图像工程图像处理PPT教学课件-第2章 图象采集.ppt

图象工程,章毓晋(TH-EE-IE),第2章图象采集,2.1视觉过程2.2成象中的空间关系2.3光度学和亮度视觉2.4采样和量化,章毓晋(TH-EE-IE),2.1视觉过程,1光学过程,15/100=2.55/17,章毓晋(TH-EE-IE),2.1视觉过程,2化学过程锥细胞和柱细胞：锥细胞：数量少，对颜色很敏感锥细胞视觉：明视觉或亮光视觉柱细胞：数量多，分辨率比较低不感受颜色并对低照度较敏感柱细胞视觉：暗视觉或微光视觉,章毓晋(TH-EE-IE),2.1视觉过程,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（opticalnerve）网络光神经进一步与大脑中的侧区域（sideregionofthebrain）连接，并到达大脑中的纹状皮层（striatedcortex）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,章毓晋(TH-EE-IE),2.1视觉过程,整体视觉过程视觉“视”“觉”,章毓晋(TH-EE-IE),2.2成象中的空间关系,2.2.1成象几何2.2.2观察距离和角度2.2.3景深,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.1成象几何,1、投影变换将3-D客观场景投影到2-D图象平面成象过程三个坐标系统：世界坐标系统XYZ摄象机坐标系统xyz图象平面xy从XYZ到xyz，从xyz到xy,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.1成象几何,三个坐标系统,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.1成象几何,透视变换3-D点投影后的图象平面坐标非线性投影等式（分母含变量Z）,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.1成象几何,2、齐次坐标可用来将前述非线性（分母中含变量Z）等式表示成线性矩阵形式例：直线方程ax+by+c=0一条直线也可用矢量l=a,b,cT来表示当k不为零时，矢量a,b,cT和矢量ka,b,cT表示同一条直线,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.1成象几何,齐次坐标笛卡尔坐标：齐次坐标：k为任意非零常数齐次坐标笛卡尔坐标：用第4个坐标量去除前3个坐标量,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.1成象几何,齐次坐标用第4项分别去除前3个项,章毓晋(TH-EE-IE),逆投影变换点(x,y,0),Z=0：图象平面上一点对应连线上所有共线3-D点的集合,2.2.1成象几何,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.1成象几何,逆投影变换要将1个3-D点的坐标从它的图象中完全恢复过来，需要对产生图象点的3-D空间点有一些先验知识（如知道它的Z坐标）,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.2观察距离和角度,正常人视力的角区分能力约为一分在观察感兴趣场景时，需要使其中最小的细节在眼睛的视场中对应一个约一分的弧所对应的角如果一个点在眼睛的视场中对应不到一分的弧所对应的角，则人观察不到这个点如果两个相邻点与眼睛间连线的夹角不到一分，则人分辨不出这两个点,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.2观察距离和角度,给定点尺寸：最远观察距离给定观察距离：能看见的最小点最佳观察距离=3400*图象高度/显示线数,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.3景深,一定距离内目标清晰成象的范围,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.3景深,引入f-因数（焦距f与光圈直径2r的比）景深Z作为D（可允许的不清晰半径）的函数景深Z与镜头的f-因数成正比，而nf的极限对应具有无穷景深的小孔相机,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.3景深,特殊情况拍照：目标距离很远，dofdif景深与焦距的平方成反比结果是小的焦距导致大的景深,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.3景深,特殊情况复制：目标-图象尺寸为1:1，dodi2f景深现在不依赖于焦距，且与可允许的不清晰半径D有相同的量级只有很小的一个目标区可清晰成象,章毓晋(TH-EE-IE),2.2.3景深,特殊情况显微成象：目标近，焦距小，dof，dif目标被放大了很多，但景深更小了例：当放大倍数为50，即di/do=50且nf=1，D为5mm，得到的景深只有0.2mm,章毓晋(TH-EE-IE),2.3光度学和亮度视觉,2.3.1光度学2.3.2一个简单的成象模型2.3.3视觉系统对光的感知特点,章毓晋(TH-EE-IE),2.3.1光度学,辐射度量学研究各种电磁辐射强弱的学科光是一种电磁辐射光度学研究光的强弱的学科光通量的单位：lm（流明）,章毓晋(TH-EE-IE),2.3.1光度学,点光源线度足够小，或距离观察者足够远发光强度I：点光源沿某个方向上单位立体角d内发出的光通量dF单位：cd（坎）1cd=1lm/sr,章毓晋(TH-EE-IE),2.3.1光度学,点光源立体角（solidangle）是从一点（称为立体角的顶点）出发通过一条闭合曲线上所有点的射线围成的空间部分，所以立体角表示由顶点看闭合曲线时的视角。可以取一立体角在以其顶点为球心所作的球面上截出部分的面积与球面半径的平方之比作为对该立体角的度量。立体角的单位是球面度，记为sr。一个球面度对应在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形面积时的立体角。,章毓晋(TH-EE-IE),2.3.1光度学,扩展光源有一定发光面积的光源光度学亮度B(单位：cd/m2),章毓晋(TH-EE-IE),2.3.1光度学,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dF，则此面元上的照度E为：单位：lx（勒克斯），1lx=1lm/m2照度：是光源对物体辐射的一种量度表2.3.2亮度：观察者对物体表面光强的量度表2.3.1,章毓晋(TH-EE-IE),2.3.2一个简单的成象模型,图象成象模型2-D亮度函数：f(x,y)亮度是能量的量度，一定不为零且为有限值(1)入射到可见场景上的光量(2)场景中目标对入射光反射的比率照度成分i(x,y)和反射成分r(x,y),章毓晋(TH-EE-IE),2.3.2一个简单的成象模型,图象成象模型f(x,y)与i(x,y)和r(x,y)都成正比i(x,y)的值是由光源决定的r(x,y)的值是由场景中的目标特性所决定的典型值：P.40,章毓晋(TH-EE-IE),2.3.3视觉系统对光的感知特点,人眼适应的亮度范围（1）总体范围大：从暗视觉门限到眩目极限之间的范围在1010量级（2）具体范围小：一般范围在102量级,暗视觉门限,眩目极限,章毓晋(TH-EE-IE),2.3光度学和亮度视觉,亮度变化的感知人类视觉系统对亮度变化的感知比对亮度本身要敏感人类视觉系统对光强度的响应不是线性的，而是对数形式的（对暗光时亮度的增加比对亮光时亮度的增加更敏感）,章毓晋(TH-EE-IE),2.4采样和量化,2.4.1空间分辨率和幅度分辨率2.4.2图象质量与采样和量化2.4.3对采样和量化的讨论,章毓晋(TH-EE-IE),2.4.1空间分辨率和幅度分辨率,数字图象图象（水平）尺寸M：图象（垂直）尺寸N：象素灰度级数G(k-bit)：图象所需的位数b：,章毓晋(TH-EE-IE),2.4.1空间分辨率和幅度分辨率,数字图象存储1幅3232，16个灰度级的图需要4,096bit存储1幅128128，64个灰度级的图需要98,304bit存储1幅512512，256个灰度级的图需要2,097,152bit,章毓晋(TH-EE-IE),2.4.2图象质量与采样和量化,图象空间分辨率变化所产生的效果,章毓晋(TH-EE-IE),2.4.2图象质量与采样和量化,图象幅度分辨率变化所产生的效果,章