彩色数字图像基础

1. 彩色数字图像基础 四川大学 计算机学院 陈 虎 huchen@scu.edu.cn

2. 视觉系统对颜色的感知 • 颜色是什么 • 视觉系统对可见光的感知结果 • 可见光是波长在380～780 nm之间的电磁波，我 们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许 多不同波长的光组合成的，因此有多种颜色的感觉 • 颜色只存在于眼睛和大脑， • 人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的 三种锥体细胞（约有600万到700万个，主要位于视网膜的中间部分） • 杆状体细胞在光功率极低的条件下才起作用（约7500万到15000 万个，分布在视网膜表面） • 在计算机图像处理中，锥体细胞扮演重要角色

3. 视觉系统对颜色的感知 • 视觉系统对颜色的感知特性 • 眼睛本质上是一个照相机 • 人的视网膜(human retina)通过神经元感知外部世界的颜 色，每个神经元是一个对颜色敏感的锥体(cone)

4. 视觉系统对颜色的感知 • 红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同 • 这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低表示 图像的数据量而不使人感到图像质量有明显下降。 • 从理论上说，自然界中的任何一种颜色都可以由 R，G，B这三种颜色值之和来确定，它们构成一个三维的RGB矢量空间 • 这就是说，R，G，B的数值不同，混合得到的颜色就不 同，也就是光波的波长不同

5. 视觉系统对颜色的感知 视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线 （各个波长的光的强度相等）

6. 视觉系统对颜色的感知 • 上面的颜色响应曲线表明，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。 • 亮度响应曲线表明人眼对波长为550nm左右的黄绿色最为敏感。

7. 视觉系统对颜色的感知 • 许多具有不同光谱分布的光产生的视觉效果（颜色）是一样的。即光谱与颜色的对应是多对一的。 • 光谱分布不同而看上去相同的两种颜色称为条件等色（匹配等色）。 • 绝大部分可见光谱对眼睛的刺激效果都可以用红（700nm）、绿（546.1）、蓝（435.8nm）三色光按不同比例和强度的混合来等效表示。（三刺激理论）

8. 视觉系统对颜色的感知 匹配任意可见光所需的三原色光比例曲线

9. 视觉系统对颜色的感知 • 从人的主观感觉角度，颜色包含三个要素： 1、色调（hue）： 色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。色调大致对应光谱分布中的主波长。

10. 视觉系统对颜色的感知 2、饱和度（Saturation） 饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。

11. 视觉系统对颜色的感知 3、明亮度（luminance） 明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。 大量试验表明，人的眼睛能分辨128种不同的色调，10－30种不同的饱和度，而对亮度非常敏感。人眼大约可以分辨35万种颜色。

12. 人的主观感觉 • 人的视觉系统能够适应光强度的级别的范围是很宽的，由夜视阈值到强闪光之间的光强度的级别约为1010级 ； • 背景亮度会影响到对目标亮度的感觉； • 同时对比度（Simultaneous Contrast） 在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同,人眼所感受到的主观亮度不同

22. 颜色模型 • 颜色模型（color model）是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义。某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。 • 颜色空间通常用三维模型表示，空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定 • 对于人来说，可以通过色调、饱和度和亮度来定义颜色（HSL颜色模型）；对于显示设备来说，可以用红、绿、蓝磷光体的发光量来描述颜色（RGB颜色模型）；对于打印设备来说，可以使用青色、品红、黄色和黑色颜料的用量来指定颜色（CMYK颜色模型）。

23. RGB颜色模型 • 显示彩色图像用RGB相加混色模型 • 一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由 该物体发出的光波决定 • CRT使用3个电子枪分别产生红(red)、绿(green)和蓝(blue)三 种波长的光，如图4-1所示，并以各种不同的相对强度组合 产生不同的颜色

24. RGB颜色模型 • RGB相加混色模型 • 组合红、绿和蓝光波来产生特定颜色的方法叫做相加混色 法(additive color mixture) ，即RGB相加混色模型 • 相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法 • 任何一种颜色都可用三种基本颜色按不同的比例混 合得到 • 颜色＝R(红的百分比)＋G(绿的百分比)＋B(蓝的百分比)

25. RGB颜色模型 • 三种颜色的光强越强，到达我们眼睛的光就越多，它们的比例不同，我们看到的颜色也就不同。没有光到达眼睛，就是一片漆黑 • 当三基色等量相加时，得到白色；等量的红绿相加而蓝为0时得到黄色；等量的红蓝相加而绿为0时得到品红色；等量的绿蓝相加而红为0时得到青色。

26. RGB颜色模型 • 彩色图像 • 一幅彩色图像可以看成是由许多的点组成的 • 图像中的单个点称为像素(pixel)，每个像素都有一个值， 称为像素值，它表示特定颜色的强度

27. RGB颜色模型 • 一个像素值通常用R，G，B三个分量表示。如果每个像素 的每个颜色分量“1”和“0”表示，即每种颜色的强度是100% 或0%，每个像素显示的颜色是8种颜色之一。

28. CMY颜色模型 • 打印彩色图像用CMY相减混色模型 • 用这种方法产生的颜色之所以称为相减混色，是因 为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光 • 一个不发光波的物体称为无源物体，它的颜色由该 物体吸收或者反射哪些光波决定用 用彩色墨水或颜料进行混合，绘制的图画是一种无源物 体，用这种方法生成的颜色称为相减色

29. CMY颜色模型 • CMY相减混色模型 • 用三种基本颜色即青色(cyan)、品红(magenta)和黄色 (yellow)的颜料按一定比例混合得到颜色的方法，通常写 成CMY，称为CMY模型 • 从理论上说，任何一种颜色都可以用青色(cyan)、品红 (magenta)和黄色(yellow)混合得到 • 实际上，因为所有打印油墨都会包含一些杂质，这三种油墨混合实际上产生一种土灰色，必须与黑色 (K) 油墨混合才能产生真正的黑色，所以再加入黑色作为基本色形成CMYK颜色模型。

30. CMY颜色模型 • 在相减混色中，三基色相减结果如下

31. CMY颜色模型 • 按每个像素每种颜色用1位表示，相减法产生的8 种颜色如下所示

32. 相加色与相减色的关系 • 相加色与相减色是互补色 • 相加混色和相减混色之间成对出现互补色, • 利用它们之间的关系，可把显示的颜色转换成打印的颜色 • 在RGB中的颜色值为1的地方，在CMY对应的位置上，其颜色 值为0。例如，RGB为0∶1∶0时，对应CMY为1∶0∶1

33. 相加色与相减色的关系

34. 相加色与相减色

35. RGB模型到CMYK模型的转换 分色算法（F代表白色）

36. RGB彩色空间和CMY彩色空间 RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法

37. HSI颜色模型 • HSI模型是Munseu提出的， 它反映了人的视觉系统观察彩色的方式，在艺术上经常使用HSI模型。 • HSI模型中，H表示色调(Hue)，S表示饱和度(Saturation)， I表示亮度(Intensity，对应成像亮度和图像灰度)。 • 这个模型的建立基于两个重要的事实： ① I分量与图像的彩色信息无关； ②H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。 这些特点使得HSI模型非常适合借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法。

38. HSI颜色模型

39. HIS格式

40. HSI格式 • 色相环描述了色相和饱和度两个参数。色相由角度表示，它反映了该彩色最接近什么样的光谱波长。一般假定0°表示的颜色为红色， 120°的为绿色，240°的为蓝色。0°到240°的色相覆盖了所有可见光谱的彩色，在240°到300°之间为人眼可见的非光谱色（紫色）。 • 饱和度是指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高，颜色越深， 如深红，深绿。饱和度参数是色环的原点（圆心）到彩色点的半径的长度。由色相环可以看出，环的边界上纯的或饱和的颜色， 其饱和度值为1。在中心是中性（灰色）阴影， 饱和度为0。

41. HSI格式

42. RGB转HSI 其中R、G、B均介于[0，1]

44. HSI转RGB 1、当H落在[0度，120度]时

45. HSI转RGB 2、当H落在[120度，240度]时

46. HSI转RGB 3、当H落在[240度，360度]时

47. HSI转RGB

48. HIS和RGB

49. HIS和RGB

50. 彩色图