【正文】 第二章 數(shù)字圖像基礎(chǔ) 電氣信息學(xué)院 自動化系 余勤 本章內(nèi)容 ? 視覺感知要素 ? 光和電磁波譜 ? 圖像感知和獲取 ? 圖像取樣和量化 ? 象素間的一些基本關(guān)系 ? 線性和非線性操作 本章要求 ?了解圖像數(shù)字化過程及分辨率變化對圖像的影響； ?了解數(shù)字圖像的表示形式和特點(diǎn) ?掌握像素間的關(guān)系：相鄰、領(lǐng)域、鄰接性、連通性、距離的度量 ?掌握圖像的代數(shù)運(yùn)算以及應(yīng)用 ? 人眼的構(gòu)造（自學(xué)） ? 眼睛中圖像的形成（自學(xué)） ? 人眼對不同亮度的適應(yīng)和鑒別能力 亮 ? 暗 適應(yīng)慢 暗 ? 亮 適應(yīng)快 視覺感知要素 （ 1） 視覺適應(yīng)性 ?亮度適應(yīng)范圍 :1010量級（ 106mL（夜視域） ～ 104mL（強(qiáng)閃光） ）； ?與整個適應(yīng)范圍相比，人眼在某一時刻能鑒別的亮度級別范圍很?。ㄒ栽摥h(huán)境的平均亮度為中心的一個小的亮度范圍）； ?亮度適應(yīng)級 （視覺系統(tǒng)當(dāng)前的靈敏度級別）：人眼適應(yīng)了某一環(huán)境后，該環(huán)境的平均亮度； ?亮度適應(yīng)現(xiàn)象 :人眼并不能同時在整個范圍內(nèi) 工作 ,而是利用改變靈敏度來實(shí)現(xiàn)大的動態(tài)范圍內(nèi)的變動； ?當(dāng)平均亮度適中時，能分辨的最大亮度和最小亮度之比為 1000:1。當(dāng)平均亮度很低時，這個比值只有 10:1 ?主觀亮度 是進(jìn)入人眼的光強(qiáng)度的對數(shù)函數(shù)； （ 2） 辨別光強(qiáng)度變化的能力 ?當(dāng) 背景光保持恒定 時 ,改變其他光源亮度 ,從不能察覺到可以察覺間變化 ,一般觀察者可以辨別 12到 24級不同強(qiáng)度的變化 . 圖 亮度辨別特性的基本實(shí)驗(yàn) 圖 作為強(qiáng)度函數(shù)的典型韋伯比 韋伯定理 ：如果一個物體的亮度與其周圍背景的亮度 I有剛可察覺到的差別 ，則 （ 韋伯比 ） 是 的函數(shù)且 在一定的亮度范圍內(nèi)近似不變； I? II? I II?韋伯定理說明： ?人眼視覺系統(tǒng)對 亮度的對比度 敏感而非對亮度本身敏感； ?低照度，韋伯比高，亮度辨別能力差；高照度，韋伯比低，亮度辨別能力強(qiáng)； （ 3） 人眼感覺亮度并不是簡單的強(qiáng)度函數(shù) 即 感覺的亮度（主觀亮度） 不是簡單地取決于光強(qiáng)度。 韋伯－費(fèi)赫涅爾定理： 亮度感覺 S與實(shí)際亮度 B的對數(shù)成線性關(guān)系。 0lnS k B k? ? ?因此， ?重現(xiàn)景物的亮度范圍無需與實(shí)際景物的亮度范圍相同，只需保持二者的對比度相同； ?人眼不能辨別的亮度差別也無需重現(xiàn)出來，只需保持二者的亮度差別級數(shù)相同即可； ?同時對比效應(yīng) （ Simultaneous Contrast） 即人眼對某個區(qū)域 感覺的亮度（主觀亮度） 不僅依賴于他自身的亮度，還與它的背景有關(guān)； 背景變亮 ,相同強(qiáng)度的方塊變暗。 ?馬赫帶效應(yīng) 感覺亮度 不是簡單的強(qiáng)度函數(shù)的；視覺系統(tǒng)有趨于過高或過低估計(jì)不同亮度區(qū)域邊界值的效應(yīng)。 圖中各色帶亮度恒定，但實(shí)際感覺條帶邊緣亮度有變化：邊緣處，亮的一邊更亮，暗的一邊更暗； （ 4） 視覺錯覺 （ Optical Illusions） 在錯覺中，眼睛填上了不存在的信息或錯誤地感知物體的幾何特點(diǎn)。 電磁波譜可以用波長 ( )、 頻率 ( )或能量 （ ）來描述 光和電磁波譜 ? ?( 2 . 2 2 )E h v??( 2 .2 1 )cv? ??Ec光速 h普朗克常量 光 —— 可以被人眼感知的電磁波。 光和電磁波譜 電磁波是能量的一種 ， 任何有能量的物體 ， 都會釋放電磁波 。 ? 若所有反射的可見光 波長均衡 ， 則物體顯示白色 ? 有顏色的物體是因?yàn)槲矬w吸收了其他波長的大部分能量 ， 從而反射某段波長范圍的光 。 ? 沒有顏色的光叫 單色光 或 消色 ， 灰度級 通常用來描述單色光的強(qiáng)度 ， 其范圍從黑到灰 ， 最后到白 。 ? 在原理上 ， 如果可以開發(fā)出一種傳感器 ， 能夠 檢測 由一種 電磁波譜發(fā)射的能量 ， 就可以在那一段波長上對感興趣的物體成像 。 光和電磁波譜 人從物體感受的顏色由物體反射光決定 光和電磁波譜 灰度和色彩： 彩色模型 : RGB 加色法 CMY,CMYK 減色法 HSB(色澤 ,飽和度 ,明亮度 ) 彩色光源的三個基本屬性： ① 發(fā)光強(qiáng)度 ——從光源流出的能量的總量。單位：瓦特 (W) ② 光通量 ——觀察者 從光源感受到的能量。單位：流明 (lm) ③ 亮度 ——光感受的主觀描繪子。單位：不能測量 21 l m m ? 一 公 尺 外 燭 光 的 照 度 光和電磁波譜 sensor 圖像的感知和獲取 簡單的圖像成像模型 圖像系統(tǒng)的線性模型 我們感興趣的各類圖像都是由 “ 照射 ” 源和形成圖像的 “ 場景 ” 元素對光能的反射或吸收相結(jié)合而產(chǎn)生的 。 圖像形成模型 在特定坐標(biāo) (x,y)處，通過傳感器轉(zhuǎn)換獲得的 f值為一正的標(biāo)量。 函數(shù)f(x,y)由： ① 入射到觀察場景的光源總量； ② 場景中物體反射光的總量組成。 0f(x,y)∞ 0i(x,y)∞ 0r(x,y)1 平均反射系數(shù)（ reflectance） 白光強(qiáng)度（ illumination） 灰度（ Intensity） ( , ) ( , ) ( , ) ( 2 . 3 2 )f x y i x y r x y? ? ? 簡單的圖像成像模型 ( , ) 0 ( , ) 1r x y r x y??— — 全 吸 收 — — 全 反 射入射分量 反射分量 單色圖像在任何坐標(biāo) (x0,y0)處的強(qiáng)度為圖像在該處的灰度級 l＝ f(x0,y0),顯然有 ， 可以規(guī)定灰度級范圍為 [0,L1] m a xm i n LlL ?? 獲取圖像的目標(biāo)是從感知的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生數(shù)字圖像 ， 但是傳感器的輸出是連續(xù)的電壓波形 ， 因此需要把連續(xù)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式 。 這一過程由圖像的取樣與量化來完成 。 數(shù)字化坐標(biāo)值稱為 取樣 數(shù)字化幅度值稱為 量化 。 圖像取樣和量化 圖像的 取樣率 ：單位距離的取樣數(shù)目（在兩個空間方向上） 圖像取樣和量化 圖像取樣和量化 AyxfI ??? ),(0AjiI ?? ),(0模擬圖像信號 （ 1）空間采樣 （ 2）灰度級（強(qiáng)度）量化 ],0[ m axLI ? 坐標(biāo)的數(shù)字化稱為 采樣 ，幅度值的數(shù)字化稱為 量化 。 圖像取樣和量化