虽然数字图像处理这一领域建立在数学和概率公式表示的基础之上，但人的直觉和分析在选择一种技术而不选择另一种技术时会起核心作用，这种选择通常是基于主观的视觉判断做出的。
2.1.1 人眼的结构下图是人眼的一个简化剖面图
眼睛的形状近似于一个球体，其平均直径约为20mm。眼睛由三层膜包裹：角膜和巩膜外壳、脉络膜和视网膜。
角膜是一种硬而透明的组织，覆盖着眼睛的前表面。与角膜相连的巩膜是一层包围眼球其余部分的不透明膜。
脉络膜位于巩膜的正下方。脉络膜包含有血管网，它是眼睛的重要滋养源。即使是对脉络膜表面并不严重的损害，也有可能严重地损害眼睛，引起限制血液流动的炎症。脉络膜外壳着色很重，因此有助于减少进入眼内的外来光和眼球内反向散射光的数量。
脉络膜的最前面分为睫状体和虹膜。虹膜的收缩和扩张控制着进入眼睛的光量。虹膜中间开口（瞳孔）的直径可变，变化范围为2~8mm。虹膜的前面包含有眼睛的可见色素，而后面则包含有黑色色素。
晶状体由同心纤维细胞层组成，并由负载睫状体上的纤维悬挂。晶状体吸收大约8%的可见光谱，对短波长的光有较高的吸收率。
眼睛最里面的膜是视网膜，它布满了整个后部的内壁。眼睛适当地聚焦时，来自眼睛外部物体的光在视网膜上成像。感受器通过感受视网膜表面分布的不连续光来形成图案。光感受器分为两类：锥状体和杆状体。
锥状体：每只眼睛中锥状体数量约为600~700万个。主要位于视网膜中称为中央凹的中间部分，对颜色高度敏感。使用这些锥状体，人们可以充分地分辨图像细节，因为每个锥状体都连接到了自身的神经末梢。肌肉控制眼球的转动，直到感兴趣物体图像落到中央凹上。锥状体视觉称为白昼视觉或亮视觉。
杆状体：约为7500~15000万个杆状体分布在视网膜表面。由于分布面积较大而且几个杆状体连接到一个神经末梢，因此减少了这些感受器感知细节的数量。杆状体用来给出视野内的总体图像。它们没有彩色感觉，对低照明度敏感。例如，白天色彩鲜艳的物体，在月光下却没有颜色，因为此时只有杆状体受到刺激。这种现象称为暗视觉或微光视觉。
上图显示了右眼中通过眼睛光神经出现区的剖面的杆状体和锥状体密度。在这一区域，由于没有感受器而导致了所谓的盲点。除了这一区域，感受器的分布关于中央凹径向对称。横坐标的度数即离开视轴的度数，它由视轴和通过晶状体中心并相交于视网膜的一条直线的夹角度量）。
图中可以看出，锥状体在视网膜的中心最密（在中央凹的中心区域）。从该中心向外到偏离视轴大约20°处，杆状体的密度逐渐增大，然后向外到视网膜的极限边缘处，密度逐渐下降。
中央凹本身就是视网膜中直径约为 1.5mm 的圆形凹坑。在视网膜的这一区域中，锥状体的密度约为 150 000个/mm²。人眼分辨细节的能力与当前电子成像传感器是可以类比的。
2.1.2 眼睛中图像的形成晶状体和成像区域（视网膜）之间的距离是固定的，正确聚焦的焦距是通过改变晶状体的形状来得到的。睫状体中的纤维可实现这一功能，在远离或接近目标物时，纤维会分别压扁或加厚晶状体。晶状体中心和视网膜沿视轴的距离约为17mm，焦距约为14~17mm。在眼睛放松而且聚焦距离大于3m时，焦距约为17mm。
视网膜图像主要聚焦在中央凹区域。然后，光接收器的相对刺激作用产生感知，把辐射能转变为电脉冲，最后由大脑解码。
2.1.3 亮度适应和辨别人的视觉系统能够适应的光强度级别范围很宽——从暗阈值到强闪光约有1010个量级。实验数据指出，主观亮度（即由人的视觉系统感知的亮度）是进入人眼的光强的对数函数。
图中画出的光强度与主观亮度的关系曲线说明了这一特性。长实线代表视觉系统能适应的光强范围。在亮视觉中，该范围约为106。由暗视觉逐渐过渡到亮视觉的近似范围为0.001 ~ 0.1mL（隐形的奇迹）（在对数坐标中为-3~-1mL）。
另外两种现象清楚地表明感知亮度不是强度的简单函数。第一种现象基于这样一个事实，即视觉系统往往会在不同强度区域的边界处出现“下冲”或“上冲”现象。下图是一个典型例子。虽然条带的强度恒定，但在靠近边界处我们实际上感知到了带有毛边的亮度模式。这些看起来带有毛边的带称为yydbz带，厄恩斯特·yydbz于1865年首次描述了这一现象。
第二种现象叫同时对比，即感知区域的亮度并不简单地取决于其强度，如图所示，所有的中心方块都有完全相同地强度。然而，随着背景变得更亮，它们在眼睛里会变得更暗。
人类感知现象的另一些例子就是错觉，在错觉中，眼睛填充了不存在的信息或错误地感知了物体的集合特点。如图所示，正方形的轮廓看起来很清楚，尽管图像中并没有定义这样的一个图形的直线。其它三幅图也类似。
2.2 光和电磁波谱我们感受到的可见光的彩色范围只占电磁波的一部分。在波谱的一端是无线电波，其波长是可见光波长的几十亿倍。波谱的另一端是伽马射线，其波长比可见光小几百万倍。电磁波谱可用波长、频率或能量来描述。波长和频率的关系可用下式描述：
波长 = c/频率c 是光速（2.998*108m/s)。电磁波谱的各个分量的能量由下式给出：
E = hvh 是普朗克常数。波长的单位是米(m)，v 是频率。
电磁波可以视为以一定波长传播的正弦波，或视为没有质量的粒子流，每个粒子以波的模式以光速传播或移动。每个无质量的粒子包含一定的（一束）能量，每束能量称为一个光子。能量与频率成正比。所以，无线电波有低能量光子，微波比无线电波具有较多的能量，红外波具有的能量还要多，然后是可见光、紫外线、X射线和伽马射线，其中伽马射线的能量最高，这就是伽马射线对活体组织损害很大的原因。
光是一种特殊的电磁辐射，它可以被人眼感知。电磁波谱可见光波段的跨越范围为0.43微米（紫色）~0.79微米（红色）。彩色谱分为6个主要区域：紫色、蓝色、绿色、黄色、橘黄色、红色。每种颜色（或电磁波谱的其他分量）不是突然终止的，而是混合平滑地过渡到另一种颜色的。
人感受到的物体颜色由物体反射的光的性质决定。以所有可见波长相对平衡地反射光的物体，对观察者而言是白色的。然而，一个物体在可见光谱的有限范围内反射时，会呈现各种颜色色调。
没有颜色的光称为单色光或无色光。单色光的唯一属性是其强度或大小。因为感知单色光的强度从黑色到灰色变化，最后到白色，灰度级一词通常用来表示单色光的强度。从黑到白的单色光的度量值范围通常称为灰度级，而单色光图像常称为灰度图像。
除了频率以外，还用三个基本量来描述彩色光源的质量：发光强度、光通量和亮度。
发光强度：是从光源流出的能量总量，通常用**瓦特(W)**来度量。光通量：用**流明数(lm)**度量，给出了观察者从光源感受到的能量。例如，从远红外光谱范围的光源发射出的光具有实际意义的能量，但观察者却很难感知到它，它的光通量几乎是0.亮度：是光感知的主观描绘子，它实际上不能度量，它具体体现了强度的无色概念，是描绘彩色感觉的参数之一。原理上，如果可以开发出一种传感器来检测由一种电磁波谱发射的能量，那么我们就可以在该波段上对感兴趣的事件成像。但要注意一点是，要求“看到”一个物体的电磁波的波长必须小于等于物体的尺寸。
虽然成像主要以电磁波发射的能量为基础，但这并不是生成图像的唯一方法。
电磁波：电磁波是电磁场的一种运动形态。变化的电场会产生变化的磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分割的统一的场，这就是电磁场，变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁波是横波。声波：声波是一种机械波，由声源振动产生，始于空气质点的震动，如吉他弦，人的声带或扬声器纸盆产生的震动。声波主要是纵波。