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1、数字图像处理,第二章,第2章 数字图像处理的基础 (Basics Knowledge of Digital Image Processing),2.1人类视觉与色度学基础 (Visual System of Human Beings),2.2数字图像的基础知识 (Basics of Digital Image),2.1人类的视觉与光度学基础 (Visual System of Human Beings),视觉是人类最高级的感知器官，所以，毫无疑问图像在人类感知中扮演着重要角色。人类视觉的产生很复杂，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
2、体比较均衡地反射各种光谱，则看起来是白色的；如果物体对某些光谱反射的较多，则看起来物体就呈现相对应的颜色。 然而人类感知只限于电磁波谱的视觉波段，成像机器则可以覆盖几乎全部电磁波谱。 研究图像处理首先要了解人类的视觉感知系统。,2.1.1视觉系统的基本构造 (Basic Structure of Visual System),基本构造,人眼横截面简图,眼睛的基本特性：眼睛对光的感觉-光觉；对颜色的感觉-色觉。,人眼的构造相当于一架摄像机或照相机。前面，是由角膜、晶状体、前房，后房、玻璃体所共同组成的具备镜头功能的组合，把物体发出的光线聚焦到后面的相当于胶卷的用于检测光线的视网膜上。,人眼的形状
3、像一个小球，通常称为眼球。 眼球内具有特殊的折光系统，使进入眼内的可见光汇聚在视网膜上。视网膜上含有感光的杆状细胞和锥状细胞，这些感光细胞把接受到的色光信号传到神经节细胞，再由视神经传到大脑皮层枕叶视觉神经中枢，产生色感。 眼球壁有三层膜组成：角膜与巩膜、脉络膜和视网膜（简称网膜）。,人眼的构造眼球,人眼的构造角膜,角膜(cornea)：如同相机的滤镜 眼球最前端是透明的角膜，它是平均折射率为1.336的透明体，俗称眼白，微向前突出，曲率半径前表面约7.7毫米，后表面约6.8毫米，光由这里折射进入眼球而成像。,人眼的构造晶状体,晶状体，水晶体 (lens)：如同相机的镜片。 晶状体在眼睛正面中
4、央，光线投射进来以后，经过它的折射传给视网膜。所谓近视眼、远视眼、老花眼以及各种色彩、形态的视觉或错觉，大部分都是由于水晶体的伸缩作用所引起。 它像一种能自动调节焦距的凸透镜一样。,人眼的构造视网膜,视网膜 (retina)：如同底片。 视网膜是视觉接收器的所在，它本身也是一个复杂的神经中心。 眼睛的感觉为网膜中的视杆细胞和视锥细胞所致。视杆细胞能够感受弱光的刺激，但不能分辨颜色，视锥细胞在强光下反应灵敏，具有辩别颜色的本领。某些动物（如鸡）因视杆细胞较少，所以在微光下，它们的视觉很差，成为夜盲。也有些动物（如猫和猫头鹰）因视杆细胞很多，所以能在夜间活动。,视觉过程,人的视觉过程的流图,光接收
5、细胞： 视锥细胞（也称中央凹）：600700万，既能感光、又能感色、对颜色敏感。可以充分识别图像细节，每个细胞接一个神经末端，又叫适亮视觉（photopic vision）、白昼视觉。,视觉原理,视杆细胞（杆状细胞）：750015000万，只能感光、不能感色。几个杆状细胞联到同一个神经末梢，分辨率低，提供视野的整体视象，不感受颜色，对低照度敏感。 夜视觉。,夜盲症就是由于杆状体缺陷造成的。,强光作用下，锥状体起作用。 既有明亮感，又有彩色感 （明视觉） 两者有明确的分工： 弱光作用下，杆状体起主作用 。只 有明暗感没有彩色感 。 （暗视觉） 锥状细胞大致将电磁光谱的可见光部分分为三个波段：红、
6、绿、蓝。由于这种原因，这三种颜色被称为三基色。 人类视觉对颜色的主观感觉可以直观地用色调、色饱和度和亮度来表述。,图像形成的几何关系图,眼睛中图像的形成,问：1、人眼中，是否像普通照相机那样调焦？若不是则如何实现距离的正确聚焦？ 2、人眼聚焦后，如何将图像信息传递给大脑？,答：当眼睛适当地聚焦时，来自眼睛外部物体的光在视网膜上成像。视网膜图像反射到中央凹，由光接收器的相对刺激作用产生感觉，把辐射来的能量变为电脉冲，最后由大脑判断。,2.1.2亮度适应和鉴别 (Intensity Adaption and Identification),光强度与主观亮度的关系曲线,主观亮度和主观适应性 由于数字
7、图象以客观亮度显示图象，人眼以主观亮度感受取得视觉，所以人眼的亮度适应性影响了图象处理的结果。 人眼的视觉系统能适应的光的亮度等级从可以看见的昏暗到眩目相差能达到1010等级。但是人眼并不能同时在这么大的范围内看清物体，而只能在同一时间内适应一个小的亮度变化范围（106等级）。,Basic experimental setup used to characterize brightness discrimination,图2.5用于描述亮度辨别特性的基本实验,图2.6作为强度函数 的典型韦伯比,在一定条件下，一个视觉系统当前的敏感度叫做亮度适应级。这个敏感度是用实验来验证的。在实验中，逐渐增加
8、光照射的强度I，改变量为I，达到多个观察者能感知的程度， 当有一半的人感知增加时，I/I成为Weber ratio,作为视觉系统当前的敏感度。在很强的光下，需要改变较强的光照射才能使多个观察者感知；相反，在较弱的光下，些微的光强度变换就会使人感知。 低照度下，韦伯比大，亮度辨别力差 亮度增加，韦伯比下降，亮度辨别力改善,Typical Weber ratio as a function of intensity,所谓“马赫带效应（Mach band effect）”是指视觉的主观感受在亮度有变化的地方出现虚幻的明亮或黑暗的条纹，马赫带效应的出现是人类的视觉系统造成的。生理学对马赫带效应的解释是
9、：人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制。,马赫带效应示图,Some well-know optical illusions,视觉错觉图例,optical illusions,视觉错觉图例(b),获取场景的图像首先要将场景通过投影转换成平面上的亮度；其次为了用计算机加工还需将连续的亮度模式通过采样和量化转换成离散形式，即数字图像。 在将场景转换成亮度模式中，与图像f(x,y)表达的两部分内容相对应，需考虑到两部分内容。 (1)几何学：要解决从图像中的什么地方可以找到场景中目标的投影位置（x,y） (2)光度学：要解决图像中的目标有多亮，以及该亮度与目标的光学性质和成像系统的关系，这就确定了在（x
10、,y）处的灰度值。 在获取可被计算机处理的数字图像时，前者与采样有关而后者与量化有关 。,2.1.3光度学,2.1.3光度学-电磁波谱,光是一种特殊的电磁辐射，它可以被人感知。而研究各种电磁辐射强弱和度量的学科称为辐射度学，光度学可看作辐射度学的一个特殊分支。光度学主要研究可见光的强弱和度量。 电磁波谱如下所示：,光学谱段,可见光谱段：指辐射能对人眼产生目视刺激而形成光亮感的谱段，跨越范围约为：,电磁波谱可用波长 、频率 和能量E来描述。 其中c为光速,彩色谱可分为6个主区域：紫、蓝、绿、黄、橘黄和红色。 每种颜色不是突然终止的，而是混合平滑的过渡到另一种颜色的。,辐射度学中一个最基本的量是辐
11、射通量或辐射功率，单位：瓦。在光度学中，使用光通量表示光辐射的功率或光辐射量。 光通量：光源以电磁波的形式辐射出且人眼能感受到的光功率。用表示，单位为流明(lm)。 实际上，光通量是指光源在单位时间内所发出的光能多少，可以看作类似于其它量的流速，如：每秒多少米，每分钟多少毫升等。,2.1.3光度学-基础知识,N de B dA,d,2发光强度 设某个点光源向各个方向都均匀辐射，则光源在给定方向上的发光强度是该光源在包含给定方向的立体角元d内传输的光通量d与该立体角元之商，即： 立体角：指从一点（立体角顶点）出发通过一条闭合曲线上所有点的射线围成的空间部分，所以立体角表示由顶点看闭合曲线时的视角
12、。,发光强度的单位为坎德拉(cd)。 1lm定义：发光强度为1cd的均匀点光源在一球面立体角内发射的光通量。,亮度是指画面的明亮程度，它取决于单位面积的发光强度，单位是坎德拉每平米(cd/m2) 亮度是人对光的强度的感受。它是一个主观的量。与亮度不同，由物理定义的客观的相应的量是光强。这两个量在一般的日常用语中往往被混淆。 照度：入射到某表面的光通量密度（或照射到单位面积上的光通量）。单位为勒克斯lx，用每单位面积的流明数表示。,2.1.3光度学-基础知识,2.2数字图像基础 数字图像:连续的模拟图像采样和量化而得。组成数字图像的基本单位是像素，所以数字图像是像素的集合。,像素为元素的矩阵，像
13、素的值代表图像在该位置的亮度，称为图像的灰度值。,数字图像像素具有整数坐标和整数灰度值， I（i，j） Digital image, pixel, gray-level,2.2数字图像基础-图像模式 灰度图像:是数字图像最基本的形式，灰度图像可以由黑白照片数字化或者对彩色图像进行去色处理得到。灰度图像只表达图像的亮度信息而没有颜色信息，因此，灰度图像的每个像素点上只包含一个量化的灰度值，用来表示改点的亮度水平。通常用一个字节来存储灰度值。 如果灰度值用一个字节表示，则可以表示的正整数范围为：0255，即像素灰度值在此区间取值，灰度级为256。 人眼对灰度的分辨能力通常在2060级，因此以字节为
14、单位，既保证了人眼的分辨力，又符合计算机的习惯。 在特殊应用中，可能采用更高的灰度级，比如CT，采用12位或16位。,灰度级,灰度图像(128x128)及其对应的数值矩阵,125,153,158,157,127, 70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133, 60, 133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115, 88, 49, 155,
15、163, 95,112,123,101,137,108, 81, 71, 63, 81,137,142,146,152,159,161,159,154,138, 81, 78, 84,114, 95, 167, 69, 85, 59, 65, 43, 85, 34, 69, 78,104,101,117,132,134,149,160,165,158,143,114, 99, 57, 45, 51, 57,（仅列出一部分(26x31)）,-二值图像：是灰度图像经过二值化处理后的结果，二值图像只有两个灰度级0和1，理论上只需要一位二进制位来表示。在文字识别、图样识别等应用中，灰度图像一般要经过二
16、值化处理得到二值图像，二值图像中的黑或者白用来表示不需要进一步处理的背景和需要进一步处理的前景目标，以便于对目标进行识别。,2.2数字图像基础-图像模式,彩色图象可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。,通常，三元组的每个数值也是在0到255之间，0表示相应的基色在该象素中没有，而255则代表相应的基色在该象素中取得最大值，这种情况下每个象素可用三个字节来表示。,彩色图象(128x128)及其对应的数值矩阵（仅列出一部分(25x31)）,(207,137,130) (220,179,163) (215,169,161) (210,179,172) (210,179,172) (207,154,146) (217,124,121) (226,144,133) (226,144,133) (224,137,124) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (227,151,136) (230,170,154) (231
