第二讲 数字图像基础(新)

1、数字图像处理数字图像处理( (Digital Image Processing）李恒超李恒超 第第2章章 数字图像基础数字图像基础 (1) 视觉感知要素及图像获取视觉感知要素及图像获取 图像采样与量化图像采样与量化 MATLAB初步初步 小结与作业小结与作业 视觉感知要素视觉感知要素 人类视觉系统(Human Visual System, HVS)结构与功能: 目的：服务于图像离散化。目的：服务于图像离散化。 分辨率分辨率 + 亮度级亮度级光和电磁波谱 任何波段的波任何波段的波,都能成像都能成像;可见光部分是成像可见光部分是成像的最重要波段的最重要波段,但不仅限不此但不仅限不此. 图像感知的要

2、素图像感知的要素: “场景场景”+“照射光源照射光源”+获取图像的传感器获取图像的传感器(1) “场景场景”(2) “照射光源照射光源”(3) 获取图像的传感器获取图像的传感器 数字图像是数字图像是离散的离散的，物理图像是连续的；物理图像是连续的；图像采样与量化图像采样与量化 数字图像与物理图像数字图像是离散的，物理图像是连续的函数数字化数字化为了适应数字计算机的处理，必须对连续图像函数进行空间和幅值数字化。空间坐标(x,y)的数字化称为图像采样采样，而幅值数字化被称为灰度级量化量化。经过数字化后的图像称为数字图像(或离散图像)。采样采样就是图像在空间上的离散化处理，即使空间上连续变化的图像离

3、散化；量化量化经过取样的图像，只是在空间上被离散为像素（样本）的阵列，而每一个样本灰度值还是一个有无穷多个取值的连续变化量，必须将其转化为有限个离散值有限个离散值，赋于不同码字才能真正成为数字图像，再由数字计算机或其它数字设备进行处理运算，这样的转化过程称其为量化。分辨率分辨率空间分辨率和灰度分辨率空间分辨率和灰度分辨率 灰度分辨率灰度分辨率是指值的单位幅度上包含的灰度级数，即在灰度级数中可分辨的最小变化。若用8比特来存储一幅数字图像，其灰度级为256。 空间分辨率空间分辨率是指图像中可辨别的最小细节，采样间隔决定空间分辨率的主要参数。一般情况下，如果没有必要实际度量所涉及象素的物理分辨率和在

4、原始场景中分析细节等级时，通常将图像大小MN。 图像噪声图像噪声妨碍人们感觉器官对所接收妨碍人们感觉器官对所接收的信息理解的因素的信息理解的因素 ，种类很多，如加性噪，种类很多，如加性噪声、乘性噪声、白噪声和高斯噪声；声、乘性噪声、白噪声和高斯噪声； 对比度对比度指一幅图像中灰度反差的大小，指一幅图像中灰度反差的大小，对比度最大亮度对比度最大亮度/最小亮度。最小亮度。 1)平均直径平均直径average diameter：20mm 2)角膜角膜Cornea：如同相机的滤镜：如同相机的滤镜 3)虹膜虹膜Iris：2mm-8mm,Control the amount of lights,如同相机的

5、光如同相机的光圈圈(like cameras aperture)。 4)晶状体晶状体lens：如同相机的变焦透镜：如同相机的变焦透镜(like cameras zoom lens) 5)玻璃体玻璃体Vitreous humor：如同相机的暗：如同相机的暗箱箱(like a camera obscura) 6)视网膜视网膜Retina：如同底片：如同底片(like camera negative) 。 7)视锥体视锥体Cones：cells sensitive to color and detail 颜色和细节识别颜色和细节识别600万万-700万万 8)视杆体视杆体rods：cells sen

6、sitive to brightness亮度亮度 7500万万-15000万万 9)中中央凹央凹Fovea：cones are located here视细胞最密集之处，为视线投影到网膜上视细胞最密集之处，为视线投影到网膜上的焦点的焦点(The focus)。 10)视神经视神经Nerve：send the information to the brain将收集到的光线转化为脉冲传将收集到的光线转化为脉冲传向大脑，如同光纤向大脑，如同光纤(like optical fiber)。 11)眼皮眼皮Eyelid：如同相机的快门：如同相机的快门(like cameras shutter) 12)盲点

7、盲点Blind spot：No visual cell is here 视神经与眼球的接点，该处无视细胞视神经与眼球的接点，该处无视细胞所以无法感光。所以无法感光。 Image Formation in the Eye The shape of the lens is controlled by ciliary body(睫状体): For distant objects: flattened; For near objects, thicker Focal length (焦距): The distance between the center of the lens and the ret

8、ina. 17mm-14mm: For distant objects: the lowest refractive (折射); For nearby objects: the most refractive(折射). Radiant energy(辐射能) is changed to Electrical Impulses(电刺激), which are decoded by the brainRetina image size: 15/100=h/17 h=2.55mm1Palm treeCenter of the lens人眼发生错觉的几种情况人眼发生错觉的几种情况(人的感知和外界不存人

9、的感知和外界不存在一一对应关系在一一对应关系, 或感知不是亮度的简单函数或感知不是亮度的简单函数)一个物体和它周围的亮度的交互作用,产生一种称为马赫带的马赫带的效应，效应，Mach BandsMach Bands。当亮度发生跃变时，会有一种边缘增强的感觉，视觉上会感到亮侧更亮，暗侧更暗。Phenomenon 2: Simultaneous contrast(同时同时对比度对比度)Another examplesAnother examples commonly seen 3. The other phenomena of optical illusions(错觉错觉) Illusion: Th

10、e eye fills in non-existing information or wrongly perceives geometrical properties of objects. I can see a virtual squareI can see a lot of virtual concentric circlesI can see a virtual circleWhich line is longer?Actually they are with the same length.图像分辨率包括空间分辨率和灰度级分辨率图像分辨率包括空间分辨率和灰度级分辨率空间分辨率：空间分

11、辨率：度量视觉系统分辨空间细节的能力 像素数:810万像素，200万像素等，空间清晰度灰度级分辨率：灰度级分辨率：度量视觉系统分辨灰度（亮度）细节的能力，一个像素值单位幅度上包含的灰度级数。灰度级数通常是2的整数幂级数，如：用一个byte存一个像素值，则则256256级级屏幕分辨率：屏幕分辨率：显示设备最大可显示的像素点数，如800*600，1024*768，1600*1200DPI(Dot per Inch):DPI(Dot per Inch):指设备每英寸上所显示的像素点数，常称设备分辨率二、图像采样与量化二、图像采样与量化图像的采样图像的采样空间坐标空间坐标(x,y)(x,y)的数字化的

12、数字化被称为图像采样被称为图像采样确定水平和垂直方向上的像素个数确定水平和垂直方向上的像素个数N N 、 M M图像采样与量化图像采样与量化 图像采样的形式化定义 设设Z表示整数集合表示整数集合 采样处理：采样处理：将将xy平面分配到一个网格上，且每一个网平面分配到一个网格上，且每一个网格中心的坐标是一个笛卡儿乘积格中心的坐标是一个笛卡儿乘积ZxZ的元素对，即所的元素对，即所有有序元素对有有序元素对(a,b)的集合，其中的集合，其中a和和b属于整数集合属于整数集合Zxy平面平面(a,b)图像的采样与数字图象的质量图像的采样与数字图象的质量265x180133x9066x4533x22图像采样与

13、量化图像采样与量化 空间分辨率空间分辨率 a:1024x1024 b: 512x512-1024x1024 c: 256x256-1024x1024 d 128x128-1024x1024 e 64x64-1024x1024 f: 32x32-1024x1024 IKONOS卫星是美国空间成像公司发射升空的卫星是美国空间成像公司发射升空的商用卫星，可采集商用卫星，可采集1米分辨率的全色图像米分辨率的全色图像和和4米分米分辨率的多光谱图像辨率的多光谱图像。如下表所示：。如下表所示：常见卫星数据之一常见卫星数据之一:1999年9月24日，SpacingImaging公司成功发射了世界上第一颗高分辨

14、率卫星IKONOS常见卫星数据之一常见卫星数据之一:http:/ 图像融合图像融合与分辨率相关的研究方向举例与分辨率相关的研究方向举例如何提高分辨率：如何提高分辨率： 硬件：提高采集设备的传感器硬件：提高采集设备的传感器（如（如CCD）密度）密度 软件：超分辨率（软件：超分辨率（SR：Super-Resolution）图像重建。）图像重建。图像采样与量化图像采样与量化图像的量化图像的量化取值的数字化取值的数字化被称为图像灰度级量化被称为图像灰度级量化量化处理：量化处理：将将f f 映射到映射到Z Z的处理的处理Z Z的最大取值，确定像素的的最大取值，确定像素的灰度级数灰度级数G G = 2 =

15、 2m mf 图像的形式化定义图像的形式化定义 设设Z表示整数集合，表示整数集合，R表示实数集合表示实数集合 f (x,y)是是数字图像：数字图像：（1）仅当）仅当(x,y) 是是ZxZ中的整数，中的整数，（2）并且）并且f是给每一个坐标对是给每一个坐标对(x,y)分配了一个分配了一个灰度值灰度值的函数的函数图像采样与量化图像采样与量化图像采样与量化图像采样与量化 问题问题1：假定一幅图像取MN个采样点，对样点值进行Q 级分档取整。那么对对 M、N和和Q如何取值呢如何取值呢？ 为了存取的方便，Q一般总是取成2的整数次幂 ，如Q2b，b为正整数，通常称为对图像进行b比特量化比特量化。 对b来讲，

16、取值越大，重建图像失真越小 图像的量化与数字图象的质量256灰度级灰度级16灰度级灰度级8灰度级灰度级4灰度级灰度级图像采样与量化图像采样与量化固定：固定：265x180 问题问题2：对MN的取值，主要的依据是取样的约束条件约束条件，也就是在MN达到满足采样采样定理定理的情况下，重建图像就不会产生失真，否则就会因取样点数不够而产生所谓混淆失真。? 数字图像数字图像近似图像，需要多少采样分近似图像，需要多少采样分辨率和灰度级辨率和灰度级p 胡昂胡昂1965实验：实验： 实验方法实验方法 选取一组细节多少不同的、不同选取一组细节多少不同的、不同NM, G的图象的图象 让观察者根据他们的让观察者根据

17、他们的主观质量主观质量感觉给这些图象排序感觉给这些图象排序 实验结论实验结论 随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提高随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提高 对有对有大量细节大量细节的图象，质量对灰度级需求相应的图象，质量对灰度级需求相应降低降低问问 题题图像的采样与量化图像的采样与量化非统一的图像的采样非统一的图像的采样 在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在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，用粗糙的采样灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样图像的采样与量化图像的采样与量化非统一的图像的量化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滑的区域出现假轮廓的现象f 采样和量化：采样和量化： “统一统一”与与“非统一非统一” 的特点与优点？的特点与优点？ 共性与特性的统一共性与特性的统一 自适应自适应(adaptive)特定问题