数字图象处理-第2章图像、图像处理系统及视觉系统.ppt

第2章图像 图像系统与视觉系统 两个概念 信源 处理前或处理后的图像信宿 图像信息的接受者 2 1图像2 1 1 有关光学的预备知识 1 发光强度 I Intensity 光源发光的功率称为发光强度 其单位主要有如下两种 烛光功率 CandlePower CP 新烛光 Candle cd 2 光通量 光通量是每秒钟内光流量的度量 其单位是流明 lumen lm 1流明是指与1cd的光源相距单位距离 并与入射光相垂直的单位面积上每秒钟流经的光流量 3 照度 E illumination 入射到某表面的光通量密度称为该表面的照度 用每单位面积的流明数来表示 主要单位有如下几种 公制单位 1 勒克司 lux 1勒克司 1流明 平方米 lm m2 2 幅透 phot 1幅透 1流明 平方厘米 lm cm2 3 毫幅透 1毫幅透 10 3幅透 4 反射 5 透射 6 亮度 L 这个概念用来说明物体表面发光的量度 光可以由一个面光源直接幅射出来 也可以由入射光照射下的某表面反射出来 亮度对其两者均适用 光学中的SI单位 国际单位 CdLmLx 2 1 2 图像的概念 当用数学方法描述图像信息时 对于静止的 平面的 单色的图像来说其数学表达式可简化为下式 2 2 上式说明一幅平面图像可以用二维亮度函数来表示 因为光也是能量的一种表现形式 所以 2 3 2 1 人们所感受到的图像一般都是由物体反射的光组成的 2 4 式2 6表示全吸收情况为0 全反射的情况为1 这里i x y 由光源的性质来确定 而r x y 则取决于景物中的物体 2 5 2 6 晴朗的日子 太阳在地球表面造成的照度为9000英尺 烛光 英制单位 或96840勒克司或96840流明 平方米天空有云时 太阳在地球表面造成的照度为1000英尺 烛光或10760流明 平方米或10760勒克司 晴天的夜晚而且是满月的情况下地球表面的照度为 0 01英尺 烛光 0 1076勒克司一般房间照明充分的室内照度 大约为100英尺 烛光 1076勒克司 典型物质的典型反射系数值如下 黑天鹅绒 0 01不锈钢 0 65白色墙 0 80镀银金属 0 90白雪 0 98 2 1 3 图像信息的分类 图像信息的种类是多种多样的 但是要想进行明确地分类也并非容易 常见的图像信息大致可分成三类 即 符号信息图像信息景物信息情绪信息 1 符号图像信息一般是用文字 符号 图形等表示的具体的或抽象的事物 2 景物信息这是一种能给人以主观感觉但并不取决于人本身的客观场景信息 3 情绪信息这是一类依赖于受信者的图像信息 2 1 4 图像的统计特性 认为图像信号是一个随机信号对于一个随机信号的数学描述是振幅或相位的分布函数 概率密度函数以及一系列的相关矩 中心矩 功率谱等等 1 图像的振幅分布特性图像信号的振幅分布特性由振幅分布函数或振幅分布密度函数来表示 振幅分布函数由下式表示 2 7 式中 是振幅分布函数 g x y 是二维图像信号 P代表概率 g x y 的值落在z1 z2之间的概率由下式表示 2 8 振幅分布密度函数f z 可由F z 的导数得到 即 2 9 式中 是振幅分布函数 g x y 是二维图像信号 P代表概率 或者由下式来表示 2 10 2 差值信号的振幅分布特性图像信号预测编码有重要意义的差值信号的振幅分布特性近似于指数分布 即 2 11 式中x是像素间的距离 是由图像性质决定的系数 f x 是概率密度函数 由实测结果可知 对于特写画面来说值 较小 对于群集远景画面来说 较大 图2 2相邻像素间差值信号分布密度曲线 图2 3帧差值信号分布密度特性 3 图像的自相关函数和空域功率谱一般情况下 图像的自相关函数和空域功率谱针对稳定画面来定义稳定画面就是指图像g x y 在x y方向上可无限扩展 而且无论在哪个方向上都有相同的统计特性 能量有限的图像振幅谱和自相关函数当一幅图像用g x y 来表示的话 那么它的傅里叶变换就是其振幅谱 即 2 13 显然 如果知道了图像的振幅谱 用其反傅里叶变换就可以求得g x y 2 14 图像信号所具有的能量可由下式表示 或者是 2 15 2 16 对于能量有限的图像信号g x y 的自相关函数由下式表示 2 17 其中 与之间存在着傅里叶变换关系 即 2 19 2 18 功率有限的图像的空域功率谱和自相关函数对于E为无限的信号来说 有时图像中单位面积上的平均能量 功率 却是有限的 即 2 20 则式 2 20 可写成下面的形式 2 21 如果把g x y 限定在如下范围内的话 即 自相关函数的基本性质 1 2 3 2 30 2 29 2 31 空域功率谱密度的基本性质 自相关函数的测定结果 2 32 2 33 相关函数是从空间域的角度研究图像的统计特性功率谱是从变换域的角度研究图像的统计特性 对于一个连续的图像信号经过编码后就变成了离散的图像信息一幅图像如果有共q种幅度值 并且出现的概率分别为那么每一种幅值所具有的信息量分别为 等等 由此 其平均信息量可由下式表示 一个重要概念 对于离散信源来说 消息输出是等概率时其熵最大对连续信源来说最大熵的条件取决于输出受限情况 当输出幅值受限的情况下 幅度概率密度是均匀分布时其熵值最大 当输出功率受限的情况下 则输出幅度概率密度是高斯分布时其熵值最大 2 2图像处理系统中常用的输入 输出设备 存储设备 主计算机 输入设备 输出设备 图2 7计算机图像处理系统基本结构图 2 2 1电视摄像机1 摄像器件的分类输入信息分类 分类依据电流方式 光敏靶的种类 2 摄像器件的性能频谱响应特性辐射灵敏度光电变换特性信噪比暗电流分辨率调制传递函数惰性动态范围 3 几种常用的摄像器件光电导摄像管 视像管 移像型摄像管 固体摄像器件 彩色图像传感器 2 2 2飞点扫描设备 2 2 3鼓形扫描器 2 2 4微密度计 2 2 5监视器 2 2 6激光扫描器 2 2 7液晶显示器 2 3视觉系统 2 3 1 视觉系统的基本构造 图2 31人眼的断面图 图2 32视网膜结构模型 2 3 2 光觉和色觉 眼睛对光的感觉称为光觉 对颜色的感觉称为色觉 1 光觉门限及亮度辨别门限 光觉门限 把产生光觉的最小亮度叫做光觉门限或光觉阈 图2 33锥状体 a 和杆状体 b 的相对灵敏度特性 2 有关色觉的学说 自 年牛顿成功地分解了太阳光谱以来 认为光的波动经过神经传到大脑 由于波长不同而产生不同颜色感觉的这一假说至今还在提倡 2 4光度学及色度学原理 亮度和颜色是进入眼睛的可见光的强弱及波长成份的一种感觉的属性 从某一入射光产生的亮度和颜色的感觉无法测定 并且这种因人而异的感觉也不能比较 既使对同一个人来说 由于观察条件不同感觉也不一样 由三基色混配各种颜色的方法通常有两种 相加混色 彩色电视机上的颜色是通过相加混色产生的相减混色 彩色电影和幻灯片等与绘画原料一样是通过相减混色产生各种颜色的 相加混色和相减混色的主要区别 第一 相加混色是由发光体发出的光相加而产生各种颜色 而相减混色是先有白色光 尔后从中减去某些成份 吸收 得到各种彩色 第二 相加混色的三基色是红 绿 蓝 而相减混色的三基色是黄 青 紫 一般不确切地说成是黄 蓝 红 也就是说相加混色的补色就是相减混色的基色 第三 相加混色和相减混色有不同规律 指颜料相混 相加混色 红 绿 黄红 蓝 紫蓝 绿 青红 绿 蓝 白相减混色 黄 白 蓝紫 白 绿青 白 红白 蓝 绿 红 黑 格拉斯曼定律 GrassmanLaw 包括如下四项内容 所有颜色都可以用互相独立的三基色混合得到 假如三基色的混合比相等 则色调和色饱和度也相等 任意两种颜色相混合产生的新颜色与采用三基色分别合成这两种颜色的各自成分混合起来得到的结果相等 混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总和 这里色调 色饱和度及亮度是表示色觉程度的量 色调 表示各种颜色的种类的术语 色饱和度 表示颜色深浅 添加白光的多少 以三基色为基础的格拉斯曼定律可用下式表示 F 2 50 2 4 3 CIE的R G B颜色表示系统 国际照明委员会 CIE 规定 红色 波长 700 00nm 绿色 波长 546 1nm 蓝色 波长 438 8nm 1lm 白光 0 30lm 红 0 59lm 绿 0 11lm 蓝 图2 35相加混色彩色三角形 图2 36直角彩色三角形 谱色能以单色出现在光谱上而且有一定波长的彩色 非谱色不能作为单色出现在光谱上的颜色称为非谱色 各种紫红色就是非谱色的例子 图2 37CIE色度图 2 5 2亮度适应和颜色适应 从较亮的场所到较暗的场所时 很难马上看到东西 相反 从较暗的场所到较亮的场所 也看不东西 一般把眼睛的状态适应明暗条件的变化叫亮度适应 从亮到暗的变化叫暗适应 从暗向亮的变化叫亮适应 一般亮适应时间较短 暗适应较长 与亮度适应相区别 随着光的分布而变化 眼睛有对颜色刺激灵敏度变化的性质 例如 用强红光刺激眼睛后看本来是黄色的物体却是绿色的 这种依赖光分布的视觉灵敏度现象叫色适应 图2 54明暗对比的例子 刺激的亮度和色度受周围背景的影响而使其产生不同感觉的现象叫同时对比现象 这里包括亮度对比和颜色对比 另外 在二个刺激相继出现的场合 后续刺激的感觉受到先行刺激的影响 这种现象叫相继对比 2 7视觉的时间特性 视觉的时间特性是指对光刺激的过渡反应特性 如 对闪烁的灵敏度特性适应性残像对运动的感觉眼球运动和感觉的关系等性质 2 7 1闪烁 当光的闪烁次数增加时 就不会有闪烁的感觉了 这时与连续光刺激的感觉一样 闪烁的次数叫临界融合频率 CriticalFusionFrequency 与照射光的强度及在视网膜上的部位不同而有显著变化 离中央凹越远 偏角大 其融合频率越高 照度越高则融合频率越高 人眼锥状体的 值约为60 70Hz 杆状体大约是12 15Hz 2 7 2眼球运动和视觉的关系视网膜上的视觉细胞大约有 亿多个 从眼睛出来的神经末稍不超过 万个 黄斑处的锥状细胞大约有 万 千个 其中每个细胞都有独立的神经末稍通往大脑 黄斑以外的部分则是几个杆状体接到一个神经末稍上 眼球运动有 断续性运动平稳跟踪运动辐辏开散 Vergencemovement 运动凝视运动 断续性运动是高速的跳跃性的运动 上升时间大约为1 20s 1 100s平稳跟踪运动是低速眼球运动辐辏开散运动是指两眼视线在远近方向上的运动 运动速度较低凝视运动是指视线注视一点时常常进行类似噪声状的微小运动 它包括有颤动 闪烁和偏移等形式 2 7 3运动的感觉 不仅在实际物体运动和观察者运动时有运动的感觉 而且实际上物体不运动而其他条件在运动的条件下也有运动的感觉 在心理学上把实际物体或观察者运动产生的运动感觉叫做实际运动 不是这种情况下产生的运动感觉叫假象运动 诱导运动 自动运动及残像等 2 7 4残像光刺激移去后而残留的感觉叫残像 残象形成直到消灭的经过是复杂的 白色光刺激的痕迹一般是明像和暗像交替出现 徐徐消灭 有色光刺激后是刺激光的颜色和它的补色相近的色交替出现徐徐消灭 残像主要是由视觉细胞的光化学反应引起的 2 8形状感觉与错视 视觉系统所感觉到的物体的形状并不是简单的投影到视网膜上的原封不动的形状 对形状的感觉受到物体自身形状及周围背景的影响 这类影响是多种多样的 有神经系统引起的错视现象也有心理因素的作用 几个著名的几何学的错视图形的例子 a 本是两条相等的线段 由于两端加了不同方向的图形使我们感觉下边的一条线段较长 b 使我们看到斜线是错位的 c 中原本是二条平行的直线 可给我们的感觉却是二根弯曲的线 d 本来是互相平行的三条线 可我们看到的却是不平行的了 e 中左边和右边两图中央的圆是相同的 但我们都觉得右边的要大 所有这些均是由错视造成的