扩展光源：有一定发光面积的光源光度学亮度B(cd / m2)为：
d
dI dI B dS' dS cos d r d dS cos
扩展光源 d S' dS
N d
r
(a)
(b)
照度（illumination）：一个被光线照射的表面上的照度定义 为照射在单位面积上的光通量。设面元dS上的光通量为d， 则此面元上的照度E为：
？？
??？
2.3 颜色模型
2.3.1 颜色基础
颜色的维数？？
三基色原理：三种基色可以合成任意颜色。RGB（红绿蓝）三 基色，国际照明委员会（CIE），1931年规定3种基本色的波长 为R：700nm, G：546.1nm, B：435.8nm。
心理生物学感知原理：能够感知色调、饱和度和明度三个维度 的变化。
人类视觉系统对亮度变化的感知比对亮度本身要敏感，而且对光强度的 响应不是线性的，而是对数形式的（即：对暗光时亮度的增加比对亮光时亮 度的增加更敏感）。因此，有时会产生一些错觉，如马赫效应等。
• 这两个图形在视网膜上是固定不动的，但你对它的感觉却 是在两种可能 图形中动摇。 • 同时感觉到两种有意义的图形是很困难的！
E d 单位：lx（勒[克斯]），1 lx = 1 lm / m2 dS
照度是光源对物体辐射的一种量度，比较客观；亮度是 观察者对物体表面光强的量度，比较主观。
2.1.2 一个简单的成像模型
图像成像模型可表达为一个2-D亮度函数f (x, y)，因为亮 度是能量的量度，一定不为零且为有限值，即：
2.2.2.3
成像中的空间关系
1.成像几何 1) 投影变换: 将3-D客观场景投影到2-D图像平面 2) 成像过程:
三个坐标系统: 世界坐标系统 XYZ ; 摄象机坐标系统 xyz; 图像平面 xy; 从 XYZ 到 xyz，从 xyz 到 xy可以相互转换 透视变换： 3-D点投影后的图像平面坐标
整体视觉过程
视觉 ＝ “视” ＋ “觉”
2.2.2.2 视觉过程
1．光学过程 15 / 100 = 2.55 / 17
2．化学过程 主要有锥细胞和柱细胞两种细胞起作用。 锥细胞: 数量少，对颜色很敏感，它在明视觉或亮光 视觉中起到主要作用。 柱细胞: 数量多，分辨率比较低不感受颜色并对低照 度较敏感，它在暗视觉或微光视觉中起到主 要作用。 3．神经处理过程 每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触（ synapse）相连，每个神经元细胞借助其它的突触与其它细胞 连接，从而构成光神经（optical nerve）网络，光神经进一 步与大脑中的侧区域（side region of the brain）连接，并 到达大脑中的纹状皮层（striated cortex），对光刺激产生 的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光 的感觉转化为对景物的知觉。
色品坐标系
xyz相对三色系数（色品坐标），x+y+z=1； (x,y)CIE色度图中，对应于 x=y=0.33的 C点， 称等能量点，CIE标准白光。
X Y x , y , X Y Z X Y Z Z z , x y z 1 X Y Z
色度图
y
0.8 绿 520nm NTSC PAL 红
数字图像处理
(Digital Image Processing）
数字图像处理与模式识别研究所
山东科技大学信电学院
第二章 数字图像处理的基本知识
2.1 光的特性 2.2 视觉系统
2.3 颜色模型
2.4 图像的表示和类型
2.5 图像像素间的关系
2.1 光的特性
光的本质是电磁波。在电磁波谱中，可见光仅占很窄的一个波谱范围。 其波长在0.38～0.76m之间。下图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。
0 蓝
0.2
紫
色度图
700-770nm 0.8 x
2.3.2 常用颜色模型 1) RGB颜色模型 通常使用的彩色光栅显示器采用的就是RGB颜色模型系统。 RGB颜色模型是相加混色，称为加色系统。白光可以由RGB 三种基本色相加得到。产生1lm(流明)的白光所需要的三基色 近似值可以用下面的亮度方程来表示： 1lm(白光)﹦0.30lm(红)﹢0.59lm(绿)﹢0.11lm(蓝)
色空间中都可以用三维 空间中的一个点来表示
应用:面向电视显示、摄 象机\彩色扫描仪的输入/ 输出硬设备.
2) CMYK颜色模型
以品红、青、黄(Cyan,Magenta,Yellow)作为三基色所构 成的颜色模型也是一种常用的颜色表示系统。它是一种减色 系统。CMY减色系统和RGB加色系统颜色互为补色。所谓某颜 色的补色是从白色中减去这种颜色后所得的颜色。品红是绿 色的补色，青色是红色的补色，黄色是蓝色的补色。即相加 系统的补色就是相减系统的基色(R+G=黄，G+B=青，R+B=品 红）。
0 i ( x, y )
0 r ( x, y ) 1
2.2 视觉系统
• 2.2.1 人眼结构 • 2.2.2 视觉形成
• 2.2.3 视觉特性
2.2.1 人眼结构
• 三膜 外层：角膜+巩膜，前者入射光的起点，后者保护眼球
中层：虹膜+脉络膜 内层：视网膜
• 二体：晶状体、玻璃体 • 一凹：中央凹（黄斑区）
为了克服这一缺点，使用了三基色单位制，即所谓的T单 位制。在使用T单位制时，其方程可以改写如下： 1lm(白光)﹦1T(红)﹢1T(绿)﹢1T(蓝) 即1T红光=0.30lm，1T绿光=0.59lm，1T蓝光=0.11lm。 由不同的RGB分量相加就可以产生其他的颜色，即： C﹦rR﹢gG﹢bB 式中C为混合色，r,g,b为使用T单位制时，所需要RGB三基色 的量值，取值范围在0～1之间。
• 主要用于彩色电视信号的传输标准.
YUV电视信号表色系
彩 色 电 视 信 号 Y,U,V Y Y,0,0 Y
黑 白 电 视 信 号
黑白电视机
彩色电视机
•思考一个问题：当彩色的视频信号传输给 黑白电视 机时，既然是三取一，可否直接 选择R或G或B信号来作为其输入？
5) YCbCr模型(演播室使用模型)
可见光 射紫 外 红外线 线
γ 线
射 X 线
无线电波 微波 超 短 中 长 短 波 波 波 10cm 10m 1km 100km
0.01nm 1nm
0.1μ
Hale Waihona Puke 10μ0.1cm电磁波谱分布 紫 0.38 0.43 蓝 0.47 青 0.5 绿 0.56 黄 0.59 橙 0.62 红 0.76(m)
一般来说，人的眼睛只能看到可见光部分(波长为0.38～ 0.76μm). 而可成像的射线已有多种，如： 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。
• 这是常用于彩色图像压缩时的一种色系。 Y: 代表亮度； Cb、Cr： 代表色差。
主要用于视频信号的压缩。
• 与YUV表色系统不同的是，它充分考虑了色 彩组成时RGB三色的重要因素。 • YUV考虑的是色系转换的简单； • YCbCr考虑的是压缩时可以充分去除冗余。
2.3.3 颜色模型间的转换
1. XYZ和RGB之间转换
RGB加色系统 RGB颜色范围
红色 + 绿色 = 黄色 红色 + 蓝色 = 品红 绿色 + 蓝色 = 青色 红色 + 绿色 + 蓝色 = 白色 国际照明委员会（CIE）， 1931年规定三基色波长为： R:700nm, G:546.1nm, B:435.8nm。
RGB颜色模型
任何一种颜色在RGB颜
减色系统：
3) HSI模型
也称为视觉生理模型。色调（H，Hue）、饱和度（S，Saturation） 以及明度（I，Intensity）,（Museum，孟塞尔颜色系统） 在特定应用环境中，用于图像分析有特殊的优势。比如，在只有光照亮 度发生变化的应用中，不考虑明度，只使用色度进行区域分割。
HSI模型用H、S、I三参数描述颜色特性 H定义颜色的波长，称为色调. S表示颜色的深浅程度，称为饱和度. I表示强度或亮度. HSI颜色模型反映了人的视觉对色彩的感觉.
X x Z
Y y Z
非线性投影等式（分母含变量Z）
2.人眼的空间分辨率
正常人视力的角区分能力约为一分。因此，如果给定点的尺寸，则可 确定最远观察距离；如果给定观察距离：则能确定能看见的最小点。有以 下关系： 最佳观察距离 = 3400 * 图像高度 / 显示线数
3.人眼的时间分辨率
2.2.2 视觉形成
2.2.2.1 视觉形成的基础
物理基础：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，中间值对应着不同程度的灰色。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。
发光强度：点光源沿某个方向上单位立体角d内发出的光通量
d I d
点光源 Q