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1、数字图图像处处理 Digital Image Processing 第二讲 图像的数字化 温 静 wjing Page 2 Outline 图像的感知和获取 图像的采样和量化 图像的数字化设备 图像的分类与表示 图像像素间的基本关系 图像的彩色空间 Page 3 About vision 人眼视觉过程 Page 4 About vision 人眼的机理与照相机类似： （1）瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称 为瞳孔，其直径可调节，控制进入人眼内之光通量(照相机光圈 作用)。 （2）晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率可调节， 以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成象(照相
2、机透镜作 用)。 （3）视细胞：视网膜上集中了大量视细胞，分为两类: Page 5 About vision 锥细胞和柱细胞： 锥细胞：数量少，对颜色很敏感（大约6.5x106个） 锥细胞视觉：明视觉或亮光视觉 主要集中在中央凹，只在高照度下提供视觉响应（明 视觉），能识别景物的细节 柱细胞：数量多，分辨率比较低 （大约130x106个） 不感受颜色并对低照度较敏感 柱细胞视觉：暗视觉或微光视觉 布满整个视网膜，在低照度下杆状细胞提供视觉响应 ，并且对形状和运动敏感（暗视觉） Page 6 About vision 每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触（synapse） 相连 每个神经
3、元细胞借助其它的突触与其它细胞连接，从而构 成光神经（optical nerve）网络 光神经进一步与大脑中的侧区域（side region of the brain） 连接，并到达大脑中的纹状皮层（striated cortex） 对光刺激产生的响应经过一系列处理最终形成关于场景的 表象，从而将对光的感觉转化为对景物的知觉 Page 7 About vision 整体的视觉过程 Page 8 About vision 人眼的视觉特性 刺激强度与感觉的关系： 人眼的视觉效果是由可见光刺激人眼引起的。如果光的辐射 功率相同而波长不同，则引起的视觉效果也不同。 亮度对比和颜色对比： 视觉的主观亮度
4、取决于视野中心（目标）与周围环境之间光 照的相对强度。 人类视觉系统对亮度变化的感知比对亮度本身要敏感 人类视觉系统对光强度的响应不是线性的，而是对数形式的（对暗光时 亮度的增加比对亮光时亮度的增加更敏感） Page 9 About vision （1）马赫（Mach）带效应 基于视觉系统有趋向于过高或过低估计不同亮度区域边界 值的现象 （2）同时对比度现象 人眼对某个区域感觉到的亮度不仅仅依赖它的强度，而与 环境亮度有关。 侧抑制（side restrain）通 常是指相邻神经元（nerve cell）之间的相互抑制作用 。表现在，当刺激某个神经 元使之兴奋之后，再刺激另 一个与之相邻的神经
5、元时， 后者的反应对于前者的反应 有抑制作用。 Page 10 Seeing gray as black or white Page 11 About vision 视觉的空间性质视觉的空间频率特性： 空间频率是指视像空间变化的快慢。明亮的图像（清晰明 快的画面）意味着有大量的高频空间成分；模糊的图像只有低 频空间成分。 视觉的时间特性 使视觉图像建立起来是需要时间的，而视觉图像建立起来 之后，即使把目标图像拿走，视觉反应也要持续一段时间。因 此而产生视觉的运动感觉。 运动感觉：视觉的运动感觉与人对刺激信号的反应有关。刺激 信号的出现与消失或改变都影响反应时间。光消失反应比光出 现反应时间短；
6、光强度增加比光强度减弱时间长。 Page 12 The Cornsweet edge even harder to explain Sinauer Associates, Inc. Page 13 Page 14 About vision 视觉运动的规律（习惯）： 人眼的水平运动比垂直运动快，更易跟踪水平运动的物体； 看圆形的画面总是习惯沿顺时针方向看，所以对顺时针方向运动的物体 的反应较逆时针运动物体快； 在偏离距离相同的情况下，人眼对视野中四个象限的观察率依次为：左 上、右上、左下、右下； 视线习惯于从左到右和 从上到下看等。 Page 15 Sinauer Associates, Inc
7、. Page 16 About vision 主观轮廓和空间错觉 主观轮廓： 指实际上并不存在、只是主观上认为存在的某景物的轮廓 线。它是从整个图形数据得到的概念（如图）。 空间错觉： 物体的整体面貌和结构强烈地影响着人们对它的感知。通 常有两类：基于形状和方向；基于长度和面积。 Page 17 About vision Page 18 About vision Page 19 About vision Page 20 About vision Page 21 About vision Page 22 About vision Page 23 弗雷泽螺旋 About vision Page 2
8、4 About vision Page 25 About vision Page 26 About vision 人眼对颜色的感知特性 视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线 （各个波长的光的强度相等） Page 27 对象 光 光源 摄像单元 A/D 转 换单元 图像存 储单元 计算机 图像获取 Page 28 n场景成像的三种主要传感器装置 p单元成像传感器：如光敏二极管，通过x-y 方向二维扫描，形成二 维图像。 p线成像传感器：如线CCD、平板扫描仪等, 只需一维扫描，形成 二维图像。 p阵列成像传感器：如电荷耦合器（Charge Coupled Device, CCD） 、互补金属氧化物
9、半导体（CMOS）。两者都是利用感光二极管进 行光电转换，将图像转换为数字数据，其主要差异是数据传送方 式不同。 图像获取 Page 29 Digitalization 图像数字化是将模拟图像经过离散化后，得到用数字表示的图 像的过程。 Page 30 Page 31 Sampling and Quantization 大多数传感器的输出是连续电压波形 为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据转化为数字形 式 这包括两种处理：采样和量化 采样：图像空间坐标的数字化空间采样，即空间坐标的离散化 (x , y) (r, c) 量化：图像函数值（灰度/色度值）的数字化灰（色）度量化，即灰 度的离散
10、化 f (x , y) I (r, c) Page 32 p采样定理： 设连续信号x(t)的频谱为X( f )，频谱中最大频率是fm，以采 样间隔T（对应的采样频率为fS）采样得到离散信号x(nT)， 若满足： 2fm fS 则，可以由离散信号x(nT)完全确定连续信号x(t)。当采样频 率等于2fm时，称为奈奎斯特频率。 Sampling Page 33 p采样定理： 空域频谱 连续信号与频谱 高采样频率时， 采样信号与频谱 低采样频率时， 采样信号与频谱 Sampling Page 34 p采样时注意事项： 采样间隔太小，则增大数据量；间隔太大，则会发生频率的混叠 现象。（满足采样定理）
11、采样保持：一般不做特殊说明都是采用0阶保持的方式，即一个 像素的值是其局部区域亮度（颜色）的均值。 Sampling Page 35 Sampling 给定一副连续图像f (x , y) 进行数字化处理，要求采用MN数组 （或排列模式）等距采样来近似原始的f (x , y) M=2m N=2n MN称为数字图像的空间分辨率 M N Page 36 Quantization 这时对“栅格化”的f (x , y) 中的每个“方格”进行赋值，这个过程 就是量化过程，而当所赋的值同样也是整数时，那么f (x , y) 就 是一幅数字图像I (r , c)，且是坐标和灰度值都是整数的2-D函 数。 此时
12、， I (r , c)的取值范围就是图像量化的量级G，G=2k，而G 则称为数字图像的灰度级或灰度分辨率 G-1 frequency 此时，一幅数字图像的大小的计算方法如下： MNlog2G (bit) Page 37 p把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图 像灰度的量化。即：灰度的离散化。 p充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊用途的图像均为 8bit量化，即用0-255描述“从黑到白”。 Quantization Page 38 n空间分辨率（与采样频率有关） 两种定义： p图像空间中可分辨的最小细节，一般用单位长度上采样的像素数 目表示。 单位：像素/英寸，像素/
13、厘米 p再现一定尺寸的图像所必需的像素个数: 单位：像素像素 如：数码相机指标30万像素（640480）。 Page 39 Effect of sampling on the image quality A 10241024, 8-bit image subsampled down to size 3232 pixels. The number of allowable gray levels was kept at 256. 采样间隔越大，空间分辨率就越小，获得像素个数就越少，图像质量越差 Page 40 Continued Page 41 Continued Page 42 n灰度分辨率（
14、与量化位数有关） p图像灰度级中可分辨的最小变化。一般用灰度级或比特数表示。 p灰度分辨率越高，图像质量越好；灰度分辨率越低，图像质量越 差，会出现虚假轮廓。 256灰度级16灰度级4灰度级 Page 43 Page 44 Effect of quantization on the image quality 量化间隔越大，灰度分辨率越低，图像的层次感越少，图像质量也越差 灰度级16级时，在灰度 缓变区常会出现一些几乎 看不出来的非常细的山脊 状结构，这种效应引起虚 假轮廓(false contouring) 。 Page 45 n采样空间分辨率 p空间分辨率越高，图像质量越好；空间分辨率越低
15、，图像质量越 差，会出现马赛克效应。 (a) 256256 (b)6464 (c) 3232 (d)1616 n量化灰度分辨率 p灰度分辨率越高，图像越逼真；灰度 分辨率越低，图像会出现虚假轮廓。 Page 46 Nonuniform sampling and quantization 采用等间隔的方式进行采样和量化，称为均匀采样和均匀量化 为了保证图像的视觉质量，可以根据图像自身的特性利用自适 应的方式进行采样和量化 例如,在灰度变化剧烈的区域可以采用密集的采样间隔，以保证继承原始 图像中对应位置较完整的细节；而对于灰度变化缓慢的区域则可以采用 稀疏的采样间隔 对于图像灰度级被要求很小的情况下，较始于采用非均匀量化来分配灰 度级 Page 47 Digital devices 图像数字化设备：扫描仪、数码相机、摄像机与图像采集卡等 图像处理计算机：PC、工作站等 图像存储设备：磁盘、光盘、硬盘等 图像输出设备：显示器、打印机等 Page 48 Digital devices 数码相机的工作原理 感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相机 成像部件的主要部分就是感光器。目前数码相机的核心成像部 件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种 是
