图像技术应用基础

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1、 第3章 图像技术基础 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 3-1 视觉特性 视觉灵敏度 人眼对不同波长的光 所呈现的视觉感知是 不同的，而且因人而 异。为了了解人眼的 视觉特性，因此国际 照明委员会（CIE）特 推荐标准视度曲线（ 人眼视觉光谱灵敏度 曲线） 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 光度测量参数 当描述光源的照明效果时，由于无法直接用辐射 光功率来描述，因此实际中是使用两套参数来

2、 分别描述辐射光和照明光。前者与人眼的视觉 特性无关，而后者则考虑了人眼的视觉特性。 辐射功率和辐射强度 发光强度、亮度和照度 光通量与发光强度 亮度与照度 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 彩色视觉和立体视觉 彩色的概念 在自然界中，当阳光照射到不同的景物上时 ，所呈现的色彩不同，这是因为不同的景物 在太阳光的照射下，反射（或透射）了可见 光谱中的不同成分而吸收了其余部分，从而 引起人眼的不同彩色视觉。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo Un

3、iversityNingbo University 彩色视觉 从视觉的角度描述彩色的过程中会用到亮度、色度和饱和 度三个术语。亮度表示光的强弱；色度是指彩色的类别， 如黄色、绿色、蓝色等；饱和度则代表颜色的深浅程度， 如浅紫色、粉红色。 色调与饱和度又合称为色度，可见它既表示彩色光的颜色 类别，又表示颜色的深浅程度。 尽管不同波长的光波所呈现的颜色不同，但我们会经常观 察到这样的现象。由适当比例的红光和绿光混合起来，可 以产生与黄单色光相同的彩色视觉效果。又如日光也可以 由红、绿、蓝三种不同波长的单色光以适当的比例组合而 成。实际上自然界中的任何一种颜色都能由这三种单色光 混合而成，因而人们称

4、红、绿、蓝为三基色。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 经过大量的验证测试，人们认识到视网膜上有三种类型的 锥状细胞，它们各自的光谱灵敏度曲线 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 立体视觉 立体视觉一般分为双眼视觉和单眼视觉。 双眼视觉是指双眼同时观看一个空间景物时所 形成的立体视觉；单眼视觉是指单眼观看景物 时所产生的立体感觉 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波

5、大学 Ningbo UniversityNingbo University 人眼的分辨力与空间频率 人眼的分辨力究竟有多高，可用何种方法对其进行描述，一 直是人们非常关注的问题。经过长期的研究发现，将人眼等 效为一个空间频率滤波器，这样在考虑到分辨力与照度、对 比度和噪音等方面影响的同时，便可以利用滤波器的频率特 性来表示人眼的分辨力。可见空间频率的概念在图像技术中 具有很重要的地位。 空间频率 时间频率是用单位时间内的某物理量（如电压、电流）周 期性变化的次数来定义的，单位为周/秒，其自变量为时间 。而空间频率则是某物理量（如亮度、发光强度）在单位 空间距离内周期性变化的次数，单位为周/米。

6、 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 人眼的空间频率响应 实验研究发现，人眼对不同空间细节的分辨力是变化的， 可用视觉空间频率响应曲线表示，如图3-4所示。图中横 坐标为空间频率，即单位视角（1）内所含黑白条数，而 纵坐标则表示空间频率的传输特性（MTF）。 0.1 0.3 1 3 10 30 1.0 0.3 空间频率(线/mm) MTF 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 从图中可以看出，人

7、眼对彩色细节的分辨能力远比对 亮度细节的分辨能力低。例如原有黑白相同的条纹， 当它们距人眼一定距离时，仍能分辨出其黑白间的差 别，但如果仍保持其条纹间的距离，只是将黑白条纹 换成彩色条纹，此时便无法做出分辨。 据资料显示，人眼分辨景物彩色细节的能力很差。因 此彩色电视系统在传输彩色图像时，细节部分可以不 传送彩色信息，而只传送黑白信息，以此来节约传输 频带资源。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 人眼的对比度特性 图像的对比度与灰度 对比度是指景物或重现图像的最大亮度Lmax与最小亮 度Lm

8、in之比，用符号C表示，即 而画面的最大亮度与最小亮度之间所能分辨的亮度感觉 级数称为亮度层次，也称为灰度。 由于人眼的亮度感觉是相对的，即同一亮度在不同的环 境亮度下给人的亮度感觉是不同的，因此当人们看电视 时，在考虑到环境亮度后，电视图像的对比度为 其中 为环境亮度。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 人眼的对比度灵敏度特性 亮度感觉 在定义亮度时虽然考虑了人眼的光谱灵敏度 ，但实际观察景物时所获得的亮度感觉，并 不仅由景物的亮度决定，而且与其所处的周 围环境亮度有关。亮度感觉是指能分辨

9、出不 同的亮度层次。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 人眼视觉的对比度灵敏度 人眼区分某一给定空间频率的正弦光栅（如图3- 6所示）明暗差别所需的最低对比度，称为分辨 这一空间频率的临界对比度，用Cr表示。临界对 比度的倒数1/Cr被称为人眼对于这一空间频率对 比度灵敏度。由以上定义可知，临界对比度表示 人眼在给定的亮度环境下所能区分景物的最小亮 度差别，通常称这一最小亮度差别为一个亮度级 （或灰度级）。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo U

10、niversityNingbo University 视觉惰性与闪烁的概念 视觉惰性 当一个景物突然出现在眼前时，需经过一定的时间 才能形成一个稳定的主观亮度感觉；同样当一个实 际景物从眼前消失后，所看到的印象都不会立即消 失，还会暂留一段时间，由此可见人眼亮度感觉的 建立与消失都滞后于实际的光刺激，而且此过程是 逐步的，这样一种现象就是视觉惰性。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 闪烁 如果观察者观察到一个具有周期性的光脉冲，当其 重复频率不够高时，便会产生一明一暗的感觉，这 种感觉就是闪

11、烁，但当重复频率足够高时，闪烁感 觉将消失，随之看到的是一个恒定的亮点。临界闪 烁频率就是指闪烁感觉刚刚消失时的频率。 它与脉冲亮度有关，脉冲的亮度越高，临界闪烁频 率也相应地增高。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 3-2 图像质量的评价 图像质量的评价方法有两种，即主观评价 和客观评价 影响图像质量的基本因素 发送环境：照度和闪烁 接收环境：室内照明、显示器、视距 图像通信系统 变换与反变换 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo Univers

12、ityNingbo University 图像质量的主观评价 主观评价是指观察者依据自己的感觉对图像质量进 行评价，是一种最直观、最可靠的评价方法 受到 人的感觉和心理状态等 的影响，即图像质量 的最终评价与观察者心理因素有关 图像的客观评价 图像逼真度计量法 数学公式 会议电视系统的图像质量评价 因素：图像清晰度、帧速率、唇音同步、延时 、运动补偿 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 3-3 图像信号数字化 3.3.1 图像信号的表述 连续图像信号转化为离散数字信号 包括三大部分，即取样、量

13、化和编码。 取样又称为抽样，它是指图像信号空间离散化的过程。这时 所选取的点就是取样点、抽样点或样点，也被称为像素。由 此可见，一幅图像是由许多大小有限的像素组成，而且每个 像素既是时间、空间的函数，同时又有其光学特性 图像中的任何一个像素P通常可用8个物理量表示，即 其中（x,y,z）表示像素的空间变量，L,H,S分别代表像素的 亮度、色调和饱和度，R则表示图像的分辨率（即每一个像 素面积在图像总面积中的比例，t是该像素产生上述物理量 的时间。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 图像信号的

14、频谱 图像通信系统是一个二维信息系统，因此可以进行 类似的定义，二维函数f（x,y）与其频谱F(,)的 关系： 从频率域上来观察图像时，大多数情况下其频谱多 局限在一定的范围之内 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 二维取样定理 一个模拟信号f（x, y）的傅氏频谱为F(,),如果其水 平方向的截止频率为Um,而垂直方向的截止频率为Vm ，那么只要水平和垂直方向的取样频率分别为 U02Um和V02Vm（水平间隔x1/(2Um),垂直间隔 y1/(2Vm),就可以精确地恢复出原图像，这就是二维

15、取样定理。 3.3.2 取样与二维取样定理 其中 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 如果图像信号为有限带宽的信号，那么根据上式可以看出 ，抽样后的图像信号fp(x,y)的频谱是原频谱F(,)沿轴 和轴分别以u，v为间隔无限地周期重复的结果 只要u2Um，v2Vm ，抽样后的图像信号频谱就不会 出现混叠。因此通常在进行取样之前，图像信号首先经过 一个低通滤波器，使其成为一个限带信号。当以满足上述 条件的取样间隔进行取样时，取样后的图像频谱不会出现 混叠的现象，这样可以利用一个低通滤波器将原图像

16、频谱 滤出，从而可无失真地重建原图像，这就是二维取样定理 ，也称为二维奈奎斯特取样定理。 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 亚取样 当取样频率小于奈奎斯特取样频率时，通常称 其为亚抽样。 即如何在亚取样情况下，减少频谱混叠而引起 失真？ 菱形亚取样 多媒体通信技术：图像技术基础 信息科学与工程学院 宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 量化与量化信噪比 经过取样后所获得的图像是由一系列空间上离散的样 值序列构成，每个样值是一个有无穷多个取值的连续 变量。量化是指将具有无限多个