第2章图像处理系统与视觉基础

《第2章图像处理系统与视觉基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章图像处理系统与视觉基础（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第2章 图像视觉系统与数学基础,郎俊 副教授信号与信息处理研究所,知识要点,人类颜色视觉和色度学知识。 灰度图像和彩色图像的描述方法，重点讨论灰度静止图像。 典型的数字图像处理系统。 图像的基本统计特征。 MATLAB图像处理工具箱、Photoshop等图像处理软件入门初步。,人类色觉的产生是一个复杂的过程。 除了光源对眼睛的刺激，还需要人脑对光刺激的解释。 人感受到的物体颜色主要取决于反射光的特性。 如果物体比较均衡地反射各种光谱，则看起来是白的。 如果物体对某些光谱反射得较多，则看起来物体就呈现相对应的颜色。 色度学： 进行图像的彩色分析，建立的研究彩色计量的学科。,2.1 人类视觉与色度

2、学基础,视觉系统中存在着杆状和锥状细胞两种感光细胞。 杆状细胞为暗视器官 锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用，并能分辨颜色。 锥状细胞大致将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿、蓝。 这三种颜色被称为三基色,人类视觉系统,图2.1 人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线,图像视觉基础与数学基础,2.1光度学及色度学原理 1.色彩的基本属性 色彩是光的物理属性和人眼的视觉属性的综合反映。人眼对发光体或不发光体的色彩感觉，分别是因为不同光谱波长的辐射光或反射光刺激人眼视网膜内的感受器（视色素）使之兴奋的结果。 色彩具有三个基本属性：色调、饱和度和亮度。,人类视觉对颜色的主观感觉,颜色的三种

3、主观感觉：色调、色饱和度和亮度。 色调（hue） 从一个物体反射过来的或透过物体的光波长 是由颜色种类来辨别的，如红、橙、绿。 色饱和度（saturation） 即色纯度，指颜色的深浅 例如：深红和浅红。 亮度（brightness） 颜色的明暗程度，从黑到白，主要受光源强弱影响。,色调是与混合光谱中主要光波长相联系的。 （红 绿 蓝） 饱和度表示颜色的深浅程度，与一定色调的纯度有关，纯光谱色是完全饱和的，随着白光的加入饱和度逐渐减少。（如深红、浅红等） 亮度与物体的反射率成正比。颜色中掺入白色越多就越明亮，掺入黑色越多亮度越小。,2.颜色视觉 （1）颜色的基础知识,颜色的本质：不同频率的电磁

4、波。人的脑和眼将不同频率的电磁波感知为不同的颜色。,人感受到的不透明物体颜色主要取决于反射光的特性，如果物体比较均衡的反射各种光谱，则人看到的物体是白色的；如果物体对某些光谱反射的较多，则人看到的物体就呈现相对应的颜色。,颜色与彩色： 颜色可分为无彩色和有彩色两大类。 无彩色：白色、黑色和各种深浅程度不同的灰色。 有彩色：除去黑白系列以外的各种颜色。,三基色： 实验证明，任何色彩都可以由不同比例的三种独立的基本彩色型混合而得到。这三种相互独立的彩色称为三基色。,2.1.2 三基色原理,由三基色混配各种颜色通常有两种方法： 相加混色法。 彩色电视机上的颜色。 相减混色法。 彩色电影、幻灯片、绘画

5、原料 相加混色和相减混色的主要区别： （1）相加法是由发光体发出的光相加而产生的各种颜色，而相减法是先有白色光，然后从中减去某些成份（吸收）得到各种颜色。 （2）相加混色的三基色是红、绿、蓝，而相减混色的三基色是黄、青、品红。相加混色的补色就是相减混色的基色。 （3）相加混色和相减混色有不同的规律。,相加混合法的三基色是：红、绿、蓝，它们之间的任意一组混合都可以得到一种新的彩色。,光的三原色,印刷三原色,Grassman定律,视觉对颜色的响应取决于红、绿、蓝三输入量的代数和。 （1）所有颜色都可以用相互独立的三基色混合得到； （2）假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度也相等； （3）任意两

6、种颜色相混合产生的新颜色与采用三基色分别合成这两种颜色的各自成份混合起来得到的结果相等； （4）混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总和。,三原色原理：任何颜色都可以用种不同的基本颜 色按不同的比例混合得到。 标准三基色：国际照明委员会(CIE)规定： 红色(R)：波长为700nm； 绿色(G)：波长为546.1nm； 蓝色(B)：波长为435.8nm。 红绿蓝三原色按照比例混合可以得到各种颜色， 其配色方程为：,（2）颜色模型： 所有颜色都可以看作3个基本颜色：红(R)、绿(G)、蓝(B)的不同组合。 （i）RGB模型 RGB模型面向彩色 显示器或打印机等设备。,RGB彩色立方体,颜色向量C的

7、计算,CIE的R、G、B颜色表示系统。 选择标准红色，绿色和蓝色三种单色光作为表色系统的三基色。 颜色向量C 红（R）、绿（G）、蓝（B）三刺激值所构成的（R，G，B）向量的和构成。 C=RR0+GG0+BB0 （2.1） R、G、B为C的三刺激值（tristimulus values） （R0，G0，B0）称为原刺激值，是单位向量。,图2.2 颜色的向量表示与光谱三刺激值,（a）颜色的向量表示 （b）光谱三刺激值,（ii）HSI模型： 基于区分颜色的3种基本特征量，即：色调（hue) 饱和度(saturation)和亮度（intensity) 。适合人的视觉系统。 HSI格式可以用一个圆柱体

8、表示：圆柱体横截面形成彩色环；色调由角度表示；饱和度由半径上的点至圆心的距离表示，圆周上的颜色其饱和度为1，圆心的饱和度为0；圆柱的轴线表示亮度，底部的亮度最低，顶部的亮度最高。,HSI模型的特点： （1）亮度（I）分量与图像的彩色信息无关；反映物体的明暗程度； （2）色调（H）和饱和度（S）分量与人感受颜色的方式紧密相连。 适用： 借助人的视觉系统来感知彩色特性的图像处理算法，面向以彩色处理为目的的应用，如：动画中的彩色图形。,（3）RGB模型与HSI模型之间转换 （i）从RGB转换到HSI 色度用H表示，饱和度用S表示，亮度用I表示。,（ii）从HSI转换到RGB分3段： 当H在0，120

9、之间：,当H在120, 240之间：,当H在240, 360之间：,Slide 24,2.1.3 光度学基本知识,光度学 光学中研究光的辐射、吸收、照射、反射、散射、漫射等度量的学科 同时结合视觉特征来确定光的度量及吸收的单位。 在可见光谱段以外的景物图像可用类似的方法。 可见光谱段以外所形成的图像，其处理的各个过程也常常要变换成人眼可以观察的图像 例如热成像、X光照片等,Slide 25,光度学中的基本概念,1. 光通量 2. 发光强度 3. 视敏度 4. 亮度 亮度是发光面的明亮程度的度量，它决定于单位面积的发光强度，单位为cd/m2。 5. 照度 照度指照射在单位面积上的光通量，单位为勒

10、（lx）。,2.2 人眼视觉基础,1.亮度和颜色感觉的视觉特性 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。例：在等能量分布的光谱中，人眼感觉最暗的是红色，其次是蓝色和紫色，最亮的是黄绿色。,相对视敏函数： 反映人眼对不同波长的光的敏感程度。 当光的辐射功率相同时，波长为555nm的黄绿光的主观感觉最亮。,以视敏度K（555）为基础，把任意波长为的光的主观感觉亮度称为波长的光的视敏度K()。因此，任意波长光的相对视敏度函数（相对视敏度）。即为：,亮度适应和颜色适应： 人的视觉系统能适应的亮度范围是很大的(1010量级）

11、，但是人眼并不能同时感受很宽的亮度范围；客观亮度相同时，当背景亮度不同时，主观感受的亮度也不同。人眼的明暗感觉是相对的。,亮度适应性：在外界光线的亮度发生变化时，人眼的感受性也会发生变化。从明亮处到昏暗处的视觉适应性称为暗适应性；从暗环境到明环境适应性为亮适应性。,亮度对比和颜色对比： 视觉的主观亮度取决于视野中心（目标）与周围环境之间光照的相对强度。 （1）马赫带效应,马赫带：在视觉图像的明暗过渡带的两侧看到的 亮带与暗带。,（2）同时对比度现象 此现象表明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。,同时对比度示例图,马赫带效应：基于视觉系统有趋向于过高或过低估计不同亮

12、度区域边界值的现象。,2.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。,3.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；光强度增加比光强度减弱时间长。 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

13、，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。,4.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）。,主观轮廓视觉效果图,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。,Slide 37,本章小结,（1）主要介绍了数字图像处理的基本知识。从人类视觉特性和色度学基本原理出发，完成对图像进行数学描述，介绍了基本的图像处理系统、图像开发环境

14、及常用的图像处理软件。 （2）要求掌握色度学基本概念，了解常用数字图像处理系统的组成原理，逐步熟悉常见图像处理软件的操作方法。 （3）本章重点要求掌握图像基本统计特征的意义和计算方法。,1.请解释马赫带效应，马赫带效应和同时对比度反映了什么共同的问题? 它们都反映了人类视觉感知的主观亮度并不是物体表面照度的简单函数。 2. 色彩具有那几个基本属性？描述这些基本属性的含义。 3.什么是视觉的空间频率特性？什么是视觉的时间特性？ 4.颜色模型有哪几种？,2.3数字图像处理的数学基础,2.3.1线性系统 1.线性系统：,线性系统具有叠加性。,2.移不变系统,3.线性移不变系统,2.3.2卷积与滤波

15、1.卷积定义：,2.卷积性质：,（1）交换率： （2）结合律： （3）分配律： （4）求导：,3.离散卷积,4.滤波 数学上的卷积运算在信号处理和图像处理中被称为滤波。 这样，线性移不变系统的输出可以通过输入信号与一表征系统特性的函数 的卷积得到。,系统中的冲激响应,2.3.3 二维线性系统,1.空间不变的线性系统,或用空间矢量记为：,当它具有以下性质时，,则称该系统为二维线性系统。,对于二维线性系统：,则称该系统为空间不变的线性系统。,二维线性移不变系统的输出也可以通过输入信号与表征系统特性的冲激响应函数h(x,y)的二维卷积得到，即：,离散二维卷积形式为：,2.二维线性系统的算子描述 二维

16、线性系统常用的算子：梯度算子（一阶微分算子）包括罗伯特算子（Robert）、索贝尔算子（Sobel）、浦瑞维特算子（Prewitt）等。,2.3.4 数字图像的数学表示 1.连续模型： 一幅图像以灰度G在(x,y)二维空间的连续变化来描述，即 ： 图像=G(x,y) 2.离散模型： 连续图像经过采样和量化后，输入计算机后即为它的离散形式，即为数字图像。它是一个矩阵。,3.随机场模型： 一个多维的随机过程被称为随机场。 图像随机场模型是把每一个像素都看作一个随机过程而形成的。 在随机场模型中，一幅图像可用一个联合概率密度来表达：,式中：,为不同平面上的像素。,图像的随机场模型,2.3.5 数字图像显示,决定图像显示系统质量的最重要的显示特性是图像的大小、光度分辨率、低频响应、高频响应、点间距和噪声特性。,1.显示图像的大小 系统显示图像大小的能力包括两部分。 第一是显示器自身的物理尺寸，它应该足够大，能