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1、电子科技大学 光电信息学院 二一年3月4日第二章 光电图像处理基础彭真明 Email: pengzm_主要内容u图像的光学与视觉表示 u图像的采集与显示 u图像的质量评价 u数字图像的数学表征 u数字图像的文件格式主要内容u图像的光学与视觉表示 u图像的采集与显示 u图像的质量评价 u数字图像的数学表征 u数字图像的文件格式1、人眼的视觉特性与错觉 一、图像的光学与视觉表示 视觉的空间特性人眼的空间分辨能力为1；灰度分辨能力大约64级。 视觉的时间特性活动图像的帧频至少是15帧/s的时候，人眼才有图 像连贯的感觉。一、图像的光学与视觉表示1、人眼的视觉特性与错觉 Find a black do
2、t ! 1、人眼的视觉特性与错觉 Black or White? What do you see here ? A vase or two men looking at each other? See if you can find them both. Motion IllusionsThis means that Mike may see the standard motion illusions. Barber Pole.(1)颜色的三种表观特征p明度(Luminance) p色调(Hue) p饱和度(Saturation)： (2)颜色的定量描述： pLHS pRGB一、图像的光学与视
3、觉表示2、图像的颜色与彩色系统(3) 混色原理 p加混色：S1=（R1，G1，B1）S2=（R2，G2，B2）S=（R1+R2，G1+G2，B1+B2）电视、监视器等设备利用加混色原理 p减混色：S=1-(R1+R2)，1-(G1+G2)，1-(B1+B2)印刷、染织行业利用减混色原理一、图像的光学与视觉表示(4) 亮度方程：pL=0.222R+0.707G+0.071B (PAL 制式)pL=0.299R+0.587G+0.114B (NTSC制式)一、图像的光学与视觉表示(5) 彩色系统u RGB和CMY（ Cyan青Magenta紫Yellow黄）色彩系统RGB色度空间可以比较准确的描述
4、图像的光度特性，但是RGB在数 值和技术实现上有一些不利的特点。不利于物理记录和传输。u YUV（PAL）色彩系统传输彩色信号，必须传输RGB三路信号，是不经济的。因此人们把 RGB和色差信号，因为亮度信号对人的感觉更重要，因此用一路独立信 号而把色差信号亚采样合在一路信号中传输，U=R-Y，V=B-Y一、图像的光学与视觉表示(5) 彩色系统 pYIQ（NTSC）色彩系统Y-亮度, I，Q-色调（颜色和饱和度）UV分量旋转 33后的结果。一、图像的光学与视觉表示(5) 彩色系统 n YCrCb色彩系统 Cr=0.713U, Cb=0.564V 高质量演播室为目的CCIR601标准方案。一、图像
5、的光学与视觉表示(6) 彩色图像分类黑白图象： 图像只有明暗程度的变化而没有色彩的变化，最简单的是二值图象 ，只有两种灰度；伪彩色图像：是指经过伪彩色处理而形成的彩色图象。其像素值是所谓的索引值 ，是按照灰度值进行彩色指定的结果，其色彩并不一定忠实于外界景 物的真实色彩；假彩色图象：是指遥感多波段图象合成的彩色图象；真彩色图象：是忠实于外界景色的色彩的图象，其像素一般是颜色的真实值。一、图像的光学与视觉表示一、图像的光学与视觉表示一、图像的光学与视觉表示伪彩色假彩色主要内容u图像的光学与视觉表示 u图像的采集与显示 u图像的质量评价 u数字图像的数学表征 u数字图像的文件格式二、图像的采集及显
6、示1、图像数字化器 ： 图像数字化器必须能够把一幅图像分为图像元素（像素）并确定每个像素的位置，测量每个像素的灰度级，将连续数据量化以产生一个整数集合。数字化器 件具备以下五个部分：(1)采样孔：使图像数字化器能够在整幅图像中取出独立的像素。(2)扫描器件：以预定的方式在图像上移动采样孔，按照顺序一一传输像素。(3)光传感器：通过采样孔采集每个像素的亮度，将光信号转换为电信号。(4)转换器：将转换器的连续输出转换为正数值，数字化部件由A/D转换电路组成。(5)输出介质：固态存储器，磁盘或其他的设备。2、图像数字化器的主要参数(1) 采样尺寸(2) 图像尺寸(3) 物理参数(4) 灰度级别 3、
7、数字化器的组成 p人工光源 p光传感器 p扫描装置二、图像的采集及显示4. CCD与CMOS图像传感器图像传感器 (image sensor)uCCD电荷耦合器件（charge couple device）特点：灵敏度高，噪音小，信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。 二、图像的采集及显示4. CCD与CMOS图像传感器 uCMOS互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor）特点：集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。 二、图像的采集及显示家用数码摄像机家用数码摄像机专业数码摄像
8、机专业数码摄像机家用数码摄像机家用数码摄像机常见的数码摄像机 关键部件CCD 采用长方形光敏单元 采用隔行读取方式，降低视频图像的闪烁感 数码摄像机数码摄像机特点 记录动态影像使用小型盒式DV磁带 拍摄静态图像使用专用的半导体存储卡 5. 摄像机(头)工作原理景物图像传感器DSP芯片/USB显示器二、图像的采集及显示镜头镜头二、图像的采集及显示6. 模拟彩色视频扫描显像 CRT(Cathode Ray Tube,阴极射线管)利用人眼的“缺陷”，把二维信号转换为一维时基信号进 行显示。研究表明，人眼视网膜上的“印象”保留40ms左右 才能消失。因此只要景象在40ms内重新出现，那么，人眼 感觉就
9、象景象没有消失一样，感觉到的是连续变化的景象 。电影每秒更新24幅，每张图片放两次，相当于48帧/S。由于荧光粉有“余辉效应”，信号消失后，荧光会持续一 段时间后才消失，同时加上人眼的暂留作用，因此，实际 要在荧光消失前再次接通信号，二维图像的每个点就象同 时显示一样。这就是CRT扫描显示原理。主要内容u图像的光学与视觉表示 u图像的采集与显示 u图像的质量评价 u数字图像的数学表征 u数字图像的编程基础1. 几个基本术语：(1) 像素(pixel) (pixel-picture element）图像的最小信息单位，通常是一个整数， 其大小称为像素值。(2) 灰度级(gray-level)表示
10、像素明暗程度的整数量称为灰度级。(3) 图像分辨率(resolution) 指组成一幅图像的像素密度，也就是图幅参数。对同样大小的一幅图，如 果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼 真。相反，图像显得越粗糙。(4) 显示分辨率指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为640480表示 显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显 像点。(5) 图像深度（bpp)指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的分辨率。三、图像的质量评价1. 几个基本术语：三、图像的质量评价(6)灰度级与图像深度的关系1位 2级2位 4级8位 256
11、级24位 256256256（真彩色图像）例如：8位灰度图的颜色数。28=256色 24位计算机真彩色表示的颜色数目为：224= 256256256 = 16777216 一般而言，图像的质量取决于：层次(Level or Detail)对比度(Contrast)清晰度(Definition )三、图像的质量评价图像的层次-Image level灰度级：表示像素明暗程度的整数量。例如：像素的取值范围为0-255，就称该 图像为256个灰度级的图像。层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量。例如：具有32种不同取值的图像，可称 该图像具有32个层次。图像数据的实际层次越多，视觉效果就越 好。图像的层
12、次-Image level对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小 对比度= 最大亮度/ 最小亮度对比度-Contrastu与清晰度相关的主要因素 亮度(Luminance , Intensity ) 对比度(Contrast) 尺寸大小(Size) 细微层次(Fine detail ) 颜色饱和度(Color Saturation )清晰度(Definition)清晰度(Definition)清晰度-Definition清晰度-Definition清晰度-Definition清晰度-Definition主要内容u图像的光学与视觉表示 u图像的采集与显示 u图像的质量评价 u数字图像的数学表征 u
13、数字图像的文件格式四、数字图像的数学表征n 1、数学表示F连续模型： f 表示图像的灰度，（x,y）二维空间的连 续变化。 F离散模型： 经过采样和量化后的数字图像就是一个 MN矩阵。 F随机场模型 把每一个像素都看成一个随机过程。n 2、矩阵表示四、数字图像的数学表征n 3、图像的灰度平均值图像均值指的是一幅图像中所有像素灰度值 的算术平均值，它反映是图像中不同物体的平 均反射强度，一般可以表示为：四、数字图像的数学表征n 4、图像灰度方差图像方差反映各像元与图像平均灰度值的 总的离散程度。是衡量一幅图像信息量大小 的主要亮度指标，是图像统计特征中最重要 的统计量之一。一般可以表示为：四、数
14、字图像的数学表征n 5、图像的熵如果一幅图像共有q种灰度级，并且出现的概率分别 为p1,p2,p3,pq，则这幅图像的熵可以表示为：对于一幅8比特(bit)，有：熵反映一幅图像信息量的多少，通常对于一幅图像进 行不同方法处理时的比较。四、数字图像的数学表征n算子描述一阶微分算子，即梯度算子幅度表示：方向表示：常用的梯度算子Robert算子, Sobel算子,Prewitt算子四、数字图像的数学表征n算子描述在数字图像中，可以用差分近似微分，这样 图像梯度可以表示为：梯度的幅度：四、数字图像的数学表征n邻域：在一定意义下，与该像素相邻的像素的集合。OOOO*OOOOOOOOOOOOOOOO*OO
15、OOOOOOOOOOOO*OO33邻域5 5邻域OOOO*OOOO4邻域N4(p)8邻域N8(p)这里：33邻域=(x+1,y), (x,y+1), (x-1,y), (x,y-1)ND(p)=N8(p)-N4(p):对角邻域四、数字图像的数学表征锐化算子运算实例n图像直方图的定义(1)一个灰度级在范围0，L-1的数字图像的直 方图是一个离散函数是图像中灰度级为 的像素个数是第k个灰度级，k = 0,1,2,L-1 由于 的增量是1，直方图可表示为：即，图像中不同灰度级像素出现的次数四、数字图像的数学表征n图像直方图的定义（2）一个灰度级在范围0，L-1的数字图像的直 方图是一个离散函数n是图
16、像的像素总数是图像中灰度级为rk的像素个数是第k个灰度级，k = 0,1,2,L-1四、数字图像的数学表征n定义(2) 使函数值正则化到0,1区间，成 为实数函数 函数值的范围与象素的总数无关给出灰度级rk在图像中出现的概率 密度统计四、数字图像的数学表征n 两种图像直方图定义的比较定义(1):定义(2):注意：直方图仅仅描述了图像中像素的灰度级 分布，但没有描述出像素的空间关系。四、数字图像的数学表征n图象直方图的定义举例 p(rk) Nk0.1 0.2 0.3 0.4 31 15 7 23 像素出 现概率像素灰度级别四、数字图像的数学表征N L-160 120 180 240 31 15 7 23 像素出 现次数像素灰度级别四、数字图像的数学表征n图象直方图的定义举例 较暗
