第二章频率域图像增强

第二章数字图像基础陶冰洁taobingjie@主要内容图像的视觉感知图像的获取图像取样和量化图像的表示1、人眼结构(睫状体)(角膜)(虹膜)（晶状体）（视网膜）(巩膜)(脉络膜)（玻璃体）一、图像的视觉感知2、人眼视觉感知一、图像的视觉感知2、人眼视觉感知①神经节细胞②感光细胞③杆状细胞④锥状细胞①双极细胞②锥状细胞③杆状细胞一、图像的视觉感知椎状细胞(cones):~600-700万个，感知色彩信息;杆状细胞(rods):~7500-1500万个，提取亮度信息。一、图像的视觉感知conesrods一、图像的视觉感知Luminance(亮度，辉度)

3、术语（物理）Illuminance

(照度)

Illuminance

istheamountoflightincidentonthe

surface.Reflectance(反射率)

Reflectance

istheproportionofincidentlightthatisreflectedfromasurface.Reflectance(albedo,反照率)，[0~1]/[0%~100%]，0-idealblack，1~idealwhite.Luminance

istheamountofvisiblelightthatcomestotheeyefromasurface.一、图像的视觉感知Lightness

(明度)

3、术语（主观）Brightness(光亮度)

Brightnessistheperceivedintensityoflightcomingfromtheimageitself,ratherthananypropertyoftheportrayedscene.Brightnessissometimesdefinedasperceivedluminance.Lightness

istheperceivedreflectanceofa

surface.Itrepresentsthevisualsystem’sattempttoextract

reflectancebasedontheluminancesinthescene.一、图像的视觉感知入射到观察场景的光源总量；入射分量，取决于照射源。正比于物理源的辐射能量。物体反射光的总量；反射分量，取决于成像物体的特性。4、图像形成模型一、图像的视觉感知4、图像形成模型f(x,y)i(x,y)r(x,y)一、图像的视觉感知视觉的空间特性人眼的空间分辨能力为1’(1/60度)；灰度分辨能力大约64级。视觉的时间特性

活动图像的帧频至少是15帧/s的时候，人眼才有图像连贯的感觉。4、人眼的视觉特性与错觉一、图像的视觉感知4、人眼的视觉特性与错觉Brightness(亮度)

区分4、人眼的视觉特性与错觉

视觉错觉a正方形轮廓b圆形轮廓c等长d45度平行线Findablackdot!

4、人眼的视觉特性与错觉Whatdoyouseehere?Avaseortwomenlookingateachother?Seeifyoucanfindthemboth.BlackorWhite?Motionillusions

Thismeansthatmikemayseethestandardmotionillusions.BarberPole.HumanMotionSystemIllusorySnakes可见光：0.38~0.75um；红外线：0.75~1000um(>10个倍频)二、图像的获取与显示

1、光与电磁波谱（ElectromagneticSpectrum）可见光谱：可见波段：0.38-0.75um；子波段:

紫、蓝、绿、黄、橘黄、红色；物体颜色：物体反射光的性质决定；彩色光源质量：

—发光强度（Radiance）

—光通量（luminance）

—光亮度（Brightness）二、图像的获取与显示二、图像的获取与显示不可见光谱•Gamma-ray和X-ray：医学和天文学•

红外成像（Infraredimaging）：近、中、远、极远红外；•

微波成像（Microwaveimaging）；•

紫外成像；•

THz波（太赫兹波）

THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长约0.03~3mm范围，介于微波与红外之间。频率：0.1THZ---10THZ(3mm-0.03mm)宏观电子学向微观光子学过渡阶段THZ波THz波带很宽:0.1~10THz,而且单个THz脉冲就包含非常宽的带宽。THz波频率很高,是微波的1000倍以上,所以空间分辨率很高.由于THz通常由相干电流驱动的偶极子振荡或由相干的激光脉冲通过非线性光学参量、差频过程产生。因此,THz波具有很高的时间和空间相干性。THz波能量低，当频率恰好为1THz时,光子能量只有大约4meV,因此它不会对被检测的生物组织产生有害的电离,在医学成像方面有很好的应用前景。穿透性强，除了金属和水对THz有较强吸收,THz对其他物质都有很好的穿透性,因此,THz波在安全检查,反恐领域的应用前景被人们普遍看好。THZ波辐射的特点红外热成像钢包检测热风炉检测核磁共振(MRI)成像X-RAY成像Gamma-rays成像主要参数：采样尺寸图像尺寸物理参数灰度级别

2、图想获取与采集（1）单个传感器（2）数字化器组成人工光源光传感器扫描装置二、图像的获取与显示4.CCD与CMOS图像传感器

图像传感器

(imageSensor)CCD

电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice）

特点：

灵敏度高，噪音小，信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。

二、图像的获取与显示带状传感器成像

线阵CCD阵列传感器成像面阵CCD

能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以得二维图像。4.CCD与CMOS图像传感器CMOS

互补金属氧化物半导体

（Complementarymetaloxidesemiconductor）

特点：

集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。二、图像的获取与显示CCD/CMOS

GeorgeSmith,WillardBoyle(1969)诺贝尔物理学奖获得者(2009)高锟：光纤传输以用于光通信方方面三、图像取样和量化图像的数字化：取样和量化

为了便于计算机处理，图像函数f(x,y)在空间和取值上必须数字化。连续图像数字图像离散化NM图像的数字化：采样和量化

图像的采样（Sampling)：空间坐标(x,y)的数字化被称为图像采样确定水平和垂直方向上的像素个数N、MＮＭ像素（pixel)三、图像取样和量化图像的数字化：采样和量化

图像的量化(Quantization)：取值的数字化：被称为图像灰度级量化量化处理：将f

映射到Z的处理Z的最大取值：确定像素的灰度级数G=2m。fZ三、图像取样和量化数字图像的数学表示三、图像取样和量化像元坐标像元的灰度值（Grayscale)数字图像的数学表示三、图像取样和量化空间分辨率（SpatialResolution)512×512256×256128×12864×64采样引起的空间分辨率与图像质量数码相机：

3072×2304＝7077888(700万像素)2592×1944＝5038848(500万像素)三、图像取样和量化灰度分辨率（GrayResolution)量化引起的灰度分辨率与图像质量5122561286484三、图像取样和量化原图低色调低对比度低饱和度1、空间表示0N-1M-1f(x,y)四、图像的表示2、数学描述连续模型：

f表示图像的灰度，(x,y)二维空间的连续变化。离散模型：

经过采样和量化后的数字图像就是一个M×N矩阵。

随机场模型

把每一个像素都看成一个随机过程。四、图像的表示3、矩阵表示四、图像的表示4、邻域：在一定意义下，与该像素相邻的像素的集合。OOOO*OOOOOOOOOOOOOOOO*OOOOOOOOOOOOOO*OO3×3邻域5×5邻域OOOO*OOOO4邻域N4(p)8邻域N8(p)这里：3×3邻域={(x+1,y),(x,y+1),(x-1,y),(x,y-1)}ND(p)=N8(p)-N4(p):对角邻域四、图像的表示

距离3×3邻域5×5邻域4邻域N4(p)8邻域N8(p)四、图像的表示

(1)像素(pixel)

Pixel（Pictureelement），图像的最小信息单位，通常是一个整数，其大小称为像素值。(2)灰度级(Gray-level)

表示像素明暗程度的整数量称为灰度级。(3)图像分辨率(Resolution)

指组成一幅图像的像素密度，也就是图幅参数。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。(4)显示分辨率

指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为640×480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。(5)图像深度（Bpp，Bitperpixel)

指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的灰度分辨率。四、图像的表示5.基本术语(6)灰度级与图像深度的关系

1bit(位)——2级

2bit(位)——4级

8bit(位)——256级

24bit(位)——256×256×256（真彩色图像）

例如：8bit灰度图的颜色数。

28=256色

24bit计算机真彩色表示的颜色数目为：

224=256×256×256=16777216色

四、图像的表示5.基本术语一般而言，图像的质量取决于：层次(LevelorDetail)对比度(Contrast)清晰度(Definition

)四、图像的表示图像的层次-Imagelevel灰度级：表示像素明暗程度的整数量。例如：像素的取值范围为0-255，就称该图像为256个灰度级的图像。层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量。例如：具有32种不同取值的图像，可称该图像具有32个层次。图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好。图像的层次-Imagelevel对比度：是指一