ch2數(shù)字圖像基礎(chǔ)

第2章視覺和圖像基礎(chǔ)

(BasicsKnowledgeofDigitalImageProcessing)

2.1人類的視覺感知系統(tǒng)(VisualSystemofHumanBeings)

2.2數(shù)字圖像的基礎(chǔ)知識(BasicsofDigitalImage)

12.1人類的視覺感知系統(tǒng)

視覺是人類最高級的感知器官，所以，毫無疑問圖像在人類感知中扮演著重要角色。然而人類感知只限于電磁波譜的視覺波段，成像機(jī)器則可以覆蓋幾乎全部電磁波譜。研究圖像處理首先要了解人類的視覺感知系統(tǒng)。

2基本構(gòu)造

圖2.1人眼橫截面簡圖

2.1.1視覺過程32.1.1視覺過程光學(xué)過程

15/100=2.55/1742.1.1視覺過程化學(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52.1.1視覺過程神經(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62.1.1視覺過程整體視覺過程視覺＝“視”＋“覺”72.1.2視覺系統(tǒng)對光的感知特點人眼適應(yīng)的亮度范圍（1）總體范圍大：從夜視閾值到強閃光極限之 間的范圍在1010量級（2）具體范圍?。阂话惴秶?02量級夜視閾值閃光極限82.1.2視覺系統(tǒng)對光的感知特點亮度變化的感知 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）

92.2.1一個簡單的成像模型圖象成象模型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入射分量i(x,y)和反射分量r(x,y)102.2.1一個簡單的成像模型圖象成象模型

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

112.2.1一個簡單的成像模型2.10圖像數(shù)字化122.2.2圖像的采樣和量化大多數(shù)傳感器的輸出是連續(xù)電壓波形為了產(chǎn)生一幅數(shù)字圖像，需要把連續(xù)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式這包括兩種處理：取樣和量化取樣：圖像空間坐標(biāo)的數(shù)字化量化：圖像函數(shù)值（灰度值）的數(shù)字化132.2.2圖像的采樣和量化圖像的采樣空間坐標(biāo)(x,y)的數(shù)字化被稱為圖像采樣確定水平和垂直方向上的像素個數(shù)N、M142.2.2圖像的采樣和量化圖像的量化函數(shù)取值的數(shù)字化被稱為圖像的量化，如量化到256個灰度級152.2.2圖像的采樣和量化圖像的表示

圖象（水平）尺寸M：

圖象（垂直）尺寸N：

象素灰度級數(shù)G(k-bit)：

存儲圖象所需的比特數(shù)b：162.2.2圖像的采樣和量化圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量172.2.2圖像的采樣和量化圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量182.2.2圖像的采樣和量化圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量192.2.2圖像的采樣和量化圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素數(shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時出現(xiàn)馬賽克效應(yīng)；采樣間隔越小，所得圖像像素數(shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。

202.2.2圖像的采樣和量化圖像的量化與數(shù)字圖像的質(zhì)量212.2.2圖像的采樣和量化圖像的量化與數(shù)字圖像的質(zhì)量量化等級越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大；量化等級越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量小.

222.2.2圖像的采樣和量化非統(tǒng)一的圖像的采樣在灰度級變化尖銳的區(qū)域，用細(xì)膩的采樣，在灰度級比較平滑的區(qū)域，用粗糙的采樣232.2.2圖像的采樣和量化非統(tǒng)一的圖像的量化在邊界附近使用較少的灰度級。剩余的灰度級可用于灰度級變化比較平滑的區(qū)域避免或減少由于量化的太粗糙，在灰度級變化比較平滑的區(qū)域出現(xiàn)假輪廓的現(xiàn)象242.2.2圖像的質(zhì)量層次灰度級：表示像素明暗程度的整數(shù)量，例如：像素的取值范圍為0-255，就稱該圖像為256個灰度級的圖像層次：表示圖像實際擁有的灰度級的數(shù)量，例如：具有32種不同取值的圖像，可稱該圖像具有32個層次252.2.2圖像的質(zhì)量層次圖像數(shù)據(jù)的實際層次越多，視覺效果就越好262.2.2圖像的質(zhì)量對比度：是指一幅圖像中灰度反差的大小

對比度=最大亮度/最小亮度272.2.2圖像的質(zhì)量清晰度：與清晰度相關(guān)的主要因素亮度對比度尺寸大小細(xì)微層次顏色飽和度282.2.2圖像的質(zhì)量影響清晰度因素—亮度292.2.2圖像的質(zhì)量影響清晰度因素—對比度302.2.2圖像的質(zhì)量影響清晰度因素—尺寸大小312.2.2圖像的質(zhì)量影響清晰度因素—細(xì)微層次322.2.2圖像的質(zhì)量影響清晰度因素—顏色飽和度332.2.3像素間的基本關(guān)系相鄰像素4鄰域D鄰域8鄰域連通性4連通

8連通

m連通距離342.2.3像素間的基本關(guān)系相鄰像素—4鄰域像素p(x,y)的4鄰域是：

用N4(p)表示像素p的4鄰域352.2.3像素間的基本關(guān)系相鄰像素—D鄰域像素p(x,y)的D鄰域是：對角上的點

用ND(p)表示像素p的D鄰域362.2.3像素間的基本關(guān)系相鄰像素—8鄰域

像素p(x,y)的8鄰域是：4鄰域的點＋D鄰域的點用N8(p)表示像素p的8鄰域N8(p)=N4(p)+ND(p)372.2.3像素間的基本關(guān)系像素間的連通性

連通性是描述區(qū)域和邊界的重要概念

兩個像素連通的兩個必要條件是：

兩個像素的位置是否相鄰兩個像素的灰度值是否滿足特定的相似性準(zhǔn)則（或者是否相等）

4連通、8連通、m連通的定義382.2.3像素間的基本關(guān)系像素間的連通性—4連通

對于具有值V的像素p和q，如果q在集合N4(p)中，則稱這兩個像素是4連通的392.2.3像素間的基本關(guān)系像素間的連通性—8連通

對于具有值V的像素p和q，如果q在集合N8(p)中，則稱這兩個像素是8連通的402.2.3像素間的基本關(guān)系像素間的連通性—m連通

q在集合N4(p)中，或q在集合ND(p)中，并且N4(p)與N4(q)的交集為空（沒有值V的像素）

對于具有值V的像素p和q，如果：則稱這兩個像素是m連通的，即4連通和D連通的混合連通。412.2.3像素間的基本關(guān)系像素間的連通性—m連通422.2.3像素間的基本關(guān)系像素間的連通性—通路一條從具有坐標(biāo)(x,y)的像素p,到具有坐標(biāo)(s,t)的像素q的通路，是具有坐標(biāo)(x0,y0),(x1,y1),...,(xn,yn)的不同像素的序列。其中，(x0,y0)=(x,y),(xn,yn)=(s,t)，,(xi,yi)和(xi-1,yi-1)是鄰接的，1≤i≤n，n是路徑的長度。如果(x0,y0)=(xn,yn),則該通路是閉合通路43距離

像素之間的聯(lián)系常與像素在空間的接近程度有關(guān)。像素在空間的接近程度可以用像素之間的距離來度量。為測量距離需要定義距離度量函數(shù)。給定三個像素，其坐標(biāo)分別為如果1）(當(dāng)且僅當(dāng))2）3)則是距離函數(shù)或度量。44

和之間的歐式距離定義為：

和之間的距離（也叫城市街區(qū)距離）定義為：和之間的距離（也叫棋盤距離）定義為：

45D4距離舉例具有與(x,y)距離小于等于某個值r的那些像素形成一個菱形例如，與點(x,y)（中心點）D4