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(shí)(BasicsofDigitalImage)

12.1人類的視覺感知系統(tǒng)

視覺是人類最高級(jí)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(gè)視網(wǎng)膜接收單元都與一個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞借助突觸（synapse）相連 每個(gè)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(diǎn)人眼適應(yīng)的亮度范圍（1）總體范圍大：從夜視閾值到強(qiáng)閃光極限之 間的范圍在1010量級(jí)（2）具體范圍?。阂话惴秶?02量級(jí)夜視閾值閃光極限82.1.2視覺系統(tǒng)對光的感知特點(diǎn)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(shí)亮度的增加比對亮光時(shí)亮度的增加更敏感）

92.2.1一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)灰度級(jí)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(jí)數(shù)G(k-bit)：

存儲(chǔ)圖象所需的比特?cái)?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?cái)?shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)馬賽克效應(yīng)；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，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(jí)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(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，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(jí)變化尖銳的區(qū)域，用細(xì)膩的采樣，在灰度級(jí)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(jí)。剩余的灰度級(jí)可用于灰度級(jí)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(jí)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(jí)：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(gè)灰度級(jí)的圖像層次：表示圖像實(shí)際擁有的灰度級(jí)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(gè)層次252.2.2圖像的質(zhì)量層次圖像數(shù)據(jù)的實(shí)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(diǎn)

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(diǎn)＋D鄰域的點(diǎn)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(gè)像素連通的兩個(gè)必要條件是：

兩個(gè)像素的位置是否相鄰兩個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)值r的那些像素形成一個(gè)菱形例如，與點(diǎn)(x,y)（中心點(diǎn)）D4