圖像處理技術(shù)第2章-圖象采集課件

圖象工程圖象工程第2章圖象采集

2.1 視覺過程 2.2 成象中的空間關(guān)系 2.3 光度學(xué)和亮度視覺 2.4 采樣和量化章毓晉(TH-EE-IE)第2章圖象采集章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程1． 光學(xué)過程

15/100=2.55/17章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程15/100=2.55/17章毓2.1 視覺過程2． 化學(xué)過程

錐細(xì)胞和柱細(xì)胞： 錐細(xì)胞：數(shù)量少，對顏色很敏感 錐細(xì)胞視覺：明視覺或亮光視覺 柱細(xì)胞：數(shù)量多，分辨率比較低 不感受顏色并對低照度較敏感 柱細(xì)胞視覺：暗視覺或微光視覺章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程3． 神經(jīng)處理過程

每個視網(wǎng)膜接收單元都與一個神經(jīng)元細(xì)胞借助突觸（synapse）相連 每個神經(jīng)元細(xì)胞借助其它的突觸與其它細(xì)胞連接，從而構(gòu)成光神經(jīng)（opticalnerve）網(wǎng)絡(luò) 光神經(jīng)進(jìn)一步與大腦中的側(cè)區(qū)域（sideregionofthebrain）連接，并到達(dá)大腦中的紋狀皮層（striatedcortex） 對光刺激產(chǎn)生的響應(yīng)經(jīng)過一系列處理最終形成關(guān)于場景的表象，從而將對光的感覺轉(zhuǎn)化為對景物的知覺章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程 整體視覺過程

視覺＝“視”＋“覺”

章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程章毓晉(TH-EE-IE)2.2 成象中的空間關(guān)系 2.2.1 成象幾何 2.2.2 觀察距離和角度 2.2.3 景深章毓晉(TH-EE-IE)2.2 成象中的空間關(guān)系章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何1、投影變換 將3-D客觀場景投影到2-D圖象平面成象過程

三個坐標(biāo)系統(tǒng)：

世界坐標(biāo)系統(tǒng)

XYZ

攝象機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)

xyz

圖象平面

xy從XYZ

到xyz，從xyz

到xy章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何三個坐標(biāo)系統(tǒng)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何透視變換

3-D點(diǎn)投影后的圖象平面坐標(biāo) 非線性投影等式（分母含變量Z）章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何2、齊次坐標(biāo) 可用來將前述非線性（分母中含變量Z）等式表示成線性矩陣形式例：

直線方程ax+by+c=0 一條直線也可用矢量l=[a,b,c]T來表示 當(dāng)k不為零時，矢量[a,b,c]T和矢量k[a,b,c]T表示同一條直線章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何齊次坐標(biāo)

笛卡爾坐標(biāo)：

齊次坐標(biāo)：

k

為任意非零常數(shù)齊次坐標(biāo)笛卡爾坐標(biāo)：用第4個坐標(biāo)量去除前3個坐標(biāo)量章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何齊次坐標(biāo)用第4項(xiàng)分別去除前3個項(xiàng)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)逆投影變換

點(diǎn)(x',y',0)Z=0：圖象平面上一點(diǎn)對應(yīng)連線上所有共線3-D點(diǎn)的集合 2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)Z=0：圖象平面上一點(diǎn)對應(yīng)連線上所有共線3-D點(diǎn)的集合 2.2.1成象幾何逆投影變換 要將1個3-D點(diǎn)的坐標(biāo)從它的圖象中完全恢復(fù)過來， 需要對產(chǎn)生圖象點(diǎn)的3-D空間點(diǎn)有一些先驗(yàn)知識 （如知道它的Z坐標(biāo)）章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.2觀察距離和角度 正常人視力的角區(qū)分能力約為一分 在觀察感興趣場景時，需要使其中最小的細(xì) 節(jié)在眼睛的視場中對應(yīng)一個約一分的弧所對 應(yīng)的角 如果一個點(diǎn)在眼睛的視場中對應(yīng)不到一分的 弧所對應(yīng)的角，則人觀察不到這個點(diǎn) 如果兩個相鄰點(diǎn)與眼睛間連線的夾角不到一 分，則人分辨不出這兩個點(diǎn)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.2觀察距離和角度章毓晉(TH-EE-IE)2.2.2觀察距離和角度 給定點(diǎn)尺寸：最遠(yuǎn)觀察距離 給定觀察距離：能看見的最小點(diǎn) 最佳觀察距離=3400*圖象高度/顯示線數(shù)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.2觀察距離和角度章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深

一定距離內(nèi)目標(biāo)清晰成象的范圍章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深

引入f-因數(shù)（焦距f與光圈直徑2r的比）景深Z作為D（可允許的不清晰半徑）的函數(shù)景深Z與鏡頭的f-因數(shù)成正比，而nf→∞的極限對應(yīng)具有無窮景深的小孔相機(jī)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深引入f-因數(shù)（焦距f與光圈直徑22.2.3景深

特殊情況

拍照：目標(biāo)距離很遠(yuǎn)，do?f di≈f 景深與焦距的平方成反比 結(jié)果是小的焦距導(dǎo)致大的景深章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情況章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深

特殊情況復(fù)制：目標(biāo)-圖象尺寸為1:1，do≈di≈2f

景深現(xiàn)在不依賴于焦距，且與可允許的不清晰半徑D有相同的量級 只有很小的一個目標(biāo)區(qū)可清晰成象章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情況章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深

特殊情況顯微成象：目標(biāo)近，焦距小，do≈f，

di?f 目標(biāo)被放大了很多，但景深更小了 例：當(dāng)放大倍數(shù)為50，即di/do=50且nf=1，D為5mm，得到的景深只有0.2mm

章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情況章毓晉(TH-EE-IE)2.3 光度學(xué)和亮度視覺 2.3.1 光度學(xué) 2.3.2 一個簡單的成象模型 2.3.3 視覺系統(tǒng)對光的感知特點(diǎn)章毓晉(TH-EE-IE)2.3 光度學(xué)和亮度視覺章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)輻射度量學(xué) 研究各種電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科 光是一種電磁輻射光度學(xué) 研究光的強(qiáng)弱的學(xué)科 光通量的單位：lm（流明）章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)點(diǎn)光源 線度足夠小，或距離觀察者足夠遠(yuǎn) 發(fā)光強(qiáng)度I：點(diǎn)光源沿某個方向上單位 立體角d內(nèi)發(fā)出的光通量dF單位：cd（坎）1cd=1lm/sr章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)點(diǎn)光源

立體角（solidangle）

是從一點(diǎn)（稱為立體角的頂點(diǎn)）出發(fā)通過一條閉合曲線上所有點(diǎn)的射線圍成的空間部分，所以立體角表示由頂點(diǎn)看閉合曲線時的視角。 可以取一立體角在以其頂點(diǎn)為球心所作的球面上截出部分的面積與球面半徑的平方之比作為對該立體角的度量。立體角的單位是球面度，記為sr。一個球面度對應(yīng)在球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長的正方形面積時的立體角。章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)擴(kuò)展光源 有一定發(fā)光面積的光源 光度學(xué)亮度B (單位：cd/m2)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)照度（illumination） 一個被光線照射的表面上的照度定義為照射在單位面積上的光通量。設(shè)面元dS上的光通量為dF，則此面元上的照度E為：

單位：lx（勒[克斯]），1lx=1lm/m2照度：是光源對物體輻射的一種量度{表2.3.2}亮度：觀察者對物體表面光強(qiáng)的量度{表2.3.1}章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.2一個簡單的成象模型圖象成象模型2-D亮度函數(shù)：f(x,y) 亮度是能量的量度，一定不為零且為有限值 (1)入射到可見場景上的光量 (2)

場景中目標(biāo)對入射光反射的比率照度成分i(x,y)和反射成分r(x,y)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.2一個簡單的成象模型章毓晉(TH-EE-IE)2.3.2一個簡單的成象模型圖象成象模型

f(x,y)與i(x,y)和r(x,y)都成正比

i(x,y)的值是由光源決定的

r(x,y)的值是由場景中的目標(biāo)特性所決定的

{典型值：P.40}章毓晉(TH-EE-IE)2.3.2一個簡單的成象模型章毓晉(TH-EE-IE)2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知特點(diǎn)人眼適應(yīng)的亮度范圍（1）總體范圍大：從暗視覺門限到眩目極限之 間的范圍在1010量級（2）具體范圍?。阂话惴秶?02量級暗視覺門限眩目極限章毓晉(TH-EE-IE)2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知特點(diǎn)暗視覺門限眩目極限章毓晉2.3 光度學(xué)和亮度視覺亮度變化的感知 人類視覺系統(tǒng)對亮度變化的感知比對亮度本身要敏感 人類視覺系統(tǒng)對光強(qiáng)度的響應(yīng)不是線性的，而是對數(shù)形式的（對暗光時亮度的增加比對亮光時亮度的增加更敏感）章毓晉(TH-EE-IE)2.3 光度學(xué)和亮度視覺章毓晉(TH-EE-IE)2.4 采樣和量化 2.4.1 空間分辨率和幅度分辨率 2.4.2 圖象質(zhì)量與采樣和量化

2.4.3 對采樣和量化的討論章毓晉(TH-EE-IE)2.4 采樣和量化章毓晉(TH-EE-IE)2.4.1空間分辨率和幅度分辨率數(shù)字圖象

圖象（水平）尺寸M：

圖象（垂直）尺寸N：

象素灰度級數(shù)G(k-bit)：

圖象所需的位數(shù)b：章毓晉(TH-EE-IE)2.4.1空間分辨率和幅度分辨率章毓晉(TH-EE-I2.4.1空間分辨率和幅度分辨率數(shù)字圖象

存儲1幅3232，16個灰度級的圖 需要4,096bit 存儲1幅128128，64個灰度級的圖 需要98,304bit 存儲1幅512512，256個灰度級的圖 需要2,097,152bit

章毓晉(TH-EE-IE)2.4.1空間分辨率和幅度分辨率章毓晉(TH-EE-I2.4.2圖象質(zhì)量與采樣和量化圖象空間分辨率變化所產(chǎn)生的效果

章毓晉(TH-EE-IE)2.4.2圖象質(zhì)量與采樣和量化圖象空間分辨率變化所產(chǎn)生的2.4.2圖象質(zhì)量與采樣和量化圖象幅度分辨率變化所產(chǎn)生的效果

章毓晉(TH-EE-IE)2.4.2圖象質(zhì)量與采樣和量化圖象幅度分辨率變化所產(chǎn)生的2.4.2圖象質(zhì)量與采樣和量化空間和幅度分辨率同時變化所產(chǎn)生的效果

章毓晉(TH-EE-IE)2.4.2圖象質(zhì)量與采樣和量化空間和幅度分辨率同時變化所

通信地址：北京清華大學(xué)電子工程系

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實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)：聯(lián)系信息章毓晉(TH-EE-IE)通信地址：北京清華大學(xué)電子工程系聯(lián)系信息章毓晉圖象工程圖象工程第2章圖象采集

2.1 視覺過程 2.2 成象中的空間關(guān)系 2.3 光度學(xué)和亮度視覺 2.4 采樣和量化章毓晉(TH-EE-IE)第2章圖象采集章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程1． 光學(xué)過程

15/100=2.55/17章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程15/100=2.55/17章毓2.1 視覺過程2． 化學(xué)過程

錐細(xì)胞和柱細(xì)胞： 錐細(xì)胞：數(shù)量少，對顏色很敏感 錐細(xì)胞視覺：明視覺或亮光視覺 柱細(xì)胞：數(shù)量多，分辨率比較低 不感受顏色并對低照度較敏感 柱細(xì)胞視覺：暗視覺或微光視覺章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程3． 神經(jīng)處理過程

每個視網(wǎng)膜接收單元都與一個神經(jīng)元細(xì)胞借助突觸（synapse）相連 每個神經(jīng)元細(xì)胞借助其它的突觸與其它細(xì)胞連接，從而構(gòu)成光神經(jīng)（opticalnerve）網(wǎng)絡(luò) 光神經(jīng)進(jìn)一步與大腦中的側(cè)區(qū)域（sideregionofthebrain）連接，并到達(dá)大腦中的紋狀皮層（striatedcortex） 對光刺激產(chǎn)生的響應(yīng)經(jīng)過一系列處理最終形成關(guān)于場景的表象，從而將對光的感覺轉(zhuǎn)化為對景物的知覺章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程 整體視覺過程

視覺＝“視”＋“覺”

章毓晉(TH-EE-IE)2.1 視覺過程章毓晉(TH-EE-IE)2.2 成象中的空間關(guān)系 2.2.1 成象幾何 2.2.2 觀察距離和角度 2.2.3 景深章毓晉(TH-EE-IE)2.2 成象中的空間關(guān)系章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何1、投影變換 將3-D客觀場景投影到2-D圖象平面成象過程

三個坐標(biāo)系統(tǒng)：

世界坐標(biāo)系統(tǒng)

XYZ

攝象機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)

xyz

圖象平面

xy從XYZ

到xyz，從xyz

到xy章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何三個坐標(biāo)系統(tǒng)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何透視變換

3-D點(diǎn)投影后的圖象平面坐標(biāo) 非線性投影等式（分母含變量Z）章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何2、齊次坐標(biāo) 可用來將前述非線性（分母中含變量Z）等式表示成線性矩陣形式例：

直線方程ax+by+c=0 一條直線也可用矢量l=[a,b,c]T來表示 當(dāng)k不為零時，矢量[a,b,c]T和矢量k[a,b,c]T表示同一條直線章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何齊次坐標(biāo)

笛卡爾坐標(biāo)：

齊次坐標(biāo)：

k

為任意非零常數(shù)齊次坐標(biāo)笛卡爾坐標(biāo)：用第4個坐標(biāo)量去除前3個坐標(biāo)量章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何齊次坐標(biāo)用第4項(xiàng)分別去除前3個項(xiàng)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)逆投影變換

點(diǎn)(x',y',0)Z=0：圖象平面上一點(diǎn)對應(yīng)連線上所有共線3-D點(diǎn)的集合 2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)Z=0：圖象平面上一點(diǎn)對應(yīng)連線上所有共線3-D點(diǎn)的集合 2.2.1成象幾何逆投影變換 要將1個3-D點(diǎn)的坐標(biāo)從它的圖象中完全恢復(fù)過來， 需要對產(chǎn)生圖象點(diǎn)的3-D空間點(diǎn)有一些先驗(yàn)知識 （如知道它的Z坐標(biāo)）章毓晉(TH-EE-IE)2.2.1成象幾何章毓晉(TH-EE-IE)2.2.2觀察距離和角度 正常人視力的角區(qū)分能力約為一分 在觀察感興趣場景時，需要使其中最小的細(xì) 節(jié)在眼睛的視場中對應(yīng)一個約一分的弧所對 應(yīng)的角 如果一個點(diǎn)在眼睛的視場中對應(yīng)不到一分的 弧所對應(yīng)的角，則人觀察不到這個點(diǎn) 如果兩個相鄰點(diǎn)與眼睛間連線的夾角不到一 分，則人分辨不出這兩個點(diǎn)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.2觀察距離和角度章毓晉(TH-EE-IE)2.2.2觀察距離和角度 給定點(diǎn)尺寸：最遠(yuǎn)觀察距離 給定觀察距離：能看見的最小點(diǎn) 最佳觀察距離=3400*圖象高度/顯示線數(shù)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.2觀察距離和角度章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深

一定距離內(nèi)目標(biāo)清晰成象的范圍章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深

引入f-因數(shù)（焦距f與光圈直徑2r的比）景深Z作為D（可允許的不清晰半徑）的函數(shù)景深Z與鏡頭的f-因數(shù)成正比，而nf→∞的極限對應(yīng)具有無窮景深的小孔相機(jī)章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深引入f-因數(shù)（焦距f與光圈直徑22.2.3景深

特殊情況

拍照：目標(biāo)距離很遠(yuǎn)，do?f di≈f 景深與焦距的平方成反比 結(jié)果是小的焦距導(dǎo)致大的景深章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情況章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深

特殊情況復(fù)制：目標(biāo)-圖象尺寸為1:1，do≈di≈2f

景深現(xiàn)在不依賴于焦距，且與可允許的不清晰半徑D有相同的量級 只有很小的一個目標(biāo)區(qū)可清晰成象章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情況章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深

特殊情況顯微成象：目標(biāo)近，焦距小，do≈f，

di?f 目標(biāo)被放大了很多，但景深更小了 例：當(dāng)放大倍數(shù)為50，即di/do=50且nf=1，D為5mm，得到的景深只有0.2mm

章毓晉(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情況章毓晉(TH-EE-IE)2.3 光度學(xué)和亮度視覺 2.3.1 光度學(xué) 2.3.2 一個簡單的成象模型 2.3.3 視覺系統(tǒng)對光的感知特點(diǎn)章毓晉(TH-EE-IE)2.3 光度學(xué)和亮度視覺章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)輻射度量學(xué) 研究各種電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科 光是一種電磁輻射光度學(xué) 研究光的強(qiáng)弱的學(xué)科 光通量的單位：lm（流明）章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)點(diǎn)光源 線度足夠小，或距離觀察者足夠遠(yuǎn) 發(fā)光強(qiáng)度I：點(diǎn)光源沿某個方向上單位 立體角d內(nèi)發(fā)出的光通量dF單位：cd（坎）1cd=1lm/sr章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)點(diǎn)光源

立體角（solidangle）

是從一點(diǎn)（稱為立體角的頂點(diǎn)）出發(fā)通過一條閉合曲線上所有點(diǎn)的射線圍成的空間部分，所以立體角表示由頂點(diǎn)看閉合曲線時的視角。 可以取一立體角在以其頂點(diǎn)為球心所作的球面上截出部分的面積與球面半徑的平方之比作為對該立體角的度量。立體角的單位是球面度，記為sr。一個球面度對應(yīng)在球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長的正方形面積時的立體角。章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)擴(kuò)展光源 有一定發(fā)光面積的光源 光度學(xué)亮度B (單位：cd/m2)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)照度（illumination） 一個被光線照射的表面上的照度定義為照射在單位面積上的光通量。設(shè)面元dS上的光通量為dF，則此面元上的照度E為：

單位：lx（勒[克斯]），1lx=1lm/m2照度：是光源對物體輻射的一種量度{表2.3.2}亮度：觀察者對物體表面光強(qiáng)的量度{表2.3.1}章毓晉(TH-EE-IE)2.3.1光度學(xué)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.2一個簡單的成象模型圖象成象模型2-D亮度函數(shù)：f(x,y) 亮度是能量的量度，一定不為零且為有限值 (1)入射到可見場景上的光量 (2)

場景中目標(biāo)對入射光反射的比率照度成分i(x,y)和反射成分r(x,y)章毓晉(TH-EE-IE)2.3.2一個簡單的成象模型章毓晉(TH-EE-IE)2.3.2一個簡單的成象模型圖象成象模型

f(x,y)與i(x,y)和r(x,y)都成正比

i(x,y)的值是由光源決定的

r(x,y)的值是由場景中的目標(biāo)特性所決定的

{典型值：P.40}章毓晉(TH-EE-IE)2.3.2一個簡單的成象模型章毓晉(TH-EE-IE)2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知特點(diǎn)人眼適應(yīng)的亮度范圍（1）總體范圍大：從暗視覺門限到眩目極限之 間的范圍在1010量級（2）具體范圍?。阂话惴秶?02量級暗視覺門限眩目極限章毓晉(TH-EE-IE)2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知特點(diǎn)暗視覺門限眩目極限章毓晉2