机器视觉final.ppt

人类视觉u人眼所能看到的光人眼所能看到的光谱范范围，只是，只是电磁磁辐射波范射波范围的很小一部分，其波的很小一部分，其波长范范围从从380纳米到米到780纳米，米，这段波段波长称称为可可见光光谱u在可在可见光范光范围内，不同内，不同波波长的光的光给人以不同的人以不同的色彩感色彩感觉，不同，不同强度的度的光及不同光及不同强度分布的光度分布的光刺激人眼，在人刺激人眼，在人脑中将中将产生不同的光生不同的光强，颜色，色，形状等形状等视觉信息信息人的眼睛是一个前后直径大人的眼睛是一个前后直径大约23毫米的近似球状体，由眼球毫米的近似球状体，由眼球壁和眼球构成，如壁和眼球构成，如图眼球壁的正前方，占整个眼球壁面眼球壁的正前方，占整个眼球壁面积的的1/6是一是一层弹性的透明性的透明组织，叫做角膜，叫做角膜角膜具有屈光功能，角膜具有屈光功能，光光线经角膜角膜发生屈折生屈折进入眼内入眼内眼球壁外眼球壁外层的其余的其余5/6是白色是白色的不透明膜，叫做的不透明膜，叫做巩膜，它主要起巩固、保巩膜，它主要起巩固、保护眼球的作用眼球的作用眼球壁的中眼球壁的中层包括虹膜、睫状体和脉包括虹膜、睫状体和脉络膜膜脉脉络膜膜含有丰富含有丰富的色素的色素细胞，呈黑色，起着胞，呈黑色，起着吸收外来散光吸收外来散光的作用，消除光的作用，消除光线在眼球内部的乱反射虹膜在角膜的后面，位于晶体的前面，在眼球内部的乱反射虹膜在角膜的后面，位于晶体的前面，虹膜中央的虹膜中央的圆孔叫做瞳孔虹膜可以使瞳孔孔叫做瞳孔虹膜可以使瞳孔扩大和大和缩小，睫小，睫状体位于虹膜后面，其内部有睫状肌，起状体位于虹膜后面，其内部有睫状肌，起调节晶体的作用晶体的作用眼球壁内眼球壁内层是是视网膜网膜(retina)和和视神神经乳乳头视网膜是一种透网膜是一种透明薄膜，是眼球的感光部分明薄膜，是眼球的感光部分视网膜由网膜由锥体体细胞胞(conecell)和和杆体杆体细胞胞(rodcell)两种感光两种感光细胞胞组成，其中，成，其中，锥体体细胞胞约有有650万个，杆体万个，杆体细胞胞约有有1亿个个视网膜可分网膜可分为以以视轴为中心直径中心直径约6毫米的中央区和周毫米的中央区和周边区中央区有一直径区中央区有一直径约2毫米毫米(折合折合6度度视角角)呈黄色区域，称呈黄色区域，称为黄斑黄斑中央有一小凹，叫做中央凹黄斑黄斑中央有一小凹，叫做中央凹(fovea)，面，面积约1平方毫米人平方毫米人类视觉的中央凹没有杆体的中央凹没有杆体细胞，只有胞，只有锥体体细胞，胞，其密度高达每平方毫米其密度高达每平方毫米150,000离开中央凹，离开中央凹，锥体体细胞急胞急剧减少，而杆体减少，而杆体细胞急胞急剧增多，在离开中央凹增多，在离开中央凹20度的地方，杆度的地方，杆体体细胞最多中央凹的胞最多中央凹的锥体体细胞密度很高，是胞密度很高，是产生最清晰生最清晰视觉的地方的地方杆体杆体细胞主要是在黑暗的条件下起作用，同胞主要是在黑暗的条件下起作用，同时还负责察察觉物体的运物体的运动因此，常将因此，常将锥体体细胞称胞称为明明视觉细胞胞，将杆体将杆体细胞称胞称为暗暗视觉细胞胞眼球内包括晶体、房水及玻璃体，它眼球内包括晶体、房水及玻璃体，它们都是屈光介都是屈光介质晶晶体体为一扁球形的一扁球形的弹性透明体，位于玻璃体与虹膜之性透明体，位于玻璃体与虹膜之间，睫状，睫状体的收体的收缩可改可改变晶体的屈光力，使外界的晶体的屈光力，使外界的对象能在象能在视网上形网上形成清楚的影像成清楚的影像人眼的构造人眼的构造u基本基本视觉信息包括：亮度，形状，运信息包括：亮度，形状，运动，颜色，色，深度知深度知觉等等u亮度亮度是最基本的是最基本的视觉信息，因信息，因为没有亮度就没有亮度就谈不不上什么形状、运上什么形状、运动、颜色等色等视知知觉亮度是一种亮度是一种外界外界辐射的物理量在我射的物理量在我们视觉中反映出来的心理中反映出来的心理物理量物理量视觉信息信息处理理过程程u物体的物体的形状形状主要是由物体在主要是由物体在视觉空空间上的亮度分上的亮度分布，布，颜色分布或运色分布或运动状状态不同而不同而显示出来的示出来的n雪地上一雪地上一张白白纸，荒野中潜伏的狼，都比，荒野中潜伏的狼，都比较难以以觉察察相反，雪地上一相反，雪地上一张彩彩纸，绿草地上等一草地上等一朵红花，荒花，荒野中奔跑的狼，都比野中奔跑的狼，都比较容易容易发现，这是由于物体形状是由于物体形状因亮度、因亮度、颜色、运色、运动等因素而突等因素而突显出来，易于被人眼出来，易于被人眼分辨出来分辨出来u视觉系系统对运运动目目标十分敏感，特十分敏感，特别是低等是低等动物物更是如此，如蛙更是如此，如蛙类的的视网膜网膜对运运动特特别敏敏锐，而，而对静止的目静止的目标却却视而不而不见u颜色色知知觉是一种主是一种主观感感觉，目前只在感受器，目前只在感受器细胞胞水平和心理物理的宏水平和心理物理的宏观水平上得到了水平上得到了较深入的研深入的研究究u研究表明：猴和人的研究表明：猴和人的视网膜中，含有三种不同的网膜中，含有三种不同的锥体体细胞，每一种胞，每一种锥体体细胞胞对不同的光不同的光谱，其敏感性，其敏感性也是不同的三种也是不同的三种锥体体细胞胞对光光谱的敏感峰的敏感峰值分分别在在430纳米，米，540纳米和米和570纳米米这三个峰三个峰值段正段正对应着光着光谱中的中的红、绿、蓝区域区域实验进一步表明，一步表明，当三种当三种颜色按一定比例同色按一定比例同时刺激人眼刺激人眼时，会，会产生各生各种种颜色感色感觉其中有一种比例会使得其中有一种比例会使得颜色感色感觉完全完全消失，只有亮度感消失，只有亮度感觉这就是所就是所谓的色的色觉三三变量性量性(tri-varianceofcolorvision)，说明明颜色只取决于三色只取决于三个基本的个基本的输入量，入量，这也是色也是色觉三基色原理的基三基色原理的基础u人人类的的视觉不不仅要要识别物体的形状和物体的形状和颜色，而且要随色，而且要随时地作用于物体，地作用于物体，n例如，伸手拿一本例如，伸手拿一本书，躲开汽开汽车或障碍物，或障碍物，把足球踢入球把足球踢入球门等，等，这一切活一切活动都需要判断都需要判断我我们与被作用物体的距离与被作用物体的距离u立体知立体知觉就是指就是指这种判断物体距离或深种判断物体距离或深度的感度的感觉正常的双眼正常的双眼视觉都可以提供都可以提供高度的立体感外界目高度的立体感外界目标在在视网膜上的网膜上的象是二象是二维的，而且同一物体在左右眼的的，而且同一物体在左右眼的视网膜上的成像有着微小的差异，比如，网膜上的成像有着微小的差异，比如，用你的手用你的手轮流遮流遮挡你的左、右眼，会你的左、右眼，会发现同一个物体在左右眼中的位置是不同同一个物体在左右眼中的位置是不同的的u实际上，上，这种不同种不同为立体立体视觉提供了最基提供了最基本的信息本的信息视差差(disparity)Julesz1960首次使用随机点立体首次使用随机点立体图对作作为刺激研究了刺激研究了立体立体视知知觉，如，如图，u这种刺激种刺激图形排除了所有形排除了所有单眼眼视觉引入的引入的第二第二视觉线索，而只保留了索，而只保留了视差信息。受差信息。受试者在者在观察随机立体察随机立体图对时，用左右眼分，用左右眼分别观看其中一个看其中一个图几秒几秒钟，当两个，当两个图融合融合后，便会感受到有一个方形平面从背景中后，便会感受到有一个方形平面从背景中突突显出来。除了双眼出来。除了双眼视差提供深度信息外，差提供深度信息外，还有有许多多单眼的信息可以眼的信息可以产生深度信息的生深度信息的估估计，如物体的重叠、透，如物体的重叠、透视(近大近大远小，近小，近清晰清晰远模糊，近亮模糊，近亮远暗暗)、明暗、明暗、纹理及运理及运动当然当然这种深度估种深度估计在在质量和感量和感觉上仍上仍无法与无法与视差立体知差立体知觉的深度相比的深度相比机器机器视觉颜色色感知感知图像的灰度像的灰度值一般表示光一般表示光强，光，光强是两个空是两个空间变量的量的函数函数实际上，光是由不同波段的光上，光是由不同波段的光谱组成的，一幅成的，一幅图像常像常常常对应一个波段或多个波段光一个波段或多个波段光谱样本，因此，本，因此，图像灰像灰度度值是两个空是两个空间变量和一个光量和一个光谱变量的函数量的函数我我们称称这样的的图像像为多光多光谱图像像(multi-spectralimage)，其中的每一个波段称，其中的每一个波段称为一个通道比如，气一个通道比如，气象象卫星星获取的云取的云图，其波段是，其波段是红外波段；扇形束型外波段；扇形束型超声超声诊断断仪输出的出的图像，其波段是超声波段像，其波段是超声波段u场景或物体的景或物体的颜色是由照射光源的光色是由照射光源的光谱成分、光成分、光线在物体上反射和吸收的情况在物体上反射和吸收的情况决定的决定的u比如，一个比如，一个蓝色物体在日光下色物体在日光下观察呈察呈现蓝色，是由于色，是由于这个物体将日光中的个物体将日光中的蓝光光反射出来，而吸收了光反射出来，而吸收了光谱中的其它部分中的其它部分的光的光谱u而同而同样的的蓝色物体，在色物体，在红色的光源照射色的光源照射下，下，则呈呈现红紫色紫色对于机器于机器视觉系系统，彩色彩色图像像还与成象系与成象系统敏感器的光敏感器的光谱响响应有关有关u可可见光的波光的波长分布在分布在380到到780之之间，人的人的颜色感色感觉是不同波是不同波长的可的可见光刺激人的光刺激人的视觉器官的器官的结果果u在可在可见光的波段内，随着波光的波段内，随着波长的增的增长，使人，使人产生生紫、紫、蓝、青、青、绿、黄、橙、黄、橙、红等等颜色的感色的感觉u人的人的视网膜上有两网膜上有两类细胞：杆体胞：杆体细胞和胞和锥体体细胞胞杆体杆体细胞灵敏度高，能感受微弱的光；胞灵敏度高，能感受微弱的光；锥体体细胞灵敏度低，但能很好地区分胞灵敏度低，但能很好地区分颜色色u为了解了解释视觉对颜色的感知能力，美国物理学家色的感知能力，美国物理学家TYoung1801年提出三色假年提出三色假说，后来由，后来由Helmholtz加以加以发展形成著名的展，形成著名的Young-Helmholtz三色学三色学说三色原理三色原理u假假设有三种有三种视觉(锥体体)感受器，分感受器，分别对红、绿、蓝三种三种颜色敏感；当光色敏感；当光线同同时作用在作用在这三种感受器上三种感受器上时，三个感受器，三个感受器产生的生的兴奋程度不同；不同程度不同；不同兴奋程度的程度的组合将合将产生不同的生不同的颜色感色感觉，三种感受，三种感受器器处于等于等强度度兴奋时，便，便产生白色的感生白色的感觉三色假三色假说u根据根据Wald1964对人人类色彩色彩视觉的研究的研究结果，三种果，三种锥体体细胞的光胞的光谱吸收的峰吸收的峰值分分别在在430、540和和570纳米左右，米左右，这三个三个区区间分分别对应红、绿和和蓝波段，由于波段，由于这个原因，个原因，这三种三种颜色被称色被称为人人类视觉的的三基色。三基色。谱上的大多数上的大多数颜色都可以用色都可以用红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三种三种单色加色加权混合混合产生，基于生，基于RGB三基色的三基色的颜色表色表示称示称为RGB颜色模型色模型RGB颜色模型色模型RGB和和CMY颜色模型色模型u根据根据RGB三基色原理，各种三基色原理，各种颜色的光都可以由色的光都可以由红、绿和和蓝三种基色加三种基色加权混合而成混合而成,如如图RGB直角坐直角坐标定定义的的单位立位立方体来方体来说明明坐坐标原点（原点（0，0，0）表示黑色，坐）表示黑色，坐标点（点（1,1,1）表示白）表示白色，在坐色，在坐标轴上的三个上的三个顶点表示点表示RGB三个基色因此，三个基色因此，彩色空彩色空间是三是三维的的线性空性空间，任意一种具有一定亮度的，任意一种具有一定亮度的颜色光都可用空色光都可用空间中的一个点或一个向量表示因此我中的一个点或一个向量表示因此我们可可以以选择具有确定光通量的具有确定光通量的红、绿、蓝三基色作三基色作为这三三维空空间的基，的基，这样组成的表色系成的表色系统称称为RGB表色系表色系统在在RGB表色系表色系统中，中，标准白光的准白光的RGB光通量按以下比例混光通量按以下比例混合而成：合而成：u通常把光通量通常把光通量为1流明的流明的红光，光，4.5907流明的流明的绿光，光，0.0601流明的流明的蓝光作光作为三基色的三基色的“单位基色量位基色量”，用，用(R)、(G)、(B)表示因此，任何一种具有一表示因此，任何一种具有一定亮度的彩色光的光通量定亮度的彩色光的光通量为：u其中其中R,G,B为每种原基色的比例系数例如，每种原基色的比例系数例如，对某某种种蓝绿色，可以用下式表示：色，可以用下式表示：u上式表示彩色光的明亮程度上式表示彩色光的明亮程度显然，光的色度只然，光的色度只取决于之取决于之间的比例关系如果不考的比例关系如果不考虑光的亮度，光的亮度，只只对色度感色度感兴趣，趣，则只要知道的相只要知道的相对值即可因即可因此可以令：此可以令：ur,g,b称称为色度坐色度坐标由于由于r+g+b，因，因此只有两个色度坐此只有两个色度坐标是独立的，是独立的，这也也说明明色度空色度空间是二是二维的，的，可以用如下色度可以用如下色度图表表示，示，标准白光位于准白光位于u为了使用了使用RGB三基色有效地描述或混合三基色有效地描述或混合各种各种颜色。人色。人们还根据根据RGB三基色模型三基色模型提出了提出了CMY颜色模型，色模型，XYZ颜色模型，色模型，YIQ颜色模型，色模型，HSV颜色模型，色模型，HLS颜色模型等，以适色模型等，以适应不同不同应用的需求。用的需求。颜色模型色模型u从从RGB颜色模型可知，在坐色模型可知，在坐标轴上的三个上的三个顶点表点表示示RGB三个基色，各种三个基色，各种颜色的光都可以由色的光都可以由红、绿和和蓝三种基色加三种基色加权混合而成混合而成u另外三个另外三个顶点：青点：青(Cyan)，品，品红(Magenta)，黄，黄(Yellow)和和RGB一一样，也可构成一，也可构成一组基色，称基色，称为CMY颜色模型，各种色模型，各种颜色的光都可以由色的光都可以由CMY三三种基色加种基色加权混合而成混合而成u在在实际应用中，用中，RGB颜色模型用于磷粉屏幕的色模型用于磷粉屏幕的颜色生成，是一个由黑到白的色生成，是一个由黑到白的过程，称程，称为增色增色处理理CMY颜色模型主要用来描述色模型主要用来描述绘图和打印彩色和打印彩色输出的出的颜色，因色，因为这类彩色的形成是在白彩色的形成是在白纸或其它或其它印刷介印刷介质上生成的，是一个由白到黑上生成的，是一个由白到黑过程，称之程，称之为减色减色过程使用程使用CMY的打印的打印处理通常需要四个理通常需要四个墨点的集合来墨点的集合来产生生颜色点，色点，CMY三基色各三基色各对应一一个墨点，黑色个墨点，黑色对应第四个墨点第四个墨点这是因是因为CMY三三基色混合基色混合仅能生成深灰色，所以黑色能生成深灰色，所以黑色应单独作独作为一个墨点一个墨点u这在某种程度上与在某种程度上与RGB监视器使用的三个磷粉点器使用的三个磷粉点的集合是一的集合是一样的的显然，然，RGB和和CMY之之间的关系的关系如下：如下：uMCY单位立方体位立方体CIE-XYZ颜色模型色模型u使用使用RGB模型生成模型生成颜色色时，用于，用于产生生颜色的原基色比例系数出色的原基色比例系数出现负值，使用起，使用起来十分不便同来十分不便同时，不同研究者所用的，不同研究者所用的三基色和三基色和标准白色不同，使得研究准白色不同，使得研究结果果很很难比比较因此，因此，1931年国年国际照明委照明委员会会CIE(CommissionInternationaledelElairagetheInternationalCommissiononIllumination)规定了一种新的定了一种新的颜色表色表示系示系统，定，定义为CIE-XYZ颜色模型色模型XYZ颜色模型把彩色光表示色模型把彩色光表示为：u其中，是其中，是XYZ颜色模型的基色量，色模型的基色量，为三色比例系三色比例系数数uXYZ表色系表色系统须满足如下三个条件：足如下三个条件：u三色比例系数皆大于零；三色比例系数皆大于零；uY的数的数值正好是彩色光的亮度；正好是彩色光的亮度；u当当时仍然表示仍然表示标准白光准白光u根据以上条件，可以得到根据以上条件，可以得到RGB颜色模型与色模型与XYZ颜色模型的关系式色模型的关系式u对XYZ颜色模型的三基色色模型的三基色规范化，得到如下色度范化，得到如下色度坐坐标：NTSCYIQ表色模型表色模型uRGB工工业监视器要求一幅彩色器要求一幅彩色图像由分开的像由分开的RGB信号信号组成，而成，而电视监视器需要混合信号器需要混合信号输入入为此，美国国家此，美国国家电视系系统委委员会（会（NationalTelevisionSystemCommittee，NTSC）采用）采用YIQ彩色模型，其主要的彩色模型，其主要的优点是可以保点是可以保证彩色彩色电视和和黑白黑白电视的兼容，即可以用彩色收看黑白的兼容，即可以用彩色收看黑白电视图像。像。YIQ是以是以CIE的的XYZ颜色模型色模型为基基础，其参，其参数数Y与与XYZ中的模型参数相同，是中的模型参数相同，是图像的亮度信像的亮度信息在没有色度的情况下，息在没有色度的情况下，Y也就也就对应于黑白于黑白图像，或者像，或者说，黑白，黑白电视只接收只接收Y信号信号u由于人眼由于人眼对颜色的相色的相对视见度不同，所以度不同，所以选择三三色的基色量色的基色量为u因此亮度信号因此亮度信号Y为u规定如下色差信号：定如下色差信号：u由此可由此可见，在色度，在色度图上，参数上，参数I包含有橙青包含有橙青颜色色信息，参数信息，参数Q包含有包含有绿品品红颜色，色，I和和Q混合可混合可以提高以提高颜色的色色的色调和和饱和度和度u将将(10.9)和和(10.10)结合起来得到合起来得到YIQ与与RGB间的的转换关系关系为：u这里的里的RGB是是NTSC制式制式RGBuY=0.299R+0.587G+0.114BuU=-0.147R-0.289G+0.436BuV=0.615R-0.515G-0.100BuR=Y+1.14VuG=Y-0.39U-0.58VuB=Y+2.03UYUV颜色的色的视觉处理理u从从视觉的角度来的角度来讲，颜色可分色可分为彩色和非彩色两大彩色和非彩色两大类。u非彩色是指黑色、白色及其两者之非彩色是指黑色、白色及其两者之间深浅不同的灰色，称深浅不同的灰色，称为非彩色或非彩色或无色系列无色系列(achromaticseries)。彩色系列或有色系列。彩色系列或有色系列(chromaticseries)是指除了白色系列以外的各种是指除了白色系列以外的各种颜色色u为了定量地描述了定量地描述颜色色对人眼的人眼的视觉作用，可以作用，可以选用亮度用亮度(brightness)、色色调(hue)、色、色饱和度和度(saturation)这三个与三个与视觉特征有关的量来特征有关的量来计算描算描述，述，这三个量称三个量称为颜色的三个基本属性色色的三个基本属性色调是由物体反射光是由物体反射光线中占中占优势的波的波长来决定的，不同的波来决定的，不同的波长产生不同的生不同的颜色感色感觉，如，如红、橙、橙、黄、黄、绿、青、青、蓝、紫等色、紫等色调是彩色的最重要的属性，是决定是彩色的最重要的属性，是决定颜色本色本质的基本特性的基本特性颜色的色的饱和度是指一个和度是指一个颜色的色的鲜明程度，明程度，饱和度越高，和度越高，颜色越深，如深色越深，如深红，深，深绿在物体反射光的在物体反射光的组成中，白色光愈少，成中，白色光愈少，则其色其色饱和度愈大在和度愈大在颜色中加上白色或灰色愈多，其色中加上白色或灰色愈多，其饱和度就愈小和度就愈小亮度是指刺激物的亮度是指刺激物的强度作用于感受器所度作用于感受器所发生的效生的效应，其大小是由物体，其大小是由物体反射系数来决定，反射系数越大，物体的亮度愈大，反之愈小反射系数来决定，反射系数越大，物体的亮度愈大，反之愈小u人眼大概能人眼大概能识别128不同的色不同的色调和和130种种不同的色不同的色泽（色（色饱和度和度级）根据不同）根据不同的色的色调，还可以可以识别若干种明暗，比如若干种明暗，比如对于黄色，可以分辨出于黄色，可以分辨出23种明暗种明暗级，对于于蓝色，色，则可分辨出可分辨出16种明暗种明暗级因此，因此，人眼可以人眼可以识辨出大辨出大约种不同的种不同的颜色，色，对于机器于机器视觉来来说，128不同的色不同的色调和和8种种不同的色不同的色饱和度和度级，16种明暗种明暗级基本上基本上满足足应用需求用需求色度表示彩色分量是独立于光通量的两种彩色，比如深绿和浅绿，可能看起来不同，但实际上具有相同的波段相对分布如果光谱分布按一个比例常数增减彩色会变深或变浅，但光谱分布的形状不变，色调（主波段）和色饱和度（主波段的相对量）也就不变HSV颜色感知模型颜色感知模型 u我我们来回来回顾一下一下图10.5，感，感觉意意义显著的色度位著的色度位于的舌形区域内于的舌形区域内从白光点画一条从白光点画一条线，经过某一某一彩色点，再到色度彩色点，再到色度图边界位置，我界位置，我们可以可以认为彩彩色的色度是由白光和色的色度是由白光和纯光光谱色色调相加混合而成：相加混合而成：u其中其中S为长度与的比度与的比值，定，定义为色色饱和度，控制白和度，控制白色和色色和色调的相的相对比例比例u将色将色调、色、色饱和度和亮度和度和亮度编码成成RGB彩色彩色值，不不利于在机器利于在机器视觉算法中使用算法中使用u比如，比如，识别不同不同颜色物体的色物体的简单方法是使用物体方法是使用物体的色的色调特征，但是，特征，但是，这些色些色调在在RGB空空间位于何位于何处？对应于于RGB空空间不同区域的物体表面形状是不同区域的物体表面形状是什么？将色什么？将色调阈值应用于用于图像像RGB空空间的公式是的公式是什么？什么？这些些问题在在RGB空空间中是很中是很难回答的回答的u但将但将RGB值转化化为色色调、色、色饱和度和亮度和度和亮度时，问题就就变得十分得十分简单了按照色了按照色调（Hue）、色）、色饱和度和度(Saturation)和明度和明度值（Value）)建立的建立的HSV彩色模型就是其中的一种方法，有的彩色模型就是其中的一种方法，有的书不用明度不用明度值，而用光，而用光强(Intensity)，HSV也用也用HSI来代替来代替.uHSV彩色表示。彩色表示。uuHSV颜色三角形色三角形u一个一个图像的像的RGB成分可以成分可以转换为HSV彩色表示彩色表示假假设RGB成分已成分已经被被归一化一化为r,g,b，ur,g,b的所有可能的所有可能值形成的形成的轨迹是迹是RGB空空间正象限正象限的三角形，如上的三角形，如上页图。u设三角形上的点三角形上的点P表示表示rgb空空间上的某一上的某一颜色的位色的位置，置，p=(r,g,b)是到三角形上是到三角形上P点的向量，点的向量，w是到表是到表示白色的三角形中心的点的向量，示白色的三角形中心的点的向量，pr是到全色是到全色饱和和红色色对应的三角形的三角形顶点的向量色点的向量色调H是向量是向量pr-w到向量到向量p-w的的夹角。角。u从三角形从三角形远离原点的一离原点的一边按逆按逆时针方向方向环绕三角三角形，形，这是右手法是右手法则，大拇指沿三角形法，大拇指沿三角形法线指向指向远离原点的方向离原点的方向u色色调的余弦的余弦值是是u到三角形中心的向量到三角形中心的向量w的的值为w=（1/3，1/3，1/3）p-w向量的幅向量的幅值为u因因为，因此，因此，pr-w的幅的幅值是是up-w和和pr-w的点的点积是是u从而可以得到从从而可以得到从R、G、B值得到得到简化的化的计算色算色调方程：方程：u为了在了在0到到360度的范度的范围内得到色内得到色调值，有必要从，有必要从360中减去中减去H（当（当）u虽然然这个推个推导是从是从归一化一化RGB值开始，但是方程开始，但是方程可用于任何尺度的可用于任何尺度的RGB值，这是因是因为分子和分母分子和分母中具有相同的尺度因子，可以在中具有相同的尺度因子，可以在计算中消除算中消除u色色饱和度是指空和度是指空间三角形到白色的距离相三角形到白色的距离相对于白于白色到具有相同色度的全色色到具有相同色度的全色饱和色的距离而言的和色的距离而言的全色全色饱色位于三角形的色位于三角形的边上三角形中点上三角形中点经过彩彩色点与三角形色点与三角形边缘的交点的交点为，则色色饱和度是一个和度是一个距离比距离比值：u色色饱和度方程和度方程为：HLS颜色感知模型色感知模型u彩色彩色图像像获取系取系统中的中的RGB图像像转化化为HSV表示，可以便表示，可以便于于进一步的一步的处理当色理当色饱和度和度值为零零时，色，色调不需要定不需要定义，也就是指沿也就是指沿HSV立体立体图的的轴心心线上的任何彩色当光上的任何彩色当光强值V0时，色，色饱和度和度值无需定无需定义u使用使用RGB到到HSV的的变换来将彩色来将彩色图像像转化成适化成适应于机器于机器视觉的形式灰度算法可以在的形式灰度算法可以在HSV表示的表示的V分量上来完成分量上来完成分割可以在分割可以在H分量上完成，以便用不同的色分量上完成，以便用不同的色调区分不同区分不同物体但是，当色物体但是，当色饱和度和度值很低很低时，用色度来区分物体是，用色度来区分物体是不可靠的，所以必不可靠的，所以必须修正分割算法以便将低色修正分割算法以便将低色饱和度和度值的的像素留下，等待像素留下，等待进一步一步处理区域生理区域生长算法可以利用色算法可以利用色调阈值来形成核心区域，将低色来形成核心区域，将低色饱和度和度值或是在或是在阈值边界外界外的未定的未定义的像素点留下通的像素点留下通过分配像素来分配像素来进行区域增行区域增长的的算法没有任何算法没有任何变化化u更一般的算法是使用将色更一般的算法是使用将色调、色、色饱和度和度和光和光强的的阈值将将HSV立体空立体空间分成若干分成若干区域区域这些些阈值用用HSV表示比成象系表示比成象系统提供的提供的RGB表示更容易公式化和表示更容易公式化和应用用彩色不彩色不变性性u室外光室外光线的彩色成分的彩色成分变化非常大，但人却能正确的化非常大，但人却能正确的感知感知场景中物体的景中物体的颜色，并且在大部分情况下不依色，并且在大部分情况下不依赖于于环境照明的境照明的颜色，色，这种种现象叫彩色不象叫彩色不变性性(colorconstancy)u环境光的光境光的光谱分布描述了在每个波段上的能量分布描述了在每个波段上的能量假定假定场景表面是不透明的，景表面是不透明的，场景中的坐景中的坐标值就能用就能用图像平面中像平面中对应点的坐点的坐标来确定在波段来确定在波段上的光上的光从表面点从表面点(x,y)处反射的部分是反射的部分是S(x,y,)到达到达图像上像上每一点的光是由照在每一点的光是由照在场景表面的景表面的环境光的光境光的光谱分布分布和光在不同波段上的反射部分来确定：和光在不同波段上的反射部分来确定：u假假设在每个在每个图像位置像位置(x,y)上有上有p个个传感器，每个感器，每个传感器有不同的光感器有不同的光谱响响应函数，函数，传感器感器k的光的光谱响响应Rk()在在(x,y)处的每个的每个传感器采感器采样不同分布的光不同分布的光谱：u对应于于图像平面点的像平面点的场景表面上一点的彩色（光景表面上一点的彩色（光谱反射）信息由反射）信息由该处p个个传感器感器编码，得到，得到p个个编码值u彩色不彩色不变性是性是传感器响感器响应恢复恢复场景表面光景表面光谱反射反射S(x,y,)的的问题，而独立于，而独立于环境照明的光境照明的光谱分布分布u原原则上，彩色不上，彩色不变性性问题可以表示可以表示为有限有限维线性性空空间中的逆中的逆问题，并可通，并可通过矩矩阵方法求解假定方法求解假定表面反射是基函数的表面反射是基函数的线性性组合，合，u基函数的数量是表面反射自由度的数目假定基基函数的数量是表面反射自由度的数目假定基函数已知，函数已知，仅用三个基函数的用三个基函数的线性模型足以表示性模型足以表示典型的表面反射典型的表面反射um个自由度的个自由度的线性模型表示性模型表示环境照明如下：境照明如下：假定基本光源（假定基本光源（basiclight）的光）的光谱分布已知，分布已知，则只需三个或四个基本光源就可以建立不同气候条只需三个或四个基本光源就可以建立不同气候条件和不同件和不同时间的自然光模型的自然光模型u彩色确定彩色确定问题可以用矩可以用矩阵形式表示形式表示m个个值组成成列向量，个列向量，个值组成列向量，将成列向量，将这些列向量代入方些列向量代入方程程10.22，得到，得到图像中每个像素的矩像中每个像素的矩阵模型：模型：u照明矩照明矩阵是一个矩是一个矩阵，第，第(i,j)项的的值是：是：u如果如果环境照明已知，那么照明矩境照明已知，那么照明矩阵也已知如果也已知如果传感器数感器数目等于表面反射的自由度数目，即，那么可以求取照明矩目等于表面反射的自由度数目，即，那么可以求取照明矩阵的逆，以便得到的逆，以便得到图像上每一点的表面光像上每一点的表面光谱反射特性系数，反射特性系数，该系数表征了系数表征了场景相景相应点的色彩点的色彩u如果如果环境照明未知，境照明未知，则需要需要传感器数目多于表面反射自感器数目多于表面反射自由度数目才能求解此由度数目才能求解此问题由于假由于假设环境照明境照明对场景中所景中所有点都一有点都一样，因此可以用多个，因此可以用多个场景点上的信息来景点上的信息来计算算环境境照明假定从个不同的空照明假定从个不同的空间点上，可得到个不同的点上，可得到个不同的测量量值这里有个表面反射未知数和个里有个表面反射未知数和个环境光境光谱未知数因此，未知数因此，必必须在在时取取样才能得到比未知数更多的数据才能得到比未知数更多的数据这一分析意一分析意味着如果有个敏感器，就可以在不知道味着如果有个敏感器，就可以在不知道环境光境光线的情况下的情况下求解彩色不求解彩色不变性性问题u矩矩阵将将维的表面空的表面空间映射到映射到维的敏感器空的敏感器空间例如，当，例如，当，时，子空，子空间就是三就是三维空空间中的一个平面中的一个平面这意味着下面的意味着下面的确定表面反射性的两步算法不依确定表面反射性的两步算法不依赖于于环境照明：境照明：u1确定覆盖确定覆盖传感器空感器空间数据点的平面数据点的平面（子空（子空间），以恢复），以恢复环境照明向量境照明向量u2从从环境照明向量确定照明矩境照明向量确定照明矩阵，再，再求的逆来得到表面反射向量求的逆来得到表面反射向量