图像视觉基础与数学基础

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1、第2章图像视觉基础与数学基础2.1光度学及色度学原理1.色彩的基本属性色彩是光的物理属性和人眼的视觉属性的综合反映。人眼对发光体或不发光体的色彩感觉，分别是因为不同光谱波长的辐射光或反射光刺激人眼视网膜内的感受器（视色素）使之兴奋的结果。色彩具有三个基本属性：色调、饱和度和亮度。色调是与混合光谱中主要光波长相联系的。（红绿蓝）饱和度表示颜色的深浅程度，与一定色调的纯度有关，纯光谱色是完全饱和的，随着白光的加入饱和度逐渐减少。（如深红、浅红等）亮度与物体的反射率成正比。颜色中掺入白色越多就越明亮，掺入黑色越多亮度越小。2.颜色视

2、觉（1）颜色的基础知识颜色的本质：不同频率的电磁波。人的脑和眼将不同频率的电磁波感知为不同的颜色。人感受到的不透明物体颜色主要取决于反射光的特性，如果物体比较均衡的反射各种光谱，则人看到的物体是白色的；如果物体对某些光谱反射的较多，则人看到的物体就呈现相对应的颜色。颜色与彩色：颜色可分为无彩色和有彩色两大类。无彩色：白色、黑色和各种深浅程度不同的灰色。有彩色：除去黑白系列以外的各种颜色。三基色：实验证明，任何色彩都可以由不同比例的三种独立的基本彩色型混合而得到。这三种相互独立的彩色称为三基色。相加混合法的三基色是：红、绿、蓝，

3、它们之间的任意一组混合都可以得到一种新的彩色。光的三原色印刷三原色三原色原理：任何颜色都可以用３种不同的基本颜色按不同的比例混合得到。标准三基色：国际照明委员会(CIE)规定：红色(R)：波长为700nm；绿色(G)：波长为546.1nm；蓝色(B)：波长为435.8nm。红绿蓝三原色按照比例混合可以得到各种颜色，其配色方程为：（2）颜色模型：所有颜色都可以看作3个基本颜色：红(R)、绿(G)、蓝(B)的不同组合。（i）RGB模型RGB模型面向彩色显示器或打印机等设备。RGB彩色立方体B(0,0,1)白灰黑GR(1,0,0)(

4、0,1,0)0蓝绿红（ii）HSI模型：基于区分颜色的3种基本特征量，即：色调（hue)饱和度(saturation)和亮度（intensity)。适合人的视觉系统。HSI格式可以用一个圆柱体表示：圆柱体横截面形成彩色环；色调由角度表示；饱和度由半径上的点至圆心的距离表示，圆周上的颜色其饱和度为1，圆心的饱和度为0；圆柱的轴线表示亮度，底部的亮度最低，顶部的亮度最高。亮度色调饱和度HSI模型的特点：（1）亮度（I）分量与图像的彩色信息无关；反映物体的明暗程度；（2）色调（H）和饱和度（S）分量与人感受颜色的方式紧密相连。适用：

5、借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法，面向以彩色处理为目的的应用，如：动画中的彩色图形。（3）RGB模型与HSI模型之间转换（i）从RGB转换到HSI色度用H表示，饱和度用S表示，亮度用I表示。（ii）从HSI转换到RGB分3段：当H在[0°，120°]之间：当H在[120°,240°]之间：当H在[240°,360°]之间：2.2人眼视觉基础1.亮度和颜色感觉的视觉特性刺激强度与感觉的关系：人眼的视觉效果是由可见光刺激人眼引起的。如果光的辐射功率相同而波长不同，则引起的视觉效果也不同。例：在等能量分布的光谱中，人眼感

6、觉最暗的是红色，其次是蓝色和紫色，最亮的是黄绿色。相对视敏函数：反映人眼对不同波长的光的敏感程度。当光的辐射功率相同时，波长λ为555nm的黄绿光的主观感觉最亮。以视敏度K（555）为基础，把任意波长为λ的光的主观感觉亮度称为波长λ的光的视敏度K(λ)。因此，任意波长光的相对视敏度函数（相对视敏度）。即为：亮度适应和颜色适应：人的视觉系统能适应的亮度范围是很大的(1010量级），但是人眼并不能同时感受很宽的亮度范围；客观亮度相同时，当背景亮度不同时，主观感受的亮度也不同。人眼的明暗感觉是相对的。亮度适应性：在外界光线的亮度发生

7、变化时，人眼的感受性也会发生变化。从明亮处到昏暗处的视觉适应性称为暗适应性；从暗环境到明环境适应性为亮适应性。亮度对比和颜色对比：视觉的主观亮度取决于视野中心（目标）与周围环境之间光照的相对强度。（1）马赫带效应马赫带：在视觉图像的明暗过渡带的两侧看到的亮带与暗带。（2）同时对比度现象此现象表明人眼对某个区域感觉到的亮度不仅仅依赖它的强度，而与环境亮度有关。同时对比度示例图马赫带效应：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。2.视觉的空间性质视觉的空间频率特性：空间频率是指视像空间变化的快慢。明亮的图像（清

8、晰明快的画面）意味着有大量的高频空间成分；模糊的图像只有低频空间成分。3.视觉的时间特性使视觉图像建立起来是需要时间的，而视觉图像建立起来之后，即使把目标图像拿走，视觉反应也要持续一段时间。因此而产生视觉的运动感觉。运动感觉：视觉的运动感觉与人对刺激信号的反应有关。刺激信号的