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1、数字图像原理数字图像原理第二章第二章 数字图像原理数字图像原理数字图像处理数字图像处理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理视觉生理特点对图像视觉生理特点对图像处理方法影响很大处理方法影响很大数数字图像原理字图像原理人眼的构造人眼的构造锥状（锥状（conecone）视觉）视觉：白昼视觉，色彩；杆状（杆状（rodrod）视觉）视觉：夜视觉，低照度敏感。数字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理人眼的构造人眼的构造人眼成像的几何原理人眼成像的几何原理用眼睛观察树的光学表示法，C点为晶状体的光学中 当晶状体的折射能力由最小变到最大时，晶状体的聚焦中心与视网膜之间的距离由17mm缩小到
2、14mm。当眼睛聚焦到远于3m的物体时，晶状体的折射能力最弱，当聚焦到非常近的物体时，其折射能力最强。 数字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理亮度适应和鉴别亮度适应和鉴别 人的视觉系统能够适应的光的强度级别范围是很宽的。此图中长的实线代表人的视觉系统能适应的光强度范围。适暗视觉的范围是106。由适暗视觉到适亮视觉逐渐过渡，过渡范围大约为从0.001到0.1mL（在对数标度中为-3到-1mL）,图中画出了这适应曲线的范围。数字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理在不同的亮度适应级，人眼的分辨力不同，如图所示，I是背景光强，I是光强的变化， log(I /
3、I)称为韦伯率，表示强光分辨力 光强分辨力的典型韦伯比数字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理亮度适应和鉴别亮度适应和鉴别 当亮度为阶跃变化时，图像中显示出竖条灰度梯级图像，如图所示。已知从每一竖条宽度内反射出来的光强是均匀的，相邻竖条之间的强度差是常数，然而，我们看起来每一竖条要比左边稍亮一些，这种现象称为马赫带效应。数字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理马赫带效应马赫带效应 人眼对于某个区域感觉到的亮度并不仅仅依赖于它的强度。如图中例子所示，图中所有位于中心的正方形都有完全一样的亮度。但是当背景暗时它们看起来要亮些，而当背景亮时，它们看起来要暗些数
4、字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理同时对比度同时对比度 视觉错觉视觉错觉数字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理3个基本颜色红（R, red）、绿(G, green)和蓝( B, blue)国际照明委员会（CIE），1931年规定3种基本色的波长为R:700mm, G:546.1mm, B:435.8mm。3补色：品红（M、magenta，即红加蓝）、蓝绿（C、cyan，即绿加蓝）、黄（Y、yellow，即红加绿） 颜色视觉颜色视觉数字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理 当有色光照射到消色物体上时，物体反射光颜色与入射光颜色相同
5、。两种以上有色光同时照射到消色物体上时，物体颜色呈加法效应。当有色光照射到有色物体上时，物体的颜色呈减法效应，如同所示 彩色加法系统（左）与减法系统（右）颜色视觉颜色视觉数字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理区分颜色通常用3种基本特性：辉度（又常用亮度、明度）色调饱和度。色调和饱和度合起来称为色度。颜色可以用辉度和色度共同表示颜色视觉颜色视觉数字图像原理数字图像原理2.1 人眼的视觉原理人眼的视觉原理图像数字化器图像数字化图像数字化数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化数字图像是由像素(pixel)组成的二维矩阵。原图像放大后的图像画像原理画像原理数字图像原
6、理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化图像数字化相关概念图像数字化相关概念像素，就是图像最基本的单位（Pixel），是不能再被划分为更小的单位，它由许多个大小相同的像素沿水平方向和垂直方向按统一的矩阵整齐排列而成 。数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化图像数字化相关概念图像数字化相关概念数字图像的三个属性分辨率像素深度真彩色、伪彩色与直接色2.2 图像数字化图像数字化数字图像原理数字图像原理图像数字化相关概念图像数字化相关概念 图像的分辨率：图像分辨率是指图像中每单位长度所包含的像素或点的数目，常以像素/英寸（ppi）为单位来表示。 像素像素 例如例如100万或万或600万
7、像素万像素 Points or Pixels/cm DPI 例如例如300或或600DPI与分辨率有关的元素与分辨率有关的元素数字图像原理数字图像原理图像分辨率图像分辨率2.2 图像数字化图像数字化 数字图像是像素的集合,但是图像的质量会随像素大小变化而变化。因此，我们引入分辨率的概念。 单位面积内，容纳的像素越多，单个像素也越小，图像质量越高；反之，单位面积内容纳的像素越少，单个像素越大，图像质量越低。分辨率：高分辨率：高分辨率：低分辨率：低数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化图像分辨率图像分辨率图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目
8、 。如果显示屏的分辨率为640480，那末一幅320240的图像只占显示屏的1/4；相反，24003000的图像在这个显示屏上就不能显示一个完整的画面。数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化图像分辨率与显示分辨率图像分辨率与显示分辨率像素深度是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。 像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。 2.2 图像数字化图像数字化数字图像原理数字图像原理像素深度像素深度在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。
9、每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表(color look-up table，CLUT)的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色称为伪彩色。 每个像素值分成R，G，B分量，每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的R，强度值产生的彩色称为直接色。 2.2 图像数字化图像数字化数字图像原理数字图像原理真彩色、伪彩色、直接色真彩色、伪彩色、直接色采样把图像划分为若干像素，并给出它们各自的存储地址；量化将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫量化 ；数字图像原理数
10、字图像原理2.2 图像数字化图像数字化采样、量化采样、量化在一幅图像的每个像素位置上测量灰度值。采样通常是由一个图像传感元件完成，它将每个像素处的亮度转换成与其成正比的电压值。采样完成图像空间的数字化，在CCD摄像机中，是由一个个感光单元实现的。图像数字化时必须遵守“采样定理”，才能保证图像可恢复。 采样采样数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化将采样时测量的灰度值转化成整数表示。由于数字计算机只能处理数字，因此必须将连续的测量值转化为离散的整数。因此在图像传感器后面，经常跟随一个电子线路的模数转换器(ADC)，将电压值转化成一个整数。量化量化数字图像原理数字图像原理2.2 图像
11、数字化图像数字化非均匀采样灰度级变化大区域精确采样，平滑区域粗采样。非均匀量化灰度级变化剧烈处，人眼分辨力差，边界附近较少灰度级；平缓区域较多灰度级，避免假轮廓数字图像原理数字图像原理采样、量化采样、量化2.2 图像数字化图像数字化二值图像的生成原理网格对象二值图像 计算机把数字图像按行与列分割成mn个网格, 即用一个mn的像素矩阵来表达一幅图像,然后每个网格的图像表示为该网格的颜色平均值的一个像素,在二值图像中像素值只有2种，像素值为1表示白色，像素值为0表示黑色。数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化采样列采样行图片像素行间隔采样列间隔灰阶黑灰白012825519643灰度像
12、素数字图像灰度图像生成原理灰度图像生成原理数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化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, 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, 155,163, 95,112,123,101,137,108, 81, 71, 63, 81,137,1
13、42,146,152,159,161,159,154,138, 81, 78, 84,114, 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, 灰度图像对应的数值矩阵灰度图像对应的数值矩阵灰度图像对应灰度图像对应的数值矩阵的数值矩阵数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化灰度图像生成原理灰度图像生成原理彩色图像通常用3原色（R、G、B）来表现。数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化彩色图像生成原理彩色图像生成
14、原理分色分色分色分色取样取样取样取样量量量量 化化化化量量量量 化化化化量量量量 化化化化数数数数 字字字字 图图图图 像像像像R RG GB B扫描扫描扫描扫描模模模模 拟拟拟拟 图图图图 像像像像将画面划分成将画面划分成将画面划分成将画面划分成mnmn各各各各网格网格网格网格将取样点的颜色分将取样点的颜色分将取样点的颜色分将取样点的颜色分成三基色成三基色成三基色成三基色(R(R、GG、B)B) 测量每个取样点的测量每个取样点的测量每个取样点的测量每个取样点的每个分量的亮度值每个分量的亮度值每个分量的亮度值每个分量的亮度值对每个取样点的亮对每个取样点的亮对每个取样点的亮对每个取样点的亮度值用
15、数字量表示度值用数字量表示度值用数字量表示度值用数字量表示彩色图像生成原理彩色图像生成原理2.2 图像数字化图像数字化数字图像原理数字图像原理彩色图像的生成彩色图像的生成 彩色图像彩色图像R、G、B的数值的数值矩阵矩阵数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化写真画像原理写真忠実化、R（Red)、G（Green)、B（Blue)必要。、画像、写真表現限。、画像表示階調数表示装置性能左右。画像表現数次計算。数階調数数階調数階調数階調数階調数階調数通常、R、G、B（）画像構成画像。画像25625625616777216通色表現。数字图像原理数字图像原理閾値閾値閾値記憶方法異。表示数各表現
16、数変。閾値RGB符号（unsigned）符号付（signed）数深度*数深度(bit)1-bit0-121bit832-bit0-3-1+242bit6468-bit0-255-127+1282568bit167772162416-bit0-65535-32767+327686553616bit4832-bit0-4294967296429496729632bit96*画像（画素）記録必要量数字图像原理数字图像原理数字图像数据量的计算方法数字图像数据量的计算方法如果以上的原理能理解的话,我们就可以简单方便的计算出数字图像的数据量。一幅具有1600万种颜色（真彩色）、分辨率为1280*1024的
17、数字图像，在没进行数据压缩时，它的数据量是 解：1600万种=224 1280*1024*24/8=3.75MB数字图像原理数字图像原理图像数据量图像水平分辨率图像垂直分辨率像素深度8 2.2 图像数字化图像数字化2.2 图像数字化图像数字化数字图像原理数字图像原理采样分辨率和量化级数与数字化图像质量之间的关系采样分辨率和量化级数与数字化图像质量之间的关系 采样间隔越大，所得图像像素越少，图像空间分辨率低，质量差，图上的块状效应就逐渐明显，严重时出现像素呈块的国际棋盘效应；采样间隔越小，所得图像像素越多，图像空间分辨率高，质量好，但数据量大。2.2 图像数字化图像数字化数字图像原理数字图像原理
18、采样分辨率和量化级数与数字化图像质量之间的关系采样分辨率和量化级数与数字化图像质量之间的关系 量化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率越高，质量越好，但数据量大；量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，质量变差，会出现假轮廓现象，但数据量小。图像数字化器的组成图像数字化器的性能数字照相机摄像机扫描仪数字图像原理数字图像原理图像数字化设备图像数字化设备2.2 图像数字化图像数字化采样孔（Sampling aperture）：图像扫描机构：光传感器：量化器：输出存储体数字图像原理数字图像原理图像数字化器的组成图像数字化器的组成2.2 图像数字化图像数字化图像数字化器的性能评价项目项 目内 容空间分辨率单位尺寸能够采样的像素数。由采样孔径与间距的大小和可变范围决定。灰(色)度分辨率量化为多少等级(位深度),颜色数(色深度)图像大小仪器允许扫描的最大图幅量测特征数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度扫描速度采样数据的传输速度噪声数字化器的噪声水平(应当使噪声小于图像内的反差)其他黑白/彩色，价格,操作性能等数字图像原理数字图像原理2.2 图像数字化图像数字化
