第三章遙感光學(xué)基礎(chǔ)

第三章遙感光學(xué)基礎(chǔ)第1頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三遙感光學(xué)基礎(chǔ)遙感光學(xué)：以人為本，綜合物理光學(xué)、視覺(jué)生理、視覺(jué)心理、心理物理等學(xué)科，研究人眼對(duì)不同顏色光感覺(jué)的規(guī)律介紹遙感成像原理及過(guò)程，包括黑白、真彩色、假彩色和彩紅外第2頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三顏色性質(zhì)和顏色立體光：只有能被人的眼睛感覺(jué)到的、并產(chǎn)生視覺(jué)現(xiàn)象的輻射才稱(chēng)為可見(jiàn)輻射或可見(jiàn)光，簡(jiǎn)稱(chēng)光第3頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三人眼的結(jié)構(gòu)圖第4頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在人的視覺(jué)系統(tǒng)中有兩種感光細(xì)胞：桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。

桿狀細(xì)胞為暗視器官，只在較暗的條件下起作用，不能分辨顏色和細(xì)節(jié)；

錐狀細(xì)胞是明視器官，在照度足夠高時(shí)起作用，并能分別辨顏色和細(xì)節(jié)。錐狀細(xì)胞對(duì)電磁光譜的三個(gè)波段：紅、綠、藍(lán)敏感。由于這個(gè)原因，這三種顏色被稱(chēng)為三基色。在光亮條件下，人眼能分辨各種顏色，當(dāng)光亮降低到一定程度，人眼的感覺(jué)便是無(wú)彩色的，光譜變成不同明暗的灰?guī)?。人眼顏色視覺(jué)第5頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

人類(lèi)感光細(xì)胞的敏感曲線第6頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三視網(wǎng)膜的顏色區(qū)視網(wǎng)膜中央能分辨各種顏色﹐由中央向外圍部分過(guò)渡﹐對(duì)顏色的分辨能力逐漸減弱﹐直到對(duì)顏色的感覺(jué)消失。觀察小視場(chǎng)和大視場(chǎng)的顏色會(huì)有不同結(jié)果。眼睛感受到顏色﹐不只決定于客觀的刺激﹐還取決于用眼的什么位置接受這個(gè)刺激視網(wǎng)膜的顏色區(qū)1能分辨各種顏色2能分辨黃藍(lán)，對(duì)紅綠色盲，能分辨明暗3全色盲區(qū)，只能辨別明暗第7頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

根據(jù)人眼的結(jié)構(gòu)，所有顏色都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(lán)（Blue)按照不同的比例組合而成。國(guó)際照度委員會(huì)(CIE)在1931年就規(guī)定三種基本色的波長(zhǎng)分別為R：700nm，G：546.1nm，B：435.8nm。在三原色中，其中的任一種顏色不能由其余兩種顏色混合相加產(chǎn)生，這三種顏色按一定比例混合，可以形成各種色調(diào)的顏色。三基色（三原色）第8頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三任何一種顏色都可以用三基色表示出來(lái),即：第9頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三03五月2023RGB顏色模型

RGB模型用三維空間中的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示一種顏色，如圖下所示。每個(gè)點(diǎn)有三個(gè)分量，分別代表該點(diǎn)顏色的紅、綠、藍(lán)亮度值。在RGB模型立方體中，原點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顏色為黑色，它的三個(gè)分量值都為零。距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色為白色，它的三個(gè)分量值都為1。從黑到白的灰度值分布在這兩個(gè)點(diǎn)的連線上，該線稱(chēng)為灰色線。立方體內(nèi)其余各點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的顏色。彩色立方體中有三個(gè)角對(duì)應(yīng)于三基色——紅、綠、藍(lán)。剩下的三個(gè)角對(duì)應(yīng)于三基色的三個(gè)補(bǔ)色——黃色、青色（藍(lán)綠色）、品紅。第10頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如果將

R、

G、

B看成三個(gè)變量,就形成一個(gè)三維彩色空間?？梢杂靡粋€(gè)三維的立方體來(lái)表示它們能組成的所有顏色第11頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第12頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

格拉斯曼（Glassman）定律：1lm（W）＝0.30lm（R）＋0.59lm（G）＋0.11lm（B）若1單位紅為0.30lm；

1單位綠為0.59lm；1單位白為1lm；

1單位藍(lán)為0.11lm；——白光可以由紅、綠、藍(lán)三色光按一定比例合成配比得到。以光強(qiáng)為單位，紅光為30%，綠光為59%，而藍(lán)光僅為11%。這一比例與太陽(yáng)光中的紅、綠、藍(lán)三色光的比例基本相同，事實(shí)上這是人們長(zhǎng)期適應(yīng)太陽(yáng)光的結(jié)果。太陽(yáng)光是自然界唯一的自然白光光源。第13頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ETM+各波段設(shè)置遙感圖像的顯示R：700nm，G：546.1nm，B：435.8nm第14頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第15頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三遙感多波段圖像的顯示彩色合成，colorcomposite，根據(jù)三原色原理，對(duì)于一景遙感影像中的三幅影像（三個(gè)波段）或同一地區(qū)在影像精確配準(zhǔn)后的三幅不同來(lái)源的遙感影像分別賦以紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B），生成彩色影像的過(guò)程。彩色合成的種類(lèi)分為（近似）真彩色合成、假彩色合成與偽彩色合成三種。第16頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三遙感圖像彩色合成自然色（quasi-naturecolor，似真彩色）即合成彩色與人眼看到的自然景物近似。(TM321（RGB）——RGB)假彩色(falsecolor)除植被外，其它地物合成彩色與自然色近似，植物變?yōu)轷r明紅色（飽和度很高的紅）(標(biāo)準(zhǔn)假彩色：TM432（NIR、R、G）——RGB)，人眼對(duì)紅光敏感，突出植被信息，其他地物也還接近人眼看到地面實(shí)際場(chǎng)景的顏色。偽彩色(pseudocolor)，對(duì)于一景遙感影像，根據(jù)某種顯示意圖，建立顏色查找表，人為地將影像按灰度配賦某種顏色生成彩色影像。第17頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

遙感圖像顯示似真彩色顯示TM321標(biāo)準(zhǔn)假彩色TM432第18頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2002年5月全球平均海平面溫度圖偽彩色圖像第19頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三W（白光）=R＋G＋B R＋G＝Y(jié)Y——yellow黃

R＋B＝MM——magenta品紅

G＋B＝CC——cyan青

Y＋B＝WY＝W－B M＋G＝W＝》M＝W－G C＋R＝WC＝W－R若兩種同等強(qiáng)度顏色混合產(chǎn)生白色或灰色，這兩種顏色為互補(bǔ)色，黃和藍(lán)、紅和青、綠和品紅。不分青紅皂白互補(bǔ)色第20頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三TheCMYColourModelGreenCyanBlueMagentaRedYellowBlack(minusblue)(minusgreen)(minusred)TheRelationbetweenRGBandCMYC=1-R

M=1-G

Y=1-B加色法和減色法加原色與減原色第21頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

一般用于顏料的配制、彩色印刷、彩色相片的染印等。液體噴墨打印機(jī)顏料的顏色是由于染料選擇性吸收了白光中的某些波長(zhǎng)，反射出白光中未被吸收的色光而產(chǎn)生。黃

＝

白－藍(lán)

＝

紅＋綠

＝

黃青

＝

白－紅

＝

藍(lán)＋綠

＝

青品紅＝白－綠＝藍(lán)＋紅＝品紅三種顏料等量混合，白光中的紅、綠、藍(lán)全部被吸收，所以呈現(xiàn)黑色CMYK模型CMYK(cyan，青；magenta；品紅,；yellow，黃；black，黑)第22頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三濾光片所謂濾色片意指該片只是對(duì)某種波長(zhǎng)光“放行”，其余光一概阻隔。如藍(lán)光濾色片，則僅允許藍(lán)光透過(guò)，其余各光都被濾掉。一束白光先通過(guò)藍(lán)色濾光片（曲線A），透過(guò)藍(lán)光時(shí)，綠光和紫光也會(huì)部分透過(guò)再通過(guò)黃色濾光片（曲線B），透過(guò)黃光，綠光和紅光也會(huì)部分透過(guò)共同透過(guò)的部分為綠色屏幕上顯示為綠色（曲線C）減色法濾光實(shí)驗(yàn)第23頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

圖像顏色的三個(gè)屬性顏色是外界光刺激作用于人的視覺(jué)器官而產(chǎn)生的主觀感覺(jué)。顏色分兩大類(lèi)：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(chēng)為無(wú)色系列。彩色是指除了非彩色以外的各種顏色。顏色有三個(gè)基本屬性，分別是色調(diào)、飽和度和亮度?；谶@三個(gè)基本屬性，提出了顏色模型HSI（Hue、Saturation、Intensity）。第24頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Hue色相反映了該彩色最接近的光譜波長(zhǎng)。Saturation飽和度是是色彩純潔的程度，即光譜中波段是否窄，頻率是否單一的表示。Intensity亮度是指光波作用于感受器所發(fā)生的效應(yīng)，其大小由物體反射率來(lái)決定，反射系數(shù)越大，物體的亮度愈大，反之愈小。第25頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三HSI模型①I(mǎi)分量與圖像的彩色信息無(wú)關(guān)；②

H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相聯(lián)的。這些特點(diǎn)使得HSI模型非常適合借助人的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)感知彩色特性的圖像處理算法。第26頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三IHSHSI顏色立體H色度：取值0-360S飽和度：取值0-1I亮度：取值0-1第27頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第28頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第29頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第30頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

其他顏色模型

1）YUV電視信號(hào)彩色坐標(biāo)系統(tǒng)其中Y信號(hào)表示亮度，U、V信號(hào)是色差信號(hào)。

2）Lab顏色模型Lab顏色由亮度或光亮度分量L和a、b兩個(gè)色度分量組成。其中a在的正向數(shù)值越大表示越紅，在負(fù)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(fù)向的數(shù)值越大表示越藍(lán)。

第31頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三通常用以區(qū)別顏色的的特性是亮度、色調(diào)和飽和度。色調(diào)和飽和度一起稱(chēng)為彩色。因此顏色用亮度和彩色表征。形成任何特殊顏色需要的紅、綠、藍(lán)的量稱(chēng)為三色值，并分別用X,Y和Z表示。一種顏色三色值的系數(shù)定義為可得對(duì)任何可見(jiàn)光譜內(nèi)的光波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)顏色的三色值可直接從大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到。色度圖

第32頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三確定顏色的另一種方法是用CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）色度圖紅綠藍(lán)色度圖

第33頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三邊界：純色邊界內(nèi)部：混合色等能量點(diǎn)：白光任意兩點(diǎn)連線：兩類(lèi)顏色相加得到馬蹄形內(nèi)：三種原色的不同混合等能量點(diǎn)到邊界點(diǎn)連線：特定譜色的所有色調(diào)色度圖

加色法和減色法第34頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三角形：RGB顯示器，彩色全域；不規(guī)則區(qū)域（多邊形）：高質(zhì)量彩色打印設(shè)備的彩色域色度圖

加色法和減色法第35頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三總結(jié)顏色模型

為了科學(xué)地定量描述和使用顏色，提出了各種顏色模型。面向硬件設(shè)備的最常用彩色模型是RGB模型而彩色處理的最常用模型是HSI模型在印刷工業(yè)上用CMYK電視信號(hào)傳輸中，用YUV色彩系統(tǒng)第36頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黑白影像和彩色影像成像過(guò)程負(fù)片到正片的基本攝影順序原始場(chǎng)景攝影機(jī)加工處理負(fù)片像紙加工處理正片膠片藍(lán)+綠+紅0.38μm0.76μm黑白片感光原理感光顯影和定影顯影和定影感光第37頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黑白片感光原理感光特性曲線曝光量（H）的對(duì)數(shù)底片的密度（D）D=logφ0/φi曝光量H=I.t,I為光的照度，t為曝光時(shí)間Φ0為底片未露光處的透過(guò)率Φi為底片露光處的透過(guò)率第38頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三彩色攝影原理負(fù)片有三層感光乳劑，感光性質(zhì)如下：

層序號(hào)感光性質(zhì)形成顏色1藍(lán)（B）黃（Y）3紅（R）青（C）2綠（G）品紅（M）W－B＝Y(jié)W－G＝MW－R＝C負(fù)片的基片是透明膠片第39頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三正片也是三層感光乳劑，所不同的是正片的基片是不透明的，即看上去是反射光，而不是透射光。地物層顏色負(fù)片

紅綠蘭白黑YYMMCCYYY

MMMCCCRGBWBL正片正片顏色這里反復(fù)運(yùn)用了互補(bǔ)色，得到以上結(jié)果。第40頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三CCD傳感器ChargeCoupledDevice電荷耦合器件，由大量獨(dú)立的光敏元件組成，這些光敏元件通常是按矩陣排列的CCD數(shù)碼相機(jī)成像：第41頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三CCD成像過(guò)程1、景物反射的光線通過(guò)DC的鏡頭透射到CCD上。

2、當(dāng)CCD曝光后，光電二極管受到光線的激發(fā)釋放出電荷，產(chǎn)生感光元件的電信號(hào)。

3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制信號(hào)線路對(duì)光電二極管產(chǎn)生的電流進(jìn)行控制，由電流傳輸電路輸出，CCD將一次成像產(chǎn)生的電信號(hào)收集起來(lái)，統(tǒng)一輸出到放大器。

第42頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、經(jīng)過(guò)放大和濾波后的電信號(hào)，由A/D將電信號(hào)（此時(shí)為模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)值的大小和電信號(hào)的強(qiáng)度即電壓的高低成正比。

5、輸出到數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。在DSP中，這些圖像數(shù)據(jù)被進(jìn)行色彩校正、白平衡處理等后期處理，編碼為DC所支持的圖像格式、分辨率等數(shù)據(jù)格式

6、最后，圖像文件就被寫(xiě)入到存儲(chǔ)器上（內(nèi)置或外置存儲(chǔ)器）。第43頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三課外了解部分

色彩的物理、生理與心理效應(yīng)（1）

暖色與冷色紅色、橙色和黃色可使人聯(lián)想到太陽(yáng)或火，是暖色的。任何包含了藍(lán)色的顏色，如綠色、紫色或藍(lán)綠色(青色)，可使人聯(lián)想到空氣、天空和水，它們被稱(chēng)為冷色。1色彩的物理效應(yīng)第44頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）

膨脹色與收縮色

膨脹色：前進(jìn)性的暖色、明度高。收縮色：后退性的冷色、明度低。（3）

輕色與重色

輕色：明度高、冷色。重色：明度低、暖色（4）

華麗色與樸素色

華麗色：色度或明度愈高者愈華麗。樸素色：色度或明度愈低者愈樸素。第45頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（5）

興奮色與沉靜色

興奮色：暖色或明亮色、色度高。沉靜色：冷色或暗色、色度低。（6）

柔軟色與堅(jiān)硬色

柔軟色：明度高、色度低、暖色。堅(jiān)硬色：明度低、色度高、冷色。（7）

色彩的味覺(jué)

①酸：未成熟的果實(shí)，以綠色為主，加上黃、黃綠。第46頁(yè)，共51頁(yè)，2023年，2月20日，星期三②甜：成熟的果實(shí)，以黃、橙、紅及其明