第三章基础知识

数字（医学）图像处理Digital(Medical)ImageProcessing罗小刚生物工程学院第三章图像处理基础知识第三章图像处理基础知识1、图像处理的视觉基础2、图像的数学模型医学图像处理讲义2重庆大学生物工程学院3.1图像处理的视觉基础视觉生理/视觉特性/视觉模型视觉基础/视觉应用它们与图像研究的关系见图3-1。

医学图像处理讲义3重庆大学生物工程学院图3-1视觉研究与图像的关系视觉研究基础研究视觉心理现象法则（心理学）视觉信息加工机理（生理学）应用研究视环境的改善和视机能应用（照明工程学、人类工程学）图像改善和评价（图像工程）模拟视觉机能的信息处理（信息工程、人工智能心理测定模拟技术医学图像处理讲义4重庆大学生物工程学院1、图像质量评价与视觉心理对图像质量的最终评价是由人的感觉器官和心理状态来决定的。与图像内容以及观察者的心理因素有关。从图像信息传输角度出发，图像系统评价的真正尺度应该是发出信息者的意图为接收信息者所理解的程度，而不是对发出信息者发出的图像像素信息集合的简单接收。医学图像处理讲义5重庆大学生物工程学院图像质量评价方法1.客观评价信噪比等缺点是不容易取得客观评价指标的计算，不能反映视觉心理2.主观评价根据视觉效果进行评分一般方法医学图像处理讲义6重庆大学生物工程学院2、画面组成和视觉心理“”视野——指眼球不动时所能见到的范围如果把注视点作为中心，可见的范围上方约65。，下方约75。，左右视角约为104。，但视力好的部位仅限于中央2。~3。左右。为了适应大的画面和立体景象的机理，眼球必须转动使视线移动。中心视力分辨率强，可以进行图像细节的认识。周边视力分辨率差，可以将视目标特征部分检出，利用检出的目标图像特征去控制眼球运动。另外周边视可以认识图像的全貌，而中心视只能认识图像的一小部分。要产生充分的临场感，画面尺寸应该产生30。以上视野，如宽银幕电影。医学图像处理讲义7重庆大学生物工程学院3、视觉的时空频率分析空间分辨力人眼对空间景物细节的分辨能力有限。时间分辨力对亮度的响应有时延和残留，因而对景物亮度的变化也有分辨力，过快的变化无法分辨“视觉惰性”。当离散画面的重复频率不低于24Hz时，可形成连续画面的感觉，即人眼不能分辨相邻两幅画面间的差别，而低于24Hz时，有闪烁感。医学图像处理讲义8重庆大学生物工程学院医学图像处理讲义9重庆大学生物工程学院3、视觉的时空频率分析人眼对画面静止部分的分辨率高于活动部分，对静止部分减少时间分辨率，而对活动部分减少空间分辨率，可以达到数据压缩的效果。幅度分辨力人眼对景物亮度层次的分辨力也有限，过小的亮度差别无法分辨。对彩色图像的色调和饱和度的分辨力人的视觉对彩色细节的分辨力要比亮度细节差，在国际无线电咨询委员会（ITU-R，原CCIR）601标准中，就利用了这种特性，将色差信号的空间分辨率减半，仍可以得到非常好的图像质量。医学图像处理讲义10重庆大学生物工程学院4、视觉生理视觉生理指视觉信息的产生部分——视细胞(图像信息感受器)和其它神经细胞以及大脑高级中枢的神经系统的信息产生、传输和处理的机理医学图像处理讲义11重庆大学生物工程学院3.1.1人类视觉感知过程人眼结构眼睛中图像的形成视觉特性医学图像处理讲义12重庆大学生物工程学院视觉生理特点对图像处理方法的影响很大1、人眼的结构医学图像处理讲义13重庆大学生物工程学院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，色彩；杆状（rod）视觉：夜视觉，低照度敏感。医学图像处理讲义14重庆大学生物工程学院2、眼睛中图像的形成成像的几何原理视觉信息的产生视觉信息的传递视觉信息的加工处理医学图像处理讲义15重庆大学生物工程学院（1）成像的几何原理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。

医学图像处理讲义16重庆大学生物工程学院成像尺寸计算观测者看一个距离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=2.55mm医学图像处理讲义17重庆大学生物工程学院（2）视觉信息的产生光—化—电过程色觉理论主要有两种三色学三种视色素，对光的影响峰值分别在红、绿、蓝区，综合后形成色觉信息。四色学说三对视色素(白-黑，红-绿，黄-蓝)，它们的组合响应产生色觉信息医学图像处理讲义18重庆大学生物工程学院人类感光细胞的敏感曲线400450500550600650700100806040200蓝绿红波长（nm)光吸收特性%三种不同频率响应的锥，各对红、绿、蓝具有最强的响应，彩色的识别功能医学图像处理讲义19重庆大学生物工程学院（3）视觉信息的加工处理简单型细胞检测图像的明暗边界和线条的位置和方向，复杂型细胞对直线和边界的运动方向敏感，低级超复杂型细胞检测直线和边界的长度、宽度，而高级超复杂型细胞可以检测曲线和边缘曲度等医学图像处理讲义20重庆大学生物工程学院3、视觉特性亮度适应与鉴别分辨力对比灵敏度同时对比效应阈值效应和掩盖效应视觉运动特性视觉空间频率特性视觉时间频率特性医学图像处理讲义21重庆大学生物工程学院主观亮度感受特性医学图像处理讲义22重庆大学生物工程学院医学图像处理讲义23重庆大学生物工程学院医学图像处理讲义24重庆大学生物工程学院分辨力在不同的亮度适应级，人眼的分辨力不同，如图所示，I是背景光强，

I是光强的变化，称为韦伯比，表示光强分辨力

光强分辨力的典型韦伯比医学图像处理讲义25重庆大学生物工程学院马赫带效应医学图像处理讲义26重庆大学生物工程学院同时对比效应图医学图像处理讲义27重庆大学生物工程学院3.1.2视觉的简单数学模型亮度视觉模型彩色视觉模型医学图像处理讲义28重庆大学生物工程学院1、亮度视觉模型输入图像Ii(x,y)光学系统H(

x,

y)输出图像Io(x,y)线性光学系统光学系统的调制传递函数MTF

医学图像处理讲义29重庆大学生物工程学院2、彩色视觉模型Thomas—Young三色假说

g3g1g2d3d2d1e3e1e2线性系统-黄绿色视锥感受器蓝色视锥感受器绿色视锥感受器LOGLOGLOG+

-+

H2(Wx,Wy)H1(Wx,Wy)H3(Wx,Wy)神经信号彩色视觉模型医学图像处理讲义30重庆大学生物工程学院彩色响应在上图模型中，e1、e2、e3代表视网膜三个具有S1(

)、S2()、S3()谱灵敏度的感受器，其输出分别为

C(

)为入射光谱的能量分布函数

医学图像处理讲义31重庆大学生物工程学院彩色信息融合e1、e2、e3经对数传传递后合并为d1、d2、d3输出：医学图像处理讲义32重庆大学生物工程学院3.1.3色度学3个基本颜色——红（R,red）、绿(G,green)和蓝(B,blue)国际照明委员会（CIE），1931年规定3种基本色的波长为R:700nm,G:546.1nm,B:435.8nm。医学图像处理讲义33重庆大学生物工程学院三色系统彩色加法系统（左）与减法系统（右）利用3基色叠加可产生光的3补色：品红（M,magenta，即红加蓝）、蓝绿（C,cyan，即绿加蓝）、黄（Y,yellow，即红加绿）。按一定的比例混合3基色或将1个补色与相对的基色混合就可以产生白色。光的混合满足加色定理。医学图像处理讲义34重庆大学生物工程学院色度图医学图像处理讲义35重庆大学生物工程学院xyz相对三色系数（色品坐标）x+y+z=1,(x,y)CIE色度图。对应于x=y=0.33的E点，称等能量点，CIE标准白光。0.800.20.8xy520nm700-770nm红蓝绿NTSCPAL紫色度图色品坐标系医学图像处理讲义36重庆大学生物工程学院颜色特征区分颜色通常用3种基本特性：亮度色调饱和度。色调和饱和度合起来称为色度。颜色可以用亮度和色度共同表示医学图像处理讲义37重庆大学生物工程学院坐标系为组成某种颜色所需的红、绿、蓝的量称为3个刺激量，分别用R、G、B表示。

颜色还可以用色品值r、g、b（相对色系数）表示，定义如下

医学图像处理讲义38重庆大学生物工程学院主要彩色匹配规则：任何彩色可以用不多于三个基色配成；混合色的光亮度等于各分量亮度之和；人眼不能分解混合彩色的各个分量；在某一亮度等级上的彩色匹配可适用于较宽的亮度范围；医学图像处理讲义39重庆大学生物工程学院3.2图像的数学模型

连续模型离散模型随机场模型医学图像处理讲义40重庆大学生物工程学院3.2.1图像的连续模型基本的连续模型照明反射模型噪声模型医学图像处理讲义41重庆大学生物工程学院1、基本的连续模型图像可以用灰度级G在x，y二维空间的连续变换来描述，即：

Sg(x,y)f(x,y)图像处理的基本框图图像=g(x,y)， 时间序列图像的描述为：图像序列={g1(x,y),g2(x,y),…,gt(x,y)}或：图像序列=g(x,y,t)。 图像处理f(x,y)=S[g(x,y)]

其中S可以是有意施加的某种处理方法，也可以是图像系统中导致图像退化的原因。G(x,y)=S-1[f(x,y)]

是图像复原的基本模型。医学图像处理讲义42重庆大学生物工程学院（2）、照明反射模型（3）、彩色模型2、离散模型3、随机场模型三、图像的数字化f(x,y)=i(x,y)r(x,y),其中0i(x,y)Bm,0r(x,y)1,i(x,y)照射分量，r(x,y)反射分量，Bm最大光照强度。gminggmax,gmin=iminrmin,gmax=imaxrmax。[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、照明反射模型医学图像处理讲义43重庆大学生物工程学院3、通用的彩色模型RGB模型HSI模型医学图像处理讲义44重庆大学生物工程学院（1）RGB模型医学图像处理讲义45重庆大学生物工程学院（2）HSI模型视觉生理模型色调（H，Hue）、色饱和度（S，Saturation）以及亮度（I，Intensity在特定应用环境中，用于图像分析有特殊的优势在只有光照亮度发生变化的应用中，不考虑亮度，只使用色度进行区域分割。医学图像处理讲义46重庆大学生物工程学院圆锥体模型医学图像处理讲义47重庆大学生物工程