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1、第二章 图像信息的基本知识,2.1 图像信息技术中的视觉研究 2.2 图像数字化 2.3 图像的噪声分析 2.4 图像质量评价 2.5 彩色图像的基本知识,光度学简介,光通量 ：衡量可见光对人视觉的刺激程度。 定义：单色光 可见光 单位：流明lm 单位定义：绝对黑体在铂的凝固温度下(2045K) ，从 5.030510-3 cm2面积上辐射的光通量为1lm。,光度学简介,发光强度I：光源在单位立体角内发出的光通量。 定义：点光源 理想漫射的面光源 单位：坎德拉cd 单位定义：发出频率为5401012Hz的单色光源在指定方 向上的辐射强度为1cd。,光度学简介,亮度B：发光表面的明亮程度。 定义
2、： 单位：坎/平方米 cd/m2 尼特nit 1nit=1cd/m2 单位定义：在1m2面积上照有1cd的光强称为1nit。,光度学简介,照度E：照射在单位面积上的光通量，是光源对物体辐射的一种度量。 定义： 单位：勒克司lx 单位定义：在1m2面积上照有1lm的光通量称为1lx。,人眼的结构,视网膜,锥状体（视锥体、锥体细胞、明视觉细胞）： 直径2um6um，长40um，600万700万个。 既可分辨光的强弱，也可辨别色彩。 杆状体（视杆体、杆体细胞、暗视觉细胞）： 直径2um4um，长60um，7500万15000万个。对低照度的景物敏感度高，无彩色感觉。 黄斑区：直径2mm呈黄色区域。对
3、光有较高的分辨率，能识别图像的细节。 中央凹：面积约1mm2，椎状体最密集，是眼内最敏感的区域。,视觉信息的产生、传递和处理,产生：光化学电 眼内： 传递 眼外： 处理：侧抑制现象刺激某一个神经元使其兴奋，若再刺激该神经元附近的其他神经元时，后者的兴奋对前者的兴奋有抑制作用。,视觉信息的产生、传递和处理,视觉运动特性,注视点的分布： 主要集中在图像颜色或亮度反差较大的地方，如黑白交界的部分，尤其在拐角处； 人类视觉对某些颜色较敏感，如红色。 容易向闭合的图形内侧移动；尺寸大、细长条、特别不规则处的物体更能引人注意。 容易集中在时隐时现、运动变化的部分； 运动视觉特性： 相同速度的物体，大的看上
4、去慢，小的看上去快； 与运动方向水平的棒状物体看上去快，垂直的慢。,视觉空间、时间频率特性,调制传递函数MTF(modulation transfer function): 亮暗在空间上作正弦变化条纹图案的物理对比度和感觉对比度之比随空间频率变化而变化的函数。 带通滤波，受闪烁、漂移、呈现时间、运动的影响。,相对视敏度,视敏度 ：人眼对不同波长的可见光的敏感程度。 人眼对波长为555nm的光有最大的敏感度。 相对视敏度函数,视觉范围：人眼所能感觉的亮度范围。 人眼亮度自适应：大的动态范围是当人眼适应了某一环境亮度之后视觉调到另一个小动态范围来达到的。 韦伯-弗赫涅尔定律：主观亮度感觉与实际 亮
5、度的对数成线性关系。S=klogB+k0,视觉的动态范围,图像的对比度,图象对比度：最大亮度和最小亮度之比。 亮度恒定现象：只要物体与背景亮度对比的比值保持一定，物体的视在亮度可以在物体和背景的很宽照度范围内保持不变。 相同的对比度 相同的亮度层次（灰度级别）,真实感,同时对比度效应,与背景光强度有关，人在高亮度背景下视敏度下降。,马赫带效应,视觉的主观感受在亮度有变化的地方出现虚幻的明亮或黑暗的条纹。视觉系统对不同空间频率的成分具有不同的灵敏度，对于亮度突变有“过调”的响应，产生上冲和下冲。,错觉,黑白视觉模型,光响应 亮度响应 侧抑制 视觉残留,图像数字化过程,采样,(a)256256 (
6、b)128 128 (c)6464 (d)3232 (e)1616 (f)88,点阵采样 MN 正交系数采样,要求：满足采样定理,图像数字化过程,（a） 256 （b） 64 （c） 32（d） 16 （e） 4 （f） 2,量化,均匀量化 Q=2b 非均匀量化,要求：一般人眼观察的图像58bit 卫星、航空图片812bit,采样点数和量化级数的选取,总比特数MNb给定： 缓变图像：细量化、粗采样 复杂图像：细采样、粗量化,一维点阵采样,一维点阵采样,二维点阵采样,点阵采样的实际问题,脉冲效应 实际采样中，采样脉冲是有宽度的，图像重建时就会产生边界误差的模糊现象。 相当于低通滤波器 防止混叠失
7、真 已知原图像最高频率，使用过采样或奈奎斯特采样。 不知原图像最高频率，先用已知截止频率的低通滤波器滤波，再针对低通滤波器截止频率进行过采样或奈奎斯特采样。,最佳量化,两量化层的中点,p(Z)的形心,最佳量化：使量化误差最小的量化方法。绝对误差、均方误差,图像噪声,噪声：妨碍人的视觉器官或系统传感器对所接收图象源信息进行理解或分析的各种因素。 噪声的特征：随机的，常用统计特征来描述,噪声分类,按噪声的来源 外部噪声：从处理系统外来的影响。 内部噪声： 由光和电的基本性质引起的 机械运动产生噪声 元器件材料本身引起的噪声 系统内部电路噪声 从统计观点：平稳噪声、非平稳噪声 从噪声幅度分布：高斯噪
8、声、瑞利噪声、椒盐噪声 按噪声和信号之间关系： 加法性噪声 乘法性噪声,客观保真度准则,均方误差 均方根误差 峰值均方误差,均方信噪比 均方根信噪比,主观保真度准则,(1) 绝对评价尺度,(2) 相对评价尺度：对一批图象从好到坏进行排队，按排队关系评分。,主观保真度准则,三基色原理,可见光波长380nm780nm 物体颜色由物体的反射光的性质决定 Young-Helmholtz三色假说,颜色的基本属性,色调(hue)：由物体反射光线的波长决定，是颜色本质的基本特性。 饱和度(saturation)：由物体反射光中混入白光的多少决定，指颜色的鲜明程度。 亮度(brightness)：由物体反射系
9、数决定，指光波作用于感受器所发生的效应。,数字图像处理中，128种色调，8种饱和度，16种明暗级。,RGB彩色模型,RGB彩色模型,R(255,0,0),B(0,0,255),M(255,0,255),优点：简单通用，适于CRT设备显示图象 缺点： 给定某一RGB值，人们无法感知所对应的颜色； 改变一个颜色时，三个通道上的颜色全需修改； 它不具有视觉一致性，颜色空间上的距离，并不代表人眼视觉上的颜色相似性。,CMYK彩色模型,适用于绘图和印刷输出 缺点：可生成的色彩范围比RGB颜色空间窄,CIE-XYZ模型,三色比例系数皆大于零 Y的数值正好是彩色光的亮度 当X=Y=Z时仍然表示标准白光,CI
10、E-XYZ模型,CIE-XYZ模型,缺点：不具有视觉一致性 优点：独立于设备，被称为设备无关的色彩空间。,CIE L*a*b彩色空间,主要用于区分相近的颜色，如宝石评价、颜料匹配。 优点：独立于设备，有视觉一致性，成为色彩转换的标准色空间 。,L 亮度 a 绿(-)到红(+)分量 b 蓝(-)到黄(+)分量,HSI (HLS)、HSV(HSB)彩色模型,HSI (HLS)、HSV(HSB)彩色模型,优点： 坐标之间的心理感知独立性，即可以独立感知各颜色分量的变化； 具有视觉一致性，可感知的颜色差是与颜色分量的的欧几里德测度之间的距离成比例的，适合颜色的相似性比较； 与RGB颜色空间的转换是线性
11、的，简单快速。,HSI (HLS)、HSV(HSB)彩色模型,YIQ、YUV、YCrCb彩色模型,YIQ适用于NTSC彩色电视制式 YUV适用于PAL和SECAM彩色电视制式 YCrCb适用于计算机用的显示器 优点： 亮度信号(Y)和色差信号是相互独立的，解决了彩色电视机与黑白电视机的兼容问题； 用亮度信号Y传送细节，用色差信号进行大面积涂色。利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。,YIQ、YUV、YCrCb彩色模型,I轴：123-0-303，橙-青，最敏感的色轴 Q轴：33-0-213，绿-品红，最不敏感的色轴,YIQ、YUV、YCrCb彩色模型,Y = 0.299R + 0.5
12、87G + 0.114B U = -0.147R- 0.289G + 0.436B V = 0.615R - 0.515G - 0.100B Y0.299R0.578G0.114B Cr(0.500R0.4187G0.0813B)128 Cb=(-0.1687R0.3313G0.500B)128,彩色视觉模型,d1正比于它的亮度 d2、d3与彩色光的色度有关,作业,1.马赫带效应和同时对比度反映了什么共同问题？ 2.什么是色度？ 3.奈奎斯特率采样条件是什么？为什么？ 4.根据采样定理、量化理论及人的视觉特性，说明非均匀采样和非一致量化的具体实施方案，解释其合理性。 5.RGB颜色模型和CMYK颜色模型之间有什么关系？ 6.HSV颜色模型有什么优点？ 7.舌形图里连接红、绿、蓝构成的三角形与HSV颜色三角形有何不同？,
