第2章 數(shù)字圖像基礎(chǔ)

圖像信息技術(shù)中的視覺(jué)研究

圖像感知和獲取

圖像采樣和量化像素間的基本關(guān)系第2章數(shù)字圖像基礎(chǔ)DigitalImagingFundamentals2.1圖像信息技術(shù)中的視覺(jué)研究2.1.1視覺(jué)研究與圖像技術(shù)的關(guān)系(1)人的視覺(jué)系統(tǒng)是圖像系統(tǒng)的最后終端，即圖像信息的信宿;(2)人的視覺(jué)系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)越的圖像系統(tǒng)。對(duì)圖像的認(rèn)識(shí)或理解是由感覺(jué)和心理狀態(tài)決定的。

從圖像信息傳輸角度出發(fā)，圖像系統(tǒng)評(píng)價(jià)的真正尺度是發(fā)信者的意圖為收信者所理解的程度。視覺(jué)心理人的視野：左、右：1800，上、下：600。人眼在觀察圖象時(shí)，圖象水平方向的寬度對(duì)應(yīng)于眼球所張的角度稱為水平視角。當(dāng)視角在100以內(nèi)時(shí)為視覺(jué)敏銳區(qū)，對(duì)色彩及細(xì)節(jié)的分辨能力最強(qiáng)；200以內(nèi)時(shí)能正確識(shí)別圖形等信息；200以上時(shí)分辨能力開(kāi)始下降，但對(duì)活動(dòng)信息比較敏感；300以上時(shí)分辨能力大大下降，但給人以身臨其境的臨場(chǎng)感。一般人眼的視野水平視角在200以內(nèi)，而垂直視角在150以內(nèi)的矩形區(qū)域內(nèi)，所以4：3的電視圖象就可以了。而為了使顯示的圖象具有臨場(chǎng)感，水平視角應(yīng)達(dá)到30以上，據(jù)此美國(guó)電影及電視工程師學(xué)會(huì)推薦了16：9的電視圖象。畫(huà)面組成和視覺(jué)心理

2.1.2視覺(jué)感知要素1)人眼構(gòu)造鞏膜外殼脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜中央凹玻璃體睫狀體眼角膜虹膜前房室晶狀體盲點(diǎn)瞳孔Ⅰ.在視網(wǎng)膜上成倒立的像，感覺(jué)正立是神經(jīng)系統(tǒng)的校正Ⅱ.虹膜收縮，調(diào)節(jié)瞳孔2—8mm，調(diào)節(jié)入射光強(qiáng)弱Ⅲ.睫狀肌改變晶狀體曲率---調(diào)焦

錐狀細(xì)胞：主要分布在中央凹，每個(gè)眼內(nèi)約有600萬(wàn)到700萬(wàn)個(gè)錐細(xì)胞，感光靈敏度低，對(duì)顏色很敏感?？梢猿浞直鎰e細(xì)節(jié)圖像。桿狀細(xì)胞:從中央凹開(kāi)始向四周慢慢減少，約有七千五百萬(wàn)到一億五千萬(wàn)個(gè)，分辨率比較低；主要提供視野的整體視象，不感受顏色并對(duì)低照度較敏感。人眼構(gòu)造視網(wǎng)膜上桿狀體與錐狀體的分布錐狀體桿狀體盲點(diǎn)每平方毫米的桿狀體和錐狀體數(shù)人眼構(gòu)造中央凹本身在視網(wǎng)膜上直徑約為1.5mm的凹坑，為方便計(jì)算，將其近似為1.5mm*1.5mm的方形傳感器陣列。在視網(wǎng)膜的這一區(qū)域內(nèi)，錐狀體的密度大約每平方毫米150000個(gè)，基于這一近似，眼睛中最高敏感區(qū)域的錐狀體數(shù)量約為337000個(gè)元素。從行分辨力的觀點(diǎn)看，恰好是一個(gè)電荷耦合器件（CCD)中等分辨率的成像芯片可有的這個(gè)數(shù)量元素，且接收器陣列不大于5mm*5mm.人眼構(gòu)造眼睛中圖像的形成球體前端為晶狀體，相當(dāng)于鏡頭，內(nèi)壁為視網(wǎng)膜，相當(dāng)于膠片。當(dāng)晶狀體的折射能力由最小變到最大時(shí)，晶狀體的聚焦中心與視網(wǎng)膜間的距離由17mm縮小到14mm。感覺(jué)亮度：馬赫帶效應(yīng)馬赫帶：1865年首先描述視覺(jué)系統(tǒng)傾向不同強(qiáng)度區(qū)域邊界周?chē)摹鼻氛{(diào)”或”過(guò)調(diào)”

圖2.8同時(shí)對(duì)比現(xiàn)象，所有的中心方塊有同樣的亮度，但當(dāng)背景變亮?xí)r，感覺(jué)它們就逐漸變暗。感覺(jué)亮度：同時(shí)對(duì)比現(xiàn)象證明感覺(jué)亮度不是簡(jiǎn)單的強(qiáng)度函數(shù)

同時(shí)對(duì)比同時(shí)對(duì)比圖2.9一些典型的視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)人類(lèi)感知現(xiàn)象：視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)a:正方形輪廓b:圓輪廓c:長(zhǎng)度錯(cuò)覺(jué)d:平行線錯(cuò)覺(jué)在視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)中，眼睛填充了不存在的信息或者錯(cuò)誤地感知了物體的幾何特點(diǎn)。視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)Stareatthecrossinthemiddleoftheimageandthinkcircles視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)采集處理顯示物理對(duì)象2.2圖像感知和獲取照射源圖像場(chǎng)景圖像獲取和顯示可見(jiàn)光雷達(dá)紅外線X射線超聲波常見(jiàn)物體巖石發(fā)熱物體分子光源反射透射各類(lèi)圖像都是由照射源和形成圖像的場(chǎng)景元素對(duì)光能的反射或吸收而產(chǎn)生的。用傳感器陣列獲取圖像數(shù)字圖像的采集過(guò)程照射（能）源成像系統(tǒng)（內(nèi)部）成像面輸出（數(shù)字化）圖像場(chǎng)景元素簡(jiǎn)單的圖像形成模型f(x,y)=i(x,y)*r(x,y)0<f(x,y)

0<i(x,y)

0<r(x,y)<1入射分量i(x,y):入射到觀察場(chǎng)景的光源總量取決于照射源;反射分量r(x,y)：場(chǎng)景中物體反射光的總量取決于成像物體的特征典型值：i(x,y)晴朗的白天太陽(yáng)在地球表面產(chǎn)生的照度超過(guò)90000lm/m2有云10000lm/m2晴朗的夜晚滿月的情況下0.1lm/m2R(x,y):黑天鵝絨0.01不銹鋼0.65白色墻0.80鍍銀金屬0.90雪0.932.3圖像的取樣與量化圖2.16產(chǎn)生一幅數(shù)字圖像的過(guò)程模擬-〉數(shù)字取樣：數(shù)字化坐標(biāo)量化：數(shù)字化幅度值模擬圖像A->B線掃描取樣量化連續(xù)圖像投影到傳感器陣列圖像取樣和量化后的結(jié)果數(shù)字圖像的質(zhì)量很大程度上取決于取樣和量化中所用的取樣數(shù)和灰度級(jí)一般根據(jù)圖像內(nèi)容進(jìn)行選擇2.3圖像的取樣與量化2.3圖像的取樣與量化空間分辨率圖2.191024*1024的圖像縮小至32*32像素，灰度級(jí)保持為256

圖2.20采樣間隔越大，空間分辨率低，質(zhì)量差；采樣間隔越小，所得圖像像素?cái)?shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好。空間分辨率圖2.21量化等級(jí)越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好；量化等級(jí)越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會(huì)出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差?；叶燃?jí)分辨率圖2.21(續(xù))當(dāng)灰度分辨率進(jìn)一步降低時(shí)的情況灰度級(jí)分辨率Resolution:HowMuchIsEnough?Thepictureontherightisfineforcountingthenumberofcars,butnotforreadingthenumberplate圖2.22圖像細(xì)節(jié)含量由少到多，同時(shí)改變空間分辨率和量化級(jí)，要求觀察者按照主觀質(zhì)量進(jìn)行排序空間和灰度級(jí)分辨率不同圖像細(xì)節(jié)含量所需要的圖像分辨率和灰度分辨率不同三類(lèi)圖像中典型的等偏愛(ài)曲線圖2.22圖像細(xì)節(jié)含量由少到多放大和縮小數(shù)字圖像鄰域內(nèi)插法雙線性內(nèi)插法圖像的放大與收縮最近鄰域內(nèi)插方法在原圖像上尋找最靠近的像素并把它的灰度值賦給柵格上的新像素。

雙線性內(nèi)插方法放大和縮小數(shù)字圖像2.4象素間的基本關(guān)系象素的鄰域 4-鄰域——N4(p)：

對(duì)角鄰域——ND(p)：

8-鄰域——N8(p)：鄰接、連接和連通鄰接性V={1}

(1)4-鄰接： 2個(gè)象素p和r在V中取值且r在N4(p)中 (2)8-鄰接： 2個(gè)象素p和r在V中取值且r在N8(p)中鄰接

(3)m-鄰接（混合鄰接）： 2個(gè)象素

p和

r在V中取值且滿足下列條件之一

①r在N4(p)中 ②r在ND(p)中且集合N4(p)∩N4(r)沒(méi)有來(lái)自V中數(shù)值的像素鄰接、連接和連通鄰接和連通m連接用于消除8連接中的多路歧義性連通和通路從具有坐標(biāo)(x,y)的象素p到具有坐標(biāo)(s,t)的象素q的一條通路由一系列具有坐標(biāo)(x0,y0)，(x1,y1)，…,(xn,yn)的獨(dú)立象素組成。這里(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，且(xi,yi)與(xi-1,yi-1)鄰接，1≤i

≤

n，則

n為通路長(zhǎng)度。連接是連通的一種特例，連通是由一系列依次連接的象素組成。

鄰接和連通象素間的距離距離量度函數(shù)

3個(gè)象素p，q，r，坐標(biāo)(x,y)，(s,t)，(u,v)

(1)

兩個(gè)象素之間的距離總是正的

(2)

距離與起終點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)

(3)

最短距離是沿直線的象素間的距離距離量度函數(shù)(1)歐氏（Euclidean）距離

(2)城區(qū)（city-block）距離(3)棋盤(pán)（chessboard）距離00000000000q00000000000000000p0000000000000000000象素間的距離距離量度函數(shù)

等距離輪廓圖案數(shù)字圖像運(yùn)算1.加法圖像的合成圖像的銜接AdditionofimagesequenceAssumingNoiseisRandom.Input1Input2OutputimageOutputimageAddition+MatlabCodef=imread(’1.jpg’)；g=imread(’2.jpg’)；z=f+g；imwrite(z,’res.jpg’);imshow(z)2.減法減法的定義：C(x,y)=A(x,y)-B(x,y)。主要應(yīng)用舉例：檢測(cè)同一場(chǎng)景兩幅圖像之間的變化，設(shè)：T1時(shí)間和T2時(shí)間2的圖像相減的結(jié)果是:去除了圖像背景色、得到了兩幅圖像之間有差別的部分同一場(chǎng)景兩幅圖像之間的變化數(shù)字圖像運(yùn)算LeastbitalterationEverypixelis8bit.So101=011

0

0101

1286432168421

LeastsignificantbitBackgroundsubtractionfor

motiondetectionWehaveabackgroundimageSubtractthenewfrombackgroundtogetdifferences.AngiographySubtraction-MatlabCodef=imread(‘1.jpg’)g=imread(‘2.jpg’)z=f-gimwrite(z,’res.jpg’)3.乘法乘法的定義：C(x,y)=A(x,y)*B(x,y)。主要應(yīng)用舉例：圖像的局部顯示。用二值蒙板圖像與原圖像做乘法。此種圖像處理操作常被稱為“摳圖”或“蒙板”操作。圖像的局部顯示數(shù)字圖像運(yùn)算Multiplication&Divisiong(x,y)h(x,y)f(x,y)Multiplication&DivisionMaskingorROI(regionofinterest)Somaskis0(black)wherewewanttomaskanimage.4.求反求反的定義：g(x,y)=255-