个。 当眼睛接受到的光包含所有可见光信号，且其强度大 体相近时，人们感觉到的是没有颜色的白光。在光源为白 光的照射下，若物体能反射80%以上的入射光，则看上去是 白色的。若反射光小于3%，物体看上去是黑色的，中间值 对应不同程度的灰色。为了表示方便，光强度可以规一化 到0～1之间，0对应黑色，1对应白色，中间值对应灰色

光能本身是无颜色的,颜色是人们眼睛感知光后产生 的生理和心理现象。眼睛对光的感觉称为光觉,对颜色的 感觉称为色觉,这是眼睛的基本特性。光觉的门限值大约 为1×10cd/m(尼特),人眼感觉光的范围的最大值和最小 值之比达到10以上。但人的眼睛并不能同时对这样大范围 的明亮程度都作出反应。某一时刻眼睛只能感知很小范围 的明亮度。 般情况下,在相同亮度的刺激下,背景亮度不同所 感觉到的明暗程度也不同,例如白天我们看不见星星,而 夜晚却能看到。同样,在观察颜色时,在图形的色度一样 但背景颜色不一样时,感觉到的图象的色度也不一样。这 种现象叫做对比现象。对比现象包括亮度对比和颜色对比 实验表明,在背景亮度比目标亮度低的场合,感觉目标有 定亮度。当背景亮度比目标亮时,看到的目标就有亮的 多的感觉。同时,对比效果在背景大的场合比较显著 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021年2月20日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 7 光能本身是无颜色的，颜色是人们眼睛感知光后产生 的生理和心理现象。眼睛对光的感觉称为光觉，对颜色的 感觉称为色觉，这是眼睛的基本特性。光觉的门限值大约 为1×10cd/m(尼特），人眼感觉光的范围的最大值和最小 值之比达到10以上。但人的眼睛并不能同时对这样大范围 的明亮程度都作出反应。某一时刻眼睛只能感知很小范围 的明亮度。 一般情况下，在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所 感觉到的明暗程度也不同，例如白天我们看不见星星，而 夜晚却能看到。同样，在观察颜色时，在图形的色度一样， 但背景颜色不一样时，感觉到的图象的色度也不一样。这 种现象叫做对比现象。对比现象包括亮度对比和颜色对比。 实验表明，在背景亮度比目标亮度低的场合，感觉目标有 一定亮度。当背景亮度比目标亮时，看到的目标就有亮的 多的感觉。同时，对比效果在背景大的场合比较显著

23颜色 白光通过棱镜,就会折射出颜色的光谱。一般可以分 解成红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七色。可见光谱的每部 分都有它自己唯一的值,它被称之为颜色,理论上可以选 择几百万种颜色,从一种颜色转换成另一种颜色实际上很 难区别。可见光谱可以由多种颜色构成,但是人们一般只 看到一种颜色,它是多种颜色混合后结果。因为人眼有把 多种颜色相混合的能力 在心理生物学上,颜色由其色彩、色饱和度和明度决 定。顾名思义,色彩即颜色的“色彩”,它是某种颜色据 以定义的名称。色饱和度是单色光中掺入白光的度量,单 色光的色饱和度为100%,白光加入后,其色饱和度下降, 非彩色光的色饱和度为0%,明度为光的强度值 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021年2月20日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 8 2.3 颜色 白光通过棱镜，就会折射出颜色的光谱。一般可以分 解成红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七色。可见光谱的每部 分都有它自己唯一的值，它被称之为颜色，理论上可以选 择几百万种颜色，从一种颜色转换成另一种颜色实际上很 难区别。可见光谱可以由多种颜色构成，但是人们一般只 看到一种颜色，它是多种颜色混合后结果。因为人眼有把 多种颜色相混合的能力。 在心理生物学上，颜色由其色彩、色饱和度和明度决 定。顾名思义，色彩即颜色的“色彩”，它是某种颜色据 以定义的名称。色饱和度是单色光中掺入白光的度量，单 色光的色饱和度为100%，白光加入后，其色饱和度下降， 非彩色光的色饱和度为0%，明度为光的强度值

在心理物理学上,与色彩、色饱和度和明度相对应的 是主波长、色纯和亮度。在可见光谱上,单一波长的电磁 能所产生的颜色是单色的。光的颜色由其主波长决定,而 色纯则由单色光中掺入的白光量的相对大小决定。亮度与 光的能量成比例,它是单位面积上所接受的光强。 纯的单色光在实际生活中是少见的,人们所看到的颜 色都是混合色。彩色图形显示器(CRT)上每个像素都是 由红、绿、蓝三种荧光点组成,这是以人类视觉颜色感知 的三刺激理论为基础设计的。三刺激理论基于这样一个假 设:人类眼睛视网膜中的锥状视觉细胞,分别对红、绿 蓝三种光最敏感。实验表明,对蓝色敏感的细胞对波长为 440nm左右的光最敏感;对绿色敏感的细胞对波长为 545m左右的光最敏感;对红色敏感的细胞对波长为 580nm左右的光最敏感。实验还显示,人类眼睛对蓝光的 灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度。 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021年2月20日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 9 在心理物理学上，与色彩、色饱和度和明度相对应的 是主波长、色纯和亮度。在可见光谱上，单一波长的电磁 能所产生的颜色是单色的。光的颜色由其主波长决定，而 色纯则由单色光中掺入的白光量的相对大小决定。亮度与 光的能量成比例，它是单位面积上所接受的光强。 纯的单色光在实际生活中是少见的，人们所看到的颜 色都是混合色。彩色图形显示器（CRT）上每个像素都是 由红、绿、蓝三种荧光点组成，这是以人类视觉颜色感知 的三刺激理论为基础设计的。三刺激理论基于这样一个假 设：人类眼睛视网膜中的锥状视觉细胞，分别对红、绿、 蓝三种光最敏感。实验表明，对蓝色敏感的细胞对波长为 440nm左右的光最敏感；对绿色敏感的细胞对波长为 545nm左右的光最敏感；对红色敏感的细胞对波长为 580nm左右的光最敏感。实验还显示，人类眼睛对蓝光的 灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度

24CIE色度图 两种不同的颜色可以混合生成另一种颜色。如果两种 颜色混合成白色光,它们就被称为互补色。红色和青色 绿色和品红,以及蓝色和黄色都是互补色。适当选择两种 或多种初始颜色,可以形成许多其它颜色。用来生成其它 颜色的初始颜色称为基色 在实际的基本颜色中,没有哪一组集合能组合生成所 有可见的颜色。然而,三种基色对多数应用来说是足够的。 通常采用红、绿、蓝作为三种基色,即RGB加色系统。下 图示出用来生成任何一种光谱颜色的红、绿、蓝色的量。 从曲线图中可知,500nm波长附近的颜色只能从蓝光和绿光 混合相加所得的光中再加负红光才能得到。但实际上不存 在负的光强,因此,RGB彩色监视器不能显示500nm波长左 右的颜色。 2021年2月20日 数字图象处理演示稿纪玉波制作

2021年2月20日 数字图象处理演示稿 纪玉波制作 (C) 10 2.4 CIE色度图 两种不同的颜色可以混合生成另一种颜色。如果两种 颜色混合成白色光，它们就被称为互补色。红色和青色， 绿色和品红，以及蓝色和黄色都是互补色。适当选择两种 或多种初始颜色，可以形成许多其它颜色。用来生成其它 颜色的初始颜色称为基色。 在实际的基本颜色中，没有哪一组集合能组合生成所 有可见的颜色。然而，三种基色对多数应用来说是足够的。 通常采用红、绿、蓝作为三种基色，即RGB加色系统。下 图示出用来生成任何一种光谱颜色的红、绿、蓝色的量。 从曲线图中可知，500nm波长附近的颜色只能从蓝光和绿光 混合相加所得的光中再加负红光才能得到。但实际上不存 在负的光强，因此，RGB彩色监视器不能显示500nm波长左 右的颜色