第二講數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)

第二講數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)第1頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1

視覺(jué)特性與三基色原理2.1.1人眼的視覺(jué)特性根據(jù)數(shù)字圖像處理的需要，關(guān)注人眼的如下幾個(gè)重要特性：明暗視覺(jué)、彩色視覺(jué)、人眼的分辯力、視覺(jué)惰性與閃爍感覺(jué)。第2頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)一、明暗視覺(jué)人眼對(duì)不同顏色的光的亮度感覺(jué)是不一樣的，明暗不同。二、彩色視覺(jué)為確切表示某一彩色光，必須用三個(gè)基本參量（亮度、色調(diào)和飽和度）來(lái)表示，彩色視覺(jué)就是對(duì)這三個(gè)參量的總效應(yīng)。1、亮度：反映光作用于人眼時(shí)引起的明亮程度。第3頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2、色調(diào)：反映了顏色的類別。如通常所說(shuō)的紅、綠、藍(lán)。3、飽和度：指彩色光所呈現(xiàn)色彩的深淺程度。對(duì)于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越高，顏色越深，如深紅；飽和度越低，顏色越淺，如淺紅。色度：色調(diào)和飽和度合稱為色度，即表明了彩色光的顏色類別，又說(shuō)明了顏色的深淺程度。第4頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)三、人眼的分辯力是指人在觀看景物時(shí)對(duì)景物細(xì)節(jié)的分辯能力。分為黑白細(xì)節(jié)分辯力和彩色細(xì)節(jié)分辯力，對(duì)彩色細(xì)節(jié)分辯力的要求要比黑白細(xì)節(jié)分辯力要求低。四、視覺(jué)惰性與閃爍感覺(jué)1、視覺(jué)惰性當(dāng)一定強(qiáng)度的光作用于視網(wǎng)膜時(shí)，不能在瞬間形成穩(wěn)定的主觀亮度感覺(jué)，而有一個(gè)短暫的過(guò)渡過(guò)第5頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)程；當(dāng)光消失后，亮度感覺(jué)也并不立刻消失，而是按近似指數(shù)函數(shù)的規(guī)律逐漸減小。人眼的這種視覺(jué)特性叫做視覺(jué)暫留特性，或視覺(jué)惰性。圖2-1視覺(jué)惰性第6頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2、臨界閃爍頻率眼睛在周期性的光脈沖的作用下，如果它的頻率不夠高，則眼睛會(huì)感到一明一暗的閃爍現(xiàn)象。如果將光脈沖的頻率增加到某一值時(shí)，由于視覺(jué)惰性，眼睛就感覺(jué)不到閃爍了。不引起閃爍感覺(jué)的光脈沖的最低重復(fù)頻率稱為臨界閃爍頻率。經(jīng)驗(yàn)可知人眼的臨界閃爍頻率約為46Hz。第7頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2三基色原理自然界中的顏色有無(wú)數(shù)多種，如何對(duì)這些顏色加以表示呢？只需要三種顏色，即三基色就可以表示所有的顏色。一、含義指選擇3種獨(dú)立的顏色，將它們按照不同的比例混合，就可以得到不同的顏色；反之，任何顏色也能分解為這三種顏色。第8頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)注：1、三種顏色必須是獨(dú)立的，即其中的任何一個(gè)顏色都不能由另外兩個(gè)基色表示。2、合成彩色光的亮度等于三個(gè)基色的亮度之和；而色度由三個(gè)基色分量的比例決定。在彩色電視系統(tǒng)，彩色圖像系統(tǒng)中選擇的三基色一般為：紅、綠、藍(lán)，即R、G、B。第9頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)二、相加混色1、混色規(guī)律：如圖2－2所示紅＋藍(lán)＝品紅藍(lán)＋綠＝青綠＋紅＝黃紅＋綠＋藍(lán)＝白圖2-2相加混色規(guī)律示意圖第10頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2、互補(bǔ)色：當(dāng)兩種色光按照適當(dāng)?shù)谋壤旌系玫桨坠?，則這兩種色稱為互補(bǔ)色。如：青＋紅＝白色；黃＋藍(lán)＝白色；品＋綠＝白色。3、相加混色的方法時(shí)間混色法：將三種基色輪流投射到某一表面，只要輪換的時(shí)間足夠快，利用人眼的視覺(jué)惰性就可以得到相加混色的效果。第11頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)空間混色法：利用人眼分辯力的有限性，把彼此相距很近的三基色發(fā)光點(diǎn)看成是相加合成的光。生理混色法：利用兩只眼睛同時(shí)分別觀看兩幅不同顏色的同一幅圖像，也可以得到混色的效果。

電視系統(tǒng)中一般是采用這種相加混色的方法。相減混色法：用于彩色印刷、彩色膠片、繪畫(huà)等。第12頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.3顏色方程

自然界中的任何顏色光均可以用顏色方程來(lái)表示：F：代表具有特定亮度和色度的彩色光；R[R],G[G],B[B]：F色光的三色分量；[R][G][B]：三基色單位量，能配出標(biāo)準(zhǔn)白光的3基色量；RGB:稱為三刺激值，可以測(cè)得；第13頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)RGB的比例關(guān)系決定了彩色光的色度，而他們的數(shù)值決定了彩色光的亮度。

色差信號(hào)：由基色信號(hào)與亮度信號(hào)之差構(gòu)成,即：R-Y,B-Y,G-Y，一般選取其中的前兩個(gè)。色差信號(hào)不包含有亮度信息；兩個(gè)色差信號(hào)之間相互獨(dú)立；在傳輸黑白圖像時(shí)，兩個(gè)色差信號(hào)為0。亮度信號(hào)Y、色差信號(hào)與三基色信號(hào)RGB之間的關(guān)系為：第14頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)

色差信號(hào)R-Y,B-Y幅度范圍比較大，還需對(duì)其進(jìn)行壓縮，得到壓縮后的色差信號(hào)U和V，它們之間的關(guān)系為：第15頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.2

圖像的采集和顯示2.2.1圖像采集一、圖像采集過(guò)程首先是利用對(duì)某個(gè)電磁能量譜波段敏感的物理器件，接受輻射并產(chǎn)生與所接受到的電磁輻射能量成正比的模擬電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換過(guò)程然后是將前面得到的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以輸入進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程第16頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)二、圖像采集設(shè)備用于可見(jiàn)光和紅外線成像的采集設(shè)備主要有：顯微密度計(jì)、析像管、視像管和固態(tài)陣等，其中固態(tài)陣線應(yīng)用最廣泛。固態(tài)陣可按幾何組織形式分為兩種：線掃描器和平面掃描器，其主要元件是電荷耦合器件CCD。例子：航空航天上用的CCD數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、微光夜視設(shè)備、針孔相機(jī)、帶CMOSSensor的手機(jī)。第17頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)三、圖像采集的主要性能指標(biāo)1、線性響應(yīng)：指輸入物理信號(hào)的強(qiáng)度與輸出響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度之間關(guān)系是否線性。2、靈敏度：絕對(duì)靈敏度可用所能檢測(cè)到的最小光子個(gè)數(shù)表示，相對(duì)靈敏度可用能使輸出發(fā)生一級(jí)變化所需的光子個(gè)數(shù)表示。3、信噪比：指所采集的圖象中有用信號(hào)與無(wú)用干擾的（能量或強(qiáng)度）比值。4、快門(mén)速度：采集拍攝時(shí)間。第18頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.2.2圖像的顯示常用的顯示設(shè)備是電視顯示器，其又可以分為以下類型：CRT、液晶顯示(LCD)、等離子體顯示(PDP)等。

CRT：電子掃描。

LCD:它利用了液晶的電光效應(yīng)，通過(guò)電路控制液晶單元的透射率及反射率，從而產(chǎn)生不同灰度層次及色彩豐富的圖像。

第19頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)PDP:基于一利用稀有氣體（惰性氣體）放電所產(chǎn)生的真空紫外線激勵(lì)熒光粉發(fā)光的顯示技術(shù)。

可以硬拷貝到幻燈片、照片和透明膠帶上。可以使用各種熱敏、激光和噴墨打印設(shè)備進(jìn)行圖像的輸出和顯示。第20頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.3

數(shù)字圖像的生成和表示方法2.3.1數(shù)字圖像的生成常見(jiàn)的圖像是連續(xù)的，為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)的處理，必須對(duì)連續(xù)圖像函數(shù)進(jìn)行空間和幅度數(shù)字化。空間坐標(biāo)的數(shù)字化稱為是空間采樣；幅度數(shù)字化稱為幅度量化。第21頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)一、采樣對(duì)連續(xù)變化的圖像在空間坐標(biāo)上做離散化的過(guò)程，稱為對(duì)圖像采樣（取樣、抽樣）。像素：選取的采樣點(diǎn)，是分析圖像時(shí)的最小、最基本的單元。由像素組成的采樣點(diǎn)陣一般是方形點(diǎn)陣，如4×4，8×8，16×16等。滿足奈奎斯特采樣定理。第22頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)二、量化量化：對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行離散化分層的過(guò)程稱為量化。對(duì)像素的連續(xù)的亮度值作等間隔分層量化稱為均勻量化；作不等間隔分層量化稱為非均勻量化。根據(jù)人眼的視覺(jué)特性，通常需要100多個(gè)量化級(jí)數(shù)。為了計(jì)算機(jī)的表達(dá)方便，量化級(jí)數(shù)一般為2的整數(shù)次冪，如256、128等。第23頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)量化誤差：量化是以有限個(gè)離散值近似表示無(wú)限的連續(xù)值，所以存在誤差，稱其為量化誤差。量化失真：量化過(guò)程中產(chǎn)生的失真，亦稱為量化噪聲。對(duì)應(yīng)均勻量化，量化層次越多，量化誤差越小，但編碼所需要的碼字的比特?cái)?shù)越多。

采樣點(diǎn)數(shù)和量化級(jí)數(shù)不同時(shí)會(huì)直接關(guān)系到圖像的清晰度，點(diǎn)數(shù)和級(jí)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越高。第24頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.3.2

數(shù)字圖像的表示方法

連續(xù)圖像的最普通的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中x,y,z代表空間坐標(biāo)，λ代表波長(zhǎng)，t代表時(shí)間，所以該表達(dá)式可以代表一幅立體的、彩色的、活動(dòng)的圖像。代表靜止、黑白、平面圖像第25頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)字圖像的表示：數(shù)字圖像可以用I(r,c)表示，其中I代表離散化后的f，(r,c)代表離散化的(x,y)，其中r代表圖像的行，c代表圖像的列。為了分析的方便，仍采用f(x,y)來(lái)表示數(shù)字圖像，其中f,x,y都在整數(shù)集合中取值。若對(duì)原連續(xù)圖像按等間隔采樣，排成M×N陣列（一般取方陣N×N），則數(shù)字圖像的表達(dá)式為：

第26頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)圖像陣列中每個(gè)元素都是離散值，在數(shù)字圖像處理中，一般取陣列N和灰度級(jí)G都是2的整數(shù)冪，即取N＝2n及G＝2m。對(duì)一般電視圖像，N取256或512，灰度級(jí)G取64級(jí)(m＝6bit)至256級(jí)(m=8bit)，即可滿足圖像處理的需要。彩色圖像可以采用R、G、B三個(gè)矩陣來(lái)表示。第27頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.4

數(shù)字圖像的系統(tǒng)模型2.4.1線性非移變系統(tǒng)在圖像處理中，為了分析和處理的方便，采用線性和空間不變性的系統(tǒng)模型來(lái)解決圖像問(wèn)題。線性非移變系統(tǒng)如圖2－3所示：圖2-3線性系統(tǒng)第28頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)上圖所示系統(tǒng)的輸入和輸出具有如下的關(guān)系：

由于該系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，所以滿足疊加性和齊次性，所以有：第29頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)

該系統(tǒng)為非移變系統(tǒng)，則有：

說(shuō)明圖像中任一點(diǎn)通過(guò)系統(tǒng)時(shí)的響應(yīng)只取決于該點(diǎn)的輸入值，而與該點(diǎn)的位置無(wú)關(guān)。第30頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.4.2空域卷積

信號(hào)輸入線性非移變系統(tǒng)并輸出的過(guò)程可以用卷積來(lái)描述。線性非移變系統(tǒng)的輸出等于輸入信號(hào)與表征系統(tǒng)特性的函數(shù)的卷積。二維數(shù)字圖像的卷積稱為空域卷積。對(duì)于線