图像处理技术第2章-图象采集课件

图象工程图象工程第2章图象采集

2.1 视觉过程 2.2 成象中的空间关系 2.3 光度学和亮度视觉 2.4 采样和量化章毓晋(TH-EE-IE)第2章图象采集章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程1． 光学过程

15/100=2.55/17章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程15/100=2.55/17章毓2.1 视觉过程2． 化学过程

锥细胞和柱细胞： 锥细胞：数量少，对颜色很敏感 锥细胞视觉：明视觉或亮光视觉 柱细胞：数量多，分辨率比较低 不感受颜色并对低照度较敏感 柱细胞视觉：暗视觉或微光视觉章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程3． 神经处理过程

每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触（synapse）相连 每个神经元细胞借助其它的突触与其它细胞连接，从而构成光神经（opticalnerve）网络 光神经进一步与大脑中的侧区域（sideregionofthebrain）连接，并到达大脑中的纹状皮层（striatedcortex） 对光刺激产生的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光的感觉转化为对景物的知觉章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程 整体视觉过程

视觉＝“视”＋“觉”

章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程章毓晋(TH-EE-IE)2.2 成象中的空间关系 2.2.1 成象几何 2.2.2 观察距离和角度 2.2.3 景深章毓晋(TH-EE-IE)2.2 成象中的空间关系章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何1、投影变换 将3-D客观场景投影到2-D图象平面成象过程

三个坐标系统：

世界坐标系统

XYZ

摄象机坐标系统

xyz

图象平面

xy从XYZ

到xyz，从xyz

到xy章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何三个坐标系统章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何透视变换

3-D点投影后的图象平面坐标 非线性投影等式（分母含变量Z）章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何2、齐次坐标 可用来将前述非线性（分母中含变量Z）等式表示成线性矩阵形式例：

直线方程ax+by+c=0 一条直线也可用矢量l=[a,b,c]T来表示 当k不为零时，矢量[a,b,c]T和矢量k[a,b,c]T表示同一条直线章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何齐次坐标

笛卡尔坐标：

齐次坐标：

k

为任意非零常数齐次坐标笛卡尔坐标：用第4个坐标量去除前3个坐标量章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何齐次坐标用第4项分别去除前3个项章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)逆投影变换

点(x',y',0)Z=0：图象平面上一点对应连线上所有共线3-D点的集合 2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)Z=0：图象平面上一点对应连线上所有共线3-D点的集合 2.2.1成象几何逆投影变换 要将1个3-D点的坐标从它的图象中完全恢复过来， 需要对产生图象点的3-D空间点有一些先验知识 （如知道它的Z坐标）章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.2观察距离和角度 正常人视力的角区分能力约为一分 在观察感兴趣场景时，需要使其中最小的细 节在眼睛的视场中对应一个约一分的弧所对 应的角 如果一个点在眼睛的视场中对应不到一分的 弧所对应的角，则人观察不到这个点 如果两个相邻点与眼睛间连线的夹角不到一 分，则人分辨不出这两个点章毓晋(TH-EE-IE)2.2.2观察距离和角度章毓晋(TH-EE-IE)2.2.2观察距离和角度 给定点尺寸：最远观察距离 给定观察距离：能看见的最小点 最佳观察距离=3400*图象高度/显示线数章毓晋(TH-EE-IE)2.2.2观察距离和角度章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深

一定距离内目标清晰成象的范围章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深

引入f-因数（焦距f与光圈直径2r的比）景深Z作为D（可允许的不清晰半径）的函数景深Z与镜头的f-因数成正比，而nf→∞的极限对应具有无穷景深的小孔相机章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深引入f-因数（焦距f与光圈直径22.2.3景深

特殊情况

拍照：目标距离很远，do»f di≈f 景深与焦距的平方成反比 结果是小的焦距导致大的景深章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情况章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深

特殊情况复制：目标-图象尺寸为1:1，do≈di≈2f

景深现在不依赖于焦距，且与可允许的不清晰半径D有相同的量级 只有很小的一个目标区可清晰成象章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情况章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深

特殊情况显微成象：目标近，焦距小，do≈f，

di»f 目标被放大了很多，但景深更小了 例：当放大倍数为50，即di/do=50且nf=1，D为5mm，得到的景深只有0.2mm

章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情况章毓晋(TH-EE-IE)2.3 光度学和亮度视觉 2.3.1 光度学 2.3.2 一个简单的成象模型 2.3.3 视觉系统对光的感知特点章毓晋(TH-EE-IE)2.3 光度学和亮度视觉章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学辐射度量学 研究各种电磁辐射强弱的学科 光是一种电磁辐射光度学 研究光的强弱的学科 光通量的单位：lm（流明）章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学点光源 线度足够小，或距离观察者足够远 发光强度I：点光源沿某个方向上单位 立体角d内发出的光通量dF单位：cd（坎）1cd=1lm/sr章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学点光源

立体角（solidangle）

是从一点（称为立体角的顶点）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。 可以取一立体角在以其顶点为球心所作的球面上截出部分的面积与球面半径的平方之比作为对该立体角的度量。立体角的单位是球面度，记为sr。一个球面度对应在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形面积时的立体角。章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学扩展光源 有一定发光面积的光源 光度学亮度B (单位：cd/m2)章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学照度（illumination） 一个被光线照射的表面上的照度定义为照射在单位面积上的光通量。设面元dS上的光通量为dF，则此面元上的照度E为：

单位：lx（勒[克斯]），1lx=1lm/m2照度：是光源对物体辐射的一种量度{表2.3.2}亮度：观察者对物体表面光强的量度{表2.3.1}章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.2一个简单的成象模型图象成象模型2-D亮度函数：f(x,y) 亮度是能量的量度，一定不为零且为有限值 (1)入射到可见场景上的光量 (2)

场景中目标对入射光反射的比率照度成分i(x,y)和反射成分r(x,y)章毓晋(TH-EE-IE)2.3.2一个简单的成象模型章毓晋(TH-EE-IE)2.3.2一个简单的成象模型图象成象模型

f(x,y)与i(x,y)和r(x,y)都成正比

i(x,y)的值是由光源决定的

r(x,y)的值是由场景中的目标特性所决定的

{典型值：P.40}章毓晋(TH-EE-IE)2.3.2一个简单的成象模型章毓晋(TH-EE-IE)2.3.3视觉系统对光的感知特点人眼适应的亮度范围（1）总体范围大：从暗视觉门限到眩目极限之 间的范围在1010量级（2）具体范围小：一般范围在102量级暗视觉门限眩目极限章毓晋(TH-EE-IE)2.3.3视觉系统对光的感知特点暗视觉门限眩目极限章毓晋2.3 光度学和亮度视觉亮度变化的感知 人类视觉系统对亮度变化的感知比对亮度本身要敏感 人类视觉系统对光强度的响应不是线性的，而是对数形式的（对暗光时亮度的增加比对亮光时亮度的增加更敏感）章毓晋(TH-EE-IE)2.3 光度学和亮度视觉章毓晋(TH-EE-IE)2.4 采样和量化 2.4.1 空间分辨率和幅度分辨率 2.4.2 图象质量与采样和量化

2.4.3 对采样和量化的讨论章毓晋(TH-EE-IE)2.4 采样和量化章毓晋(TH-EE-IE)2.4.1空间分辨率和幅度分辨率数字图象

图象（水平）尺寸M：

图象（垂直）尺寸N：

象素灰度级数G(k-bit)：

图象所需的位数b：章毓晋(TH-EE-IE)2.4.1空间分辨率和幅度分辨率章毓晋(TH-EE-I2.4.1空间分辨率和幅度分辨率数字图象

存储1幅3232，16个灰度级的图 需要4,096bit 存储1幅128128，64个灰度级的图 需要98,304bit 存储1幅512512，256个灰度级的图 需要2,097,152bit

章毓晋(TH-EE-IE)2.4.1空间分辨率和幅度分辨率章毓晋(TH-EE-I2.4.2图象质量与采样和量化图象空间分辨率变化所产生的效果

章毓晋(TH-EE-IE)2.4.2图象质量与采样和量化图象空间分辨率变化所产生的2.4.2图象质量与采样和量化图象幅度分辨率变化所产生的效果

章毓晋(TH-EE-IE)2.4.2图象质量与采样和量化图象幅度分辨率变化所产生的2.4.2图象质量与采样和量化空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果

章毓晋(TH-EE-IE)2.4.2图象质量与采样和量化空间和幅度分辨率同时变化所

通信地址：北京清华大学电子工程系

邮政编码：100084

办公地址：清华大学东主楼，9区307室

办公电话：(010)62781430

传真号码：(010)62770317

电子邮件：zhangyj@

个人主页：/~zhangyujin/

实验室网：联系信息章毓晋(TH-EE-IE)通信地址：北京清华大学电子工程系联系信息章毓晋图象工程图象工程第2章图象采集

2.1 视觉过程 2.2 成象中的空间关系 2.3 光度学和亮度视觉 2.4 采样和量化章毓晋(TH-EE-IE)第2章图象采集章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程1． 光学过程

15/100=2.55/17章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程15/100=2.55/17章毓2.1 视觉过程2． 化学过程

锥细胞和柱细胞： 锥细胞：数量少，对颜色很敏感 锥细胞视觉：明视觉或亮光视觉 柱细胞：数量多，分辨率比较低 不感受颜色并对低照度较敏感 柱细胞视觉：暗视觉或微光视觉章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程3． 神经处理过程

每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触（synapse）相连 每个神经元细胞借助其它的突触与其它细胞连接，从而构成光神经（opticalnerve）网络 光神经进一步与大脑中的侧区域（sideregionofthebrain）连接，并到达大脑中的纹状皮层（striatedcortex） 对光刺激产生的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光的感觉转化为对景物的知觉章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程 整体视觉过程

视觉＝“视”＋“觉”

章毓晋(TH-EE-IE)2.1 视觉过程章毓晋(TH-EE-IE)2.2 成象中的空间关系 2.2.1 成象几何 2.2.2 观察距离和角度 2.2.3 景深章毓晋(TH-EE-IE)2.2 成象中的空间关系章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何1、投影变换 将3-D客观场景投影到2-D图象平面成象过程

三个坐标系统：

世界坐标系统

XYZ

摄象机坐标系统

xyz

图象平面

xy从XYZ

到xyz，从xyz

到xy章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何三个坐标系统章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何透视变换

3-D点投影后的图象平面坐标 非线性投影等式（分母含变量Z）章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何2、齐次坐标 可用来将前述非线性（分母中含变量Z）等式表示成线性矩阵形式例：

直线方程ax+by+c=0 一条直线也可用矢量l=[a,b,c]T来表示 当k不为零时，矢量[a,b,c]T和矢量k[a,b,c]T表示同一条直线章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何齐次坐标

笛卡尔坐标：

齐次坐标：

k

为任意非零常数齐次坐标笛卡尔坐标：用第4个坐标量去除前3个坐标量章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何齐次坐标用第4项分别去除前3个项章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)逆投影变换

点(x',y',0)Z=0：图象平面上一点对应连线上所有共线3-D点的集合 2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)Z=0：图象平面上一点对应连线上所有共线3-D点的集合 2.2.1成象几何逆投影变换 要将1个3-D点的坐标从它的图象中完全恢复过来， 需要对产生图象点的3-D空间点有一些先验知识 （如知道它的Z坐标）章毓晋(TH-EE-IE)2.2.1成象几何章毓晋(TH-EE-IE)2.2.2观察距离和角度 正常人视力的角区分能力约为一分 在观察感兴趣场景时，需要使其中最小的细 节在眼睛的视场中对应一个约一分的弧所对 应的角 如果一个点在眼睛的视场中对应不到一分的 弧所对应的角，则人观察不到这个点 如果两个相邻点与眼睛间连线的夹角不到一 分，则人分辨不出这两个点章毓晋(TH-EE-IE)2.2.2观察距离和角度章毓晋(TH-EE-IE)2.2.2观察距离和角度 给定点尺寸：最远观察距离 给定观察距离：能看见的最小点 最佳观察距离=3400*图象高度/显示线数章毓晋(TH-EE-IE)2.2.2观察距离和角度章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深

一定距离内目标清晰成象的范围章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深

引入f-因数（焦距f与光圈直径2r的比）景深Z作为D（可允许的不清晰半径）的函数景深Z与镜头的f-因数成正比，而nf→∞的极限对应具有无穷景深的小孔相机章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深引入f-因数（焦距f与光圈直径22.2.3景深

特殊情况

拍照：目标距离很远，do»f di≈f 景深与焦距的平方成反比 结果是小的焦距导致大的景深章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情况章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深

特殊情况复制：目标-图象尺寸为1:1，do≈di≈2f

景深现在不依赖于焦距，且与可允许的不清晰半径D有相同的量级 只有很小的一个目标区可清晰成象章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情况章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深

特殊情况显微成象：目标近，焦距小，do≈f，

di»f 目标被放大了很多，但景深更小了 例：当放大倍数为50，即di/do=50且nf=1，D为5mm，得到的景深只有0.2mm

章毓晋(TH-EE-IE)2.2.3景深特殊情况章毓晋(TH-EE-IE)2.3 光度学和亮度视觉 2.3.1 光度学 2.3.2 一个简单的成象模型 2.3.3 视觉系统对光的感知特点章毓晋(TH-EE-IE)2.3 光度学和亮度视觉章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学辐射度量学 研究各种电磁辐射强弱的学科 光是一种电磁辐射光度学 研究光的强弱的学科 光通量的单位：lm（流明）章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学点光源 线度足够小，或距离观察者足够远 发光强度I：点光源沿某个方向上单位 立体角d内发出的光通量dF单位：cd（坎）1cd=1lm/sr章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学点光源

立体角（solidangle）

是从一点（称为立体角的顶点）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。 可以取一立体角在以其顶点为球心所作的球面上截出部分的面积与球面半径的平方之比作为对该立体角的度量。立体角的单位是球面度，记为sr。一个球面度对应在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形面积时的立体角。章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学扩展光源 有一定发光面积的光源 光度学亮度B (单位：cd/m2)章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学照度（illumination） 一个被光线照射的表面上的照度定义为照射在单位面积上的光通量。设面元dS上的光通量为dF，则此面元上的照度E为：

单位：lx（勒[克斯]），1lx=1lm/m2照度：是光源对物体辐射的一种量度{表2.3.2}亮度：观察者对物体表面光强的量度{表2.3.1}章毓晋(TH-EE-IE)2.3.1光度学章毓晋(TH-EE-IE)2.3.2一个简单的成象模型图象成象模型2-D亮度函数：f(x,y) 亮度是能量的量度，一定不为零且为有限值 (1)入射到可见场景上的光量 (2)

场景中目标对入射光反射的比率照度成分i(x,y)和反射成分r(x,y)章毓晋(TH-EE-IE)2.3.2一个简单的成象模型章毓晋(TH-EE-IE)2.3.2一个简单的成象模型图象成象模型

f(x,y)与i(x,y)和r(x,y)都成正比

i(x,y)的值是由光源决定的

r(x,y)的值是由场景中的目标特性所决定的

{典型值：P.40}章毓晋(TH-EE-IE)2.3.2一个简单的成象模型章毓晋(TH-EE-IE)2.3.3视觉系统对光的感知特点人眼适应的亮度范围（1）总体范围大：从暗视觉门限到眩目极限之 间的范围在1010量级（2）具体范围小：一般范围在102量级暗视觉门限眩目极限章毓晋(TH-EE-IE)2.3.3视觉系统对光的感知特点暗视觉门限眩目极限章毓晋2