数字图像处理第2章图像信息基本知识

1、第二章 图像信息的基本知识 第二章第二章 图像信息的基本知识图像信息的基本知识2.1 2.1 图像信息技术中的视觉研究图像信息技术中的视觉研究2.2 2.2 图像数字化图像数字化2.3 2.3 图像的噪声分析图像的噪声分析2.4 2.4 图像质量评价图像质量评价2.5 2.5 彩色图像的基本知识彩色图像的基本知识第二章 图像信息的基本知识 光度学简介 光通量光通量 ：衡量可见光对人视觉的刺激程度。：衡量可见光对人视觉的刺激程度。 定义：单色光定义：单色光 可见光可见光 单位：流明单位：流明lm 单位定义：绝对黑体在铂的凝固温度下单位定义：绝对黑体在铂的凝固温度下(2045K) ，从，从 5.0

2、30510-3 cm2面积上辐射的光通量为面积上辐射的光通量为1lm。)()(VkPWlmk/683)()(VPknmm780n380第二章 图像信息的基本知识 光度学简介 发光强度发光强度I：光源在单位立体角内发出的光通量。：光源在单位立体角内发出的光通量。 定义：点光源定义：点光源 理想漫射的面光源理想漫射的面光源 单位：坎德拉单位：坎德拉cd 单位定义：发出频率为单位定义：发出频率为5401012Hz的单色光源在指的单色光源在指定方定方 向上的辐射强度为向上的辐射强度为1cd。/I4/IcosnII 第二章 图像信息的基本知识 光度学简介 亮度亮度B：发光表面的明亮程度。：发光表面的明亮

3、程度。 定义：定义： 单位：坎单位：坎/平方米平方米 cd/m2 尼特尼特nit 1nit=1cd/m2 单位定义：在单位定义：在1m2面积上照有面积上照有1cd的光强称为的光强称为1nit。cos/SIB 第二章 图像信息的基本知识 光度学简介 照度照度E：照射在单位面积上的光通量，是光源对物体：照射在单位面积上的光通量，是光源对物体辐射的一种度量。辐射的一种度量。 定义：定义： 单位：勒克司单位：勒克司lx 单位定义：在单位定义：在1m2面积上照有面积上照有1lm的光通量称为的光通量称为1lx。环境环境条件条件黑夜黑夜月夜月夜阴天阴天室内室内阴天阴天室外室外晴天晴天室内室内晴天晴天室外室外

4、照度照度(lx)0.001lx |0.002lx0.02lx|0.2lx5lx|50lx50lx|500lx100lx|1000lx1000lx以上以上SE/第二章 图像信息的基本知识 人眼的结构第二章 图像信息的基本知识 视网膜锥状体（视锥体、锥体细胞、明视觉细胞）锥状体（视锥体、锥体细胞、明视觉细胞）： 直径直径2um6um，长，长40um，600万万700万个。万个。 既可分辨光的强弱，也可辨别色彩。既可分辨光的强弱，也可辨别色彩。杆状体（视杆体、杆体细胞、暗视觉细胞）杆状体（视杆体、杆体细胞、暗视觉细胞）： 直径直径2um4um，长，长60um，7500万万15000万万个。对低照度的

5、景物敏感度高，无彩色感觉。个。对低照度的景物敏感度高，无彩色感觉。黄斑区黄斑区：直径：直径2mm呈黄色区域。对光有较高的分呈黄色区域。对光有较高的分辨率，能识别图像的细节。辨率，能识别图像的细节。中央凹中央凹：面积约：面积约1mm2，椎状体最密集，是眼内，椎状体最密集，是眼内最敏感的区域。最敏感的区域。第二章 图像信息的基本知识 视觉信息的产生、传递和处理产生：产生：光化学电光化学电 眼内：眼内：传递传递 眼外：眼外：处理：处理：侧抑制现象侧抑制现象刺激某一个神经元使其兴刺激某一个神经元使其兴奋，若再刺激该神经元附近的其他神经元奋，若再刺激该神经元附近的其他神经元时，后者的兴奋对前者的兴奋有抑

6、制作用。时，后者的兴奋对前者的兴奋有抑制作用。视细胞视细胞双极细胞双极细胞视神经细胞视神经细胞视交叉视交叉外膝体外膝体视放线视放线大脑视区大脑视区连续电位脉冲电位第二章 图像信息的基本知识 视觉信息的产生、传递和处理第二章 图像信息的基本知识 视觉运动特性注视点的分布：注视点的分布：N主要集中在图像颜色或亮度反差较大的地方，如黑主要集中在图像颜色或亮度反差较大的地方，如黑白交界的部分，尤其在拐角处；白交界的部分，尤其在拐角处；N人类视觉对某些颜色较敏感，如红色。人类视觉对某些颜色较敏感，如红色。N容易向闭合的图形内侧移动；尺寸大、细长条、特容易向闭合的图形内侧移动；尺寸大、细长条、特别不规则处

7、的物体更能引人注意。别不规则处的物体更能引人注意。N容易集中在时隐时现、运动变化的部分；容易集中在时隐时现、运动变化的部分；运动视觉特性：运动视觉特性：p相同速度的物体，大的看上去慢，小的看上去快；相同速度的物体，大的看上去慢，小的看上去快；p与运动方向水平的棒状物体看上去快，垂直的慢。与运动方向水平的棒状物体看上去快，垂直的慢。第二章 图像信息的基本知识 视觉空间、时间频率特性调制传递函数调制传递函数MTF(modulation transfer function):亮暗在空间上作正弦变化条纹图案的物理对比度和感觉亮暗在空间上作正弦变化条纹图案的物理对比度和感觉对比度之比随空间频率变化而变化

8、的函数。对比度之比随空间频率变化而变化的函数。带通滤波，受闪烁、漂移、呈现时间、运动的影响。带通滤波，受闪烁、漂移、呈现时间、运动的影响。第二章 图像信息的基本知识 相对视敏度视敏度视敏度 ：人眼对不同波长的可见光的敏感程度。：人眼对不同波长的可见光的敏感程度。人眼对波长为人眼对波长为555nm的光有最大的敏感度。的光有最大的敏感度。相对视敏度函数相对视敏度函数m)()()(VVVs)(V)555()(mVV第二章 图像信息的基本知识 视觉范围：视觉范围：人眼所能感觉的亮度范围。人眼所能感觉的亮度范围。人眼亮度自适应：人眼亮度自适应：大的动态范围是当人眼适应了某一环大的动态范围是当人眼适应了某

9、一环境亮度之后视觉调到另一个小动态范围来达到的。境亮度之后视觉调到另一个小动态范围来达到的。韦伯韦伯-弗赫涅尔定律：弗赫涅尔定律：主观亮度感觉与实际主观亮度感觉与实际亮度的对数成线性关系。亮度的对数成线性关系。S=klogB+k0视觉的动态范围百分之几尼特几百万尼特人眼不能同时感受到人眼不能同时感受到第二章 图像信息的基本知识 图像的对比度图象对比度：图象对比度：最大亮度和最小亮度之比。最大亮度和最小亮度之比。亮度恒定现象：亮度恒定现象：只要物体与背景亮度对比的比值保只要物体与背景亮度对比的比值保持一定，物体的视在亮度可以在物体和背景的很宽持一定，物体的视在亮度可以在物体和背景的很宽照度范围内

10、保持不变。照度范围内保持不变。 相同的对比度相同的对比度 相同的亮度层次（灰度级别）相同的亮度层次（灰度级别）minmax/ BBC 真实感真实感第二章 图像信息的基本知识 同时对比度效应与背景光强度有关，人在高亮度背景下视敏度下降。与背景光强度有关，人在高亮度背景下视敏度下降。第二章 图像信息的基本知识 马赫带效应视觉的主观感受在亮度有变化的地方出现虚幻的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。视觉系统对不同空间频率的成分明亮或黑暗的条纹。视觉系统对不同空间频率的成分具有不同的灵敏度，对于亮度突变有具有不同的灵敏度，对于亮度突变有“过调过调”的响应，的响应，产生上冲和下冲

11、。产生上冲和下冲。第二章 图像信息的基本知识 错觉第二章 图像信息的基本知识 黑白视觉模型光响应亮度响应侧抑制视觉残留光响应亮度响应侧抑制视觉残留低通滤波器低通滤波器非线性系统非线性系统（对数）（对数）带通滤波器带通滤波器线性系统线性系统（时间滤波）（时间滤波）第二章 图像信息的基本知识 图像数字化过程采样采样(a)256256(b)128 128 (c)6464(d)3232(e)1616(f)88 点阵采样点阵采样MN正交系数采样正交系数采样要求：满足采样定理第二章 图像信息的基本知识 图像数字化过程（a） 256 （b） 64 （c） 32（d） 16 （e） 4 （f） 2 量化量化均

12、匀量化均匀量化Q=2b非均匀量化非均匀量化要求：一般人眼观察的图像58bit卫星、航空图片812bit第二章 图像信息的基本知识 采样点数和量化级数的选取总比特数总比特数MNb给定：给定：缓变图像：细量化、粗采样缓变图像：细量化、粗采样复杂图像：细采样、粗量化复杂图像：细采样、粗量化第二章 图像信息的基本知识 一维点阵采样xuumuFxuSuFxmxxmfxsxfxmxxsmmm1)(1)(*)()()()()()()(第二章 图像信息的基本知识 一维点阵采样欠采样过采样奈奎斯特率cscuxrateNyquist221) (第二章 图像信息的基本知识 二维点阵采样cycxccmnvuyuuxv

13、yuxynyxmxyxs2 2 21 21 ),(),( 方向采样率方向采样率二维采样定理：二维采样函数：第二章 图像信息的基本知识 点阵采样的实际问题脉冲效应脉冲效应/实际采样中，采样脉冲是有宽度的，图像重建时就会实际采样中，采样脉冲是有宽度的，图像重建时就会产生边界误差的模糊现象。产生边界误差的模糊现象。/相当于低通滤波器相当于低通滤波器防止混叠失真防止混叠失真1已知原图像最高频率，使用过采样或奈奎斯特采样。已知原图像最高频率，使用过采样或奈奎斯特采样。1不知原图像最高频率，先用已知截止频率的低通滤波不知原图像最高频率，先用已知截止频率的低通滤波器滤波，再针对低通滤波器截止频率进行过采样或

14、奈奎器滤波，再针对低通滤波器截止频率进行过采样或奈奎斯特采样。斯特采样。第二章 图像信息的基本知识 最佳量化连续灰度值 量化值 (整数值)灰度标度 灰度量化Zk +1ZkZk -1qkqk -1KkdZZpdZZZpqKkqqZdZZpqZqZpqZqZdZZpqZdZZpqZZZdZZpqZkkkkkkkkkkkkZZZZkkkkZZkkkkkkkZZkZZkkkKkZZk, 2 , 1)()(, 3 , 2)(210)()(20)()()()()()()()()(111111122212212122两量化层的中点p(Z)的形心最佳量化：使量化误差最小的量化方法。绝对误差、均方误差最佳量化：

15、使量化误差最小的量化方法。绝对误差、均方误差第二章 图像信息的基本知识 图像噪声噪声：妨碍人的视觉器官或系统传感器对所接收噪声：妨碍人的视觉器官或系统传感器对所接收图象源信息进行理解或分析的各种因素。图象源信息进行理解或分析的各种因素。噪声的特征：随机的，常用统计特征来描述噪声的特征：随机的，常用统计特征来描述222),( ),(),(),( yxnEyxnEyxnEyxnE的直流功率：均值的平方，描述噪声功率：方差，描述噪声的交流的总功率：均方值，描述噪声第二章 图像信息的基本知识 噪声分类T 按噪声的来源按噪声的来源 外部噪声：从处理系统外来的影响。外部噪声：从处理系统外来的影响。 内部噪

16、声：内部噪声： 由光和电的基本性质引起的由光和电的基本性质引起的 机械运动产生噪声机械运动产生噪声 元器件材料本身引起的噪声元器件材料本身引起的噪声 系统内部电路噪声系统内部电路噪声T 从统计观点：平稳噪声、非平稳噪声从统计观点：平稳噪声、非平稳噪声T 从噪声幅度分布：高斯噪声、瑞利噪声、椒盐噪声从噪声幅度分布：高斯噪声、瑞利噪声、椒盐噪声T 按噪声和信号之间关系：按噪声和信号之间关系： 加法性噪声加法性噪声 乘法性噪声乘法性噪声),(),(),(),(1),(),(),(),(),(yxnyxfyxfyxnyxfyxgyxnyxfyxg第二章 图像信息的基本知识 客观保真度准则1, 2 ,

17、1 , 0, ),(),(),(Nyxyxfyxgyxe1010222),(1NxNyyxeNe),(),(),(),(),(yxeyxfyxnyxfyxg1010210102),(),(NxNyNxNymsyxeyxgSNR21msrmsSNRSNR 212eerms均方误差均方误差均方根误差均方根误差峰值均方误差峰值均方误差均方信噪比均方信噪比均方根信噪比均方根信噪比222101022),(1AeAyxeNeNxNypms第二章 图像信息的基本知识 主观保真度准则(1) 绝对评价尺度绝对评价尺度值值等级等级描述描述1极好极好具有极高品质的图象，和希望的一样具有极高品质的图象，和希望的一样2

18、好好高品质的图象，感觉良好。其中的干扰可以接受高品质的图象，感觉良好。其中的干扰可以接受3过得去过得去具有可接受的品质。其中的干扰不是不可接受的具有可接受的品质。其中的干扰不是不可接受的4勉强可以勉强可以 品质不良的图象，希望能得到改进。干扰在某种品质不良的图象，希望能得到改进。干扰在某种程度上难于接受程度上难于接受5差差非常不好的图象，但还可以看。有明显不能接受非常不好的图象，但还可以看。有明显不能接受的干扰的干扰6不可用不可用差到无法观看的图象差到无法观看的图象第二章 图像信息的基本知识 (2) 相对评价尺度：对一批图象从好到坏进行排队，按排相对评价尺度：对一批图象从好到坏进行排队，按排队

19、关系评分。队关系评分。主观保真度准则类的专家人数评为类的分数图像属于k,k11kkKkkKkkkncncnc7分分一批中最好的图像一批中最好的图像6分分比该批的平均水平好的图像比该批的平均水平好的图像5分分稍好于该批的平均水平图像稍好于该批的平均水平图像4分分该批平均水平的图像该批平均水平的图像3分分稍次于该批的平均水平图像稍次于该批的平均水平图像2分分比该批的平均水平差的图像比该批的平均水平差的图像1分分一批中最差的图像一批中最差的图像第二章 图像信息的基本知识 伽马射线 X射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波短波长波高频 低频三基色原理可见光波长380nm780nm物体颜色由物体的

20、反射光的性质决定Young-Helmholtz三色假说第二章 图像信息的基本知识 颜色的基本属性色调色调(hue)：由物体反射光线的波长决定，是：由物体反射光线的波长决定，是颜色本质的基本特性。颜色本质的基本特性。饱和度饱和度(saturation)：由物体反射光中混入白光：由物体反射光中混入白光的多少决定，指颜色的鲜明程度。的多少决定，指颜色的鲜明程度。亮度亮度(brightness)：由物体反射系数决定，指光：由物体反射系数决定，指光波作用于感受器所发生的效应。波作用于感受器所发生的效应。数字图像处理中，128种色调，8种饱和度，16种明暗级。第二章 图像信息的基本知识 1)()()()(

21、0601. 0:5907. 4:1:8 .435,1 .546,0 .7001931bgrBGRBbBGRGgBGRRrBBGGRRCnmnmnmCIEBGRBGR彩色光标准白色RGB彩色模型黄(1,1,0)黑(0,0,0)绿(0,1,0)青(0,1,1)蓝(0,0,1)品红(1,0,1)白(1,1,1)红(1,0,0)第二章 图像信息的基本知识 RGB彩色模型R(255,0,0)B(0,0,255)M(255,0,255)优点：简单通用，适于优点：简单通用，适于CRTCRT设备显示图象设备显示图象 缺点：缺点：给定某一给定某一RGBRGB值，人们无法感知所对应的颜色；值，人们无法感知所对应的

22、颜色；改变一个颜色时，三个通道上的颜色全需修改；改变一个颜色时，三个通道上的颜色全需修改；它不具有视觉一致性，颜色空间上的距离，并不它不具有视觉一致性，颜色空间上的距离，并不代表人眼视觉上的颜色相似性。代表人眼视觉上的颜色相似性。第二章 图像信息的基本知识 CMYK彩色模型适用于绘图和印刷输出适用于绘图和印刷输出 缺点：可生成的色彩范围比缺点：可生成的色彩范围比RGBRGB颜色空间窄颜色空间窄BGRYMC111第二章 图像信息的基本知识 CIE-XYZ模型三色比例系数皆大于零三色比例系数皆大于零Y的数值正好是彩色光的亮度的数值正好是彩色光的亮度当当X=Y=Z时仍然表示标准白光时仍然表示标准白光

23、)()()()(ZZYYXXCBGRZYX5943. 50565. 00000. 00601. 05907. 40000. 11302. 17517. 17689. 2)()()(1zyxZYXZzZYXYyZYXXx第二章 图像信息的基本知识 CIE-XYZ模型第二章 图像信息的基本知识 CIE-XYZ模型缺点：不具有视觉一致性缺点：不具有视觉一致性 优点：独立于设备，被称为设备无关的色彩空间。优点：独立于设备，被称为设备无关的色彩空间。第二章 图像信息的基本知识 CIE L*a*b彩色空间主要用于区分相近的颜色，如宝石评价、颜料匹配。主要用于区分相近的颜色，如宝石评价、颜料匹配。优点：独立

24、于设备，有视觉一致性，成为色彩转换的标准色空间优点：独立于设备，有视觉一致性，成为色彩转换的标准色空间 。否则当否则当11616787. 7008856. 0)()()(200)()(5003 .903008856. 0)(1163131ttttfZZfYYfbYYfXXfaYYYYYYLNNNNNNNL L 亮度亮度a a 绿绿( (-) )到红到红( (+) )分量分量b b 蓝蓝(-)到黄到黄(+)分量分量第二章 图像信息的基本知识 HSI (HLS)、HSV(HSB)彩色模型第二章 图像信息的基本知识 HSI (HLS)、HSV(HSB)彩色模型优点：优点：坐标之间的心理感知独立性，即

25、可以独立感知各颜色坐标之间的心理感知独立性，即可以独立感知各颜色分量的变化；分量的变化；具有视觉一致性，可感知的颜色差是与颜色分量的的具有视觉一致性，可感知的颜色差是与颜色分量的的欧几里德测度之间的距离成比例的，适合颜色的相似欧几里德测度之间的距离成比例的，适合颜色的相似性比较；性比较；与与RGBRGB颜色空间的转换是线性的，简单快速。颜色空间的转换是线性的，简单快速。 第二章 图像信息的基本知识 HSI (HLS)、HSV(HSB)彩色模型),min(31)()(22arccos)(312BGRBGRSBGBRGRBGRHBGRI黄(1,1,0)黑(0,0,0)绿(0,1,0)青(0,1,1

26、)蓝(0,0,1)品红(1,0,1)白(1,1,1)红(1,0,0)第二章 图像信息的基本知识 YIQYIQ、YUVYUV、YCrCbYCrCb彩色模型 YIQYIQ适用于适用于NTSCNTSC彩色电视制式彩色电视制式 YUVYUV适用于适用于PALPAL和和SECAMSECAM彩色电视制式彩色电视制式 YCrCbYCrCb适用于计算机用的显示器适用于计算机用的显示器优点：优点： 亮度信号亮度信号(Y)(Y)和色差信号是相互独立的，解决了彩色电视和色差信号是相互独立的，解决了彩色电视机与黑白电视机的兼容问题；机与黑白电视机的兼容问题； 用亮度信号用亮度信号Y Y传送细节，用色差信号进行大面积涂色。利传送细节，用色差信号进行大面积涂色。利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。第二章 图像信息的基本知识 YIQYIQ、YUVYUV、YCrCbYCrCb彩色模型BGRQIYYBYRQYBYRIBGRY312. 0523. 0211. 0322.