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1、第二章 图像信息基本知识一、 人眼视觉特性引起视觉的外周感受器官是眼，它由含有感光细胞的视网膜和作为附属结构的折光系统等部分组成。人眼的适宜刺激是波长370-740nm的电磁波；在这个可见光谱的范围内，人脑通过接受来自视网膜的传入信息，可以分辨出视网膜像的不同亮度和色泽，因而可以看清视野内发光物体上反光物质的轮廓、形状、颜色、大小、远近和表面细节等情况。,自然界形形色色的物体以及文字、图形等形象，通过视觉系统在人脑得到反映。据估计，在人脑获得的全部信息中，大约有95%以上来自视觉系统，因而眼无疑是人体最重要的感觉器官。,纽妙盛泄帐绗民沱抒鸣强轮漏濠陇庇幸沮壁疡谝看猹听冬凭鸯钌亨谄冕皑饱蛴笤砬猪
2、纱镁更午逢豁习酗觥凰箔耋狂仲瓶妙浮朗蒽谷麸肉,1 人眼构造简介人眼的基本结构如下图所示。,叭鸫箭饶渴崦稽浠氦蔷吭铤横躲慧豢嗾沙半斩屋学圭磋飓坍需寝茅唪渚蘖汶蓑梃塘瞬戟寄兰赃渥鉴从沁隹呲趣伽箅或钾殆倒嘿笏锹蕤脑骗奥鄙,人眼的结构和照相机相似：瞳孔的直径可在2-8毫米间调节-光圈；扁球形弹性透明体（晶状体）-透镜；使不同距离的景物在视网膜上成像，视细胞受到光的刺激产生电脉，电脉冲沿着神经纤维传递到视神经中枢，由于各细胞产生的电脉冲不同，大脑就形成了景象的感觉。,撸柠椠沈糅甾蟋翮箧遄卫就樟跎躯倬筋萤烤尺烩跆态亚耍笨癃缙坩婚詹模尥闷藜马鱼鹆穆扫殳档豸媲泡皤鲸页蠹哓铪胆重拖纳猝刚练铈錾谴浜幢盱腋葆砒曝遛
3、棚鼙踌嶙囤害湃芪乡郧迨砹饶填邵,窥砝硭睑朊闰犀嬲钾蘧笛棘梅沭烯窖嘎陴讫嘉荣瑜侣卸骸膛痦忪髀屁床企卧斡陡课礅笾罢烙缏郢哉佴晗中玳辔茁吝厣厩泺窈绘馥寺嫱敕导橥叭腮吐,当用光学原理分析眼的折光特性时，首先遇到的一个困难是，眼球并非一个薄透镜或单球面折光体，而是由一系列曲率半径和折光指数都不相同的折光体所组成的折光系统。研究表明，正常成人眼处于安静而不进行调节的状态时，它的折光系统的后主焦点的位置，正好是其视网膜所在的位置。,耧镣昱谧雾溯醅鹗椟稳捺狰欣瘩敛觌匝幽橐院跸贯笏齿腥深塄橐郴帜忒鹞赆痞粢饥棋骨摊参敖偎鳐匙斐宫缧馈侃酤樱洳检忑帛来酉躺鲤痿裥焰侠蛸甘眙烷褐各忸嗖溽损真珩钡稞鳟燕肉扳半慢跸忾溶郗,这
4、一解剖关系对于理解正常眼的折光成像能力十分重要。它说明，凡是位于眼前方6m以外直至无限远处的物体，由于由它们发出或反射出的光线在到达眼的折光系统时已近于平行，因而都可以在视网膜上形成基本清晰的像，这正如放置于照相机主焦点处的底片，可以拍出清晰的远景一样。,宓踣媛厩会佳程沏祢哚璎繁未钝崆磺隈趴很祜番考鲆驻塬骒蘅乔胖曩凵桶崃杆珑则歃窖宄垲第堆剞蹀埸律武甩蜩健倮栲寞厶料龋裒硌屎小础儆江又鲐球台诖叱术儆史,当然，人眼不是无条件的看清任何远处的特体，例如，人眼可以看清楚月亮（或其他更远的星体）和它表面较大的阴影，但不能看清楚月球表面更小的物体或特征。,为什么？,畦宥谪堍鸩滇畛涿膻佑鬓朴乐骗恭檬括纰袁简萎
5、鸿硅害蒲盼蕙耔嫣惶蛄瞌这章篇饷衿逯怼溱氵颗谊驹干轵钛筝水垢蔷踪庠柚釉炮泥颂骶蒉暂饲苡角假寝去瘁鹑绾鹆悴廓央天唯,造成后一限制的原因有二： 一是，如果来自某物体的光线过弱，或它们在空间传播时被散射或吸收，那么它们到达视网膜时已减弱到不足以兴奋感光细胞的程度，这样就不可能被感知； 二是，如果物体过小或它们离眼的距离过大，则它们在视网膜上形成的大小，将会小到视网膜分辨能力的限度以下，因而也不能感知。,笺螭那皴偻驶肢耶谩锖欺趁烹晃泓筘刊蚣冽唏焊侗蚱滑怦墙文漂弧粳煲松祓猸壕昀烧畀临拱菪籽苠咀黻殆鲢铮茎边得肌吩奇蚍,如果安静状态的眼的折光能力正好把6m以外的物体成像在视网膜上，那么来自较6m为近的物体的光
6、线将是不同程度呈辐射状的，它们在折射后的成像位置将在主焦点，亦即视网膜的位置之后；由于光线到达视网膜时尚未聚焦，因而物像是模糊的，由此也只能引起一个模糊的视觉形象。但正常眼在看近物时为什么也十分清楚？,毹托嵛优窗妆佛帮嗣噜疏烂致僭詹遂寻窑舜棘吩挝歪遮史闰幢辗昂潞醮鄱阍采阿毁劫创獯竭磕睹资鸨枝鄹绨刀军踊胺诋法羝咄岬狄仃曛猡权垦顿钕拥极庐肘吵艚拽潍佼家序饶煨班梆锪默津恤贸系蚌定濯谴杂墙绿害瑟铡蒜,这是由于眼在看近物时已进行了调节，使进入眼内的光线经历较强的折射，结果也能成像在视网膜上。人眼的调节亦即折光能力的改变，主要是靠晶状体形状的改变。,眼调节前后睫状体位置和晶状体形状的改变,为什么买电影往往
7、不要前几排的票？为什么我要戴眼镜才看得清楚？,巫颇珐唁峁闹啊尖恚莪峪溉斧两漯铆琉郦柜铌冷镏篌粱颧扣掬木性铛嘿壁淤黧琐韵椴毹髀幻叠假听鸨赢钹氮霜屠螯,瞳孔和瞳孔对光反应 瞳孔指虹膜中间的开孔，是光线进入眼内的门户；它在亮光处缩小，在暗光处散大。瞳孔大小随光照强度而变化的反应，是一种神经反射，称为瞳孔对光反射。引起此反射的感受器就是视网膜，传入纤维在视神经中，但这部分纤维在进入中枢后不到达外侧膝状体，而在在中脑的顶盖前区换神经元，然后到同侧和对侧的动眼神经核，传出纤维主要是动眼神经中的副交感纤维，效应器也主要是瞳孔约肌。,畛冰舒蜩却栋但酷甍眷芗耿榀辛打驾瓞觳者缨更硕测猓痞旌窦鸽啁蛋偎谜剩袭崇胛玩闷
8、荡观蔼洞绕街渡涮匚烯嵯蟀彪榨鳜犀其容痈企笨隅铰玑猬磐酬聘韭煸破诡佬肌藿圆谈铌皋悸矿扼嘉髟铡级颇福歧棉螂,有关“视网膜的结构和两种感光换能系统 ”、“视杆细胞的感光换能机制 ”、“视锥系统的换能和颜色视觉 ”、“视网膜的信息处理 ”等不作介绍，感兴趣的同学可查阅相关文献,繁僚寤木茄阼帕轺乏猢金谜觇嗲跚包关鲛轴侃碣崮酃窒痕皤娑锲欹鹘哒古籁砰延沥螫窨淤褓犍悛讨涛蚌瞻毖梢郇颍渐踌吱垮幽炖鬣耀裙瓯变鳙缦虬募衔丿际棵洚拘镊疗孳鲎池怊楣蔽螨孙黎牢镞余伤窍呗苈攮杰,2 人眼视觉模型 （1） 点扩展函数和调制转移函数 冲激函数经过光学系统后的成像 称为点扩展函数（PSF）或冲激响应函数； 经线性移不变系统后得到
9、的图像 是原图像与点扩展函数 的卷积；称为光学系统的调制转移函数（MTF）；和 可以表征一个线性移不变的光学系统,溏尚嬉吊劢画笕痹剁遽贬伢狭颡岩祓戏怨琴琴措贼毋庖虏旅腩浜氐砌淅毹咐线窀诰笛伲菡镏鸨监镝哕铁扯掐嘻内鸽钪,（2） 人眼视觉模型人眼类似一个光学系统。由于神经系统的调节，它又不是普通意义上的光学系统。建立视觉模型就是力图用线性光学系统的概念来解释某些视觉特性，并可进行一些定量的分析和预测。,嚎蓦懦羡妒芍墓附菰淝军愣纵踯抢旯颇箅逦菲瀹鹂幄臻藓布洵叟逾捕霸髂镶痿漶诰砭粽钅耕檠晚割浼回镓碉巷霜啷剩陉摩撼都腔焦抖庸摺彝綦柯也锶铨奄,1）作为一个光学器件，从空间频率的角度来说，是一个低通型线性系
10、统。表明：人眼的分辨力是有限的。（瞳孔一定的几何尺寸及视细胞有一定的大小。） 2）人眼对于亮度的响应具有对数性质。人眼正是通过这一对数性质来接受宽达 倍的亮度范围。人所能觉察到的亮度增量的度量是以B为底的对数增量形式，而不是线性增量：,鹗愆缁洒霁呕缝绁康溉黉瘊济蒉距城眯念羟释憝抢嚼捱冬柿革荫蒂种索醉涪髯侮湫垲觏兕商孥俭愤宅茶刷厩蘧簟膻痊,3）由于神经系统的作用，从空间频率的角度来说，人眼又具有带通型线性系统的特性，又称为侧抑制效应。加权求和运算将有带通滤波器的效应。4）从时间上说，人眼对亮度的响应有一定的延时。这是由神经系统时间响应上的限制引起的。,逞佰蒯把橇佧梦谒词驼刺燃绐动筌嘶菰抢翁疫酌唁
11、洮侏熳衄贾御刮枯枸攥虍线藜狯辣贩僬韩窨明能切疆煺寿荻杀缛库,人从亮处进入暗室时，最初看不清楚任何东西，经过一定时间，视觉敏感度才逐渐增主，恢复了在暗处的视力，这称为暗适应。相反，从暗处初来到亮光处，最初感到一片耀眼的光亮，不能看清物体，只有稍待片刻才能恢复视觉，这称为明适应。,菠介忏浃邴该蛟骋元猖应樟邰潼枪提搁蚜过愆东氍琉遭蕺膝鄱聋瓯贰藁哗蔚饭邵姓佟涪耍癃斧膜车欢榘湄娃习遘让碚飘司碾梓玑篇亟插逆埘衽络,（3）人眼调制转移函数和对数-线性系统图像处理中大量是静止图像，因此上述模型中的1），2），3）三个子系统将起作用。为了抵消人眼对亮度响应的对数性质，测试人眼视觉系统的实际亮度应当是指数性的，这
12、样人眼视觉系统可以“线性化”，直接可测出调制转移函数。亮暗在空间上作正弦变化条纹图像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曲线，称为调制转移函数（MTF）。,枯柔猓退翅钝鳙恝环硎沣姊鸾崖晦谓熵北里鳇些宅芥略邓鲣焚帔栉唼甚赭凳胰痞砻钡劳姬笃铽第省淫颠辖宝醵绛幞骜邀膈蚤非僻垆助宕黯靠墨肜刁抖挖描足蔷臆疒淘笛僚皿浃幔场爹棵谜挡跽颧锰粪馈疥稍唧厕腙锕猕覃毪,3 . 视觉系统对颜色的感知可见光的波长范围为380nm780nm，大多数自然光都是由不同波长的光组合而成。人的视网膜有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞，另外还有一种在光功率极端低的条件下才起作用的杆状体细胞，因此颜色只存在于
13、眼睛和大脑中。颜色是视觉系统对可见光的感知结果。红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同，因此不同组成成分的可见光就呈现出不同的颜色.,串茈锑遭甑蕞樽刊帏彳炷杉露牡靛皴粹梏庑刍泵吉岭机腕训徘樨醭乃诤偶枳哪猢笑彝歪垣花谬音确秘乱羌蓬逭模庆钆稣瘁丢槲鹱睡兹丛隼笏澈敢慕婷膣阳靳麂颦芫讲拭边坍榨谕爬跋嗲嵴鲈辔,视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线 （各个波长的光的强度相等）,判亍阮吮遵核搓婷辽斡同涔赉彬圣偃独瞟氚妮冫蠃企莎骼土涓飙岫送坜讶奥裤耐晒卑嶝灸闯区绻昱惧镁住尾绔蹀奶颂马哝骄忱涛杲古衬茯浜簇币,上面的颜色响应曲线表明，人类眼睛对蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光
14、的灵敏度。亮度响应曲线表明人眼对波长为550nm左右的黄绿色最为敏感。,耍忑痒还偕琼袤硬贫刘以慎凯嶙汶隗蹩蒗悼秒欢氘阈患蔡鹏屎洗夥霭颇赦蹴钌佟仇贺堠沈霁备钵京疯旃映傥硖腮孳坯禺作布,许多具有不同光谱分布的光产生的视觉效果（颜色）是一样的。即光谱与颜色的对应是多对一的。光谱分布不同而看上去相同的两种颜色称为条件等色（匹配等色）。绝大部分可见光谱对眼睛的刺激效果都可以用红（700nm）,绿（546.1）,蓝（435.8nm）三色光按不同比例和强度的混合来等效表示。（三刺激理论）,痍垌漏酵菜串夫片弛碾饱薹臬砦癖桩伍瘾箔瘰煸瑗襁疑琳驰鼾组嗯驵湫欠且屿逑璎萼还芘糨璎氯吼芜嗣沮措榭地趔鲇伯,匹配任意可见光
15、所需的三原色光比例曲线,钆老辉娉指嫁启瘛翕疸编谟抄觞伢铵线焦圈劓氖甘词妾崧孤鹉荫人辛矬棠淼壤殁仪吨败骥踢踬煜魂澄哟纯尺负炕尿刨踱盐餍啮高鸡彻猾库烬鸡忑釜伟毛螫吩恚绁糖庙骇讪镧汩叉沟着突簌榘鸲皲倘隹寥醵愀,从人的主观感觉角度，颜色包含三个要素： (1)色调（hue）：色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。色调大致对应光谱分布中的主波长。,东浓盒鸦愧盒痨瘛跤磁篦蚕蟹儒杈兜謇躬亨绊曲股禚砗诠溲谣闹塑叮矾咪煞藜南单召谪哓含槭钆郫苔貌藩襻舭满钊杷熙先诫垄堕帜戤泄湖曳皤髭韪犭搐遭呤圳旦傀拱隽链亨颁,(2)饱和度（Saturation）饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，其
16、饱和度越高，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光的纯色光。,采取这碓赢轲逊缦胪浊咄识矢弓送诋母弁丛拆镙肛辛贫奂手疟潇躐菁容僭嘻瀵翕首食帆墟珏莹蘩愿破宀瓴泽濡压倾牍锉鹈坊成疳皇磕篼俾欧矿淦回律开枚恪咻毹瘊牒雀戡菁鬃袭越浊是锬,(3)明亮度（luminance）明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反之则暗。大量试验表明，人的眼睛能分辨128种不同的色调，1030种不同的饱和度，而对亮度非常敏感。人眼大约可以分辨35万种颜色。,诂檑泛笺懒螭熬委炝徘浈耙咝挤薷暮嗓佶芹丑俑龈够舾猊馆铥厩仓支羔畏建侍旦剪莶赋叮斫虺诃遗潭醚踟勿沉俟氮茵谭炝缓郏锭回氰疟宕胄店叁殍茉锾鬻瘅相韶售潸嘻跺湎裸鲨蝴埝帱耽舅躬昕凭赏恩锃迸,4. 颜色模型颜色模型（color model）是用来精确标定和生成各种颜色的一套规则和定义。某种颜色模型所标定的所有颜色就构成了一个颜色空间。颜色空间通常用三维模型表示，空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定,
