ch2数字图像基础

第2章视觉和图像基础

(BasicsKnowledgeofDigitalImageProcessing)

2.1人类的视觉感知系统(VisualSystemofHumanBeings)

2.2数字图像的基础知识(BasicsofDigitalImage)

12.1人类的视觉感知系统

视觉是人类最高级的感知器官，所以，毫无疑问图像在人类感知中扮演着重要角色。然而人类感知只限于电磁波谱的视觉波段，成像机器则可以覆盖几乎全部电磁波谱。研究图像处理首先要了解人类的视觉感知系统。

2基本构造

图2.1人眼横截面简图

2.1.1视觉过程32.1.1视觉过程光学过程

15/100=2.55/1742.1.1视觉过程化学过程：

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52.1.1视觉过程神经处理过程

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62.1.1视觉过程整体视觉过程视觉＝“视”＋“觉”72.1.2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：从夜视阈值到强闪光极限之 间的范围在1010量级（2）具体范围小：一般范围在102量级夜视阈值闪光极限82.1.2视觉系统对光的感知特点亮度变化的感知 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）

92.2.1一个简单的成像模型图象成象模型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入射分量i(x,y)和反射分量r(x,y)102.2.1一个简单的成像模型图象成象模型

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

112.2.1一个简单的成像模型2.10图像数字化122.2.2图像的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132.2.2图像的采样和量化图像的采样空间坐标(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、M142.2.2图像的采样和量化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152.2.2图像的采样和量化图像的表示

图象（水平）尺寸M：

图象（垂直）尺寸N：

象素灰度级数G(k-bit)：

存储图象所需的比特数b：162.2.2图像的采样和量化图像的采样与数字图像的质量172.2.2图像的采样和量化图像的采样与数字图像的质量182.2.2图像的采样和量化图像的采样与数字图像的质量192.2.2图像的采样和量化图像的采样与数字图像的质量一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现马赛克效应；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。

202.2.2图像的采样和量化图像的量化与数字图像的质量212.2.2图像的采样和量化图像的量化与数字图像的质量量化等级越多，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.

222.2.2图像的采样和量化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，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样232.2.2图像的采样和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242.2.2图像的质量层次灰度级：表示像素明暗程度的整数量，例如：像素的取值范围为0-255，就称该图像为256个灰度级的图像层次：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252.2.2图像的质量层次图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好262.2.2图像的质量对比度：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272.2.2图像的质量清晰度：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282.2.2图像的质量影响清晰度因素—亮度292.2.2图像的质量影响清晰度因素—对比度302.2.2图像的质量影响清晰度因素—尺寸大小312.2.2图像的质量影响清晰度因素—细微层次322.2.2图像的质量影响清晰度因素—颜色饱和度332.2.3像素间的基本关系相邻像素4邻域D邻域8邻域连通性4连通

8连通

m连通距离342.2.3像素间的基本关系相邻像素—4邻域像素p(x,y)的4邻域是：

用N4(p)表示像素p的4邻域352.2.3像素间的基本关系相邻像素—D邻域像素p(x,y)的D邻域是：对角上的点

用ND(p)表示像素p的D邻域362.2.3像素间的基本关系相邻像素—8邻域

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)372.2.3像素间的基本关系像素间的连通性

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：

两个像素的位置是否相邻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382.2.3像素间的基本关系像素间的连通性—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392.2.3像素间的基本关系像素间的连通性—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402.2.3像素间的基本关系像素间的连通性—m连通

q在集合N4(p)中，或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）

对于具有值V的像素p和q，如果：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。412.2.3像素间的基本关系像素间的连通性—m连通422.2.3像素间的基本关系像素间的连通性—通路一条从具有坐标(x,y)的像素p,到具有坐标(s,t)的像素q的通路，是具有坐标(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43距离

像素之间的联系常与像素在空间的接近程度有关。像素在空间的接近程度可以用像素之间的距离来度量。为测量距离需要定义距离度量函数。给定三个像素，其坐标分别为如果1）(当且仅当)2）3)则是距离函数或度量。44

和之间的欧式距离定义为：

和之间的距离（也叫城市街区距离）定义为：和之间的距离（也叫棋盘距离）定义为：

45D4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