第章數(shù)字圖像基礎(chǔ)

圖像信息技術(shù)中的視覺研究

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)中的視覺研究2.1.1視覺研究與圖像技術(shù)的關(guān)系(1)人的視覺系統(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)此美國電影及電視工程師學(xué)會(huì)推薦了16：9的電視圖象。畫面組成和視覺心理

2.1.2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600萬到700萬個(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:從中央凹開始向四周慢慢減少，約有七千五百萬到一億五千萬個(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。感覺亮度：馬赫帶效應(yīng)馬赫帶：1865年首先描述視覺系統(tǒng)傾向不同強(qiáng)度區(qū)域邊界周圍的”欠調(diào)”或”過調(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，感覺它們就逐漸變暗。感覺亮度：同時(shí)對(duì)比現(xiàn)象證明感覺亮度不是簡(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錯(cuò)覺人類感知現(xiàn)象：視覺錯(cuò)覺a:正方形輪廓b:圓輪廓c:長度錯(cuò)覺d:平行線錯(cuò)覺在視覺錯(cuò)覺中，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)。視覺錯(cuò)覺視覺妹錯(cuò)覺St頑ar國e讀at容t壘he促c挎ro農(nóng)ss襖i企n激th綱e焦mi著dd朱le睜o稼f唉th瘦e委im雄ag譯e悄an舍d桑th萍in命k惕ci統(tǒng)rc員le確s視覺候錯(cuò)覺采集處理顯示物理綱對(duì)象2.盞2圖像易感知共和獲說取照射劉源圖像場(chǎng)景圖像屈獲取烏和顯斬示可見朝光雷達(dá)紅外餃線X射線超聲哨波常見繼物體巖石發(fā)熱棒物體分子光源反射透射各類愛圖像冷都是乎由照練射源稠和形燭成圖尋像的嗚場(chǎng)景惜元素抖對(duì)光嘗能的未反射屆或吸無收而失產(chǎn)生棵的。用傳造感器晨陣列奧獲取防圖像數(shù)字獨(dú)圖像往的采挪集過濾程照射挺（能叼）源成像渠系統(tǒng)（內(nèi)悟部）有成像蹤蝶面輸出勵(lì)（數(shù)恢字化條）圖目像場(chǎng)景蜘元素簡(jiǎn)單朱的圖蔑像形尿成模岸型f(簽x,肥y)奮=傷i魚(x低,y羨)*卷r(影x,導(dǎo)y)0<腹f(蛛x,毀y)0<男i(弦x,設(shè)y)0<擊r(享x,會(huì)y)劃<1入射碌分量i(枕x,勻y)隆:入射友到觀據(jù)察場(chǎng)夾景的己光源技總量販取瞎決于西照射能源;反射電分量r(付x,枝y)：場(chǎng)抬景中鄰物體輪反射丘光的孫總量片取桶決于壺成像守物體鳥的特填征典型晴值：i(邪x,仆y)晴朗躁的白披天斧太陽權(quán)在地榮球表疤面產(chǎn)贊生的杰照度司超過90謎00躁0l炭m/億m2有云10傾00幟0l慕m/族m2晴朗厭的夜潮晚滿獄月的楚情況團(tuán)下0.森1l牽m/燦m2R(憂x,虹y)煎:黑天駛鵝絨0.栗01不銹田鋼0.綠65白色標(biāo)墻0.楊80鍍銀呢金屬0.師90雪0.鼠932.介3圖像儉的取和樣與霜量化圖2.丸16產(chǎn)生隊(duì)一幅帳數(shù)字丸圖像復(fù)的過皂程模擬-〉數(shù)字取樣浸：數(shù)劇字化格坐標(biāo)量化蓄：數(shù)緞字化愈幅度撓值模擬緒圖像A-貫>B線掃具描取樣量化連續(xù)俯圖像申投影慰到傳晴感器從陣列圖像點(diǎn)取樣飲和量胡化后賭的結(jié)港果數(shù)字尋圖像捕的質(zhì)膝量很睡大程另度上能取決跟于取樣挨和量媽化中戒所用命的取儉樣數(shù)斯和灰喬度級(jí)一般料根據(jù)乓圖像失內(nèi)容殘進(jìn)行屯選擇2.關(guān)3圖像喊的取吸樣與闖量化2.忍3圖像港的取換樣與栽量化空間震分辨駐率圖2.雞19責(zé)10錢24展*1擱02虛4的圖徒像縮和小至32鋤*3午2像素偵，灰幼度級(jí)間保持悔為25理6圖2.馳20采樣熔間隔兆越大嬌，空量間分公辨率部低，普質(zhì)量易差；汪采樣絨間隔膽越小千，所想得圖違像像賺素?cái)?shù)御越多動(dòng)，空賽間分曲辨率盈高，敗圖像輛質(zhì)量更好?？臻g辰分辨膏率圖2.島21量化箱等級(jí)南越多選，所織得圖霸像層扎次越若豐富寬，灰筒度分劣辨率比高，泡圖像川質(zhì)量精好；任量化萬等級(jí)宣越少麥，圖燈像層迫次欠折豐富刺，灰兼度分拍辨率像低，練會(huì)出蒜現(xiàn)假祝輪廓碌現(xiàn)象月，圖捧像質(zhì)摧量變昌差。灰度遙級(jí)分搭辨率圖2.侍21慌(續(xù))當(dāng)灰蔥度分本辨率分進(jìn)一叉步降虎低時(shí)沸的情雄況灰度善級(jí)分膨辨率Re拉so傍lu腿ti擴(kuò)on己:叢Ho塔w短Mu丘ch盲I婚s凡En廈ou興gh現(xiàn)?Th競(jìng)e筐pi局ct斷ur荷e威on拍t跳he辦r頭ig逗ht命i扎s復(fù)fi衫ne扶f必or葛c續(xù)ou爪nt躲in違g光th吵e遺nu祖mb摧er根o貫f笑ca紫rs論,輛bu撤t背no脹t悄fo星r威re誼ad婚in聽g魯th音e醒nu殿mb痛er尚p口la團(tuán)te圖2.坦22圖像企細(xì)節(jié)問含量翻由少規(guī)到多縮慧，同主時(shí)改腥變空潛間分估辨率濕和量虧化級(jí)澤，要救求觀襪察者箭按照楊主觀圓質(zhì)量營進(jìn)行者排序空間采和灰國度級(jí)謀分辨誘率不同闖圖像墻細(xì)節(jié)砌含量散所需鉗要的忽圖像源分辨撕率和父灰度辱分辨仗率不翻同三類余圖像盲中典畢型的爭(zhēng)等偏阻愛曲揉線圖2.奴22圖像項(xiàng)細(xì)節(jié)職含量俘由少雅到多放大魚和縮傳小數(shù)蚊字圖偶像鄰域寒內(nèi)插愿法雙線續(xù)性內(nèi)蒼插法圖像谷的放請(qǐng)大與頃收縮員最隊(duì)近鄰照域內(nèi)普插方誘法在原扣圖像憲上尋中找最顧靠近鬼的像素并瞇把它念的灰裳度值死賦給查柵格貞上的新宮像素永。雙線擔(dān)性內(nèi)蘿插方悉法放大材和縮荷小數(shù)統(tǒng)字圖綁像2.檢4象素方間的遼基本含關(guān)系象素溫的鄰冷域4鄰憶域—滴—N4(p)：對(duì)角傍鄰域慰——ND(p)：8鄰域會(huì)——N8(p)：鄰接逃、連困接和訊連通令V是用頁于定墓義鄰是接性混的灰警度值粱集合二值權(quán)圖像V={赴1}(1率)報(bào)4鄰疊接：2個(gè)迅象素p和r在V中取卡值且r在N4(p)中(2削)疊8鄰紛接：2個(gè)振象素p和r在V中取因值且r在N8(p)中鄰接(3枕)m鄰接寨（混把合鄰鋸接）選：2個(gè)象范素p和r在V中取凳值且滿足欲下列虛條件薪之一①r在N4(p)中②r在ND(p)中且吸集合N4(p)∩N4(r)沒有羽來自V中數(shù)蓮值的足像素鄰接庫、連擾接和穗連通鄰接況和連街通m鄰接澡用于駁消除8鄰接朱中的允多路餐歧義請(qǐng)性(二義蹄性)從具熔有坐憲標(biāo)(x,y)的象歌素p到具冊(cè)有坐抵標(biāo)(s,t)的象發(fā)素q的一貴條通路由一住系列畫具有鋸坐標(biāo)(x0,y0)，(x1,y1)，…,駕(xn,yn)的獨(dú)饑立象謝素組出成。拍這里(x0,y0)到=顏(x,y)，(xn,yn)艱=登(s,t)，且(xi,yi)與(xi-1,yi-1)鄰接，1孟≤i≤n，則n為通路觸長度。鄰接怎和連庸通8通路m通路pqpq令S是圖徒像中賊的一組個(gè)像位素子轟集。命如果S的全限部像架素之挎間存胡在一風(fēng)個(gè)通湯路，刊則可既以說沾兩個(gè)充像素p和q在S中是連通的。劍對(duì)于S中的耀任何系像素p，S中連片通到即該像裕素的旦像素諸集稱江為S的連通顧分量。如斧果S僅有活一個(gè)資連通炮分量穴，則員集合S稱為連通擋集。令R是圖旨像中田的一膜個(gè)像邁素子習(xí)集。氣如果R是連繡通集節(jié)，則羞稱R為一抹個(gè)區(qū)域。鄰接枕和連暫通習(xí)題令V={凡2,廟3,衡4}解,計(jì)算p和q之間4、8和m通路稼的最說短長岸度。pq象素件間的其距離距離瘦量度島函數(shù)3個(gè)債象素p，q，r，坐標(biāo)羨(x,y)，掌(s,t)，滔(u,v)(1爆)兩個(gè)束象素田之間躁的距效離總賴是正睡的(2酸)距離通與起北終點(diǎn)妻的選耐擇無翁關(guān)(3赴)最短旁距離貌是沿步直線攤的象素盡間的托距離距離筍量度拼函數(shù)(1刃)瓦歐氏賴（Eu悲cl押id精ea帽n）距離(2悼)貫城區(qū)率（ci塔ty感-b記lo頌ck絕）距離(3瞎)猛棋盤損（ch濟(jì)es差sb頃oa割rd輛）距離00000000000q00000000000000000p0000000000000000000象素普間的做距離距離驕量度阿函數(shù)等距貧離輪招廓圖串案數(shù)字映圖像被運(yùn)算1.加法圖像始的合身成圖像起的銜獅接Ad年di怕ti結(jié)on彩o恨f男im他ag序e肢se院qu隆en冷ceAs第su童mi盲ngNo甲is忌e望isRa納nd避om倦.In馬pu購t齡1In熊pu奇t序2Ou任tp搶ut違i茂ma飄geOu筒tp潛ut臟i麗ma下geAd糞di噴ti菜on+Ma撓tl箭ab屆C倘od堵ef害=異im援re嗎ad專(’1.行jp逝g’)；g育=吐im版re淹ad無(’2.爸jp折g’)；z腹=宴f老+蹄g；im扎wr拔it天e(飾z,賊’re索s.舍jp仇g’)輩;im基sh位ow避(z賴)2.減法減法盞的定忙義：C(阿x,爐y)醋=飾A上(x斧,y富)際-梨B(漿x,吩y)。主要籍應(yīng)用煤舉例滾：檢測(cè)援同一壺場(chǎng)景醋兩幅鍋圖像放之間戒的變燭化，設(shè)符：T1時(shí)間誓和T2時(shí)間2的圖脂像相拔減的廳結(jié)果斑是:去除季了圖塑像背平景色正、得莖到了兩幅潑圖像子之間仿有差泊別的青部分同一市場(chǎng)景告兩幅瓶圖像耗之間戴的變真化數(shù)字淺圖像浩運(yùn)算Le移as允t替bi蕩t劉al魯te蛛ra誦ti償onEv稍er茂y搏pi廢xe巨l梳is吩8熔b路it心.So要1蘿01滾=頓0末1糟100噸1臟0朱112炎8伸6登4鑼3濫2個(gè)1闖6勉8至4來2歲1Le徒as府t婆si崗gn纏if麗ic搬an傘t嘉bi蓄tBa問ck勻gr煤ou類nd嚇s姑ub千tr網(wǎng)ac閥ti馳on號(hào)f盈or注mo設(shè)ti未on陵d陪et陶ec墾ti饑onWe摘h廳av蟲e漁a省ba鈔ck遞gr消ou頑nd餐i剩ma踢geSu氧bt男ra叛ct趣t導(dǎo)he箏n勿ew甲f伏ro乓m廳ba絡(luò)ck暴gr初ou壩nd比t爸o筒ge泰t穿di俗ff鉆er躺en虎ce遍s.An叫g(shù)i透og須ra蹤蝶ph油ySu虛bt汁ra練ct勞io筋n-Ma黃tl仍ab燙C腹od矩ef玩=肉im勺re角ad郊(‘1.滴jp勸g’)g吹=曉im遷re堵ad揭(‘2.崗jp府g’)z要=綱f奴-揭gim犯wr賊it疼e(辱z,乓’re酬s.吼jp陸g’)3.乘法乘法花的定架義：C(建x,歌y)狠=腳A本(x遣,y舒)村*鴉B(勁x,殺y)。主要形應(yīng)用詞舉例漿：圖很像的哀局部歇顯示悶。用它二值種蒙板叼圖像猴與原楚圖像服做乘恥法。映此種寸圖像進(jìn)處理青操作征常被于稱為“摳恭圖”具或“丈蒙板票”操作甘。圖像汽的局蓄部顯踩示數(shù)字雁圖像蔽運(yùn)算Mu銹lt飾ip巾li腸ca獲ti拆on性&沾D愛iv誤is柏io飯ng(袋x,典y)貌h(斬x,哥y)因f抱(x羊,y嶺)Mu