第2章 数字图像基础

1、 图像信息技术中的视觉研究图像信息技术中的视觉研究 图像感知和获取图像感知和获取 图像采样和量化图像采样和量化 像素间的基本关系像素间的基本关系第第2 2章章 数字图像基础数字图像基础Digital Imaging Fundamentals2.1 图像信息技术中的视觉研究图像信息技术中的视觉研究 2.1.1视觉研究与图像技术的关系视觉研究与图像技术的关系(1)(1)人的视觉系统是图像系统的最后终端，人的视觉系统是图像系统的最后终端， 即图像信息的信宿即图像信息的信宿; ;(2)(2)人的视觉系统是一个结构复杂、性能优人的视觉系统是一个结构复杂、性能优越的图像系统。越的图像系统。 对图像的认识或

2、理解是由感觉和心对图像的认识或理解是由感觉和心理状态决定的。理状态决定的。 从图像信息传输角度出发，图像系从图像信息传输角度出发，图像系统评价的真正尺度是发信者的意图统评价的真正尺度是发信者的意图为收信者所理解的程度。为收信者所理解的程度。视觉心理视觉心理人的视野：左、右：人的视野：左、右：1800，上、下：，上、下：600。 人眼在观察图象时，图象水平方向的宽度对应于人眼在观察图象时，图象水平方向的宽度对应于眼球所张的角度称为眼球所张的角度称为水平视角水平视角。当视角在。当视角在100以内时为以内时为视觉敏锐区，对色彩及细节的分辨能力最强；视觉敏锐区，对色彩及细节的分辨能力最强；200以内以

3、内时能正确识别图形等信息；时能正确识别图形等信息；200以上时分辨能力开始下以上时分辨能力开始下降，但对活动信息比较敏感；降，但对活动信息比较敏感；300以上时分辨能力大大以上时分辨能力大大下降，但给人以身临其境的临场感。下降，但给人以身临其境的临场感。 一般人眼的视野水平视角在一般人眼的视野水平视角在200以内，而垂直视角以内，而垂直视角在在150以内的矩形区域内，所以以内的矩形区域内，所以4：3的电视图象就可以的电视图象就可以了。而为了使显示的图象具有临场感，水平视角应达了。而为了使显示的图象具有临场感，水平视角应达到到30以上，据此美国电影及电视工程师学会推荐了以上，据此美国电影及电视工

4、程师学会推荐了16：9的电视图象。的电视图象。画面组成和视觉心理画面组成和视觉心理 2.1.2 视觉感知要素视觉感知要素 1)人眼构造人眼构造巩膜外壳巩膜外壳脉络膜脉络膜视网膜视网膜中央凹中央凹玻璃体玻璃体睫状体睫状体眼角膜眼角膜虹膜虹膜前房室前房室晶状体晶状体盲点盲点瞳孔瞳孔.在视网膜上成倒立的像，感觉正立是神经系统的校正在视网膜上成倒立的像，感觉正立是神经系统的校正.虹膜收缩，调节瞳孔虹膜收缩，调节瞳孔2 28mm8mm，调节入射光强弱，调节入射光强弱.睫状肌改变晶状体曲率睫状肌改变晶状体曲率-调焦调焦 锥状细胞锥状细胞：主要分布在中央凹，：主要分布在中央凹，每个眼内约有每个眼内约有600

5、万到万到700万个锥万个锥细胞，感光灵敏度低，对颜色很细胞，感光灵敏度低，对颜色很敏感。可以充分辨别敏感。可以充分辨别细节图像细节图像。杆状细胞杆状细胞:从中央凹开始向四周慢从中央凹开始向四周慢慢减少，约有七千五百万到一亿慢减少，约有七千五百万到一亿五千万个，分辨率比较低；主要五千万个，分辨率比较低；主要提供视野的提供视野的整体视象整体视象，不感受颜，不感受颜色并对低照度较敏感。色并对低照度较敏感。人眼构造人眼构造视网膜上杆状体与锥状体的分布视网膜上杆状体与锥状体的分布锥状体锥状体杆状体杆状体盲点盲点每平每平方毫方毫米的米的杆状杆状体和体和锥状锥状体数体数人眼构造人眼构造 中央凹本身在视网膜上

6、直径约为中央凹本身在视网膜上直径约为1.5mm的凹的凹坑，为方便计算，将其近似为坑，为方便计算，将其近似为1.5mm*1.5mm的的方形传感器阵列。在视网膜的这一区域内，锥状方形传感器阵列。在视网膜的这一区域内，锥状体的密度大约每平方毫米体的密度大约每平方毫米150 000个，基于这一个，基于这一近似，眼睛中最高敏感区域的锥状体数量约为近似，眼睛中最高敏感区域的锥状体数量约为337 000个元素。个元素。 从行分辨力的观点看，恰好是一个电荷耦合从行分辨力的观点看，恰好是一个电荷耦合器件（器件（CCD)中等分辨率的成像芯片可有的这个中等分辨率的成像芯片可有的这个数量元素，且接收器阵列不大于数量元

7、素，且接收器阵列不大于5mm*5mm.人眼构造人眼构造 眼睛中图像的形成眼睛中图像的形成球体前端为晶状体，相当于镜头，内壁为视网膜，相球体前端为晶状体，相当于镜头，内壁为视网膜，相当于胶片。当于胶片。当晶状体的折射能力由最小变到最大时，晶状体的聚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间的距离由焦中心与视网膜间的距离由17mm缩小到缩小到14mm。感觉亮度：马赫带效应感觉亮度：马赫带效应马赫带：马赫带：1865年年首先描述首先描述视觉系统视觉系统倾向不同倾向不同强度区域强度区域边界周围边界周围的的”欠调欠调”或或”过调过调” 图图2.8 同时对比现象，所有的中心方块有同样同

8、时对比现象，所有的中心方块有同样的亮度，但当背景变亮时，感觉它们就逐渐变的亮度，但当背景变亮时，感觉它们就逐渐变暗。暗。感觉亮度：同时对比现象感觉亮度：同时对比现象证明感觉亮度不是简单的强度函数证明感觉亮度不是简单的强度函数 同时对比同时对比同时对比同时对比图图2.9 一些典型的视觉错觉一些典型的视觉错觉人类感知现象：视觉错觉人类感知现象：视觉错觉a:正方正方形轮廓形轮廓b:圆轮圆轮廓廓c:长度长度错觉错觉d:平行平行线错觉线错觉在视觉错觉在视觉错觉中，眼睛填中，眼睛填充了不存在充了不存在的信息或者的信息或者错误地感知错误地感知了物体的几了物体的几何特点。何特点。视觉错觉视觉错觉视觉错觉视觉错

9、觉Stare at the Stare at the cross in the cross in the middle of the middle of the image and think image and think circlescircles视觉错觉视觉错觉采集采集处理显示显示物理对象照射源照射源图像图像场景场景可见光可见光雷达雷达红外线红外线X射线射线超声波超声波常见物体常见物体岩石岩石发热物体发热物体分子分子光源光源反射反射透射透射各类图像都是由照射源和形成图像的场各类图像都是由照射源和形成图像的场景元素对光能的反射或吸收而产生的。景元素对光能的反射或吸收而产生的。数字图像的采

10、集过程数字图像的采集过程照射（能）源照射（能）源成像系统成像系统（内部）成像面（内部）成像面输出（数字化）图像输出（数字化）图像场景元素场景元素f(x,y) = i(x,y)*r(x,y) 0f(x,y) 0i(x,y) 0r(x,y)B线扫描线扫描取样取样量化量化连续图像投影到连续图像投影到传感器阵列传感器阵列图像取样和量化图像取样和量化后的结果后的结果数字图像的数字图像的质量很大程质量很大程度上取决于度上取决于取样和量化取样和量化中所用的取中所用的取样数和灰度样数和灰度级级一般根据图一般根据图像内容进行像内容进行选择选择图图2.19 1024*1024的图像缩小至的图像缩小至32*32像素

11、，灰度级保持为像素，灰度级保持为256 图图2.20 采样采样间隔越大，空间隔越大，空间分辨率低，间分辨率低，质量差；采样质量差；采样间隔越小，所间隔越小，所得图像像素数得图像像素数越多，空间分越多，空间分辨率高，图像辨率高，图像质量好。质量好。 图图2.21 量化等级越量化等级越多，所得图像层次越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率高，丰富，灰度分辨率高，图像质量好；量化等图像质量好；量化等级越少，图像层次欠级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓现象，会出现假轮廓现象，图像质量变差。图像质量变差。图图2.21(续续) 当灰度分辨率当灰度分辨率进一步降低时的情况进

12、一步降低时的情况Resolution: How Much Is Enough? The picture on the right is fine for counting the number of cars, but not for reading the number plate图图2.22 图像细节含量由少到多，同时图像细节含量由少到多，同时改变空间分辨率和量化级，要求观察者改变空间分辨率和量化级，要求观察者按照主观质量进行排序按照主观质量进行排序不同图像细节含量所不同图像细节含量所需要的图像分辨率和需要的图像分辨率和灰度分辨率不同灰度分辨率不同图图2.22 图像细节含量由少到多图像细节

13、含量由少到多邻邻域域内内插插法法双双线线性性内内插插法法图像的放大与收缩图像的放大与收缩 最近邻域内插方法最近邻域内插方法 在原图像上寻找最靠近的像在原图像上寻找最靠近的像 素并把它的灰度值赋给栅格上素并把它的灰度值赋给栅格上 的新像素。的新像素。 双线性内插方法双线性内插方法( ,) v x yaxbycx yd2.4 象素间的基本关系象素间的基本关系象素的邻域象素的邻域4-邻域邻域N4(p)： 对角邻域对角邻域ND(p)： 8-邻域邻域N8(p)：prrsssrsrprrrrpssss邻接、连接和连通邻接、连接和连通邻邻接性接性V V =1=1 (1) 4-邻接：邻接：2个象素个象素 p

14、和和 r 在在V 中取值且中取值且 r 在在N4(p)中中 (2) 8-邻接：邻接：2个象素个象素 p 和和 r 在在V 中取值且中取值且 r 在在N8(p)中中011100000011100000邻接邻接 (3) m-邻接（混合邻接）：邻接（混合邻接）： 2个象素个象素 p 和和 r 在在V 中取值且满足下列条件之一中取值且满足下列条件之一 r 在在N4(p)中中 r 在在ND(p)中且集合中且集合N4(p)N4(r)没有来自没有来自V中数值的像素中数值的像素邻接、连接和连通邻接、连接和连通邻接和连通邻接和连通m m连接用于消除连接用于消除8 8连接中的多路歧义性连接中的多路歧义性连通和连通

15、和通路通路从从具有坐标具有坐标(x, y)的象素的象素p到具有坐标到具有坐标(s, t)的象素的象素q的一条通路由一系列具有坐标的一条通路由一系列具有坐标(x0, y0)，(x1, y1)，, (xn, yn)的独立象素组成。这里的独立象素组成。这里(x0, y0) = (x, y)，(xn, yn) = (s, t)，且，且(xi, yi)与与(xi-1, yi-1)邻接邻接，1 i n，则，则 n为通路长为通路长度。度。连连接是连通的一种特例，连通是由一系列依次连接是连通的一种特例，连通是由一系列依次连接的象素组成。接的象素组成。邻接和连通邻接和连通象素间的距离象素间的距离距离量度函数距离

16、量度函数3个象素个象素p，q，r，坐标坐标(x, y)，(s, t)，(u, v)(1) 两个象素之间的距离总是正的两个象素之间的距离总是正的(2) 距离与起终点的选择无关距离与起终点的选择无关(3)最短距离是沿直线的最短距离是沿直线的)0),(qpqpD当且仅当),(),(pqDqpD),(),(),(rqDqpDrpD0),(qpD象素间的距离象素间的距离距离量度函数距离量度函数 (1) 欧氏（欧氏（Euclidean）距离距离 (2) 城区（城区（city-block）距离距离 (3) 棋盘（棋盘（chessboard）距离距离2/1 22E)()(),(tysxqpD ),(4tysx

17、qpD) , ( max),(8tysxqpD00000000000q00000000000000000p0000000000000000000象素间的距离象素间的距离距离量度函数距离量度函数等距离轮廓图案等距离轮廓图案数字图像运算数字图像运算 1. 加法加法图像的合成图像的合成 图像的衔接图像的衔接 Addition of image sequence Assuming Noise is Random.Input 1),(),(),(yxgyxfyxhInput 2),(),(),(yxgyxfyxhOutput image),(),(),(yxgyxfyxhOutput image),()

18、,(),(yxgyxfyxhAddition),(),(),(yxgyxfyxh+ +Matlab Codef = imread(1.jpg)；g = imread(2.jpg)；z = f + g；imwrite(z,res.jpg);imshow(z)2. 减法减法减法的定义：减法的定义：C(x,y) = A(x,y) - B(x,y)。主要应用举例：主要应用举例：检测同一场景两幅图像之间的变化检测同一场景两幅图像之间的变化，设：，设：T1时间和时间和T2时间时间2的图像相减的结果是的图像相减的结果是:去除去除了图像背景色、得到了了图像背景色、得到了两幅图像之间有差别的部分两幅图像之间有差

19、别的部分同一场景两幅图像之间的变化同一场景两幅图像之间的变化 数字图像运算数字图像运算Least bit alterationEvery pixel is 8 bit. So 101 = 0 1 1 0 0 1 0 1 128 64 32 16 8 4 2 1 Least Least significant significant bitbitBackground subtraction for motion detection We have a background image Subtract the new from background to get differences.Angiography),(),(),(yxgyxfyxhSubtraction),(),(),(yxgyxfyxh- -Matlab Codef = imread(1.jpg)g = imread(2.jpg)z = f - gimwrite(z,res.jpg)3. 乘法乘法乘法的定义：乘法的定义：C(x,y) = A(x,y) * B(x,y)。主要应用举例：图像的局部显示。用二值蒙板图像与原图像主要应用举例：图像的局部显示。用二值蒙板图像与原图像做乘法。此种图像处理操作常被称为做乘法。此种图像处理操作常被称为“