第二章图像处理基本知识

第二章图像信息的基本知识图像和视觉基础视觉基础人眼与亮度视觉颜色视觉成像基础成像模型成像几何采样和量化图像基础像素间联系图像运算图像坐标变换2.1视觉感知2.2图像的噪声分析2.3图像的质量评价2.4图像的采样与量化(数字化)2.5像素之间的关系2.1视觉感知2.1.1视觉原理2.1.2亮度适应和区分2.1.3成像模型2.1.4颜色视觉2.1视觉感知

2.1.1视觉原理

例：距离100米高15米图像大小2.55毫米杆状体：7500～15000万，几个柱细胞联到同一个神经末梢，分辨率低，提供视野的整体视象，不感受颜色对低照度敏感。夜视觉2.1.1视觉原理成像过程：

晶体聚焦；视网膜成像；视网膜图像反映到中央凹；由光接收器的相对刺激作用产生感觉，把辐射来的能量变为电脉冲；人脑判断。反映聚焦到视网膜中央凹图像电脉冲人脑判读光接收器：锥状体：600～700万。对颜色敏感。充分识别图像细节，每个细胞接一个神经末端，又叫适亮视觉（photopicvision）、白昼视觉2.1.2亮度适应和区分

1.可见光范围：电磁辐射刺激视觉人眼可见区域：380～780nm380nm780nm2.人眼识别光的强度范围：由夜视阈值到强闪光之间1～1010级I－光分布，V－相对光强度效率函数。亮度：（感觉到光强度）与环境有关。3.亮度适应现象：

人眼利用改变其整个灵敏度来适应不同的亮度范围。4.亮度适应级：视觉系统的当前灵敏度级5.马赫带效应（mach）：基于视觉系统有趋于过高或过低估计不同亮度区域边界值的现象2.1.2亮度适应和区分

灰阶

距离

马赫带效应2.1.2亮度适应和区分6.同时对比度效应：基于人眼对某个区域感觉到的亮度并不仅仅依赖于它的强度同时对比度效应1.图像的数学模型：2.1.3成像模型

irradiationreflection黑天鹅绒0.01，不锈钢0.65，白色墙0.80，镀银的器皿0.90，白雪0.98。

静止、平面、单色图像表示为一般图像可表示为2.黑白视觉模型

输入光学系统输出MTF:光学系统的调制传输函数实验表明：人的视觉系统的MTF是非线性和各向异性的（即旋转可变性），眼睛对光强度的非线性响应呈对数型。光接收器对数线性系统黑白视觉对数模型神经信号视觉系统的MTF：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的曲线光感受器——对不同波长有不同灵敏度H1――低通线性系统:代表眼睛的光学性能H2――一般黑白非线性网络:代表杆状或锥状视细胞非线性强度响应H3――代表侧抑制过程的具有带通性能的线性系统H4――具有时间滤波效应的线性系统光感受器线性系统H1非线性系H2统线性系统H3线性系统H4黑白视觉扩展模型输出颜色，无彩色，彩色彩色视觉模型RGBHSI1、R,G,B彩色空间:面向硬件设备的彩色模型三基色原理：三基色指可以用来调配出其它颜色的红、绿、蓝三种颜色。在R，G，B彩色空间中，任意彩色图像可由红、绿、蓝三基色图像叠加而成。R(x,y)+G(x,y)+B(x,y)2.1.4颜色视觉

线性系统绿色视谱感受器彩色视觉扩展模型线性系统黄绿视谱感受器蓝色视谱感受器神经信号－－线性系统线性系统非线性系统非线性系统非线性系统线性系统线性系统2、H、S、I皆:(面向禾彩色追处理叉的最珍常用众模型)区分淹颜色摊常用膜的3种基担本特国性量准：亮颈度、爆色调医、饱悟和度匠。In杰te虽ns裁it党y，Hu网e，Sa颂tu帆ra更ti携on亮度闯：与物个体的营反射肃率成泳正比色调撑：与混索合光筹谱中滤主要彩光波屈长相异联系饱和肤度：与一染定色赛调的茶纯度洒有关色调记和饱程和度皱合起博来称乡丰为色度。颜表色可挠用亮度和色度共同倡表示轨。光的挺三基色殖，颜烟料的拼三基若色2.返2图像船的噪量声分纲析外部赔噪声铸：系赞统外剂部干留扰从广电磁掩波或售经电洁源串拼进系颠统内质部而摸引起寨的噪红声如无测线电仍、电东气设董备内部栋噪声吧：散粒超噪声：由吹光和乖电的耕基本民性质萌引起以的噪恢声。热询噪闪声致：光量畜密度剂随时圈间变阅化所纽奉形成付的光恶量子荒噪声牵。抖动字噪声委：电器盗的机婆械运反动产间生的宰噪声招。元器盏件材泄料本勇身引涂起的亦噪声系统勉内部斥电路希设备像所引稀起的缎噪声：交衔流、什嵌位窃电路丸引起的噪月声。噪声个：妨溉碍人度们感塔觉器夜官对惯所接征受的淹信源横信息袄理解消的因摇素不可小预测上，只袋能用洪概率暑统计哀方法膝来认咬识的晕随机酬误差噪声鹿与信繁号的恼关系：a）加性已噪声b）乘性景噪声噪声掘从统答计特膜性上察分：a)平稳喂－统仇计特逃性不狱随时驳间变程化b)非平吊稳－毛统计六特性铸随时门间变催化噪声秃从幅屠度分摧布上披分：Ga每us扶s分布负、瑞袭利分断布、仍负指权数分料布、分布塌、K分布噪声跟按频扣谱形贼状分塘：a）频谱纺均匀妻的称炊白噪道声b）频谱革与f成反以比称1/剂f噪声否，三宾角噪熔声（与f2成正缩慧比）图像种系统据噪声婶的特因点：a）噪声耗的扫机描变竞换L―扫描膝点数毒，―水平葵方向汇的功钞率密际度分索布，―垂直发方向隐的功寺率密腐度分胞布b)噪声艘与图殊像的礼相关吗性，护与摄篮像设额备不元同有避关c）噪声遭叠加避性，骨同类钓噪声吧可进箱行功孤率相美加，SN暖R下降二维噪声拣－扫贵描－女传输肢－二搞维噪棚声2.螺3图像教质量唐评价2.各3.册1图像溪的主宽观评价2.钟3.巩2黑白授离散辨图像泄的逼旋真度母量度图像怎质量摩评价持的研晚究是粮图像秘信息医工程司的基给本技捎术之物一。光电乔变换——传输——处理——记录——其他却变换2.抗3.子1图像脆的主局观评价图像霉增强伸：就是刘为了肌改善金图像耐的主既观视抓觉显攻示质逢量图像交复原挎：是用钱于补歇偿图死像的乘降质薯，使今复原赛后的便图像渴接近备原像图像份编码企技术:在保司持被酒编码形图像胞一定芽质量搏的前浇提下塔，以兵尽量谜少的码局字来赴表示阵图像扶，以座便节姐省信堆道和姜储存浩器容蜜量基本勤概念图像圈逼真群度：fi盲de杜li躲ty母——描述另被评掌价图伪像与补标准调图像的胜偏离利程度图像孝可懂办度：in互te惕ll变ig悠ib碎il视it赌y—白—表示辉图像刷能向旧人或机器城提供品信息咬的能乓力信息源发送环境AS变换系统传输处理系统逆变换系统信源收信环境BRTLD图像啦通信成和图来像质取量关拢系模另型图2.御3.我1图像仍的主犯观评价外行——代表席平均昆观察鹊者感究觉得届图像筑质量内行——可对废图像荒质量错提出峡较好烧的临垂界判糖断主观救评价誓的方弱式：绝对宴评价蛾；相插对评雄价绝对避评价——让观晓察者致观看梨一幅趁图像滤，按寻照预牧先规定定的浙评定框标准哈判断矩图像敲质量诞。有御时配较备一皱套标经准参迫考图糖像，饲以便乱评定专时进先行主掀观校农准。“全址优度简尺度尖”：非常蔬好图健像5分好图检像4分中等像图像3分差图急像2分非常遇差图找像1分相对府评价——请观笨察者巷评定雷一套拳图像吃，比外较某村一特姻定图放组卫中图症像的夏优劣组。图像戏从好辫到坏隆分类份、比惕较。“群倍优度吧尺度伶”：伞最好底、稍粘好….一批舅中最家好的住图像7分比该识批的决平均证水平光好的能图像6分稍好白于该轨批的牢平均柏水平迈图像5分该批爷平均深水平览的图皮像4分稍次纠于该白批的则平均多水平钉图像3分比该抽批的洋平均苦水平券差的焦图像2分一批疲中最慕差的砖图像1分平均轰分数分数妨碍尺度质量尺度5分4分3分2分1分丝毫看不出图像质量变坏能看出图像质量变化但不妨碍观看清楚地看出图像质量变坏对观看稍有妨碍对观看有妨碍非常严重地妨碍观看非常好好一般差非常差妨碍勿尺度莲：1、感叛觉不决出。2、刚所有察咸觉。3、明唇确察相觉但馋图像村仅稍拘受损射。4、图伤像受鱼损，跟但无宰害。5、框有些缠受害宣。6、受刃害明津显。7、差电视伐图像艰：杂波配、回喷波、困清晰父度、挂对比帆度、谋亮度梅、观世测者屑类型菌、试验天图像虚类型棚、观肺测条爆件等密。我国续：线监性数绵学模症型——不同驻失真斯的叠在加规躲律，魂定量仅地给弓出主观图燃像质广量与歇多种销失真裂的关陈系。电视慨系统疤：通宵常使来用电督子测恋试波泥形或殖由摄拖像机干摄取白测试魔图案倾卡片岂来观察栽其性酷能变冤化，拖以进饶行图刮像质垦量测逃试和跨评价2.跨3.奥2黑白仓离散贵图像脖的逼芬真度捕量度归一车化均茧方误逆差NM乘SE峰值抽均方显误差PM奶SEf(妖j,对k)填--被变秀换的肚图像环场，A-梢-f匙(j拔,k瓜)的最级大值等效羞信噪拦比PS盾NR详:2.远4图像唤的采就样与率量化2.届4.晴1采样2.拉4.祸2量化2.都4.有3采样她与量彩化的详关系2.坟4.侮4二值丢图像2.钟4.劣5数据万储存左结构2.傻4图像逢的采凶样与坦量化连续应函数跳图像——图像寻空间升上采嘱样——幅度卫上量梦化——处理数字执图像——腥D耳/A转换——模拟虹显示采样量化计算机fs(x,y)f(x,y)检测阵列1.采样呜：空惩间上敲的离寒散化2.量化锹：灰句度上御的离悬散化3.表达剩（建劣模，安图像尿数字览化）灰度墨图像袭的阵标列表套示法:连续同信号聪（抽氏样、肯量化晚）――数字伴信号4.图像度矩阵氧的特镰点：a）b）数字考化抽突样：殖正方徐形点拒阵、糕正三艳角形同点阵城、正岁六角谢形点孙阵正方说形点恐阵蕉正三励角形艳点阵文正六妻角形栽点阵象素象素象素1.采样:所谓抄采样居就是低把位壶置空设间上捡连续罗的模饭拟图族像变变换成鸟离散逆点的浴集合束的一李种操抬作。悬这勒些点端称为采样泊点2.二维录采样想：先雨沿垂感直方吗向采桶样（碑得到狡行线窜）搭，再碗沿水桥平方霉向采喷样3.三维禽采样粉：先鲜沿时兰间采睬样，肌再垂判直方爸向采筒样，房诚再沿砌水平喊方向吩采样4.采样封点对猪应采假样所机得的容数字谷图像减的像伏元。5.模拟羡图像f(甩x,甲y帐)步=>离散芦点阵f(亲X,档Y彻)得到M（行）书，N（列）披矩阵牙，M×搬N个象他素6.采样庸点阵葡：正闭方形谁、正城三角园形、普正六缓角形7.采样令定理：一维停采样相定理蜡：惠特伏克－里卡切弯尼柯总夫－英香农揪（wh踏it膏ta皱ke迎r-伟ko刘re服ln座ik陵ov磁-s异ha和nn困on）采样同定理师。当才时巧，朽则函腰数f（t）的傅害立叶犬变换除为0，亦膨即f(饶t)可由刮相隔行为fc/2或更拳密的溜样本稼正确长重构恰。(频谱沟宽度2fc，对应煤采样陡频率2fc）2.肾4.疼1采样(Sa怪mp送li础ng购)二维换采样毯定理歌：采样笨频率车大于永图像沸信号嫂最高笼频率线的2倍采样盆频率价：例：奈奎煮斯特首频率屋：不屈混叠裤时采剑样中谊的最略低限采样帝间隔糖△x,框△脖y越小,采样钉图像俊的分透辨率宋就越种高,所占柔用的库存储断容量邮也越地大混叠关噪声孔径榜效应器：实绩际采秆样脉全冲不被是理羽想冲朽击函客数，局有一彩定的知宽度辱，会如产生失真插入乘噪声撒：由厦采样杂图像堤信号拦恢复菠到原替图像塑，无佩理想若滤波买器（辫在fc内频率特荣性平脉坦，冤相位贼特性血成直怨线）抖动控噪声肉：采叔样周谅期为T，但发划射与键接受榜端T存在山相位田差异辟，称泊相位现抖动。8、采现样误婚差2.蛛4.辛2量化离散枣点阵i(静X,道Y暑)驱=>数字培图像I(味X,姿Y欲)Qu专an察ti牵za屠ti恭onf(反x,兔y)采样涂空钩间离稻散的极像素涨矩阵f(抓x,桶y)量化任对熄信号柿的幅汁度进狮行离散触分层的过耻程数字耀图像乐量化[量化]所谓切量化炒就是科把亮窑度空给间上肆连续蚂的亮具度变蜓换成香离散屯值或准整数芳值的陡一种忽操作律。量化倒和采穿样是两男个不偶同的睛概念罢，量霉化是姐在每折个采目样点春上进诵行的松，所通以必水须先修采样辆后量砍化。量化丢和采悄样是图祖像数艘字化搅的不总可或叙缺的苦两个者操作乡丰，所盟以二还者又图紧密版相关攻，同秃时完被成。分层脸量化悼；娘量化耕误差碗；均结匀量愉化，熔非均炎匀量州化1.均匀携量化2.非均船匀量琴化：a）基于盖视觉逮特性载：对锅亮度斗值急滚剧变住化部碗分无始需过叙细分盯层，捧进行粗量沫化；萍对亮闪度值污平缓禽变化慨部分芦需过躺细分魄层，进行构细量燃化。b）基于单亮度以分布:先计给算所凶有可帅能的贩亮度盼值出邮现的棒概率屈分布对概阵率分壁布大剑的进乞行细厌量化对概控率分弟布小队的进痛行粗隆量化c)非均咽匀量宜化可经以减满少量悔化误闷差，又能姨用较都少的让比特耕数实旦现量蜓化3.压扩裁法量富化非线响性变诱换——均匀蜡量化M、N—图像细尺寸G-质--每个骆像素疏所具鸦有的铺离散苍灰度都级数辆（不激同灰控度值涌的个扭数）1.存一血幅图舰像所柔需的奶位数丑（bi鹅t）B=本M×聪N×推k12状8×絮12鱼8×扁6＝茂98摧30老4苍（省12湿kb炎yt叛e）51冲2×刷51虽2×葬8＝弹20茧97洪15播2得（走25撑6k鹊by泳te著）2.烈4.爬3采样鸦与量农化参修数的禁选择M×驾N点采狠样，仿每点蛙灰级G级，G=既2k，占k位。2.提问自：总数榨据量M×丛N×忌k位二扔进制柱数据多。当总俭存贮莲容量裂一定曾时，M、N与k怎么饼分配易效果安才最衔佳？解：无一娱般方紫法，里取决葱于具车体图你像性质欺与处捞理的英目的。①对爆于缓统变的拒图像割，层次刮要求绍多时妄，应该魄粗采思样（M，N小）、细厘量化(k大)，以浓避免灯假轮简廓②对于登细节野丰富炕的图咏像，师如：窑当纹丸理细故节多盘时应该惯细采厕样（M，N大）、粗键量化(k小)，以租避免暂模糊深（混亭叠）例如株：人头飘像——要照宇顾层午次.b（频带穴窄平造滑，手采样仁间隔沟可大蒜）。群众的场面——纹理江丰富.（频带叹宽，痒采样统间隔城要小剧，不象丢细沫节）3.栏M、N和k的关条系：（1）图打像质黎量一寨般随M、N和k的增笑加而弦增加喜。在属极少孔情况汁下对罢固定欢的M、N，减少k能改甩进图苦像质席量，局因为老增加旨了图焦像的发反差浓，但k太小晌会出反现“侍假轮飞廓”屑，k至少近为6，目计前一鸟般取急为8（2）对熊具有隔大量康细节魂的图奶像常掀只需牵要很巷少的边灰度泡级数饲就可岂较好经地表靠示（3）k为常从数的予一系枣列图仇像主贞观看绕起来晴可以态有较榆大的撕差异4.非均蝴匀采灯样和碰量化细节请部分傅，分渣配较勾多的肃采样灰度捏突变枯部分省，可刑用较毙少的负灰度饰级数图2－11不同殖采样颗点数赔对图沾像质葛量的蛋影响(a麻)原始氧图像伸（25泥6×编25真6）;泳(b证)采样浪图像1(骡12悼8×肚12轻8)课;（c）采样与图像2(预64超×6骂4)散.;台(d座)采样漫图像3(慈32着×3掘2)级;(e喜)采样既图像4(慌16堪×1毙6)蜂;依(撤f)采样塑图像5(便8×肾8)图2－12不同第量化任级别尼对图索像质桥量的拣影响(a赴)原始站图像玻（25省6色）蹈；(b晌)量化煮图像1根(6恩4色)；(c桨)量化芳图像2(恨32色)；(d庄)量化硬图像3(响16色）槐；(e）量化览图像4(婶4色）夏；(f蜂)量化箱图像5(咽2色）图2－13图像贼空间困分辨蛋率和伞幅度嗽分辨稻率同链时变秒化产劳生的死效果（a)股2码56间×2澡56输,据12联8;奋(b振)清18活1×轰18奶1悲,6朝4;(c燃)枣12殃8×庆12勺8搜,3辣2;鹿(币d)削9唱0×深90运,1贝6;(e捷)峡64域×6飘4,画8;叫(叫f)郑4粒5×惨45寇,4尝;1.二值或图像:只有答黑白校两个兵灰度润级，粘即象姐素灰到度级垮非0即1，每训个象秒素占1b烧it胀,适合挪文字衬图片装，可以采用息矩阵落表示2.为了损减少稻运算乔量,常将宇灰度艰图像存转换醒为二食值图梯像处拘理3.二值隶图像栗的链堡码（Fr跨ee症ma搅n码）糊表示颂法。适合忌描述盗直线尺、和蝴曲线梁组成律的二值漂图像叛。在规定讲了链贤的起崭点坐沙标和砍链的皮斜率廉后，狸就可逝完全此描述晋直线筋和曲碌线。2.婶4.附4二值锹图像贡表示术法0（00）1（450）2（900）3（1350）4（1800）5（2250）6（2700）7（3150）八向、六向、四向链码链码喜的一泥种不船等长笨码表繁示方向软不等矛长码射表示00045001-4启5001盘190001烧11-9皮0001痛11排113将5001晃11跃11-1咳35001浩11朋11寒118悄0001辜11覆11冠11链码份的自航然码晨表示方向感十进幅制表败示二进鹊制自锐然码000油00盼04501疾00景19002咳01微013昆503务01讨118泽004身10末022骑505猎10迷127则006哑11革031缺507畅11勿1若八携向码愁采用攀不等稍长码朝（按惩其概鼻率大任小分但配）叹，常艘出现粱的00，用愤短码羊表示躺，不外常出篇现的有用长舱码，辛可节停约bi潜t数。例：临对由粪字母和数错字混虑合组伏成的心符号每个刺方向胃平均霸占1.缝8∼蜘1.养9b怒it，而对区一副筒由一释个饮凭料杯狐和一牲个瓶贷子轮毙廓构荡成的鼓图像，平茎均每熄个方邻向占1.吴5济∼派1.少9b孔it青.32111例：央如图呜的4×4图像1.用矩娇阵表冰示4×侨4＝16狗bi纪t2.用二院进制寨自然宿码表短示3赖2离1过1梯1（01带1，01汗0，00芒1，00怜1，00夜1＝15意bi哪t）3.用不等夸长码表示13水5，90，45，45，45（01害11鹅11，01似11，01，01，01＝16冻bi裁t）2.燥4.稳5数据榜存储可结构1、一维证数组澡方式:M行×N列2、多波棋段图枪像数模据组爪合结惯构1）按五各个功波段撤存储N列M行红绿蓝2）按绒扫描孝行存斗储红绿蓝。。。。。。。第1行3）按滔各个班像素僻存储红绿蓝。。。。。。。（1，1）（1，2）2.易5像素浩之间耗的关胃系2.肺5.邪1邻域裕与邻普接2.泻5.室2距离2.举5.相1邻域贝与邻巾接[邻域]对于摸任意性像素(X依,明Y)，像素辟集合{继(x+烈m,史y版+n);其中m、n取适当的槐整数}称为劫该像喝素的邻域（ne余ig底hb劣or）。1.4-邻域{食(x苗-1腊,撒y)斩,相(x疯+1点,珠y)芳,签(x赚,袜y-彩1)初,聚(x缎,挡y+洲1)兄}(x-1,y)(x,y-1)p(x,y)(x,y+1)(x+1,y)记为2.8-邻域{砌(x谱-1命,总y)箭,熊(x镜+1唯,害y)据,迎(x跃,旬y-抓1)控,朋(x拜,引y+封1)呼,(x白-1肉,阀y-居1)西,余(x真+1誓,保y-须1)膊,腐(x清-1贸,该y+搞1)刘,盒(x澡+1径,素y+葵1)眯}srsrprsrs3.邻接:如果扬任意固两个娱像素降相互矛存在控于对献方的4-箱/脖8总-邻域菠中，则称骂这两补个像牌素相双互4-柴/存8啊-邻接。Ad案ja她ce钉nt4-邻接今（4-撑ad镜ja掏ce既nt）8-邻接蔽（8-死ad初ja枪ce摧nt）0101110101010101012.晕5.绞2距