第2章 圖像、圖像處理系統(tǒng)及視覺系統(tǒng)(第2-1講)

1、第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 1數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)第第2章章 圖像、圖像系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)圖像、圖像系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)第一部分第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 2本章內(nèi)容本章內(nèi)容一、圖像（教材2.1）二、補(bǔ)充內(nèi)容二、補(bǔ)充內(nèi)容 2.1 圖像數(shù)字化圖像數(shù)字化 2.2 數(shù)字圖像的顯示數(shù)字圖像的顯示 2.3 色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型（色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型（2.5和和2.6節(jié)并入）節(jié)并入） 2.4 灰度直方圖灰度直方圖 2.5 圖像文件格式圖像文件格式 2.6 圖像的基本運(yùn)算圖像的基本運(yùn)算三、教材三、教材2.7-2.11節(jié)節(jié)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 32. 1 圖像圖像 2.1.1、有關(guān)光學(xué)的預(yù)備知識、有關(guān)光學(xué)的

2、預(yù)備知識 在討論圖像與視覺系統(tǒng)的過程中，必然要涉及到光在討論圖像與視覺系統(tǒng)的過程中，必然要涉及到光學(xué)的有關(guān)知識。學(xué)的有關(guān)知識。 光學(xué)理論中用到的主要術(shù)語及計(jì)量單位如下光學(xué)理論中用到的主要術(shù)語及計(jì)量單位如下：第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 4(1) 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度 (I) (Intensity) 解釋解釋 光源發(fā)光的功率稱為發(fā)光強(qiáng)度。光源發(fā)光的功率稱為發(fā)光強(qiáng)度。 其單位主要有如下兩種：其單位主要有如下兩種：燭光功率燭光功率（Candle PowerCP)：1CP是指標(biāo)準(zhǔn)蠟燭發(fā)出的光。標(biāo)準(zhǔn)蠟燭是用鯨腦是指標(biāo)準(zhǔn)蠟燭發(fā)出的光。標(biāo)準(zhǔn)蠟燭是用鯨腦油制成，重油制成，重1/6磅，燃燒率為磅，燃燒率為120格令（格

3、令（1格令格令0.0648克）的蠟燭。克）的蠟燭。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 5 新燭光新燭光(Candle cd)：1cd 就是就是“全幅射體全幅射體”加加溫到鉑的熔點(diǎn)（溫到鉑的熔點(diǎn)（ 2024oK ）時從時從1平方厘米表面面平方厘米表面面積上發(fā)出的光的積上發(fā)出的光的1/60。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 6“全幅射體全幅射體”就是某一物質(zhì)加熱到某一溫度時，就是某一物質(zhì)加熱到某一溫度時，它發(fā)出的能量分布在整個可見光范圍內(nèi)。理論它發(fā)出的能量分布在整個可見光范圍內(nèi)。理論上的全幅射體就是一個完全黑體，當(dāng)冷卻后，上的全幅射體就是一個完全黑體，當(dāng)冷卻后，它將吸收所有入射到它上面的光。它將吸收所有入射到它上

4、面的光。 在實(shí)用中可以認(rèn)為在實(shí)用中可以認(rèn)為 1cp=1cd。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 7 (2) 光通量光通量 () 光學(xué)中如何定義？光學(xué)中如何定義？ 光通量是每秒鐘內(nèi)光流量的度量。其單位是流明光通量是每秒鐘內(nèi)光流量的度量。其單位是流明(lumen-lm)。 流明是指與流明是指與1cd的光源相距單位距離，并與入射光的光源相距單位距離，并與入射光相垂直的單位面積上每秒鐘流經(jīng)的光流量叫流明。相垂直的單位面積上每秒鐘流經(jīng)的光流量叫流明。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 8 (3) 照度照度 (E) (illumination) 入射到某表面的光通量密度稱為該表面的照入射到某表面的光通量密度稱為該表面的照度。

5、用每單位面積的流明數(shù)來表示。度。用每單位面積的流明數(shù)來表示。主要單位有如下幾種：主要單位有如下幾種：第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 9公制單位：公制單位： 1）勒克司）勒克司lux: 1勒克司勒克司1流明平方米流明平方米( lm/m2 ) 2）幅透）幅透 (phot)： 1幅透幅透1流明平方厘米流明平方厘米(lm/cm2 ) 3）毫幅透：）毫幅透： 1毫幅透毫幅透10-3 幅透幅透第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 10英制單位：英制單位： 英尺英尺-燭光：燭光：1英尺英尺-燭光燭光1流明平方英尺流明平方英尺 一般換算關(guān)系如下：一般換算關(guān)系如下： 1英尺英尺-燭光燭光 = 1流明流明/(英尺英尺)2 10.7

6、6流明米流明米210.76勒克司勒克司第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 11(4) (4) 反射反射入射到該表面的流明數(shù)某表面反射的流明數(shù)反射系數(shù)(5) (5) 透射透射入射到該物質(zhì)的流明數(shù)某物質(zhì)透射的流明數(shù)透射系數(shù)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 12(6) (6) 亮度亮度 (L)(L) 這個概念用來說明物體表面發(fā)光的量度。這個概念用來說明物體表面發(fā)光的量度。光可以由一個面光源直接幅射出來，也可以光可以由一個面光源直接幅射出來，也可以由入射光照射下的某表面反射出來。亮度對由入射光照射下的某表面反射出來。亮度對其兩者均適用。其兩者均適用。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 13(6) (6) 亮度亮度 (L)(L)

7、 亮度的衡量有兩種方式亮度的衡量有兩種方式（1）以每單位面積上的）以每單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度來表示；（發(fā)光強(qiáng)度來表示；（2）以每單位面積上的發(fā)出的）以每單位面積上的發(fā)出的光通量來表示。光通量來表示。光學(xué)定義：光學(xué)定義：光源表面上一塊面元在給定方向的發(fā)光光源表面上一塊面元在給定方向的發(fā)光強(qiáng)度與面元在垂直于該方向的平面上正交投影面積強(qiáng)度與面元在垂直于該方向的平面上正交投影面積之比。單位為尼特（坎德拉之比。單位為尼特（坎德拉/米米2）cosILdA第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 142.1.2、圖像的概念：、圖像的概念：“圖像圖像”一詞在漢語中很難給出一個明確的定義。一詞在漢語中很難給出一個明確的定義。三個

8、與圖像有關(guān)的英語詞，三個與圖像有關(guān)的英語詞， “Picture”、“image”和和“Pattern”。 “Picture” 畫、圖畫、圖像、圖片、電影等等；畫、圖畫、圖像、圖片、電影等等； “image” 像、圖像、景像、映像、影像、映射像、圖像、景像、映像、影像、映射等；等； “Pattern” 模型、式樣、樣本、圖案、圖、圖形模型、式樣、樣本、圖案、圖、圖形等。等。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 15當(dāng)用數(shù)學(xué)方法描述圖像信息時，通常著重考慮它的當(dāng)用數(shù)學(xué)方法描述圖像信息時，通常著重考慮它的點(diǎn)的性質(zhì)。一幅圖像可以被看成是空間各個座標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)的性質(zhì)。一幅圖像可以被看成是空間各個座標(biāo)點(diǎn)上強(qiáng)度的集合。它的最

9、普遍的數(shù)學(xué)表達(dá)式為上強(qiáng)度的集合。它的最普遍的數(shù)學(xué)表達(dá)式為), , , ,(tzyxfI (21) 其中其中x,y,z 是空間座標(biāo)，是空間座標(biāo)，是波長，是波長，t是時間，是時間，I是圖像是圖像的強(qiáng)度。的強(qiáng)度。 這樣一個表達(dá)式可以代表一幅活動的、彩色的、這樣一個表達(dá)式可以代表一幅活動的、彩色的、立體圖像。立體圖像。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 16 對于靜止的、平面的、單色的圖像來說其數(shù)學(xué)表達(dá)對于靜止的、平面的、單色的圖像來說其數(shù)學(xué)表達(dá)式可簡化為下式。式可簡化為下式。) ,(yxfI (22) 上式說明一幅平面圖像可以用二維亮度函數(shù)來表示。上式說明一幅平面圖像可以用二維亮度函數(shù)來表示。因?yàn)楣庖彩悄芰?/p>

10、的一種表現(xiàn)形式，所以：因?yàn)楣庖彩悄芰康囊环N表現(xiàn)形式，所以： 0( , )f x y (23)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 17人們所感受到的圖像一般都是由物體反射的光組人們所感受到的圖像一般都是由物體反射的光組成的。成的。f(x,y)可以看成由兩個分量組成，一個是入可以看成由兩個分量組成，一個是入射光量，另一分量是被物體反射的光量，它們可射光量，另一分量是被物體反射的光量，它們可分別被稱為照射分量和反射分量。如果用表示分別被稱為照射分量和反射分量。如果用表示i(x,y)照射分量，用照射分量，用r(x,y)表示反射分量，那么表示反射分量，那么) ( ) () ,(yxryxiyxfI (24) 第二

11、章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 18 r(x,y)表示全吸收情況為表示全吸收情況為0，全反射的情況為，全反射的情況為1。這里這里i(x,y)由光源的性質(zhì)來確定，而由光源的性質(zhì)來確定，而r(x,y)則取則取決于景物中的物體。決于景物中的物體。0( , )i x y 0( , )1r x y (26) (25)第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 19i(x,y) 的單位用照度來度量，即勒克斯。的單位用照度來度量，即勒克斯。 i(x,y)一些的典型值：一些的典型值：晴朗的日子，太陽在地球表面造成的照度為96840lx；天空有云時，太陽在地球表面造成的照度為10760 lx；晴天的夜晚而且是滿月的情況下：地球表面的照度為

12、 0.1076lx；一般房間照明充分的室內(nèi)照度大約為1076勒克司； 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 20),(yxr 是反射系數(shù)，其典型物質(zhì)的典型值如下：是反射系數(shù)，其典型物質(zhì)的典型值如下： 黑天鵝絨黑天鵝絨 -0.01； 不銹鋼不銹鋼 -0.65； 白色墻白色墻 -0.80； 鍍銀金屬鍍銀金屬 -0.90； 白雪白雪 -0.98；第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 21 在數(shù)字圖像處理中經(jīng)常用到監(jiān)視器或電視機(jī)，一般黑白在數(shù)字圖像處理中經(jīng)常用到監(jiān)視器或電視機(jī)，一般黑白或彩色電視機(jī)的屏幕亮度大約為或彩色電視機(jī)的屏幕亮度大約為80120新燭光平方新燭光平方米或米或80120尼特左右尼特左右,最新報(bào)道，最新報(bào)道，

13、CRT（陰極攝像管）（陰極攝像管）的亮度已達(dá)到的亮度已達(dá)到500cd/m2,等離子顯示器的亮度已達(dá)到等離子顯示器的亮度已達(dá)到1000cd/m2 。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 22 2.1.4、圖像信息的信息量、圖像信息的信息量 在圖像的統(tǒng)計(jì)特征表征中，認(rèn)為圖像信號是一個在圖像的統(tǒng)計(jì)特征表征中，認(rèn)為圖像信號是一個隨機(jī)信號，用振幅或相位的分布函數(shù)、概率密度隨機(jī)信號，用振幅或相位的分布函數(shù)、概率密度函數(shù)以及一系列的相關(guān)矩、中心距、功率譜等參函數(shù)以及一系列的相關(guān)矩、中心距、功率譜等參數(shù)來表征圖像的特征，建立圖像數(shù)學(xué)模型，以便數(shù)來表征圖像的特征，建立圖像數(shù)學(xué)模型，以便對圖像信息進(jìn)行有效地分析及處理。對圖像

14、信息進(jìn)行有效地分析及處理。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 23 對于一個連續(xù)的圖像信號經(jīng)過編碼后就變成了離散對于一個連續(xù)的圖像信號經(jīng)過編碼后就變成了離散的圖像信息。一幅圖像如果有的圖像信息。一幅圖像如果有 共共q種幅度值，并且出現(xiàn)的概率分別為種幅度值，并且出現(xiàn)的概率分別為 那那么每一種幅值所具有的信息量分別么每一種幅值所具有的信息量分別為為 ，等等。，等等。2.1.4、圖像信息的信息量、圖像信息的信息量（1）、離散的圖像信息的熵）、離散的圖像信息的熵qssss,321,321qPPPP)1(log,)1(log),1(log),1(log2322212qPPPP 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 24由此，

15、其平均信息量可由下式表示。由此，其平均信息量可由下式表示。iqiiiqiiPPPPH2121log)1log(242)把這個平均信息量叫做熵，記作把這個平均信息量叫做熵，記作H第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 25 如果一個圖像信源能輸出如果一個圖像信源能輸出K個獨(dú)立的消息，當(dāng)個獨(dú)立的消息，當(dāng)這些消息出現(xiàn)的概率彼此相等時，那么這個信這些消息出現(xiàn)的概率彼此相等時，那么這個信源的熵最大。例如，一個信源只輸出源的熵最大。例如，一個信源只輸出P和和 P-1兩個消息，熵的最大值出現(xiàn)在兩個消息的兩個消息，熵的最大值出現(xiàn)在兩個消息的概率都等于概率都等于0.5處。處。 第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 26（2）、連續(xù)的圖像

16、信息的熵）、連續(xù)的圖像信息的熵對于離散的圖像信息來說，它只輸出有限個符號。對于離散的圖像信息來說，它只輸出有限個符號。如果輸出的不是有限個而是無限個，那么，這樣的如果輸出的不是有限個而是無限個，那么，這樣的圖像信息叫做連續(xù)圖像信息。對于連續(xù)圖像信息的圖像信息叫做連續(xù)圖像信息。對于連續(xù)圖像信息的熵也可以仿照離散圖像信息的熵來計(jì)算。如圖熵也可以仿照離散圖像信息的熵來計(jì)算。如圖26所示的連續(xù)信源，把所示的連續(xù)信源，把 s 分成小微分段分成小微分段 S ，這樣，這樣，類似于離散信源的熵可導(dǎo)出如下類似于離散信源的熵可導(dǎo)出如下第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 27第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 28ssspspssps

17、spsspsspsspHiiiiiiiiiii1log)()(1log)()(1log)()(log)(2222當(dāng) 時，則0sdsspspH)(1log)(第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 29第二項(xiàng)是由于第二項(xiàng)是由于 時，時， 所至。所至。一般忽略掉第二項(xiàng)，連續(xù)的圖像信息源的熵如下一般忽略掉第二項(xiàng)，連續(xù)的圖像信息源的熵如下式式0ss1log2 dsspspH)(log)(2 (243) 這里應(yīng)該注意的是連續(xù)圖像信息的熵并不是絕對熵，而是這里應(yīng)該注意的是連續(xù)圖像信息的熵并不是絕對熵，而是絕對熵減去一個無限大項(xiàng)。因此，也可以說這是一個絕對熵減去一個無限大項(xiàng)。因此，也可以說這是一個相相對熵對熵。其中。其中

18、P(s)是概率密度。是概率密度。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 30一個重要概念：一個重要概念：對于離散信源來說，消息輸出是等概率時其熵最大。對于離散信源來說，消息輸出是等概率時其熵最大。對連續(xù)信源來說最大熵的條件取決于輸出受限情況。對連續(xù)信源來說最大熵的條件取決于輸出受限情況。當(dāng)輸出幅值受限的情況下，幅度概率密度是均勻分當(dāng)輸出幅值受限的情況下，幅度概率密度是均勻分布時其熵值最大。當(dāng)輸出功率受限的情況下，則輸布時其熵值最大。當(dāng)輸出功率受限的情況下，則輸出幅度概率密度是高斯分布時其熵值最大。出幅度概率密度是高斯分布時其熵值最大。第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 31發(fā)光強(qiáng)度定義及歷史變遷發(fā)光強(qiáng)度定義及歷史變遷 1760年，朗伯首創(chuàng)了光度學(xué)基本體系，成為光度學(xué)的奠基人； 1860年，英國率先規(guī)定了發(fā)光強(qiáng)度的單位，即采用一只蠟燭的發(fā)光強(qiáng)度作