第2章 图像、图像处理系统及视觉系统(第2-1讲)

1、第二章 数字图像处理基础 1数字图像处理基础数字图像处理基础第第2章章 图像、图像系统与视觉系统图像、图像系统与视觉系统第一部分第二章 数字图像处理基础 2本章内容本章内容一、图像（教材2.1）二、补充内容二、补充内容 2.1 图像数字化图像数字化 2.2 数字图像的显示数字图像的显示 2.3 色度学基础与颜色模型（色度学基础与颜色模型（2.5和和2.6节并入）节并入） 2.4 灰度直方图灰度直方图 2.5 图像文件格式图像文件格式 2.6 图像的基本运算图像的基本运算三、教材三、教材2.7-2.11节节第二章 数字图像处理基础 32. 1 图像图像 2.1.1、有关光学的预备知识、有关光学的

2、预备知识 在讨论图像与视觉系统的过程中，必然要涉及到光在讨论图像与视觉系统的过程中，必然要涉及到光学的有关知识。学的有关知识。 光学理论中用到的主要术语及计量单位如下光学理论中用到的主要术语及计量单位如下：第二章 数字图像处理基础 4(1) 发光强度发光强度 (I) (Intensity) 解释解释 光源发光的功率称为发光强度。光源发光的功率称为发光强度。 其单位主要有如下两种：其单位主要有如下两种：烛光功率烛光功率（Candle PowerCP)：1CP是指标准蜡烛发出的光。标准蜡烛是用鲸脑是指标准蜡烛发出的光。标准蜡烛是用鲸脑油制成，重油制成，重1/6磅，燃烧率为磅，燃烧率为120格令（格

3、令（1格令格令0.0648克）的蜡烛。克）的蜡烛。第二章 数字图像处理基础 5 新烛光新烛光(Candle cd)：1cd 就是就是“全幅射体全幅射体”加加温到铂的熔点（温到铂的熔点（ 2024oK ）时从时从1平方厘米表面面平方厘米表面面积上发出的光的积上发出的光的1/60。 第二章 数字图像处理基础 6“全幅射体全幅射体”就是某一物质加热到某一温度时，就是某一物质加热到某一温度时，它发出的能量分布在整个可见光范围内。理论它发出的能量分布在整个可见光范围内。理论上的全幅射体就是一个完全黑体，当冷却后，上的全幅射体就是一个完全黑体，当冷却后，它将吸收所有入射到它上面的光。它将吸收所有入射到它上

4、面的光。 在实用中可以认为在实用中可以认为 1cp=1cd。第二章 数字图像处理基础 7 (2) 光通量光通量 () 光学中如何定义？光学中如何定义？ 光通量是每秒钟内光流量的度量。其单位是流明光通量是每秒钟内光流量的度量。其单位是流明(lumen-lm)。 流明是指与流明是指与1cd的光源相距单位距离，并与入射光的光源相距单位距离，并与入射光相垂直的单位面积上每秒钟流经的光流量叫流明。相垂直的单位面积上每秒钟流经的光流量叫流明。第二章 数字图像处理基础 8 (3) 照度照度 (E) (illumination) 入射到某表面的光通量密度称为该表面的照入射到某表面的光通量密度称为该表面的照度。

5、用每单位面积的流明数来表示。度。用每单位面积的流明数来表示。主要单位有如下几种：主要单位有如下几种：第二章 数字图像处理基础 9公制单位：公制单位： 1）勒克司）勒克司lux: 1勒克司勒克司1流明平方米流明平方米( lm/m2 ) 2）幅透）幅透 (phot)： 1幅透幅透1流明平方厘米流明平方厘米(lm/cm2 ) 3）毫幅透：）毫幅透： 1毫幅透毫幅透10-3 幅透幅透第二章 数字图像处理基础 10英制单位：英制单位： 英尺英尺-烛光：烛光：1英尺英尺-烛光烛光1流明平方英尺流明平方英尺 一般换算关系如下：一般换算关系如下： 1英尺英尺-烛光烛光 = 1流明流明/(英尺英尺)2 10.7

6、6流明米流明米210.76勒克司勒克司第二章 数字图像处理基础 11(4) (4) 反射反射入射到该表面的流明数某表面反射的流明数反射系数(5) (5) 透射透射入射到该物质的流明数某物质透射的流明数透射系数第二章 数字图像处理基础 12(6) (6) 亮度亮度 (L)(L) 这个概念用来说明物体表面发光的量度。这个概念用来说明物体表面发光的量度。光可以由一个面光源直接幅射出来，也可以光可以由一个面光源直接幅射出来，也可以由入射光照射下的某表面反射出来。亮度对由入射光照射下的某表面反射出来。亮度对其两者均适用。其两者均适用。 第二章 数字图像处理基础 13(6) (6) 亮度亮度 (L)(L)

7、 亮度的衡量有两种方式亮度的衡量有两种方式（1）以每单位面积上的）以每单位面积上的发光强度来表示；（发光强度来表示；（2）以每单位面积上的发出的）以每单位面积上的发出的光通量来表示。光通量来表示。光学定义：光学定义：光源表面上一块面元在给定方向的发光光源表面上一块面元在给定方向的发光强度与面元在垂直于该方向的平面上正交投影面积强度与面元在垂直于该方向的平面上正交投影面积之比。单位为尼特（坎德拉之比。单位为尼特（坎德拉/米米2）cosILdA第二章 数字图像处理基础 142.1.2、图像的概念：、图像的概念：“图像图像”一词在汉语中很难给出一个明确的定义。一词在汉语中很难给出一个明确的定义。三个

8、与图像有关的英语词，三个与图像有关的英语词， “Picture”、“image”和和“Pattern”。 “Picture” 画、图画、图像、图片、电影等等；画、图画、图像、图片、电影等等； “image” 像、图像、景像、映像、影像、映射像、图像、景像、映像、影像、映射等；等； “Pattern” 模型、式样、样本、图案、图、图形模型、式样、样本、图案、图、图形等。等。第二章 数字图像处理基础 15当用数学方法描述图像信息时，通常着重考虑它的当用数学方法描述图像信息时，通常着重考虑它的点的性质。一幅图像可以被看成是空间各个座标点点的性质。一幅图像可以被看成是空间各个座标点上强度的集合。它的最

9、普遍的数学表达式为上强度的集合。它的最普遍的数学表达式为), , , ,(tzyxfI (21) 其中其中x,y,z 是空间座标，是空间座标，是波长，是波长，t是时间，是时间，I是图像是图像的强度。的强度。 这样一个表达式可以代表一幅活动的、彩色的、这样一个表达式可以代表一幅活动的、彩色的、立体图像。立体图像。 第二章 数字图像处理基础 16 对于静止的、平面的、单色的图像来说其数学表达对于静止的、平面的、单色的图像来说其数学表达式可简化为下式。式可简化为下式。) ,(yxfI (22) 上式说明一幅平面图像可以用二维亮度函数来表示。上式说明一幅平面图像可以用二维亮度函数来表示。因为光也是能量

10、的一种表现形式，所以：因为光也是能量的一种表现形式，所以： 0( , )f x y (23)第二章 数字图像处理基础 17人们所感受到的图像一般都是由物体反射的光组人们所感受到的图像一般都是由物体反射的光组成的。成的。f(x,y)可以看成由两个分量组成，一个是入可以看成由两个分量组成，一个是入射光量，另一分量是被物体反射的光量，它们可射光量，另一分量是被物体反射的光量，它们可分别被称为照射分量和反射分量。如果用表示分别被称为照射分量和反射分量。如果用表示i(x,y)照射分量，用照射分量，用r(x,y)表示反射分量，那么表示反射分量，那么) ( ) () ,(yxryxiyxfI (24) 第二

11、章 数字图像处理基础 18 r(x,y)表示全吸收情况为表示全吸收情况为0，全反射的情况为，全反射的情况为1。这里这里i(x,y)由光源的性质来确定，而由光源的性质来确定，而r(x,y)则取则取决于景物中的物体。决于景物中的物体。0( , )i x y 0( , )1r x y (26) (25)第二章 数字图像处理基础 19i(x,y) 的单位用照度来度量，即勒克斯。的单位用照度来度量，即勒克斯。 i(x,y)一些的典型值：一些的典型值：晴朗的日子，太阳在地球表面造成的照度为96840lx；天空有云时，太阳在地球表面造成的照度为10760 lx；晴天的夜晚而且是满月的情况下：地球表面的照度为

12、 0.1076lx；一般房间照明充分的室内照度大约为1076勒克司； 第二章 数字图像处理基础 20),(yxr 是反射系数，其典型物质的典型值如下：是反射系数，其典型物质的典型值如下： 黑天鹅绒黑天鹅绒 -0.01； 不锈钢不锈钢 -0.65； 白色墙白色墙 -0.80； 镀银金属镀银金属 -0.90； 白雪白雪 -0.98；第二章 数字图像处理基础 21 在数字图像处理中经常用到监视器或电视机，一般黑白在数字图像处理中经常用到监视器或电视机，一般黑白或彩色电视机的屏幕亮度大约为或彩色电视机的屏幕亮度大约为80120新烛光平方新烛光平方米或米或80120尼特左右尼特左右,最新报道，最新报道，

13、CRT（阴极摄像管）（阴极摄像管）的亮度已达到的亮度已达到500cd/m2,等离子显示器的亮度已达到等离子显示器的亮度已达到1000cd/m2 。第二章 数字图像处理基础 22 2.1.4、图像信息的信息量、图像信息的信息量 在图像的统计特征表征中，认为图像信号是一个在图像的统计特征表征中，认为图像信号是一个随机信号，用振幅或相位的分布函数、概率密度随机信号，用振幅或相位的分布函数、概率密度函数以及一系列的相关矩、中心距、功率谱等参函数以及一系列的相关矩、中心距、功率谱等参数来表征图像的特征，建立图像数学模型，以便数来表征图像的特征，建立图像数学模型，以便对图像信息进行有效地分析及处理。对图像

14、信息进行有效地分析及处理。第二章 数字图像处理基础 23 对于一个连续的图像信号经过编码后就变成了离散对于一个连续的图像信号经过编码后就变成了离散的图像信息。一幅图像如果有的图像信息。一幅图像如果有 共共q种幅度值，并且出现的概率分别为种幅度值，并且出现的概率分别为 那那么每一种幅值所具有的信息量分别么每一种幅值所具有的信息量分别为为 ，等等。，等等。2.1.4、图像信息的信息量、图像信息的信息量（1）、离散的图像信息的熵）、离散的图像信息的熵qssss,321,321qPPPP)1(log,)1(log),1(log),1(log2322212qPPPP 第二章 数字图像处理基础 24由此，

15、其平均信息量可由下式表示。由此，其平均信息量可由下式表示。iqiiiqiiPPPPH2121log)1log(242)把这个平均信息量叫做熵，记作把这个平均信息量叫做熵，记作H第二章 数字图像处理基础 25 如果一个图像信源能输出如果一个图像信源能输出K个独立的消息，当个独立的消息，当这些消息出现的概率彼此相等时，那么这个信这些消息出现的概率彼此相等时，那么这个信源的熵最大。例如，一个信源只输出源的熵最大。例如，一个信源只输出P和和 P-1两个消息，熵的最大值出现在两个消息的两个消息，熵的最大值出现在两个消息的概率都等于概率都等于0.5处。处。 第二章 数字图像处理基础 26（2）、连续的图像

16、信息的熵）、连续的图像信息的熵对于离散的图像信息来说，它只输出有限个符号。对于离散的图像信息来说，它只输出有限个符号。如果输出的不是有限个而是无限个，那么，这样的如果输出的不是有限个而是无限个，那么，这样的图像信息叫做连续图像信息。对于连续图像信息的图像信息叫做连续图像信息。对于连续图像信息的熵也可以仿照离散图像信息的熵来计算。如图熵也可以仿照离散图像信息的熵来计算。如图26所示的连续信源，把所示的连续信源，把 s 分成小微分段分成小微分段 S ，这样，这样，类似于离散信源的熵可导出如下类似于离散信源的熵可导出如下第二章 数字图像处理基础 27第二章 数字图像处理基础 28ssspspssps

17、spsspsspsspHiiiiiiiiiii1log)()(1log)()(1log)()(log)(2222当 时，则0sdsspspH)(1log)(第二章 数字图像处理基础 29第二项是由于第二项是由于 时，时， 所至。所至。一般忽略掉第二项，连续的图像信息源的熵如下一般忽略掉第二项，连续的图像信息源的熵如下式式0ss1log2 dsspspH)(log)(2 (243) 这里应该注意的是连续图像信息的熵并不是绝对熵，而是这里应该注意的是连续图像信息的熵并不是绝对熵，而是绝对熵减去一个无限大项。因此，也可以说这是一个绝对熵减去一个无限大项。因此，也可以说这是一个相相对熵对熵。其中。其中

18、P(s)是概率密度。是概率密度。第二章 数字图像处理基础 30一个重要概念：一个重要概念：对于离散信源来说，消息输出是等概率时其熵最大。对于离散信源来说，消息输出是等概率时其熵最大。对连续信源来说最大熵的条件取决于输出受限情况。对连续信源来说最大熵的条件取决于输出受限情况。当输出幅值受限的情况下，幅度概率密度是均匀分当输出幅值受限的情况下，幅度概率密度是均匀分布时其熵值最大。当输出功率受限的情况下，则输布时其熵值最大。当输出功率受限的情况下，则输出幅度概率密度是高斯分布时其熵值最大。出幅度概率密度是高斯分布时其熵值最大。第二章 数字图像处理基础 31发光强度定义及历史变迁发光强度定义及历史变迁 1760年，朗伯首创了光度学基本体系，成为光度学的奠基人； 1860年，英国率先规定了发光强度的单位，即采用一只蜡烛的发光强度作