第2章 圖像、圖像處理系統(tǒng)及視覺系統(tǒng)(第2-2講)

1、第二章 數(shù)字圖像處理基礎 2.1 圖像數(shù)字化2.2 數(shù)字圖像的顯示 2.3 色度學基礎與顏色模型2.4 灰度直方圖2.5 圖像文件格式2.6 圖像的基本運算第二部分 數(shù)字圖像可以用一個離散量組成的矩陣g (i, j)（即二維數(shù)組）來表示。 其中：矩陣中的每一個元素稱為像元、像素或圖像元素。而g (i, j)代表(i, j)點的灰度值，即亮度值。 2.1 圖像數(shù)字化 模擬圖像 數(shù)字圖像 正方形點陣 和正六邊形 具體來說，就是把一幅圖畫分割成上圖所示的一個個小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域灰度用整數(shù)來表示，形成一幅數(shù)字圖像。 一、圖像數(shù)字化過程： 矩陣中的每一個元素稱為像元、像素或圖像元素。而g

2、 (i, j)代表(i, j)點的灰度值，即亮度值。以上數(shù)字化有以下幾點說明： （1）由于g (i, j)代表該點圖像的光強度，而光是能量的一種形式，故g (i, j)必須大于零，且為有限值，即：0g (i, j)。 （2）數(shù)字化采樣一般是按正方形點陣取樣的， 除此之外還有三角形點陣、正六角形點陣取樣。 （3）以上是用g (i, j)的數(shù)值來表示(i, j)位置點上灰度級值的大小，即只反映了黑白灰度的關系， 如果是一幅彩色圖像， 各點的數(shù)值還應當反映色彩的變化，可用g (i, j, )表示，其中是波長。如果圖像是運動的，還應是時間t的函數(shù)，即可表示為g (i, j, , t)。 概念： 采樣：

3、將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點的操作。 采樣點：用空間上部分點的灰度值代表圖像的這些點。采樣步驟： ）先沿垂直方向按一定間隔從上到下順序地沿水平方向直線掃描，取出各水平線上灰度值的一維掃描。）再對一維掃描線信號按一定間隔采樣得到離散信號。（水平方向采樣）對于運動圖像，需先在時間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣由這三個步驟完成。 1. 采樣采樣采樣示意圖 對一幅圖像采樣時，若每行（即橫向）像素為M個，每列（即縱向）像素為N個，則圖像大小為MN 個像素。?采樣 對一幅圖像采樣時，若每行（即橫向）像素為M個，每列（即縱向）像素為N個，則圖像大小為MN個像素。 在進行采樣時，采樣點間隔的

4、選取是一個非常重要的問題， 它決定了采樣后圖像的質(zhì)量，即忠實于原圖像的程度。采樣間隔的大小選取要依據(jù)原圖像中包含的細微濃淡變化來決定。一般， 圖像中細節(jié)越多，采樣間隔應越小。 一維采樣定理：若一維信號g(t)的最大頻率為， 以T1/2為間隔進行采樣，則能夠根據(jù)采樣結(jié)果g(iT) (i=, -1, 0, 1， )完全恢復g(t)， 即 式中 2. 量化 原因：經(jīng)采樣圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續(xù)的，還不能用計算機進行處理。 量化：將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過程。 灰度級數(shù)：一幅數(shù)字圖像中不同灰度值的個數(shù)，用G表示。 量化圖2-3 量化示意圖（a） 量化； (b) 量化為8 bi

5、t 量化量化過程示意圖 一般來說 ，g就是表示圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)(如bit或bit)。 一幅大小為MN、灰度級數(shù)為G的圖像所需的存儲空間，即圖像的數(shù)據(jù)量，大小為 MNg(bit）黑白圖像 是指圖像的每個像素只能是黑或白，沒有中間的過渡，故又稱為二值圖像。二值圖像的像素值為0或1。例如量化灰度圖像灰度圖像是指每個像素由一個量化的灰度值來描述的圖像。它不包含彩色信息。彩色圖像 彩色圖像是指每個像素由R、G、B三原色像素構成的圖像，其中R、B、G是由不同的灰度級來描述的。量化3.采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關系 數(shù)字化方式可分為均勻采樣、量化和非均勻采樣、量化。 所謂“均勻”，指的是采樣

6、、量化為等間隔。圖像數(shù)字化一般采用均勻采樣和均勻量化方式。 非均勻采樣是根據(jù)圖像細節(jié)的豐富程度改變采樣間距。細節(jié)豐富的地方，采樣間距小，否則間距大。 非均勻量化是對像素出現(xiàn)頻度少的間隔大，而頻度大的間隔小。（非等間隔量化） 采用非均勻采樣與量化，會使問題復雜化，因此很少采用。采樣與量化采樣間隔（采樣點）與圖像的關系 一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素數(shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴重時出現(xiàn)像素呈塊狀的國際棋盤效應；采樣間隔越小，所得圖像像素數(shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。（a）原始圖像(256256)；（b）采樣圖像1(128128)；（c） 采樣圖像2(6464)； （d）采

7、樣圖像3(3232)； （e）采樣圖像4(1616)；（f） 采樣圖像5(88)采樣與量化量化等級與圖像關系 圖像的采樣點數(shù)一定時： 量化等級越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大； 量化等級越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量小。采樣與量化不同量化級別對圖像質(zhì)量的影響（a） 原始圖像(256級)； （b） 量化圖像1(64級)； （c） 量化圖像2(32級)； （d） 量化圖像3(16級)； （e） 量化圖像4(4級)； （f） 量化圖像5(2級) 采樣與量化采樣和量化的一般原則 當限定數(shù)字圖像的大小時, 為了得到質(zhì)量較好的圖像

8、可采用 （1）對緩變的圖像，應該細量化，粗采樣，以避免假輪廓。 （2）對細節(jié)豐富的圖像，應細采樣，粗量化，以避免模糊（混疊）。 對于彩色圖像，是按照顏色成分紅（R）、綠（G）、藍（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8 bit量化，即每種顏色量級別是256，則可以處理256256256=16777216種顏色。 采樣與量化4 .圖像數(shù)字化設備 將模擬圖像數(shù)字化成為數(shù)字圖像，需要某種圖像數(shù)字化設備。常見的數(shù)字化設備有數(shù)字相機、掃描儀、數(shù)字化儀等。 1. 圖像數(shù)字化設備的組成 采樣和量化是數(shù)字化一幅圖像的兩個基本過程。即把圖像劃分為若干圖像元素(像素)并給出它們的地址（采樣）； 度量每一像素的

9、灰度， 并把連續(xù)的度量結(jié)果量化為整數(shù)（量化）；最后將這些整數(shù)結(jié)果寫入存儲設備。為完成這些功能， 圖像數(shù)字化設備必須包含以下五個部分： (1) 采樣孔(Sampling aperture)： 使數(shù)字化設備能夠單獨地觀測特定的圖像元素而不受圖像其他部分的影響。 (2) 圖像掃描機構： 使采樣孔按照預先確定的方式在圖像上移動，從而按順序觀測每一個像素。 (3) 光傳感器： 通過采樣檢測圖像的每一像素的亮度， 通常采用CCD陣列。 (4) 量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。典型的量化器是A/D轉(zhuǎn)換電路，它產(chǎn)生一個與輸入電壓或電流成比例的數(shù)值。 (5) 輸出存儲裝置：將量化器產(chǎn)生的灰度值按適當格

10、式存儲起來，以用于計算機后續(xù)處理。 2. 圖像數(shù)字化設備的性能 雖然各種數(shù)字化設備的組成不相同，但可從如下幾個方面對其性能進行比較。 1) 像素大小 采樣孔的大小和相鄰像素的間距是兩個重要的性能指標。如果數(shù)字化設備是在一個放大率可變的光學系統(tǒng)上，那么對應于輸入圖像平面上的采樣點大小和采樣間距也是可變的。 2) 圖像大小 圖像大小即數(shù)字化設備所允許的最大輸入圖像的尺寸。 3) 線性度 對光強進行數(shù)字化時，灰度正比于圖像亮度的實際精確程度是一個重要的指標。非線性的數(shù)字化設備會影響后續(xù)過程的有效性。能將圖像量化為多少級灰度也是非常重要的參數(shù)。圖像的量化精度經(jīng)歷了早期的黑白二值圖像、灰度圖像及現(xiàn)在的彩

11、色及真彩色圖像。當然，量化精度越高，存儲像素信息需要的字節(jié)數(shù)也越大。 4) 噪聲 數(shù)字化設備的噪聲水平也是一個重要的性能參數(shù)。例如， 數(shù)字化一幅灰度值恒定的圖像，雖然輸入亮度是一個常量，但是數(shù)字化設備中固有的噪聲卻會使圖像的灰度發(fā)生變化。因此數(shù)字化設備所產(chǎn)生的噪聲是圖像質(zhì)量下降的根源之一，應當使噪聲小于圖像內(nèi)的反差點(即對比度)。 2.2 數(shù)字圖像的顯示1. 圖像的顯示方法：永久性、暫時性2. 圖像的顯示特性：圖像大小、光度分辨率、空間分辨率、低頻響應、噪聲特性。3. 顯示系統(tǒng)的噪聲4. 顯示設備 一、 分辨率 1. 圖像分辨率 圖像分辨率：是指每英寸圖像含有多少個點或像素， 分辨率的單位為p

12、pi。在數(shù)字圖像中，分辨率的大小直接影響到圖像的質(zhì)量。圖像尺寸分辨率文件大小2. 屏幕分辨率 顯示器上每單位長度顯示的像素或點的數(shù)量稱為屏幕分辨率。通常以每英寸點數(shù)(dpi)來表示。屏幕分辨率取決于顯示器的大小及其像素設置。(VGA)2.3 色度學基礎與顏色模型 3. 打印機分辨率 打印機分辨率又稱輸出分辨率，是指打印機輸出圖像時每英寸的點數(shù)(dpi)。打印機分辨率也決定了輸出圖像的質(zhì)量。一般打印機的分辨率可達300 dpi，甚至720 dpi（需用特殊紙張）；由于超微細碳粉技術的成熟，新的激光打印機的分辨率可達6001200 dpi。 4. 掃描儀分辨率 掃描儀分辨率的表示方法與打印機相類似

13、，一般也用dpi表示， 不過這里的點是樣點，與打印機的輸出點是不同的。臺式掃描儀的分辨率可以分為光學分辨率和輸出分辨率。光學分辨率是指掃描儀硬件所真正掃描到的圖像分辨率，目前的產(chǎn)品，其光學分辨率可達8001200 dpi以上。輸出分辨率是通過軟件強化以及內(nèi)插補點之后產(chǎn)生的分辨率，大約為光學分辨率的34倍。當見到號稱分辨率高達4800 dpi或6400 dpi的掃描儀時， 這一定指的是輸出分辨率。二、色度學基礎 灰度圖像中，圖像的像素值是光強， 即二維空間變量的函數(shù)f(x, y)。如果把灰度值看成是二維空間變量和光譜變量的函數(shù)f(x, y, )，即多光譜圖像，也就是通常所說的彩色圖像。在計算機上

14、顯示一幅彩色圖像時，每一個像素的顏色是通過三種基本顏色（即紅、綠、藍）合成的，即最常見的RGB顏色模型。要理解顏色模型， 首先應了解人的視覺系統(tǒng)。 人眼構造簡介水晶體虹膜角膜瞳孔視神經(jīng)盲點視網(wǎng)膜黃斑區(qū)睫狀小帶 眼睛中的光接收器主要是視覺細胞，它包括錐狀體和桿狀體。中央凹部分特別薄，這部分沒有桿狀體，只密集地分布錐狀體。它具有辨別光波波長的能力，因此，對顏色十分敏感。有時它被叫做白晝視覺。每只眼睛的錐狀體大約有700萬個，在中央凹的分布間隔大約為22.5微米。桿狀體比錐狀體的靈敏度高，在較暗的光線下就能起作用。但是，它沒有辨別顏色的能力，有時又叫它夜視覺。桿狀體分布面積較大，其數(shù)量大約有億千萬個

15、。正因為兩種視覺細胞的不同特點，所以我們看到的物體在白天有鮮明的色彩，而在夜里卻看不到顏色。與視覺細胞相比，神經(jīng)節(jié)細胞數(shù)目較少，大約有100萬左右。三、光覺和色覺 眼睛對光的感覺稱為光覺，對顏色的感覺稱為色覺。 這是眼睛的基本特性。 1) 光覺門限及亮度辨別門限光覺門限：把產(chǎn)生光覺的最小亮度叫做光覺門限或光覺閾。錐狀體和桿狀體各自的最大靈敏度隨波長而異，桿狀體的最靈敏點比錐狀體最靈敏點波長短50nm左右。波長從380740nm分別與紫、藍、綠、黃、橙、紅等順序相對應。這就是在傍晚光線變暗時我們所看到的物體沒有顏色的原因，這種現(xiàn)象叫 Purkinje shift 現(xiàn)象。 圖233 錐狀體(a)和

16、桿狀體(b)的相對靈敏度特性光覺門限與刺激面積和刺激時間有密切關系。關于光覺門限與刺激面積的關系有里克（Ricco）定律和里波（Riper）定律來描述。當刺激面積較小時，光覺門限的強度 I 與面積 A 的關系遵循下式之關系，即： (247)刺激面積大，光覺門限小 當刺激面積較大時，有下式的關系成立 (248)2) 有關色覺的學說 自年牛頓成功地分解了太陽光譜以來，認為光的波動經(jīng)過神經(jīng)傳到大腦，由于波長不同而產(chǎn)生不同顏色感覺的這一假說至今還在提倡。 Young (1801)認為顏色不是光的物理性質(zhì)而是一種感覺現(xiàn)象。后來赫姆霍爾茲(Helmholtz)發(fā)展了這種假說，認為視網(wǎng)膜有三種色細胞，由于光

17、學反應引起三種視神經(jīng)纖維的興奮，由此又引起大腦三種神經(jīng)細胞興奮而產(chǎn)生色覺。這就是揚赫姆霍爾茲(YoungHelmholtz)的色覺三原色學說。 另一方面，也有對三原色假說持反對立場的人，特別是揚赫姆霍爾茲的三原色為紅、綠、紫。據(jù)經(jīng)驗，黃色用紅色和綠色混合而成是難于理解的。也就是說，用他的三原色假說不能說明黃色的純色性。提出這一反對論點的代表人物是赫林(Hering)。 赫林的假說是在視網(wǎng)膜上有紅綠物質(zhì)，黃藍物質(zhì)，白黑物質(zhì)。在光刺激下，各物質(zhì)同時向?qū)α⒌姆较虬l(fā)生化學變化，向兩個方向變化的程度根據(jù)刺激的波長不同而不同，由此產(chǎn)生色覺。赫林的相對色假說對說明色適應和色對比現(xiàn)象理由較好，但對色盲的性質(zhì)卻

18、不能加以詳細說明。三原色假說和相對色假說考慮方法是對立的，本世紀也有提倡一種折衷的假說，如Ladd-Franklindel發(fā)展假說，Hart-ridgedel多色假說等等。最近采用物理手段研究生理學的方法發(fā)展很迅速。四、光度學及色度學原理 亮度和顏色是進入眼睛的可見光的強弱及波長成份的一種感覺的屬性。從某一入射光產(chǎn)生的亮度和顏色的感覺無法測定，并且這種因人而異的感覺也不能比較。既使對同一個人來說，由于觀察條件不同感覺也不一樣。 顏色的表示方法及觀察條件： 顏色的表示方法大體上有二套方法。芒塞爾(Munsell)表示系統(tǒng)：設置一套作為標準的顏色樣本，被試的顏色與樣本進行比較，然后用特殊的記號來表

19、示。 CIE表示系統(tǒng)： 取決于刺激光的物理性質(zhì)和色的感覺的對應關系。用與這個規(guī)定的相對應的量來表示試料的光的物理性質(zhì)。這就是國際上規(guī)定的CIE表示系統(tǒng)。 在處理光的物理性質(zhì)和色覺的關系時，可在單純的條件下來決定這種規(guī)定。一般條件規(guī)定如下： (1) 刺激亮度在視覺細胞的錐狀體起作用又不刺眼的 范圍內(nèi)；(2)觀察視野在2(或10）范圍內(nèi)，而且范圍外是 黑暗的；(3) 視野內(nèi)的光分布均勻并且不隨時間變化。 在這樣單純化了的條件下觀察顏色與日常在復雜情況下觀察到的顏色不一樣，為與感覺色相區(qū)別，把這種顏色叫做心理物理色。根據(jù)光的波動說，單一波長的光稱為單色光。照射到視網(wǎng)膜上的某一單色光并不是引起該彩色的

20、唯一因素。例如，有幾種單色黃光可以由射到視網(wǎng)膜上的紅光和綠光配出來。幾乎所有的彩色都能由三種基本彩色混配出來。這三種彩色就叫做三基色。 三基色混色及色度表示原理 由三基色混配各種顏色的方法通常有兩種： 相加混色：彩色電視機上的顏色是通過相加混色 產(chǎn)生的。 相減混色：彩色電影和幻燈片等與繪畫原料一樣 是通過相減混色產(chǎn)生各種顏色的。相加混色和相減混色的主要區(qū)別：第一，相加混色是由發(fā)光體發(fā)出的光相加而產(chǎn)生各種顏色，而相減混色是先有白色光，爾后從中減去某些成份（吸收）得到各種彩色。第二，相加混色的三基色是紅、綠、藍，而相減混色的三基色是黃、青、紫（一般不確切地說成是黃、藍、紅）。也就是說相加混色的補色

21、就是相減混色的基色。第三，相加混色和相減混色有不同規(guī)律（指顏料相混）。相加混色： 紅綠黃 紅藍紫 藍綠青 紅綠藍白相減混色： 黃白藍 紫白綠 青白紅 白藍綠紅黑 格拉斯曼定律（Grassman Law)反映了視覺對顏色的反應取決于紅、綠、藍三輸入量的代數(shù)和。包括如下四項內(nèi)容：（）所有顏色都可以用互相獨立的三基色混合得 到；（）假如三基色的混合比相等，則色調(diào)和色飽和度 也相等；（）任意兩種顏色相混合產(chǎn)生的新顏色與采用三基色分別合 成這兩種顏色的各自成分 混合起來得到的 結(jié)果相等；（）混合色的光亮度是原來各分量光亮度的總和。以三基色為基礎的格拉斯曼定律可用下式表示F（）（）（） 國際照明委員會（C

22、IE）規(guī)定： 紅色（波長700.00nm）， 綠色（波長546.1nm） 藍色（波長438.8nm）這就是CIE的R、G、B顏色表示系統(tǒng)。 CIE的R、G、B顏色表示系統(tǒng)在數(shù)字圖像處理中的終端顯示通常用顯像管（CRT）也就是用彩色監(jiān)視器顯示。由相加混色原理可知白光可由紅、綠、藍三種基色光相加得到。產(chǎn)生1lm的白光所需要的三基色的近似值可用下面的亮度方程來表示： 1 lm(白光)=0.30 lm(紅)+0.59 lm(綠、)+0.11 lm(藍)產(chǎn)生白光時三基色的比例關系是不等的，這顯然給實際使用帶來一些不方便。為了克服這一缺點，使用了三基色單位制。這就是所謂的T單位制。在使用T單位制時，認為白

23、光是由等量的三基色組成。因此，表示的亮度方程可改寫如下： 1lm(W)=1T(R)+1T(G)+1T(B)1T單位紅光=0.30lm；1T單位綠光=0.59lm；1T單位藍光=0.11lm。由此可知T單位與流明數(shù)的關系，在需要的時候可以很容易地進行轉(zhuǎn)換。由于T單位的采用就除掉了復雜數(shù)字帶來的麻煩。 由三基色原理可知，任何顏色都可由三基色混配而得到。為了簡單又方便地描繪出各種彩色與三基色的關系，采用了彩色三角形與色度圖的表示方法。這是一個等邊三角形，三個頂點分別為紅、綠、藍三色。其中黃色位于紅與綠之中間，紫色落在藍色和紅色中間，青色在綠色與藍色中間。相加混色彩色三角形 根據(jù)人眼的結(jié)構，所有顏色都

24、可看作是三種基本顏色R表示紅（Red）、 G表示綠（Green)和B表示藍（Blue)按照不同的比例組合而成。為了建立標準，國際照明委員會(CIE)早在1931年就規(guī)定三種基本色的波長分別為R：700 nm，G：546.1 nm，B： 435.8 nm。 一幅彩色圖像的像素值可看作是光強和波長的函數(shù)值f(x, y, )，但實際使用時，將其看作是一幅普通二維圖像， 且每個像素有紅、綠、藍三個灰度值會更直觀些。 2 顏色的三個屬性 顏色是外界光刺激作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺。顏色分兩大類：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于這兩者之間深淺不同的灰色， 也稱為無色系列。彩色是指除了非彩色

25、以外的各種顏色。顏色有三個基本屬性， 分別是色調(diào)、 飽和度和亮度?；谶@三個基本屬性，提出了一種重要的顏色模型HSI（Hue、 Saturation、 Intensity）。3. 顏色模型 為了科學地定量描述和使用顏色，人們提出了各種顏色模型。目前常用的顏色模型按用途可分為兩類，一類面向諸如視頻監(jiān)視器、 彩色攝像機或打印機之類的硬件設備。另一類面向以彩色處理為目的的應用，如動畫中的彩色圖形。面向硬件設備的最常用彩色模型是RGB模型，而面向彩色處理的最常用模型是HSI模型。另外，在印刷工業(yè)上和電視信號傳輸中，經(jīng)常使用CMYK和YUV色彩系統(tǒng)。 1）RGB模型 RGB模型用三維空間中的一個點來表示

26、一種顏色。每個點有三個分量，分別代表該點顏色的紅、綠、藍亮度值， 亮度值限定在0, 1。 在RGB模型立方體中，原點所對應的顏色為黑色，它的三個分量值都為零。距離原點最遠的頂點對應的顏色為白色，它的三個分量值都為1。從黑到白的灰度值分布在這兩個點的連線上， 該線稱為灰色線。立方體內(nèi)其余各點對應不同的顏色。彩色立方體中有三個角對應于三基色紅、綠、藍。剩下的三個角對應于三基色的三個補色黃色、 青色（藍綠色）、品紅（紫色）。 圖2.6 RGB模型單位立方體 2） HSI模型 HSI模型是Munseu提出的， 它反映了人的視覺系統(tǒng)觀察彩色的方式，在藝術上經(jīng)常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色調(diào)(H

27、ue)，S表示飽和度(Saturation)， I表示亮度(Intensity，對應成像亮度和圖像灰度)。 這個模型的建立基于兩個重要的事實： I分量與圖像的彩色信息無關； H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相聯(lián)的。 圖2.7中的色相環(huán)描述了色相和飽和度兩個參數(shù)。色相由角度表示，它反映了該彩色最接近什么樣的光譜波長。一般假定0表示的顏色為紅色， 120的為綠色， 240的為藍色。0到240的色相覆蓋了所有可見光譜的彩色，在240到300之間為人眼可見的非光譜色（紫色）。 飽和度是指一個顏色的鮮明程度，飽和度越高，顏色越深， 如深紅，深綠。飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點（圓心）到彩色點的半徑的長度。由色

28、相環(huán)可以看出，環(huán)的邊界上純的或飽和的顏色， 其飽和度值為1。在中心是中性（灰色）陰影， 飽和度為0。 圖2.7 色相環(huán) 亮度是指光波作用于感受器所發(fā)生的效應，其大小由物體反射系數(shù)來決定，反射系數(shù)越大，物體的亮度愈大，反之愈小。 HSI模型的三個屬性定義了一個三維柱形空間， 如圖2.8所示?；叶汝幱把刂S線從底部的黑變到頂部的白，具有最高亮度。最大飽和度的顏色位于圓柱上頂面的圓周上。 圖2.8 柱形彩色空間 4. 顏色模型的相互轉(zhuǎn)換 1) RGB轉(zhuǎn)換到HSI 對任何3個0， 1范圍內(nèi)的R、G、B值，其對應HSI模型中的I、S、H分量的計算公式為 上式計算出的H值的范圍為 0, 180， 對應于。

29、在時，值大于180,只要令360H，即可把轉(zhuǎn)換到180，360區(qū)間。當S0時對應的是無色彩的中心點，這時H就沒有意義，此時定義H為0。當I0時，S也沒有意義。 2) HSI轉(zhuǎn)換到RGB 假設S、I的值在0，1之間，R、G、B的值也在0，1之間，則HSI轉(zhuǎn)換為RGB的公式為(分成3段以利用對稱性) （1）當H在0，120之間 (2-5) (2) 當H在120，240之間 (2-6) (3) 當H在240，360之間 (2-7) 5. CMYK表色系統(tǒng) CMYK表色系統(tǒng)也是一種常用的表示顏色的方式。計算機屏幕顯示通常用RGB表色系統(tǒng)，它是通過相加來產(chǎn)生其他顏色， 這種做法通常稱為加色合成法(Add

30、itive Color Synthesis)。而在印刷工業(yè)上則通常用CMYK表色系統(tǒng)，它是通過顏色相減來產(chǎn)生其他顏色的，所以稱這種方式為減色合成法(Subtractive Color Synthesis)。 CMYK模式的原色為青色(Cyan)、品紅色(Magenta)、黃色(Yellow)和黑色（Black）。在處理圖像時，一般不用CMYK模式， 主要是因為這種模式的文件大， 占用的磁盤空間和內(nèi)存大。這種模式一般在印刷時使用。 6. 其他表色系統(tǒng) 1） YUV電視信號彩色坐標系統(tǒng) YUV彩色電視信號傳輸時，將R、G、B改組成亮度信號和色度信號。PAL制式(一種電視標準)將R、G、B三色信號改

31、組成Y、U、V信號， 其中Y信號表示亮度，U、V信號是色差信號。 2） Lab顏色模型 Lab顏色模型是CIE于1976年推薦的設計成符合孟塞爾彩色系統(tǒng)的表色系。Lab 顏色由亮度或光亮度分量L 和a、b兩個色度分量組成。其中a在的正向數(shù)值越大表示越紅，在負向的數(shù)值越大則表示越綠；b在的正向數(shù)值越大表示越黃，在負向的數(shù)值越大表示越藍。Lab顏色與設備無關， 無論使用何種設備（如顯示器、打印機、計算機或掃描儀）創(chuàng)建或輸出圖像，這種模型都能生成一致的顏色。 2.5 圖像文件格式 數(shù)字圖像有多種存儲格式，每種格式一般由不同的開發(fā)商支持。因此，要進行圖像處理，必須了解圖像文件的格式， 即圖像文件的數(shù)據(jù)

32、構成。 圖像的一般結(jié)構：包含有文件頭、文件體和文件尾等三部分文件頭：文件類型、文件制作者、制作時間、版本號、 文件大小 軟件ID、軟件版本號、圖像分辨率、圖像尺寸、圖像深 度、彩色類型、編碼方式、壓縮算法 文件體：圖像數(shù)據(jù)、彩色變換表 文件尾：用戶名、注釋、開發(fā)日期、工作時間1.BMP格式Windows Bit Map的縮寫，是最普遍的點陣圖像格式之一，是Windows和OS/2。在Windows環(huán)境中運行的圖像軟件都支持BMP圖像格式。 BMP只能存儲4種圖像數(shù)據(jù)：單色、16色、256色和全彩色。 2. PCX文件 PCX文件格式由ZSoft公司設計, 最早使用的圖像文件格式之一， 由各種掃

33、描儀掃描得到的圖像幾乎都能保存成PCX格式。PCX支持256種顏色，結(jié)構較簡單，存取速度快，壓縮比適中，適合于一般軟件的使用。 3. GIF圖像文件格式 CompuServe開發(fā)的圖形交換文件格式GIF（Graphics Interchange Format），目的是在不同的系統(tǒng)平臺上交流和傳輸圖像。它是在Web及其他聯(lián)機服務上常用的一種文件格式，用于超文本標記語言(HTML)文檔中的索引顏色圖像， 但圖像最大不能超過64 M，顏色最多為256色。GIF主要是為數(shù)據(jù)流而設計的一種傳輸格式，而不是作為文件的存儲格式。4. JPEG圖像格式 JPEG(Joint Photographers Exp

34、erts Group)格式即聯(lián)合圖像專家組, 是由ISO和CCITT為靜態(tài)圖像所建立的第一個國際數(shù)字圖像壓縮標準，主要是為了解決專業(yè)攝影師所遇到的圖像信息過于龐大的問題。由于JPEG的高壓縮比和良好的圖像質(zhì)量， 使得它廣泛應用于多媒體和網(wǎng)絡程序中。JPEG和GIF成為HTML語法選用的圖像格式。 標記圖像文件格式TIFF (Tag Image File Format)， 它是現(xiàn)存圖像文件格式中最復雜的一種，它提供存儲各種信息的完備的手段， 是目前流行的圖像文件交換標準之一，主要用于應用程序和計算機平臺之間交換文件，與計算機結(jié)構、操作系統(tǒng)和圖形硬件無關。TIF格式文件的設計考慮了擴展性、 方便性

35、和可修改性，因此非常復雜，要求用更多的代碼來控制它，結(jié)果導致文件讀寫速度慢， TIF代碼也很長。TIF文件由文件頭、參數(shù)指針表與參數(shù)域、參數(shù)數(shù)據(jù)表和圖像數(shù)據(jù)4部分組成。如表2-2表2-4所示。 5. TIFF文件格式 (TIF)JPG比BMP小但不丟信息2305K300K1.239K2305KTIFF2.6 圖像的灰度直方圖定義性質(zhì)用途1234565456214123456643221166466345666146623136466灰度直方圖圖像灰度直方圖的定義 灰度直方圖是灰度級的函數(shù)，描述的是圖像中該灰度級的像素個數(shù)。即：橫坐標表示灰度級，縱坐標表示圖像中該灰度級出現(xiàn)的個數(shù)。 灰度直方圖另一種