第二讲 数字图像处理基础知识

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1、数字图图像处处理基础础知识识第二讲讲 数字图图像处处理基础础知识识2.1 视觉视觉 特性与三基色原理2.2 图图像的采集和显显示2.3 数字图图像的生成和表示方法2.4 数字图图像的系统统模型数字图图像处处理基础础知识识2.1 视觉视觉 特性与三基色原理2.1.1 人眼的视觉视觉 特性根据数字图图像处处理的需要，关注人眼的如下几 个重要特性：明暗视觉视觉 、彩色视觉视觉 、人眼的分辩辩 力、视觉视觉 惰性与闪烁闪烁 感觉觉。数字图图像处处理基础础知识识一、明暗视觉视觉人眼对对不同颜颜色的光的亮度感觉觉是不一样样的， 明暗不同。二、彩色视觉视觉为为确切表示某一彩色光，必须须用三个基本参量（ 亮度

2、、色调调和饱饱和度）来表示，彩色视觉视觉 就是对对 这这三个参量的总总效应应。1、亮度：反映光作用于人眼时时引起的明亮程度。数字图图像处处理基础础知识识2、色调调：反映了颜颜色的类别类别 。如通常所说说的红红、绿绿、蓝蓝。3、饱饱和度：指彩色光所呈现现色彩的深浅程度。对对于同一色调调的彩色光，饱饱和度越高，颜颜色越 深，如深红红；饱饱和度越低，颜颜色越浅，如浅红红。色度：色调调和饱饱和度合称为为色度，即表明了彩 色光的颜颜色类别类别 ，又说说明了颜颜色的深浅程度。数字图图像处处理基础础知识识三、人眼的分辩辩力是指人在观观看景物时对时对 景物细节细节 的分辩辩能力。分为为黑白细节细节 分辩辩力和

3、彩色细节细节 分辩辩力，对对彩 色细节细节 分辩辩力的要求要比黑白细节细节 分辩辩力要求低 。四、视觉视觉 惰性与闪烁闪烁 感觉觉1、视觉视觉 惰性当一定强度的光作用于视视网膜时时，不能在瞬间间 形成稳稳定的主观观亮度感觉觉，而有一个短暂暂的过过渡 过过数字图图像处处理基础础知识识程；当光消失后，亮度感觉觉也并不立刻消失，而 是按近似指数函数的规规律逐渐渐减小。人眼的这这种 视觉视觉 特性叫做视觉暂视觉暂 留特性，或视觉视觉 惰性。图图2-1 视觉视觉 惰性数字图图像处处理基础础知识识2、临临界闪烁频闪烁频 率眼睛在周期性的光脉冲的作用下，如果它的频频率 不够够高，则则眼睛会感到一明一暗的闪烁

4、现闪烁现 象。如果 将光脉冲的频频率增加到某一值时值时 ，由于视觉视觉 惰性， 眼睛就感觉觉不到闪烁闪烁 了。不引起闪烁闪烁 感觉觉的光脉冲的最低重复频频率称为为 临临界闪烁频闪烁频 率。经验经验 可知人眼的临临界闪烁频闪烁频 率约为约为 46Hz。数字图图像处处理基础础知识识2.1.2 三基色原理自然界中的颜颜色有无数多种，如何对这对这 些颜颜色 加以表示呢？只需要三种颜颜色，即三基色就可以 表示所有的颜颜色。一、含义义指选择选择 3种独立的颜颜色，将它们们按照不同的比 例混合，就可以得到不同的颜颜色；反之，任何颜颜 色也能分解为这为这 三种颜颜色。数字图图像处处理基础础知识识注：1、三种颜

5、颜色必须须是独立的，即其中的任何一个 颜颜色都不能由另外两个基色表示。2、合成彩色光的亮度等于三个基色的亮度之和 ；而色度由三个基色分量的比例决定。在彩色电视电视 系统统，彩色图图像系统统中选择选择 的三基 色一般为为：红红、绿绿、蓝蓝，即R、G、B。数字图图像处处理基础础知识识二、相加混色1、混色规规律：如图图22所示红红蓝蓝品红红蓝蓝绿绿青绿绿红红黄红红绿绿蓝蓝白图图2-2 相加混色规规律示意图图数字图图像处处理基础础知识识2、互补补色：当两种色光按照适当的比例混合得到 白光，则这则这 两种色称为为互补补色。如：青红红白色；黄蓝蓝白色；品绿绿白色。3、相加混色的方法时间时间 混色法：将三种

6、基色轮轮流投射到某一表面， 只要轮换轮换 的时间时间 足够够快，利用人眼的视觉视觉 惰性就 可以得到相加混色的效果。数字图图像处处理基础础知识识空间间混色法：利用人眼分辩辩力的有限性，把彼此 相距很近的三基色发发光点看成是相加合成的光。生理混色法：利用两只眼睛同时时分别观别观 看两幅不 同颜颜色的同一幅图图像，也可以得到混色的效果。电视电视 系统统中一般是采用这这种相加混色的方法。相减混色法：用于彩色印刷、彩色胶片、绘绘画等 。数字图图像处处理基础础知识识2.1.3 颜颜色方程自然界中的任何颜颜色光均可以用颜颜色方程来表示 ：F：代表具有特定亮度和色度的彩色光；RR,GG,BB：F色光的三色分

7、量；RGB：三基色单单位量，能配出标标准白光的 3基色量；RGB:称为为三刺激值值，可以测测得；数字图图像处处理基础础知识识RGB的比例关系决定了彩色光的色度，而他们们 的数值值决定了彩色光的亮度。色差信号：由基色信号与亮度信号之差构成,即 ：R-Y,B-Y,G-Y，一般选选取其中的前两个。色差信号不包含有亮度信息；两个色差信号之间间相 互独立；在传输传输 黑白图图像时时，两个色差信号为为0。亮度信号Y、色差信号与三基色信号RGB之间间的关 系为为：数字图图像处处理基础础知识识色差信号R-Y,B-Y幅度范围围比较较大，还还需对对其 进进行压缩压缩 ，得到压缩压缩 后的色差信号U和V，它们们之

8、间间的关系为为：数字图图像处处理基础础知识识2.2 图图像的采集和显显示2.2.1 图图像采集一、图图像采集过过程首先是利用对对某个电电磁能量谱谱波段敏感的物理 器件，接受辐辐射并产产生与所接受到的电电磁辐辐射能量 成正比的模拟电拟电 信号。光电转换过电转换过 程然后是将前面得到的模拟电拟电 信号转转化为为数字信 号以输输入进计进计 算机进进行处处理。模数转换过转换过 程数字图图像处处理基础础知识识二、图图像采集设备设备用于可见见光和红红外线线成像的采集设备设备 主要有：显显 微密度计计、析像管、视视像管和固态阵态阵 等，其中固态态 阵线应阵线应 用最广泛。固态阵态阵 可按几何组织组织 形式分

9、为为两种：线扫线扫 描器 和平面扫扫描器，其主要元件是电电荷耦合器件CCD。例子：航空航天上用的CCD数字相机、数字摄摄像 机、微光夜视设备视设备 、针针孔相机、带带CMOS Sensor 的手机。数字图图像处处理基础础知识识三、图图像采集的主要性能指标标1、线线性响应应：指输输入物理信号的强度与输输出响应应 信号的强度之间间关系是否线线性。2、灵敏度：绝对绝对 灵敏度可用所能检测检测 到的最小光 子个数表示，相对对灵敏度可用能使输输出发发生一级变级变 化所需的光子个数表示。3、信噪比：指所采集的图图象中有用信号与无用干扰扰 的（能量或强度）比值值。4、快门门速度：采集拍摄时间摄时间 。数字图

10、图像处处理基础础知识识2.2.2 图图像的显显示常用的显显示设备设备 是电视显电视显 示器，其又可以分为为 以下类类型：CRT、液晶显显示(LCD)、等离子体显显示 (PDP)等。CRT：电电子扫扫描。LCD: 它利用了液晶的电电光效应应，通过电过电 路控制 液晶单单元的透射率及反射率，从而产产生不同灰度层层 次及色彩丰富的图图像。 数字图图像处处理基础础知识识PDP: 基于一利用稀有气体（惰性气体）放电电 所产产生的真空紫外线线激励荧荧光粉发发光的显显示技术术。 可以硬拷贝贝到幻灯片、照片和透明胶带带上。可以使用各种热热敏、激光和喷喷墨打印设备进设备进 行图图 像的输输出和显显示。数字图图像

11、处处理基础础知识识2.3 数字图图像的生成和表示方法2.3.1 数字图图像的生成常见见的图图像是连续连续 的，为为了适应计应计 算机的处处理 ，必须对连续图须对连续图 像函数进进行空间间和幅度数字化。 空间间坐标标的数字化称为为是空间间采样样；幅度数字化称为为幅度量化。数字图图像处处理基础础知识识一、采样样对连续变对连续变 化的图图像在空间间坐标标上做离散化的过过 程，称为对图为对图 像采样样（取样样、抽样样）。 像素：选选取的采样样点，是分析图图像时时的最小、最 基本的单单元。由像素组组成的采样样点阵阵一般是方形点阵阵，如44 ，88，1616等。满满足奈奎斯特采样样定理。数字图图像处处理基

12、础础知识识二、量化量化：对对信号的幅度进进行离散化分层层的过过程称为为 量化。对对像素的连续连续 的亮度值值作等间间隔分层层量化称为为 均匀量化；作不等间间隔分层层量化称为为非均匀量化。根据人眼的视觉视觉 特性，通常需要100多个量化级级 数。为为了计计算机的表达方便，量化级级数一般为为2的 整数次幂幂，如256、128等。数字图图像处处理基础础知识识量化误误差：量化是以有限个离散值值近似表示无限 的连续值连续值 ，所以存在误误差，称其为为量化误误差。量化失真：量化过过程中产产生的失真，亦称为为量化 噪声。对应对应 均匀量化，量化层层次越多，量化误误差越小， 但编码编码 所需要的码码字的比特数

13、越多。采样样点数和量化级级数不同时时会直接关系到图图像的 清晰度，点数和级级数越多，图图像质质量越高。数字图图像处处理基础础知识识2.3.2 数字图图像的表示方法连续图连续图 像的最普通的数学表达式为为：其中x,y,z代表空间间坐标标，代表波长长，t代表 时间时间 ，所以该该表达式可以代表一幅立体的、彩色 的、活动动的图图像。代表静止、黑白、平面图图像数字图图像处处理基础础知识识数字图图像的表示：数字图图像可以用I(r,c)表示，其中I代表离散化后的 f，(r,c)代表离散化的(x,y)，其中r代表图图像的行，c 代表图图像的列。为为了分析的方便，仍采用f(x,y)来表示数字图图像， 其中f,

14、x,y都在整数集合中取值值。若对对原连续图连续图 像按等间间隔采样样，排成MN阵阵列 （一般取方阵阵NN），则则数字图图像的表达式为为： 数字图图像处处理基础础知识识图图像阵阵列中每个元素都是离散值值，在数字图图像处处 理中，一般取阵阵列N和灰度级级G都是2的整数幂幂，即 取N2n及G2m。对对一般电视图电视图 像，N取256或 512，灰度级级G取64级级(m6bit)至256级级(m=8bit) ，即可满满足图图像处处理的需要。彩色图图像可以采用R、G、B三个矩阵阵来表示。数字图图像处处理基础础知识识2.4 数字图图像的系统统模型2.4.1 线线性非移变变系统统在图图像处处理中，为为了分析

15、和处处理的方便，采用 线线性和空间间不变变性的系统统模型来解决图图像问题问题 。 线线性非移变变系统统如图图23所示： 图图2-3 线线性系统统数字图图像处处理基础础知识识上图图所示系统统的输输入和输输出具有如下的关系：由于该该系统为线统为线 性系统统，所以满满足叠加性和齐齐 次性，所以有：数字图图像处处理基础础知识识该该系统为统为 非移变变系统统，则则有：说说明图图像中任一点通过过系统时统时 的响应应只取决于 该该点的输输入值值，而与该该点的位置无关。数字图图像处处理基础础知识识2.4.2 空域卷积积信号输输入线线性非移变变系统统并输输出的过过程可以 用卷积积来描述。线线性非移变变系统统的输输出等于输输 入信号与表征系统统特性的函数的卷积积。二维维数字图图像的卷积积称为为空域卷积积。对对于线线性非移变变系统统，其性能完全由其单单位 冲击击响应应来表征，即：数字图图像处处理基础础知识识系统为统为 非移变变系统统，则对则对 位移信号的响应为应为 ：数字图图像处处理基础础知识识本讲讲小结结：1、视觉视觉 特性、三基色原理2、图图像的采集和显显示（采集过过程和器件、性能指 标标、显显示等）3、数字图图像的生成和表示方法（采样样、量化、表 示方法）4、数字图图像处处理的系统统模型（线线性非移变变系统统）