第2章数字图像基础.ppt
图像信息技术中的视觉研究 图像获取和显示 图像采样和量化 像素间的基本关系,第2章 数字图像基础,2.1图像信息技术中的视觉研究,2.1.1视觉研究与图像技术的关系(1)人的视觉系统是图像系统的最后终端，即图像信息的信宿;(2)人的视觉系统是一个结构复杂、性能优越的图像系统。,仅涉及人类视觉最基本的方面-人眼中形成图像的机理与参数。,视觉研究,视觉研究,视觉研究,视觉研究,视觉研究,视觉研究,人的视野：左、右：1800，上、下：600。人眼在观察图象时，图象水平方向的宽度对应于眼球所张的角度称为水平视角。当视角在100以内时为视觉敏锐区，对色彩及细节的分辨能力最强；200以内时能正确识别图形等信息；200以上时分辨能力开始下降，但对活动信息比较敏感；300以上时分辨能力大大下降，但此时观看者好象就与画面中的景象处于同一个空间中，给人以身临其境的临场感。一般人眼的视野水平视角在200以内，而垂直视角在150以内的矩形区域内，所以4：3的电视图象就可以了。而为了使显示的图象具有临场感，水平视角应达到30以上，据此美国电影及电视工程师学会推荐了16：9的电视图象。,画面组成和视觉心理,中心视觉和周边视觉（蒙娜丽莎的微笑）,视觉心理,2.1.2 视觉感知要素 1)人眼构造,.在视网膜上成倒立的像，感觉正立是神经系统的校正.虹膜收缩，调节瞳孔28mm，调节入射光强弱.睫状肌改变晶状体曲率-调焦,锥状细胞：主要分布在视网膜的中央凹，体积小，排列密度很高，每个眼内约有6,000,000,000,000个锥细胞，感光灵敏度低，对颜色很敏感。可以充分辨别细节图像。锥细胞视觉称为明视觉或亮光视觉。杆状细胞:从中央凹开始向四周慢慢减少，体积大，约有75,000,000150,000,000个，分布面大且几个柱细胞联到同一个神经末梢，使得分辨率比较低；主要提供视野的整体视象，不感受颜色并对低照度较敏感，形成具有高灵敏度的无色觉功能的暗视觉。例如在日光下鲜艳的彩色物体在月光下变得像无色的，就是由于只有柱细胞在工作。,人眼构造,视网膜上杆状体与锥状体的分布,锥状体,杆状体,盲点,每平方毫米的杆状体和锥状体数,人眼构造,中央凹本身在视网膜上直径约为1.5mm的凹坑，为方便计算，将其近似为1.5mm*1.5mm的方形传感器阵列。在视网膜的这一区域内，锥状体的密度大约每平方毫米150 000个，基于这一近似，眼睛中最高敏感区域的锥状体数量约为337 000个元素。从行分辨力的观点看，恰好是一个电荷耦合器件（CCD)中等分辨率的成像芯片可有的这个数量元素，且接收器阵列不大于5mm*5mm.,人眼构造,眼睛中图像的形成,球体前端为晶状体，相当于镜头，内壁为视网膜，相当于胶片。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间的距离由17mm缩小到14mm。,2.)亮度适应和鉴别,特殊适应水平的主观亮度感觉范围,昼视觉,夜视觉,闪光极限,夜视阈值,适应范围,光强的对数,视觉系统能够适应的光强范围是很宽的主观亮度是进入人眼的亮度的对数函数人的视觉绝对不能同时在一个范围内工作，它是利用改变整个灵敏度来完成这一变动的这就是亮度适应现象。右图：对于任何给定的一组条件，视觉系统当前的灵敏度级别叫做亮度适应级（Ba)短交叉线表示人眼适应这一强度级时人眼能感觉到的主观亮度范围。,亮度区分实验在任何特定的适应级，人眼辨别光强度之间的变化能力也是不同的,韦伯比：是在背景照明为I的情况下可辨别照明增量的50%。较小意味着可辨别较小的百分比变化，表明亮度辨别能力好。,光强较小时，要求有较大百分比的强度变化，意味着亮度辨别能力较差；光强较大时，亮度辨别能力较强。,图2.7 马赫带效应 证明感觉亮度不是简单的强度函数,感觉亮度：马赫带效应,马赫带：1865年首先描述视觉系统倾向不同强度区域边界周围的”欠调”或”过调”,图2.8 同时对比现象，所有的中心方块有同样的亮度，但当 背景变亮时，感觉它们就逐渐变暗。证明感觉亮度不是简单的强度函数,感觉亮度：同时对比现象,图2.9 一些典型的视觉错觉,人类感知现象：视觉错觉,a:正方形轮廓b:圆轮廓c:长度错觉d:平行线错觉,在视觉错觉中，眼睛填充了不存在的信息或者错误地感知了物体的几何特点。,人类感知现象：视觉错觉,采集,处理,显示,物理对象,2.2 图像获取和显示,照射源,图像,场景,2.2 图像获取和显示,可见光雷达红外线X射线超声波,常见物体岩石发热物体分子光源,反射,透射,各类图像都是由照射源和形成图像的场景元素对光能的反射或吸收而产生的。,2.2 图像获取和显示,右上小图为自然光下观察到的情况，大图为热成像观察到的图象，从中可以看到掩蔽在树丛中的人员。热成像仪使依靠自然伪装的保护完全失。,图2.12 单个传感器，线传感器，传感器阵列,三种传感器装置,高精度扫描装置二维运动：胶片旋转 传感器移动 也可以胶片平面固定，传感器二维运动,单传感器移动产生二维图像,例：传感器：光电二极管数字化仪,胶片,转动,直线移动,每个旋转增量及从左到右的传感器全位移输出图像的一条线,线状与环状传感器,用带状传感器获取图像,平板扫描仪 航空成像,医学 CT MRI工业成像,三维物体的横截面图像,计算机图像重建,用传感器阵列获取图像,数字图像的采集过程,照射（能）源,成像系统,（内部）成像面,输出（数字化）图像,场景元素,液晶显示(LCD)、等离子体显示(PDP)等。CRT：电子扫描。LCD:它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及色彩丰富的图像。PDP:基于一利用稀有气体（惰性气体）放电所产生的真空紫外线激励荧光粉发光的显示技术。,图像显示,简单的图像形成模型,一幅图像从物理过程产生时，它的值正比于物理源的辐射能量f(x,y)=i(x,y)*r(x,y)0f(x,y)0i(x,y)0r(x,y)1入射分量i(x,y):入射到观察场景的光源总量 取决于照射源反射分量r(x,y)：场景中物体反射光的总量 取决于成像物体的特征典型值：i(x,y)晴朗的白天 太阳在地球表面产生的照度超过90000lm/m2 有云10000lm/m2晴朗的夜晚满月的情况下0.1lm/m2R(x,y):黑天鹅绒 0.01 不锈钢 0.65 白色墙 0.80 镀银金属 0.90 雪 0.93,2.3 图像的取样与量化,图2.16 产生一幅数字图像的过程,模拟-数字取样：数字化坐标量化：数字化幅度值,模拟图像,A-B线扫描,取样,量化,图2.17 图像的空间量化,连续图像投影到传感器阵列,图像取样和量化后的结果,数字图像的质量很大程度上取决于取样和量化中所用的取样数和灰度级一般根据图像内容进行选择,2.3 图像的取样与量化,常用的图像坐标,数字图像的表示,M*N,数字化过程中，对M、N只要求必须为正整数，出于处理、存储和取样硬件的考虑灰度级典型值取2的整数次幂,表2.1 不同灰度级所需存储空间,数字图像的表示,空间分辨率,图2.19 1024*1024的图像缩小至32*32像素，灰度级保持为256,图2.20 采样间隔越大，空间分辨率低，质量差；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。,空间分辨率,图2.21 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；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。,灰度级分辨率,图2.21(续)当灰度分辨率进一步降低时的情况,灰度级分辨率,图2.22 图像细节含量由少到多，同时改变空间分辨率和量化级，要求观察者按照主观质量进行排序,空间和灰度级分辨率,图2.22 图像细节含量由少到多,三类图像中典型的等偏爱曲线,图2.22 图像细节含量由少到多,放大和缩小数字图像,邻域内插法,双线性内插法,2.4 象素间的基本关系,象素的邻域4-邻域N4(p)：对角邻域ND(p)：8-邻域N8(p)：,邻接、连接和连通,邻接（adjacency,邻接）vs.(connectivity,连接)邻接仅考虑象素间的空间关系 两个象素是否连接：(1)是否接触（邻接）(2)灰度值是否满足某个特定的相似准 则（同在一个灰度值集合中取值）,邻接、连接和连通,连接(1)4-连接：2个象素 p 和 r 在V 中取值且 r 在N4(p)中(2)8-连接：2个象素 p 和 r 在V 中取值且 r 在N8(p)中,连接(3)m-连接（混合连接）：2个象素 p 和 r 在V 中取值且满足下列条件之一 r 在N4(p)中 r 在ND(p)中且集合N4(p)N4(r)是空集（这个集合是由 p 和 r 的在V中取值的4-连接象素组成的）,邻接、连接和连通,邻接、连接和连通,邻接、连接和连通,m连接用于消除8连接中的多路歧义性,连通连接是连通的一种特例通路由一系列依次连接的象素组成从具有坐标(x,y)的象素p到具有坐标(s,t)的象素q的一条通路由一系列具有坐标(x0,y0)，(x1,y1)，(xn,yn)的独立象素组成。这里(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，且(xi,yi)与(xi-1,yi-1)邻接，其中1 i n，n为通路长度 4-连通，8-连通 4-通路，8-通路,邻接、连接和连通,象素间的距离,距离量度函数3个象素p，q，r，坐标(x,y)，(s,t)，(u,v)(1)两个象素之间的距离总是正的(2)距离与起终点的选择无关(3)最短距离是沿直线的,象素间的距离,距离量度函数(1)欧氏（Euclidean）距离(2)城区（city-block）距离(3)棋盘（chessboard）距离,象素间的距离,距离量度函数等距离轮廓图案,数字数据传输通常用波特率度量，其定义为每秒钟传输的比特数。通常的传输是以一个开始比特、一个字节（8比特）的信息和一个停止比特组成的包完成的。基于这个概念回答下列问题：（a）用56k波特的调制解调器传输一幅1024*1024、256级灰度的图像要花费几分钟？（b）以750k波特（典型的电话DSL连接速度）传输要多少时间？,作业题,答：(a)1024*1024*（8+2）/56000=187.25s=3.1min(b)1024*1024*（8+2）/750000=14s注：1K按照1000计算,作业题答案,
