數(shù)字圖像處理第二章

數(shù)字圖像處理第二章第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六第2章圖像采集

2.1視覺過程2.2成像中的空間關系

2.3光度學和亮度視覺

2.4采樣和量化

第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.1視覺過程1、光學過程15/100=x/17第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六柱細胞：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胞視覺：適暗視覺(scotopicvision)暗視覺或微光視覺在弱光下檢測亮度，無色彩感覺分辨率低2、化學過程錐細胞：數(shù)量少，對顏色很敏感錐細胞視覺：適亮視覺(photopicvision)明視覺或亮光視覺（白晝視覺）在強光下檢測亮度和顏色分辨率高2.1視覺過程第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六3、神經(jīng)處理過程光源發(fā)光?光模式?眼睛?視網(wǎng)膜：視感覺神經(jīng)沖動?傳出眼睛?大腦皮層：視知覺2.1視覺過程視覺＝“視”＋“覺”第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.2 成像中的空間關系 2.2.1 成像幾何 2.2.2 觀察距離和角度 2.2.3 景深第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六

將3-D客觀場景投影到2-D圖像平面幾何透視變換（成像變換）1、投影變換

三個坐標系統(tǒng)：世界坐標系統(tǒng)XYZ

攝像機坐標系統(tǒng)xyz圖像平面xy

從XYZ到xyz，從xyz到xy2.2.1成像幾何第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六三個坐標系統(tǒng)XYZ與xyz重合0x,Xy,Yz,Z圖像平面(x,y)空間點(X,Y,Z)鏡頭中心2.2.1成像幾何第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六投影變換0x,Xy,Yz,Z圖像平面(x,y)空間點(X,Y,Z)(0,0,)鏡頭中心假設Z>2.2.1成像幾何第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六投影變換

3-D點投影后的圖像平面坐標非線性投影等式（分母含變量Z）2.2.1成像幾何第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2、齊次坐標是將一個原本是n維的向量用一個n+1維向量來表示。

在空間直角坐標系中，任意一點可用一個三維坐標矩陣[xyz]表示。如果將該點用一個四維坐標的矩陣[KxKyKzK]表示時，則稱為齊次坐標表示方法。在齊次坐標中，最后一維坐標K稱為比例因子。2.2.1成像幾何第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六

齊次坐標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笛卡爾坐標：齊次坐標：

齊次坐標?笛卡爾坐標：用第4個坐標量去除前3個坐標量2.2.1成像幾何例：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k為任意非零常數(shù)第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六齊次坐標：0x,Xy,Yz,Z圖像平面(x,y)空間點(X,Y,Z)鏡頭中心透視變換矩陣2.2.1成像幾何第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六齊次坐標用第4項分別去除前3個項

2.2.1成像幾何第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六逆投影變換

將一個圖像點反過來映射回3－D空間Z=0,圖像平面上一點對應連線上所有共線3－D點的集合2.2.1成像幾何第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六逆投影變換

要將1個3-D點的坐標從它的圖像中完全恢復過來，需要對產(chǎn)生圖像點的3-D空間點有一些先驗知識（如知道它的Z坐標）2.2.1成像幾何第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.2.2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節(jié)在眼睛的視場中對應一個約一分的弧所對應的角如果一個點在眼睛的視場中對應不到一分的弧所對應的角，則人觀察不到這個點如果兩個相鄰點與眼睛間連線的夾角不到一分，則人分辨不出這兩個點第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六 給定點尺寸：最遠觀察距離 給定觀察距離：能看見的最小點 最佳觀察距離=3400*圖像高度/顯示線數(shù)2.2.2觀察距離和角度第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.2.3景深

一定距離內(nèi)目標清晰成像的范圍第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.2.3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→∞的極限對應具有無窮景深的小孔相機第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.2.3景深

特殊情況

拍照：目標距離很遠，do?f di≈f 景深與焦距的平方成反比 結果是小的焦距導致大的景深第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.2.3景深

特殊情況復制：目標-圖像尺寸為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區(qū)可清晰成像第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.2.3景深

特殊情況顯微成像：目標近，焦距小，do≈f，di?f 目標被放大了很多，但景深更小了例：當放大倍數(shù)為50，即di/do=50且nf=1，D為5mm，得到的景深只有0.2mm

第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.3 光度學和亮度視覺 2.3.1光度學 2.3.2 一個簡單的成像模型 2.3.3 視覺系統(tǒng)對光的感知特點第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.3.1光度學輻射度量學(radiometry)

研究各種電磁輻射強弱的學科光是一種電磁輻射

彩色光400nm—700nm波長的電磁能量光度學(photometry)對可見光的能量計量的學科叫做光度學。

研究光強弱的學科。光通量的單位：lm（流明）第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六點光源線度足夠小，或距離觀察者足夠遠發(fā)光強度I：點光源沿某個方向上單位立體角

d內(nèi)發(fā)出的光通量d單位：cd（坎）1cd=1lm/srro點光源(球面度)

1、點光源和擴展光源2.3.1光度學第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六點光源立體角（solidangle）

是從一點（稱為立體角的頂點）出發(fā)通過一條閉合曲線上的點的所有射線圍成的空間部分，所以立體角表示由頂點看閉合曲線時的視角?？梢匀∫涣Ⅲw角在以其頂點為球心所作的球面上截出的部分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。2.3.1光度學第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六擴展光源:有一定發(fā)光面積的光源光度學亮度B(單位：cd/m2)：沿r方向上單位投影面積的發(fā)光強度或是在r方向上的單位投影面積在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量rdsN擴展光源ds’2、亮度和照度2.3.1光度學第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六照度（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。設面元dS上的光通量d，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，照度值要受到從光源到物體表面距離的影響。{表2.3.2}亮度：觀察者對所看到物體表面反射光強的量度，亮度則與從物體表面到觀察者的距離無關。{表2.3.1}2.3.1光度學第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2-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0<f(x,y)<(1)入射到可見場景上光的量，照度成分i(x,y)場景中目標對入射光反射的比率，反射成分r(x,y)2.3.2一個簡單的成像模型第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六圖像成像模型

f(x,y)與i(x,y)和r(x,y)都成正比

f(x,y)=i(x,y)r(x,y)i(x,y)的值是由光源決定的0<i(x,y)<r(x,y)的值是由場景中的目標特性所決定的0<r(x,y)<12.3.2一個簡單的成像模型第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六例常用成像方式的特點

常用成像方式的特點概述成像方式光源采集器景物單目成像固定固定固定雙目成像固定兩個位置固定立體成像固定多個位置固定光移（光度立體）成像移動固定固定主動視覺成像固定運動固定主動視覺（自運動）成像固定運動自運動結構光成像固定/轉動固定/轉動轉動/固定

2.3.2一個簡單的成像模型第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知點1、人眼適應的亮度范圍（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量級亮度適應級：在一定條件下，一個視覺系統(tǒng)當前的敏感度暗視覺門限眩目極限一般觀察者（在一點）可以觀察到10~20級亮度的變化第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知點第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2、馬赫帶效應：基于視覺系統(tǒng)有趨向于過高或過低估計不同亮度區(qū)域邊界值的現(xiàn)象。2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知點第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六對比度:是指一幅圖像中灰度反差的大小2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知點第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六人眼的亮度對比效應（1）兩物體亮度相同，但人感到背景暗的物體亮，背景亮的物體暗;（2）兩不同亮度物體處在不同亮度背景下，人按對比度C感覺物體亮度對比;（3）亮度恒定：人眼觀察C1=C2之物體，會認為兩物體亮度相同(近)。2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知點第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六3、同時對比度同時對比是由面積上亮度差產(chǎn)生的現(xiàn)象亮度對比、色度對比2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知點第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六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）2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知點第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.4 采樣和量化 2.4.1 空間分辨率和幅度分辨率 2.4.2 圖像質量與采樣和量化 2.4.3 對采樣和量化的討論第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六0tf(t)理想采樣器f(n)0

圖像的采樣是將在空間上連續(xù)的圖像轉換成離散的采樣點（即象素）集的操作，即把一幅連續(xù)圖像在空間上分成M×N個網(wǎng)格，每一個網(wǎng)格對應一個象素點，用一個亮度值來表示。n2.4.1空間分辨率和幅度分辨率第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六

通常意義下的圖像是光強度分布，是空間坐標x，y，z的函數(shù)，如f(x,y,z)；f(x,y,z,λ);f(x,y,z,λ,t)對模擬圖像來說，f(.)是一個非零的連續(xù)函數(shù)，并且是有限度的，即0≤f(x,y,z,λ,t)≤∞連續(xù)性含義：1.空間位置延續(xù)的連續(xù)性2.每一位置上光強度變化的連續(xù)性。2.4.1空間分辨率和幅度分辨率第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字圖像空間采樣：圖像在空間上的離散化過程量化：取樣點灰度值的離散化過程2.4.1空間分辨率和幅度分辨率圖像尺寸N：N=2nM：M=2m象素灰度級數(shù)G(k-bit)：G=2k圖像所需的位數(shù)b：b=M×N×k=N2k第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字圖像

b=M×N×k=N2

k

存儲1幅32×32，16個灰度級的圖需要4096bit存儲1幅128×128，64個灰度級的圖需要98304bit存儲1幅512×512，256個灰度級的圖需要2097152bit2.4.1空間分辨率和幅度分辨率第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六（一）概念1.圖像分辨率：區(qū)分細節(jié)的程度；2.影響因素：采樣點數(shù)（M，N）和灰度級數(shù)G。（二）空間分辨率1.采樣點數(shù)M，N↑（采樣間隔Δx，Δy↓）→空間分辨率↑；2.G不變，M、N↓，圖像中各細節(jié)區(qū)域邊緣出現(xiàn)“棋盤-馬賽克”效應，即象素粒子變粗。2.4.2圖像質量與采樣和量化第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六（三）幅度分辨率1.G↑→圖像幅度分辨率↑；2.M、N不變，G↓→灰度漸變變成突變，出現(xiàn)虛假輪廓（有木刻畫效果）（四）M、N及G的實際取值1.M=2m，N＝2n，G＝2k,(m,n,k≥1)2.實際中：N＝M＝2n＝256，512，1024，……G＝2k＝32，64，128，256，…3.人頭像：M=N=128，256;k=6，7