2.数字图像基础.doc

第二章 数字图像基础 视觉感知要素：人眼结构、眼睛中图像的形成、视觉特性 光和电磁波谱 图像的获取 图像的采样和量化、图像质量 像素间的一些基本关系 线性和非线性操作2.1视觉感知要素2.1.1人眼的结构视觉生理特点对图像处理方法的影响很大2.1.1人眼的结构 人眼的机理与照相机类似：（1）瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中 间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，控制进入人 眼内之光通量(照相机光圈作用)（2）晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲 率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网 膜上成象(照相机透镜作用)。（3）视细胞：视网膜上集中了大量视细胞，分为两类：图2.2视锥细胞和视杆细胞在视网膜上的分布锥状（cone）视觉：白昼视觉，对色彩灵敏度高；杆状（rod）视觉：夜视觉，低照度敏感，没有色彩感觉。2.1.2眼睛中图像的形成成像的几何原理图2.3 用眼睛观察树的光学表示法，C点为晶状体的光学中心当晶状体的折射能力由最小变到最大时，晶状体的聚焦中心与视网膜之间的距离由17mm缩小到14mm。当眼睛聚焦到 远于3m的物体时，晶状体的折射能力最弱，当聚焦到非常 近的物体时，其折射能力最强。成像尺寸计算图2.3 用眼睛观察树的光学表示法，C点为晶状体的光学中心观测者看一个距离100m，高15m的树。设x 表示视网膜上形成的图像的大小，单位mm，有:15/100=x/17, x=2.55mm2.1.3亮度适应和鉴定1.主观亮度是进入眼睛的光强度的对数函数 ； 2.亮度适应现象：与整个适应范围相比，能同时鉴别的光强度的总范围很小。图2.4主观亮度感觉范围3.分辨力在不同的亮度适应级，人眼的分辨力不同，如图I是背景 光强，I是光强的变化，log 称为韦伯比，表示光强分辨力( I / I)I I+I具有恒定背景的对比灵敏度3.分辨力曲线表明：低照明级别，亮度辨别较差，当背景图2.6 光强分辨力的典型韦伯比增亮时，亮度辨 别得到了改善4.同时对比效应 心理学实验表明，人眼感受到的亮度不是光强的简单函数，如马赫带效应和同时对比效应。 人类视觉系统对亮度变化的感知比对亮度本身要敏感（1）马赫带效应因为人眼对于图像中不同空间频率具有不同的 灵敏度，而在空间频率突变处就出现了 “欠调”或“过 调”。图2.7马赫带效应（ ）同时对比效应2人眼对亮暗程度所形成的 “黑”“白”感觉具有相对性，即按对比度c感觉物体亮度对比。5.视觉错觉 视觉系统所感觉到的物体的形状并不是简单的投影到视网膜上的形状。对形状的感觉受到物体自身形状及周围背景的影响，也有心理因素的作用。 错视是视觉对图形感觉的一个重要现象。2.2光和电磁波谱紫外光 红外光400nm435.8nm546.1nm700nm780nm单波段、多波段和超波段图像2.3图像感知和获取各类图像都是由 “场“照射”源和形成的“图像”的景”元素对光能的反射或吸收相结合而产生的； （1）照射可能是电磁能源，也可以是非传感光源，如超声波，甚至由计算机产生的照射模式来产生；（2）场景可以是各类物体，甚至可以是一个光源；把照射量变成数字图像的传感器可分为三种类型。用单个传感器获取图像用带状传感器获取图像用传感器阵列获取图像简单的图像形成模式照射反射模型f (x, y)与 i (x, y)和 r (x, y)都成正比f =(x, y) i(x, y)r(x, y)i (x, y)的值是由光源决定的0 i x y ( , ) r (x, y)的值是由场景中的目标特性所决定的0 r x y ( , ) 1 典型值：P.40f(x,y)= i(x,y)r(x,y),其中 0 i(x,y) Bm, 0 r(x,y) 1,i(x,y)为照射分量，r(x,y)为反射分量， Bm最大光照强 度。gmin g gmax, gmin= imin rmin, gmax= imax rmax。gmin ，gmax 是图像灰度范围。该模型常用于同态滤波，计算机图形：真实感模型2.4图像采样和量化 图像的采样和量化 数字图像的表示 数字图像的质量 放大和收缩图像图像采样和量化 大多数传感器的输出是连续电压波形 为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据转化为数字形式 这包括两种处理：取样和量化 取样：图像空间坐标的数字化 量化：图像函数值（灰度值）的数字化图像采样 空间坐标(x,y)的数字化被称为图像采样 确定水平和垂直方向上的像素个数N、M，采样确定了图像的空间分辨率图像的量化函数取值的数字化被称为图像的量化，如量化到256个灰度级量化确定了图像的幅度分辨率图像的采样与数字图像的质量图像的采样与数字图像的质量图像的采样与数字图像的质量图像的量化与数字图像的质量图像的量化与数字图像的质量图像的量化与数字图像的质量采样与量化对图像质量的影响一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分 辨率低，质量差，严重时出现像素呈块状的国际棋盘效应；采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。量化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率高，图像质量好，但数据量大； 量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓现象，图像质量变差，但数据量小。但在极少数情况下对固定图像大小时，减少灰度级能改善质量，产生这种情况的最可能原因是减少灰度级一般会增加图像的对比度。例如对细节比较丰富的图像数字化。非统一的采样和量化（ ）非统一的图像的采样1在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样非统一的采样和量化（2）非统一的图像的量化在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区域避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现象数字图像的表示f (x, y)=ff(0,0)(1,0 )M1,0 )f(Nff( 0,1)(1,1)M1,1)f(NLLOLff (0 1 ,M )f (1,M 1) M(N 1,M 1) 图像（水平）尺寸 M：M = 2m图像（垂直）尺寸 N：N = 2n像素灰度级数 G (k-bit)：G = 2k（k比特图像）图像所需的位数 b：b = = 2M N k N k图像的质量层次，对比度，清晰度1.层次： 表示图像实际拥有的灰度级的数量例如：具有32种不同取值的图像，可称该 图像具有32个层次 图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好2.对比度 对比度是指一幅图像中灰度反差的大小对比度= 最大亮度/ 最小亮度3.清晰度 与清晰度相关的主要因素：亮 度对比度尺寸大小细微层次颜色饱和度影响清晰度因素（1）亮度影响清晰度因素（2）对比度影响清晰度因素（3）尺寸大小影响清晰度因素（4）细微层次影响清晰度因素（5）颜色饱和度放大和收缩图像放大可看出是过采样，收缩可看成是欠采样；放大要进行两步操作：（1）创立新的像素（2）对新的位置赋予灰度值灰度值的赋值方法放大图像 灰度值的赋值方法最近邻插值（零阶插值）高放大倍数时，棋盘效应明显双线性插值v(x,y)=ax+by+cxy+d更多邻点的内插2.5像素间的一些基本关系相邻像素连通性距离相邻像素 4邻域 4邻域：像素p(x,y)的4邻域是：(x+1,y)；(x-1,y)；(x,y+1)；(x,y-1) 用N4(p)表示像素p的4邻域相邻像素 D邻域 D邻域定义：像素p(x,y)的D邻域是：对角上的点(x+1,y+1)；(x+1,y-1)；(x-1,y+1)；(x-1,y-1) 用ND(p)表示像素p的D邻域相邻像素 8邻域 8邻域定义：像素p(x,y)的8邻域是：4邻域的点 D邻域的点 用N8(p)表示像素p的8邻域。N8(p) = N4(p) + ND(p)像素间的连通性 连通性是描述区域和边界的重要概念 两个像素连通的两个必要条件是：（1）两个像素的位置是否相邻（2）两个像素的灰度值是否满足特定的相似性准则（或者是否相等） 4连通、8连通、m连通的定义像素的连通性 4连通 对于具有值V的像素p和q，如果q在集合N4(p)中，则称这两个像素是4连通的像素的连通性 8连通 对于具有值V的像素p和q，如果q在集合N8(p)中，则称这两个像素是8连通的像素的连通性 m连通 对于具有值V的像素p和q，如果:（1） q在集合N4(p)中，或（2）q在集合ND(p)中，并且N4(p)与N4(q)的交集为空（没有值V的像素）则称这两个像素是m连通的，即4连通和D连通的混合连通。1 11 1 0 1 1 10 1 0 0 1 0 11图示为对混合连接条件的解释注:(1)混合连接在实质上是在像素同时存在四连接和八连接是，优先采用四连接;(2)它可消除八连接时常出现的多路问题例：M连接消除八连接时常出现的多路问题像素的连通性通路 通路的定义一条从具有坐标(x,y)的像素p，到具有坐标(s,t) 的像素q的通路，是具有坐(x0,y0),(x1,y1),.,(xn,yn)的不同像素的序列。其中(x0,y0) = (x,y)，(xn,yn) = (s,t)，(xi,yi) 和(xi-1,yi-1)是邻接的，1 i n，n是路径的长度。如果(x0,y0) = (xn,yn) ,则该通路是闭合通路像素间的距离 距离度量函数D：满足三个条件(1) D(p, q) 0 (D(p,q) = 0 当且仅当 p = q ) (2) D(p, q) = D(q, p)(3) D(p, r) D(p, q) + D(q, r)表明像素的距离总是正的；与起终点无关，是相对的；两像素间的最短距离沿直线。欧氏距离E = + 2 ( )2 1D (p,q) (x s) y t2 注：与坐标为（x，y）的像素的距离小于或等于某个值d的像素在以（x，y）为中心以d为半径的圆 上。在数字图像中，圆只能近似表示。城区距离（ 距离）D4D ( , ) = + p q x s y4t注（1）与坐标为（x，y）的像素的D4距离小于 或等于某个值d的像素组成以（x，y）为中心的 菱形；（2）特例：四邻域，D4=1D4距离举例 具有与(x,y)距离小于等于 某个值r的那些像素形成 一个菱形 例如，与点(x,y)（中心点）D4距离小于等于2的像素，形成右图固定距离 的轮廓 具有D4 = 1的像素是(x,y) 的4邻域棋盘距离（D 距离）8N = 8 (p,q) max(x s, y t8 p q x s y t)注（1）与坐标为（x，y）的像素的D8距离小于 或等于某个值d的像素组成以（x，y）为中心