第二講 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識教材

1、數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識第二講第二講 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識2.1 2.1 視覺特性與三基色原理視覺特性與三基色原理2.2 2.2 圖像的采集和顯示圖像的采集和顯示2.3 2.3 數(shù)字圖像的生成和表示方法數(shù)字圖像的生成和表示方法2.4 2.4 數(shù)字圖像的系統(tǒng)模型數(shù)字圖像的系統(tǒng)模型數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.12.1 視覺特性與三基色原理視覺特性與三基色原理2.1.1 2.1.1 人眼的視覺特性人眼的視覺特性 根據(jù)數(shù)字圖像處理的需要，關(guān)注人眼的如下根據(jù)數(shù)字圖像處理的需要，關(guān)注人眼的如下幾個重要特性：明暗視覺、彩色視覺、人眼的分幾個重要特性：明暗視覺、彩色視覺、人眼的

2、分辯力、視覺惰性與閃爍感覺。辯力、視覺惰性與閃爍感覺。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識一、明暗視覺一、明暗視覺 人眼對不同顏色的光的亮度感覺是不一樣的，人眼對不同顏色的光的亮度感覺是不一樣的，明暗不同。明暗不同。二、彩色視覺二、彩色視覺 為確切表示某一彩色光，必須用三個基本參量為確切表示某一彩色光，必須用三個基本參量（亮度、色調(diào)和飽和度）來表示，彩色視覺就是對（亮度、色調(diào)和飽和度）來表示，彩色視覺就是對這三個參量的總效應(yīng)。這三個參量的總效應(yīng)。1 1、亮度：反映光作用于人眼時引起的明亮程度。、亮度：反映光作用于人眼時引起的明亮程度。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2 2、色調(diào)：反映了顏色的類別、色調(diào)

3、：反映了顏色的類別。白、黃、青、綠、品、紅、藍(lán)、黑白、黃、青、綠、品、紅、藍(lán)、黑標(biāo)準(zhǔn)彩條信號：標(biāo)準(zhǔn)彩條信號：數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識3 3、飽和度：指彩色光所呈現(xiàn)色彩的深淺程度。、飽和度：指彩色光所呈現(xiàn)色彩的深淺程度。 對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越高，顏色越深，如對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越高，顏色越深，如深紅；飽和度越低，顏色越淺，如淺紅深紅；飽和度越低，顏色越淺，如淺紅。 色度：色調(diào)和飽和度合稱為色度，即表明了彩色色度：色調(diào)和飽和度合稱為色度，即表明了彩色光的顏色類別，又說明了顏色的深淺程度。光的顏色類別，又說明了顏色的深淺程度。 原圖原圖 飽和度降低飽和度降低數(shù)數(shù)字圖圖像處處理

4、基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識三、人眼的分辯力三、人眼的分辯力 是指人在觀看景物時對景物細(xì)節(jié)的分辯能力是指人在觀看景物時對景物細(xì)節(jié)的分辯能力。分為：分為：黑白細(xì)節(jié)分辯力黑白細(xì)節(jié)分辯力和和彩色細(xì)節(jié)分辯力。彩色細(xì)節(jié)分辯力。對彩色對彩色細(xì)節(jié)分辯力的要求要比黑細(xì)節(jié)分辯力的要求要比黑白細(xì)節(jié)分辯力要求低。白細(xì)節(jié)分辯力要求低。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識四四、視覺惰性與閃爍感覺、視覺惰性與閃爍感覺1 1、視覺惰性、視覺惰性 當(dāng)一定強(qiáng)度的光作用于視網(wǎng)膜時，不能在瞬間當(dāng)一定強(qiáng)度的光作用于視網(wǎng)膜時，不能在瞬間形成穩(wěn)定的主觀亮度感覺，而有一個短暫的形成穩(wěn)定的主觀亮度感覺，而有一個短暫的過渡過過渡過程；當(dāng)光消失后，亮度感覺也并不立刻

5、消失，而是程；當(dāng)光消失后，亮度感覺也并不立刻消失，而是按近似指數(shù)函數(shù)的規(guī)律逐漸減小。人眼的這種視覺按近似指數(shù)函數(shù)的規(guī)律逐漸減小。人眼的這種視覺特性叫做視覺暫留特性，或視覺惰性。特性叫做視覺暫留特性，或視覺惰性。 例如：人眼對房間內(nèi)燈的開關(guān)的感受。例如：人眼對房間內(nèi)燈的開關(guān)的感受。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識視覺惰性示例圖視覺惰性示例圖數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2 2、臨界閃爍頻率、臨界閃爍頻率 眼睛在周期性的光脈沖的作用下，如果它的頻眼睛在周期性的光脈沖的作用下，如果它的頻率不夠高，則眼睛會感到一明一暗的閃爍現(xiàn)象。如率不夠高，則眼睛會感到一明一暗的閃爍現(xiàn)象。如果將光脈沖的頻率增加到某一值

6、時，由于視覺惰性，果將光脈沖的頻率增加到某一值時，由于視覺惰性，眼睛就感覺不到閃爍了。眼睛就感覺不到閃爍了。 不引起閃爍感覺的光脈沖的最低重復(fù)頻率稱為不引起閃爍感覺的光脈沖的最低重復(fù)頻率稱為臨界閃爍頻率。臨界閃爍頻率。 經(jīng)驗可知人眼的臨界閃爍頻率約為經(jīng)驗可知人眼的臨界閃爍頻率約為46Hz46Hz。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.1.2 2.1.2 三基色原理三基色原理 自然界中的顏色有無數(shù)多種，如何對這些顏自然界中的顏色有無數(shù)多種，如何對這些顏色加以表示呢？只需要三種顏色，即三基色就可色加以表示呢？只需要三種顏色，即三基色就可以表示所有的顏色。以表示所有的顏色。一、含義一、含義 指選擇指選擇

7、3 3種獨立的顏色，將它們按照不同的比種獨立的顏色，將它們按照不同的比例混合，就可以得到不同的顏色；反之，任何顏例混合，就可以得到不同的顏色；反之，任何顏色也能分解為這三種顏色。色也能分解為這三種顏色。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識注：注： 1 1、三種顏色必須是獨立的，即其中的任何一、三種顏色必須是獨立的，即其中的任何一個顏色都不能由另外兩個基色表示。個顏色都不能由另外兩個基色表示。 2 2、合成彩色光的亮度等于三個基色的亮度之、合成彩色光的亮度等于三個基色的亮度之和；而色度由三個基色分量的比例決定。和；而色度由三個基色分量的比例決定。 在彩色電視系統(tǒng)，彩色圖像系統(tǒng)中選擇的三在彩色電視系統(tǒng)，

8、彩色圖像系統(tǒng)中選擇的三基色一般為：紅、綠、藍(lán)，即基色一般為：紅、綠、藍(lán)，即R、G、B。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識二、相加混色二、相加混色1 1、混色規(guī)律：如圖、混色規(guī)律：如圖2 22 2所示所示紅藍(lán)品紅紅藍(lán)品紅藍(lán)綠青藍(lán)綠青綠紅黃綠紅黃紅綠藍(lán)白紅綠藍(lán)白相加相加混色規(guī)律示意圖混色規(guī)律示意圖數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2 2、互補(bǔ)色：當(dāng)兩種色光按照適當(dāng)?shù)谋壤旌系玫?、互補(bǔ)色：當(dāng)兩種色光按照適當(dāng)?shù)谋壤旌系玫?白光，則這兩種色稱為互補(bǔ)色。白光，則這兩種色稱為互補(bǔ)色。 如：青紅白色；黃藍(lán)白色；如：青紅白色；黃藍(lán)白色； 品綠白色。品綠白色。3 3、相加混色的方法、相加混色的方法 時間混色法時間混色法

9、：將三種基色輪流投射到某一表面，：將三種基色輪流投射到某一表面，只要輪換的時間足夠快，利用人眼的視覺惰性就可只要輪換的時間足夠快，利用人眼的視覺惰性就可以得到相加混色的效果。以得到相加混色的效果。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 空間混色法空間混色法：利用人眼分辯力的有限性，把彼：利用人眼分辯力的有限性，把彼此相距很近的三基色發(fā)光點看成是相加合成的光。此相距很近的三基色發(fā)光點看成是相加合成的光。 生理混色法生理混色法：利用兩只眼睛同時分別觀看兩幅：利用兩只眼睛同時分別觀看兩幅不同顏色的同一幅圖像，也可以得到混色的效果。不同顏色的同一幅圖像，也可以得到混色的效果。 電視系統(tǒng)中一般是采用這種相加混色

10、的方法。電視系統(tǒng)中一般是采用這種相加混色的方法。 相減混色法：用于彩色印刷、彩色膠片、繪畫相減混色法：用于彩色印刷、彩色膠片、繪畫等。等。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.1.3 2.1.3 顏色方程顏色方程 自然界中的任何顏色光均可以用顏色方程來表自然界中的任何顏色光均可以用顏色方程來表示：示： BBGGRRF F：代表具有特定亮度和色度的彩色光；：代表具有特定亮度和色度的彩色光； RR,GG,BB：F F色光的三色分量；色光的三色分量； RGB：三基色單位量，能配出標(biāo)準(zhǔn)白光的：三基色單位量，能配出標(biāo)準(zhǔn)白光的3 3基色量；基色量；RGB:稱為三刺激值，可以測得；稱為三刺激值，可以測得；數(shù)數(shù)字

11、圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 RGB的的比例關(guān)系比例關(guān)系決定了彩色光的色度，而他們決定了彩色光的色度，而他們的的數(shù)值數(shù)值決定了彩色光的亮度。決定了彩色光的亮度。 色差信號色差信號：由基色信號與亮度信號之差構(gòu)成：由基色信號與亮度信號之差構(gòu)成, ,即：即：R-Y,B-Y,G-Y，一般選取其中的前兩個。，一般選取其中的前兩個。 色差信號不包含有亮度信息；兩個色差信號之間色差信號不包含有亮度信息；兩個色差信號之間相互獨立；在傳輸黑白圖像時，兩個色差信號為相互獨立；在傳輸黑白圖像時，兩個色差信號為0 0。 亮度信號亮度信號Y、色差信號與三基色信號、色差信號與三基色信號RGB之間的之間的關(guān)系為：關(guān)系為：數(shù)數(shù)字

12、圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 色差信號色差信號R-Y,B-Y幅度范圍比較大，還需對其幅度范圍比較大，還需對其進(jìn)行壓縮，得到壓縮后的色差信號進(jìn)行壓縮，得到壓縮后的色差信號U和和V，它們之，它們之間的關(guān)系為：間的關(guān)系為：B.G.R.YBB.G.R.YRB.G.R.Y890590300110590700110590300YR.VYB.U87704930數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.22.2 圖像的采集和顯示圖像的采集和顯示2.2.1 2.2.1 圖像采集圖像采集一、圖像采集過程一、圖像采集過程 首先是利用對某個電磁能量譜波段敏感的物理首先是利用對某個電磁能量譜波段敏感的物理器件，接受輻射并產(chǎn)生與所接

13、受到的電磁輻射能量器件，接受輻射并產(chǎn)生與所接受到的電磁輻射能量成正比的模擬電信號。成正比的模擬電信號。光電轉(zhuǎn)換過程光電轉(zhuǎn)換過程 然后是將前面得到的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信然后是將前面得到的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號以輸入進(jìn)計算機(jī)進(jìn)行處理。號以輸入進(jìn)計算機(jī)進(jìn)行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換過程模數(shù)轉(zhuǎn)換過程數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識二、圖像采集設(shè)備二、圖像采集設(shè)備 用于可見光和紅外線成像的采集設(shè)備主要有：用于可見光和紅外線成像的采集設(shè)備主要有：顯微密度計、析像管、視像管和固態(tài)陣等，其中固顯微密度計、析像管、視像管和固態(tài)陣等，其中固態(tài)態(tài)陣應(yīng)用陣應(yīng)用最廣泛。最廣泛。 固態(tài)陣可按幾何組織形式分為兩種：線掃描器固態(tài)陣可按

14、幾何組織形式分為兩種：線掃描器和平面掃描器，其主要元件是電荷耦合器件和平面掃描器，其主要元件是電荷耦合器件CCD。 例子：航空航天上用的例子：航空航天上用的CCD數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、微光夜視設(shè)備、針孔相機(jī)、帶像機(jī)、微光夜視設(shè)備、針孔相機(jī)、帶CMOS Sensor的手機(jī)。的手機(jī)。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.2.2 2.2.2 圖像的顯示圖像的顯示 常用的顯示設(shè)備是電視顯示器，其又可以分為常用的顯示設(shè)備是電視顯示器，其又可以分為以下類型：以下類型：CRT、液晶顯示、液晶顯示( (LCD) )、等離子體顯示、等離子體顯示( (PDP) )等。等。 CRT：電子掃描。電子掃描。

15、 LCD: : 它利用了液晶的電光效應(yīng)，通過電路控它利用了液晶的電光效應(yīng)，通過電路控制液晶單元的透射率及反射率，從而產(chǎn)生不同灰度制液晶單元的透射率及反射率，從而產(chǎn)生不同灰度層次及色彩豐富的圖像。層次及色彩豐富的圖像。 數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 PDP: : 基于一利用稀有氣體（惰性氣體）放電基于一利用稀有氣體（惰性氣體）放電所產(chǎn)生的真空紫外線激勵熒光粉發(fā)光的顯示技術(shù)。所產(chǎn)生的真空紫外線激勵熒光粉發(fā)光的顯示技術(shù)。 可以硬拷貝到幻燈片、照片和透明膠帶上?？梢杂部截惖交脽羝?、照片和透明膠帶上。 可以使用各種熱敏、激光和噴墨打印設(shè)備進(jìn)行可以使用各種熱敏、激光和噴墨打印設(shè)備進(jìn)行圖像的輸出和顯示。圖

16、像的輸出和顯示。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.32.3 數(shù)字圖像的生成和表示方法數(shù)字圖像的生成和表示方法2.3.1 2.3.1 數(shù)字圖像的生成數(shù)字圖像的生成 常見的圖像是連續(xù)的，為了適應(yīng)計算機(jī)的處理，常見的圖像是連續(xù)的，為了適應(yīng)計算機(jī)的處理，必須對連續(xù)圖像函數(shù)進(jìn)行空間和幅度數(shù)字化。必須對連續(xù)圖像函數(shù)進(jìn)行空間和幅度數(shù)字化。 空間坐標(biāo)的數(shù)字化稱為是空間坐標(biāo)的數(shù)字化稱為是空間采樣空間采樣； 幅度數(shù)字化稱為幅度數(shù)字化稱為幅度量化幅度量化。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識一、采樣一、采樣 對連續(xù)變化的圖像在對連續(xù)變化的圖像在空間坐標(biāo)空間坐標(biāo)上做離散化的過上做離散化的過程，稱為對圖像程，稱為對圖像采樣（

17、取樣、抽樣）采樣（取樣、抽樣）。 滿足滿足奈奎斯特采樣定理奈奎斯特采樣定理。像素像素：組成：組成數(shù)字圖像的基數(shù)字圖像的基本單元。是一個二維元素，本單元。是一個二維元素，具有特定的位置具有特定的位置(x,y)和幅和幅值值f(x,y)。圖像采樣示意圖圖像采樣示意圖數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 A 1024 1024.8-bit image subsampled down to size 32 32 pixels. The number of allowable gray levels was kept at 256. 數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識采樣點數(shù)對采樣點數(shù)對圖像質(zhì)量的圖像質(zhì)量的影響：影

18、響：點數(shù)點數(shù)越多，圖像越多，圖像質(zhì)量越好質(zhì)量越好。(a)1024 1024.8-bit image (b) 512 512 image resampled into 1024 1024 pixels by row and column duplication. (c) through (f) 256 256, 128 128, 64 64, and 32 32 images resampled into 1024 1024 pixels. 數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識二、量化二、量化 量化：對信號的量化：對信號的幅度幅度進(jìn)行進(jìn)行離散化分層離散化分層的過程稱的過程稱為量化。為量化。 對像素的連

19、續(xù)的亮度值作等間隔分層量化稱為對像素的連續(xù)的亮度值作等間隔分層量化稱為均勻量化均勻量化；作不等間隔分層量化稱為；作不等間隔分層量化稱為非均勻量化非均勻量化。 根據(jù)人眼的視覺特性，通常需要根據(jù)人眼的視覺特性，通常需要100100多個量化級多個量化級數(shù)。為了計算機(jī)的表達(dá)方便，量化級數(shù)一般為數(shù)。為了計算機(jī)的表達(dá)方便，量化級數(shù)一般為2 2的整的整數(shù)次冪，如數(shù)次冪，如256256、128128等。等。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 量化誤差：量化是以有限個離散值近似表示無量化誤差：量化是以有限個離散值近似表示無限的連續(xù)值，所以存在誤差，稱其為量化誤差。限的連續(xù)值，所以存在誤差，稱其為量化誤差。 對應(yīng)對應(yīng)

20、均勻量化，量化層次越多，量化誤差越小，均勻量化，量化層次越多，量化誤差越小，但編碼所需要的碼字的比特數(shù)越多。但編碼所需要的碼字的比特數(shù)越多。 數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 量化級數(shù)對圖像質(zhì)量的影響：量化級數(shù)對圖像質(zhì)量的影響：級數(shù)越高，圖像級數(shù)越高，圖像質(zhì)量越好質(zhì)量越好。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 采樣點數(shù)和量化級數(shù)不同時會直接關(guān)系到圖像的清晰度，采樣點數(shù)和量化級數(shù)不同時會直接關(guān)系到圖像的清晰度，點數(shù)和級數(shù)越多，圖像質(zhì)量越高點數(shù)和級數(shù)越多，圖像質(zhì)量越高。 (a)I(a)Image with a low level of detail. (b) I Image with a medium l

21、evel of detail. (c) I Image with a relatively large amount of detail. 缺點？缺點？數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.3.22.3.2 數(shù)字圖像的表示方法數(shù)字圖像的表示方法 連續(xù)圖像的最普通的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：連續(xù)圖像的最普通的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：),(tzyxfI 其中其中x,y,z代表空間坐標(biāo)，代表空間坐標(biāo)，代表波長，代表波長，t代表代表時間，所以該表達(dá)式可以代表一幅時間，所以該表達(dá)式可以代表一幅立體的、彩色立體的、彩色的、活動的的、活動的圖像。圖像。),(yxfI 代表代表靜止、黑白、平面靜止、黑白、平面圖像圖像數(shù)數(shù)字圖圖像處處理

22、基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像的表示： 數(shù)字圖像可以用數(shù)字圖像可以用I(r,c)表示，其中表示，其中I代表離散化后代表離散化后的的f，(r,c)代表離散化的代表離散化的(x,y)，其中，其中r代表圖像的行代表圖像的行，c代表圖像的列。代表圖像的列。 為了為了分析的方便，仍采用分析的方便，仍采用f(x,y)來表示數(shù)字圖像，來表示數(shù)字圖像，其中其中f,x,y都在整數(shù)集合中取值。都在整數(shù)集合中取值。 數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識) 1, 1() 1 , 1()0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0() 1 , 0()0 , 0(),(NNfNfNfNfffN

23、fffyxf若按等間隔采樣，排成若按等間隔采樣，排成MN陣列（一般取方陣列（一般取方陣陣NN），則數(shù)字圖），則數(shù)字圖像的表達(dá)式為：像的表達(dá)式為： 數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 圖像陣列中每個元素都是離散值，在數(shù)字圖像圖像陣列中每個元素都是離散值，在數(shù)字圖像處理中，一般取處理中，一般取陣列陣列N和灰度級和灰度級G都是都是2 2的整數(shù)冪，的整數(shù)冪，即取即取N2n及及G2m。 對對一般電視圖像，一般電視圖像，N取取256或或512，灰度級，灰度級G取取64級級( (m6bit) )至至256級級( (m= =8bit) )，即可滿足圖像處理，即可滿足圖像處理的需要。的需要。 彩色圖像可以采用彩色圖

24、像可以采用R、G、B三個矩陣來表示。三個矩陣來表示。數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.42.4 數(shù)字圖像的系統(tǒng)模型數(shù)字圖像的系統(tǒng)模型2.4.1 2.4.1 線性非移變系統(tǒng)線性非移變系統(tǒng) 在圖像處理中，為了分析和處理的方便，采用在圖像處理中，為了分析和處理的方便，采用線性和空間不變性線性和空間不變性的系統(tǒng)模型來解決圖像問題。線的系統(tǒng)模型來解決圖像問題。線性非移變系統(tǒng)如圖性非移變系統(tǒng)如圖2 23 3所示：所示： 圖圖2-3 2-3 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)數(shù)數(shù)字圖圖像處處理基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識 上上圖所示系統(tǒng)的輸入和輸出具有如下的關(guān)系：圖所示系統(tǒng)的輸入和輸出具有如下的關(guān)系：),(),(),(),(),(),(221122112211yxgkyxgkyxfHkyxfHkyxfkyxfkH 由于該系統(tǒng)為由于該系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，所以滿足疊加性和齊線性系統(tǒng)，所以滿足疊加性和齊次性次性，