第2章 圖像、圖像處理系統(tǒng)及視覺系統(tǒng)(第2-1講)

數(shù)字圖像處理基礎第2章圖像、圖像系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)第一部分本章內(nèi)容一、圖像（教材2.1）二、補充內(nèi)容2.1圖像數(shù)字化2.2數(shù)字圖像的顯示2.3色度學基礎與顏色模型（2.5和2.6節(jié)并入）2.4灰度直方圖2.5圖像文件格式2.6圖像的基本運算三、教材2.7-2.11節(jié)2.1圖像

2.1.1、有關光學的預備知識

在討論圖像與視覺系統(tǒng)的過程中，必然要涉及到光學的有關知識。

光學理論中用到的主要術語及計量單位如下：(1)發(fā)光強度

(I)(Intensity)解釋光源發(fā)光的功率稱為發(fā)光強度。其單位主要有如下兩種：燭光功率（CandlePowerCP)：1CP是指標準蠟燭發(fā)出的光。標準蠟燭是用鯨腦油制成，重1/6磅，燃燒率為120格令（1格令＝0.0648克）的蠟燭。

新燭光(Candlecd)：1cd就是“全幅射體”加溫到鉑的熔點（2024oK）時從1平方厘米表面面積上發(fā)出的光的1/60。

“全幅射體”就是某一物質(zhì)加熱到某一溫度時，它發(fā)出的能量分布在整個可見光范圍內(nèi)。理論上的全幅射體就是一個完全黑體，當冷卻后，它將吸收所有入射到它上面的光。在實用中可以認為1cp=1cd。

(2)光通量

(φ)光學中如何定義？

光通量是每秒鐘內(nèi)光流量的度量。其單位是流明(lumen--lm)。流明是指與1cd的光源相距單位距離，并與入射光相垂直的單位面積上每秒鐘流經(jīng)的光流量叫１流明。

(3)照度

(E)(illumination)

入射到某表面的光通量密度稱為該表面的照度。用每單位面積的流明數(shù)來表示。主要單位有如下幾種：公制單位：

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幅透英制單位：英尺-燭光：1英尺--燭光＝1流明／平方英尺一般換算關系如下：

1英尺-燭光=1流明/(英尺)2＝10.76流明／米2＝10.76勒克司(4)反射(5)透射(6)亮度(L)

這個概念用來說明物體表面發(fā)光的量度。光可以由一個面光源直接幅射出來，也可以由入射光照射下的某表面反射出來。亮度對其兩者均適用。

(6)亮度(L)

亮度的衡量有兩種方式（1）以每單位面積上的發(fā)光強度來表示；（2）以每單位面積上的發(fā)出的光通量來表示。光學定義：光源表面上一塊面元在給定方向的發(fā)光強度與面元在垂直于該方向的平面上正交投影面積之比。單位為尼特（坎德拉/米2）2.1.2、圖像的概念：“圖像”一詞在漢語中很難給出一個明確的定義。三個與圖像有關的英語詞，“Picture”、“image”和“Pattern”。“Picture”

畫、圖畫、圖像、圖片、電影等等；“image”

像、圖像、景像、映像、影像、映射等；“Pattern”

模型、式樣、樣本、圖案、圖、圖形等。當用數(shù)學方法描述圖像信息時，通常著重考慮它的點的性質(zhì)。一幅圖像可以被看成是空間各個座標點上強度的集合。它的最普遍的數(shù)學表達式為

(2—1)

其中x,y,z是空間座標，λ是波長，t是時間，I是圖像的強度。

這樣一個表達式可以代表一幅活動的、彩色的、立體圖像。

對于靜止的、平面的、單色的圖像來說其數(shù)學表達式可簡化為下式。

(2—2)

上式說明一幅平面圖像可以用二維亮度函數(shù)來表示。因為光也是能量的一種表現(xiàn)形式，所以：

(2—3)人們所感受到的圖像一般都是由物體反射的光組成的。f(x,y)可以看成由兩個分量組成，一個是入射光量，另一分量是被物體反射的光量，它們可分別被稱為照射分量和反射分量。如果用表示i(x,y)照射分量，用r(x,y)表示反射分量，那么

(2—4)

r(x,y)表示全吸收情況為0，全反射的情況為1。這里i(x,y)由光源的性質(zhì)來確定，而r(x,y)則取決于景物中的物體。

(2—6)

(2—5)i(x,y)

的單位用照度來度量，即勒克斯。i(x,y)一些的典型值：晴朗的日子，太陽在地球表面造成的照度為96840lx；天空有云時，太陽在地球表面造成的照度為10760lx；晴天的夜晚而且是滿月的情況下：地球表面的照度為0.1076lx；一般房間照明充分的室內(nèi)照度大約為1076勒克司；

是反射系數(shù)，其典型物質(zhì)的典型值如下：黑天鵝絨

---0.01；不銹鋼

---0.65；白色墻

---0.80；鍍銀金屬

---0.90；白雪

---0.98；

在數(shù)字圖像處理中經(jīng)常用到監(jiān)視器或電視機，一般黑白或彩色電視機的屏幕亮度大約為80~120新燭光／平方米或80~120尼特左右,最新報道，CRT（陰極攝像管）的亮度已達到500cd/m2,等離子顯示器的亮度已達到1000cd/m2

。

2.1.4、圖像信息的信息量在圖像的統(tǒng)計特征表征中，認為圖像信號是一個隨機信號，用振幅或相位的分布函數(shù)、概率密度函數(shù)以及一系列的相關矩、中心距、功率譜等參數(shù)來表征圖像的特征，建立圖像數(shù)學模型，以便對圖像信息進行有效地分析及處理。

對于一個連續(xù)的圖像信號經(jīng)過編碼后就變成了離散的圖像信息。一幅圖像如果有共q種幅度值，并且出現(xiàn)的概率分別為那么每一種幅值所具有的信息量分別為，等等。2.1.4、圖像信息的信息量（1）、離散的圖像信息的熵

由此，其平均信息量可由下式表示。(2—42)把這個平均信息量叫做熵，記作

如果一個圖像信源能輸出K個獨立的消息，當這些消息出現(xiàn)的概率彼此相等時，那么這個信源的熵最大。例如，一個信源只輸出P和

P-1兩個消息，熵的最大值出現(xiàn)在兩個消息的概率都等于0.5處。（2）、連續(xù)的圖像信息的熵對于離散的圖像信息來說，它只輸出有限個符號。如果輸出的不是有限個而是無限個，那么，這樣的圖像信息叫做連續(xù)圖像信息。對于連續(xù)圖像信息的熵也可以仿照離散圖像信息的熵來計算。如圖2—6所示的連續(xù)信源，把s分成小微分段△S

，這樣，類似于離散信源的熵可導出如下當時，則第二項是由于時，所至。一般忽略掉第二項，連續(xù)的圖像信息源的熵如下式

(2—43)

這里應該注意的是連續(xù)圖像信息的熵并不是絕對熵，而是絕對熵減去一個無限大項。因此，也可以說這是一個相對熵。其中P(s)是概率密度。一個重要概念：對于離散信源來說，消息輸出是等概率時其熵最大。對連續(xù)信源來說最大熵的條件取決于輸出受限情況。當輸出幅值受限的情況下，幅度概率密度是均勻分布時其熵值最大。當輸出功率受限的情況下，則輸出幅度概率密度是高斯分布時其熵值最大。發(fā)光強度定義及歷史變遷1760年，朗伯首創(chuàng)了光度學基本體系，成為光度學的奠基人；1860年，英國率先規(guī)定了發(fā)光強度的單位，即采用一只蠟燭的發(fā)光強度作為單位量，英文名稱candel，中文譯為燭光；1881年，國際電工技術委員會批準燭光為國際標準；定義見教材；1948年，國際上開始推行第一個統(tǒng)一的發(fā)光強度單位，單位改為拉丁文candela，定義見教材；1867年，第13屆計量大會對坎德拉修改為：在101325Pa壓力下，處于鉑凝固點溫度的黑體的1/600000m2表面在垂直方向上的發(fā)光強度。發(fā)光強度定義及歷史變遷1979年，第16屆計量大會通過了新的修改定義，即：坎德拉為一光源在給定方向的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為5401012Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射為1/683W每球面度。新舊定義對比：（1）量值不變；（2）新定義的意義在于建立了坎德拉和光功率單位瓦特之間的聯(lián)系，與人眼的主觀因素無直接關系。光通量輻射能量中用V(λ)折算到能引起人眼光刺激