第章 圖像基礎(chǔ)知識(shí)

2023/7/2GraphicsLab.PKU1第3章圖像和視覺(jué)基礎(chǔ)輸入、輸出設(shè)備成像變換和坐標(biāo)變換像素間聯(lián)系算術(shù)和邏輯運(yùn)算2023/7/2GraphicsLab.PKU2圖像輸出是指將由0、1組成的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為可視圖像輸出設(shè)備1輸入、輸出設(shè)備2023/7/2GraphicsLab.PKU3圖像輸出包括圖像的顯示和圖像的繪制圖像顯示指的是在屏幕上輸出圖像圖像繪制通常指把圖像畫(huà)在紙上，也稱硬拷貝，打印機(jī)和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設(shè)備圖像輸出設(shè)備有：顯示器、陰極射線管（CRT）、打印機(jī)和繪圖儀等。2023/7/2GraphicsLab.PKU4（1）液晶顯示器2023/7/2GraphicsLab.PKU5液晶顯示器的組成液晶顯示器LCD(LiquidCrystalDisplay)是由六層薄板組成的平板式顯示器反射層水平極板水平網(wǎng)格線液晶層垂直網(wǎng)格線垂直極板觀察方向2023/7/2GraphicsLab.PKU6液晶顯示器基本原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)通過(guò)它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩2023/7/2GraphicsLab.PKU7

組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速結(jié)構(gòu)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏（2）陰極射線管（CRT-CathodeRayTube)2023/7/2GraphicsLab.PKU8（3）噴墨打印機(jī)2023/7/2GraphicsLab.PKU9（4）激光打印機(jī)20載23詠/6骨/2耕7Gr潮ap閉hi甲cs形L嗽ab嬌.P緒KU10（5）靜李電繪未圖儀20坐23偵/6轉(zhuǎn)/2喉7Gr鉤ap類hi電cs領(lǐng)L嘗ab渠.P命KU11半調(diào)乒輸出甜技術(shù)是利桐用人雪眼的鼠集成喬特性薄，對(duì)究每個(gè)些像素盤(pán)位置構(gòu)，在顫亮的純區(qū)域欄打印腥的點(diǎn)貢小，胳而在能暗的蔬區(qū)域叉打印搭的點(diǎn)刊大。捉當(dāng)點(diǎn)友足夠弊小，環(huán)觀察劍距離萌足夠養(yǎng)遠(yuǎn)時(shí)議，人恩眼就士不容鞏易分陵開(kāi)各瞇個(gè)小固點(diǎn)，玻而得伍到比稼較連贈(zèng)續(xù)平庸滑的怖灰度直圖像嘆。通過(guò)藥減少羞圖像代的空艘間分疫辨率君來(lái)增稀加圖假像的獵幅度您分辨奧率。打印樂(lè)機(jī)和撥繪圖燒儀采痛用的累圖像站輸出施技術(shù)20啦23曉/6溪/2宵7Gr脹ap腳hi捐cs浴L紐奉ab伐.P城KU12圖像萬(wàn)輸入是指趙將現(xiàn)厚實(shí)世芳界中兄的可乞視圖壩像轉(zhuǎn)喝化為量計(jì)算料機(jī)能弦識(shí)別燃的由0、1組成躲的數(shù)孔字圖沈像，鋸這一叔過(guò)程鑒可理隔解為煎圖像滿的數(shù)坊字化輸入旱設(shè)備圖像企輸入附設(shè)備翠：數(shù)碼同相機(jī)派、數(shù)畜碼攝短像機(jī)生、掃位描儀島等。數(shù)碼傾相機(jī)宏、數(shù)藍(lán)碼攝魚(yú)像機(jī)有一非個(gè)鏡煤頭，粉能數(shù)病字化喚任一墾呈現(xiàn)跨給它問(wèn)的物有體（感包括弟實(shí)物捎和照臉片）掃描通儀僅能鈔數(shù)字孤化已逝有的堡模擬次圖像20赴23逝/6正/2階7Gr酒ap訂hi宅cs寬L喘ab寒.P杯KU131、棋數(shù)汽碼相越機(jī)20錄23左/6撿/2典7Gr催ap甚hi喬cs及L我ab矩.P即KU14將景獵物捕雁捉到糊一個(gè)宋專用示的半唱導(dǎo)體殺芯片晉(CC評(píng)D芯片糟)，院然后補(bǔ)立即衡轉(zhuǎn)換綠為數(shù)港字圖瞇像，芒并用鄉(xiāng)豐數(shù)字?jǐn)偸降陌何募畋４媛蛊饋?lái)數(shù)碼船相機(jī)國(guó)工作摟原理拔：CCDRISC處理器幀存儲(chǔ)體閃存卡LCD屏幕鏡頭20亂23賊/6天/2崇7Gr越ap用hi聞cs兼L涼ab伸.P劍KU152、視攝像棟?rùn)C(jī)20政23婚/6漿/2參7Gr綢ap熟hi匯cs止L妖ab園.P曬KU16CC誘D攝像哀機(jī)的見(jiàn)核心雕部件寇是CC壓D器件句，它芝是由趕半導(dǎo)揪體器冊(cè)件組呼成一慮個(gè)面傾陣單師元，乖每個(gè)忽半導(dǎo)存體器重件能耽夠存藍(lán)儲(chǔ)隨硬景物次變化吵而感熔受到材的信叮號(hào)的族電荷開(kāi)量，糾并能河夠在加控制庭信號(hào)籃的作捎用下濕，將民存儲(chǔ)覺(jué)的電蛇荷量伏按一片定順兔序輸輕出，進(jìn)形成漲電視盆信號(hào)CC弱D攝像第機(jī)的疤基本宰原理蜓：20容23戶/6朗/2染7Gr退ap盜hi海cs譽(yù)L姿ab疲.P祥KU173、攀掃精描儀20笛23伍/6兔/2融7Gr保ap腳hi殿cs舟L趴ab抓.P安KU18掃描體儀工喪作原蝕理：原稿長(zhǎng)光管光源鏡頭CCDA/D圖像處理控制部分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)完成悔光電雹轉(zhuǎn)換創(chuàng)，形血成模狐擬圖栽像逐行積移動(dòng)啄掃描模擬秋圖像何轉(zhuǎn)為撕數(shù)字蓄圖像y,y’,Yx,x’,Xz,Zo(x,y)=(x’,y’)(X,Y,Z)鏡頭中心2成像偽變換嶄和坐項(xiàng)標(biāo)變館換成像死過(guò)程討涉及逮三個(gè)階坐標(biāo)湯系統(tǒng)切：世界保坐標(biāo)之系統(tǒng)XY松Z攝像奧機(jī)坐灑標(biāo)系孤統(tǒng)xy悟z圖像凍平面宜坐標(biāo)既系統(tǒng)x’y’成像脖變換根據(jù)施相似冊(cè)三角廚形，酷空間織點(diǎn)(X獲,Y吉,Z驢)所對(duì)漿應(yīng)的劑圖像碑平面王中的怕點(diǎn)(x溫,y緩)之間守的關(guān)懷系如脈下：{x=X/(-Z)y=Y/(-Z)y,y’,Yx,x’,Xz,Zo(x,y)=(x’,y’)(X,Y,Z)空間險(xiǎn)點(diǎn)(X境,Y累,Z某)所對(duì)按應(yīng)的嫩攝像悄機(jī)坐笨標(biāo)系眨統(tǒng)中嫁的點(diǎn)(x絞,y委,z省)之間坊的關(guān)今系如只下：x=X/(-Z)y=Y/(-Z)z=Z/(-Z)用于搞改變雁圖像熔中物培體的鑰空間盲位置果關(guān)系犬，包貪括圖厘像的浴平移狂、縮便放、聯(lián)旋轉(zhuǎn)策等坐標(biāo)駝變換1、圖攤像的虛平移圖像平移迷就是擾將圖像竿中的真所有親點(diǎn)按儲(chǔ)照給做定的平移偽量水平鑼、垂炊直移裕動(dòng)，圖像平移絹只改勸變圖像的位練置，嘗不改功變圖像的大鍛小和撲形狀設(shè)(x慎0,暮y0腸)為原怖圖像用上的澡一點(diǎn)袍，圖或像水澇平平總移量牧為tx，垂延直平染移量池為ty，則醫(yī)平移陽(yáng)后點(diǎn)(x珍0,被y0冒)的坐閉標(biāo)將雀變?yōu)?x壤1,瓦y1貢)txty(x0,y0)(x1,y1)(x0,y0)和(x1,y1)的關(guān)系如下：

x1=x0+txy1=y0+ty{=x1y110tx01ty001x0y01

其逆運(yùn)算為：

x0=x1-txy0=y1-ty{=x0y010-tx01-ty001x1y11記為矩陣T記為矩陣T-1假設(shè)合圖像鼠在x軸方典向縮狹放比炎例為Sx，y軸方糞向縮哀放比臣例為Sy，那呢么原伙圖像滅中的儲(chǔ)點(diǎn)(x勾0,琴y0德)所對(duì)仗應(yīng)的晴新圖術(shù)像中摟的點(diǎn)(x花1,蜻y1扣)之間規(guī)的關(guān)董系如慶下：=x1y11Sx000Sy0001x0y012、圖荷像的潑縮放{x1=Sx*x0y1=Sy*y0注:參數(shù)Sx、Sy>1時(shí),圖像劇放大,參數(shù)Sx、Sy<1時(shí),圖像恢縮小其逆麻運(yùn)算您為：{x0=x1/Sxy0=y1/Sy=x0y011/Sx0001/Sy0001x1y11記為矩陣S記為矩陣S-1Sx=1.5Sy=1.5Sx=0.5Sy=0.53、圖仁像的連鏡像水平騙鏡像驢：=x1y11-100010001x0y01{x1=-x0y1=y0垂直目鏡像依：=x1y111000-10001x0y01{x1=x0y1=-y0旋轉(zhuǎn)密前:旋轉(zhuǎn)藏后:(為順偶時(shí)針?lè)坌D(zhuǎn))其逆社運(yùn)算學(xué)為：4、圖員像的丈旋轉(zhuǎn)x0y0rcos

rsin

=ìí=?x1=rcos(-)=rcoscos+rsinsin=x0cos+y0siny1=rsin(-)=rsincos-rcossin=-x0sin+y0cosθ(x1,y1)(x0,y0)αr=cossin0-sincos0001x0y01x1y11x0=x1cos-y1siny0=x1sin+y1cos=cos-sin0sincos0001x1y11x0y01記為矩陣R-1記為矩陣R順時(shí)裁針轉(zhuǎn)45O5、圖杰像的淡轉(zhuǎn)置圖像換的轉(zhuǎn)紹置是削將圖承像的節(jié)ｘ坐舌標(biāo)和參ｙ坐承標(biāo)互拳換：=x1y11010100001x0y01{x1=y0y1=x0復(fù)合途變換呈又稱廚級(jí)聯(lián)俗變換趨，指點(diǎn)對(duì)圖禿形做飄一次與以上杰的幾萍何變鄰換。6、復(fù)炮合變悔換解:設(shè)點(diǎn)(x架,y套)為線申段上貓的任茄意一革點(diǎn),章1.設(shè)點(diǎn)(x閘′,艱y′痛)為點(diǎn)(x舉,y酬)放大預(yù)后的拴坐標(biāo),則:yx(x,y)yx(x′,y′)yx(x′′,y′′)tx例:對(duì)一肉線段舞先放劉大2倍(即Sx倆=S脅y=宣2)，再穗平移tx狗=1掉0,攀ty芝=0。=Sx’y’1xy1200020001=xy1=2x2y1解:萌2.設(shè)點(diǎn)(x坦′′息,y戲′′勉)為點(diǎn)(x懶′,睛y′晚)經(jīng)平情移后甜的坐妖標(biāo),則：如果析對(duì)一祥線段竄先平院移tx吃=1詢0,趁ty芝=0四,再放哭大2倍(即Sx藥=S茶y=跪2)。護(hù)則：=Tx’’y’’1x’y’1=TS

xy1=10100100012x+102y12x2y1==Sx’’y’’1x’y’1=ST

xy1=200020001x+10y1xy1=1010010001200020001=2x+202y13圖像達(dá)像素?cái)囬g聯(lián)頑系一幅朱二維煮圖像粥可以依用二糧元函依數(shù)f(躺x,乎y)來(lái)表靜示，其中(x融,y駐)表示2-節(jié)D空間堪中一災(zāi)個(gè)坐冤標(biāo)點(diǎn)屯的位蠢置,f代表矮圖像蒜在點(diǎn)(x形,y貞)的某毀種性班質(zhì)。圖像欠中每段個(gè)基稍本單對(duì)元稱魔為像眉素(p吐ix倒el著)，一衰幅圖初像的展分辨彈率與號(hào)其像弓素個(gè)斥數(shù)成傾正比至。3圖像什像素跡間聯(lián)癥系圖像狡中的胳像素育是按猛某種痕規(guī)律佩排列返的，敏像素叼之間換的關(guān)擔(dān)系與灰其鄰銳近像曾素組軟成的拿鄰域摘有關(guān)像素彼的鄰?fù)┯蚨x好4鐵－鄰持域設(shè)像舟素p的坐習(xí)標(biāo)為販(x,黨y)紫，它有啊4個(gè)英水平座和垂遲直的勿鄰近嫩像素嶼，坐鬧標(biāo)分唉別為惱(x+盞1,屈y)墊,(x-逢1,渠y)給,(x,挎y+企1)咱,(x,酒y-丈1)抵。這4久個(gè)像身素組知成p的4念－鄰撐域，派記為N4(p附)。定義對(duì)角煩鄰域像素p的4圾個(gè)對(duì)糖角鄰并近像協(xié)素，嘩坐標(biāo)換分別鐵為(x+奴1,襲y+腎1)抵,(x+遠(yuǎn)1,區(qū)y-孤1)認(rèn),(x-俱1,斑y+肺1)財(cái),(x-塑1,綱y-圓1)另。這4炮個(gè)像默素組撒成p的對(duì)角頸鄰域，記莫為ND(p夫)。定義8－錄鄰域像素p的4敏個(gè)4－協(xié)鄰域加上炊4個(gè)對(duì)角嘆鄰域合起海來(lái)組掛成p的8－臭鄰域，記伴為N8(p腿)。距離立是描儀述像奪素之距間關(guān)鑼系的漁重要蠻幾何缺參數(shù)籮.像素港的距臟離距離飯量度訴函數(shù)設(shè)3緒個(gè)像袍素p,喜q,忙r的坐孤標(biāo)分嘗別為禍(x,也y)鞋,(s,蘆t)遵,(u,緩v)座，如果餃滿足鏈下面擺條件皇，則汁稱函督數(shù)D為距礎(chǔ)離量養(yǎng)度函側(cè)數(shù)。1.D(松p,顯q)圈>=鵝0置(當(dāng)且直僅當(dāng)p橡=么q時(shí)，D(稍p,絞q)濟(jì)＝0痕)；D(嘉p,旗q)堅(jiān)＝親D(盛q,沫p)釘；3.皇D(茅p,騎r)內(nèi)<=亭D構(gòu)(p畫(huà),q怖)摟+耗D(主q,教r)廢.歐氏宇距離熔：城區(qū)侮距離瀉：棋盤(pán)舒距離區(qū)：設(shè)p1(x1,y1),p2(x2,y2)為圖后像中權(quán)的兩行像素爽，則產(chǎn)幾種猶常用點(diǎn)的距壁離定虛義為嫁：(c)棋盤(pán)牲距離不同增的距哨離定妖義，散其描妄述的守區(qū)域終形狀煌也不贈(zèng)同。(a)歐氏都距離(b)城區(qū)升距離加法懼運(yùn)算減法外運(yùn)算乘法正運(yùn)算除法畝運(yùn)算4圖像肝間算抖術(shù)和張邏輯屠運(yùn)算算術(shù)拍運(yùn)算加法飛運(yùn)算耕的定賞義C(灣x,策y)可=智A濃(x瀉,y鉛)賺+傅B(態(tài)x,標(biāo)y)主要擴(kuò)應(yīng)用隸舉例減少迎在圖鼻象采旱集中武產(chǎn)生物的噪遼音生成直圖象星疊加崖效果加法競(jìng)運(yùn)算減少蝴在圖識(shí)象采毛集中乘產(chǎn)生認(rèn)的噪儉聲對(duì)于呼原圖棟象f(帶x,僻y)纖,有一滿個(gè)噪畝聲圖象越集{gi(x只,y副)煎}觀i喊=泛1,肯2,郊..酷.M其中忽：gi(x荷,y爛)趁=攤f(英x,孤y)譽(yù)+雙ei(x渾,y竄)M個(gè)圖都象的途均值跌定義撕為：?(x鼻,y珍)捉=陣[殖g0(x蹦,y噴)+娘g1(x述,y障)+懼…+延gM(x剪,y百)]嬸/供M當(dāng)：評(píng)噪聲ei(x險(xiǎn),y兩)為互湊不相稿關(guān)，謝且均咱值為初0時(shí)它，上弊述圖晝象均帆值將煮降低倒噪聲果的影低響。設(shè)有灰一幅莖混入敏噪聲溜的圖穿象g(臣x,擠y)籍：g(搜x,飼y)坦=瓣f單(x叛,y需)駱+坡e(尋x,妄y)其中典：f(桌x,咸y)為原肌圖象大，e(嗽x,沈y)為噪釋聲圖償象對(duì)于養(yǎng)兩個(gè)光圖象f(恥x,洪y)和h(答x,韻y)的均械值：g(顏x,印y)碑=杜[丟f(漲x,舅y)橡+寒h駛(x們,y居)]宅/2會(huì)得熟到二混次暴伯光的勢(shì)效果物。生成櫻圖象戒疊加頃效果推廣保這個(gè)掌公式殃為：g(滴x,慣y)候=αf(槍x,誕y)作+βh(魯x,罵y)其中α+累β=煮1我們約可以推得到休各種滴圖象暢合成忌的效黃果，濟(jì)也可突以用愁于兩延張圖譽(yù)片的罩銜接+減法禮的定欠義C(唇x,辛y)享=英A首(x桐,y塔)將-笨B(察x,恥y)主要顏應(yīng)用椅舉例去除血不需顆要的邪疊加挖性圖峽案檢測(cè)米同一吃場(chǎng)景乘兩幅掉圖象含之間相的變累化減法峽運(yùn)算設(shè)：路背景獄圖象b(項(xiàng)x,圍y)錄，前景客背景蜓混合演圖象f(升x,沙y)g(堅(jiān)x,晚y)門(mén)=闊f頭(x糞,y陸)影–鎖b(腔x,口y)g(宏x,姨y)為去卸除了汽背景材的圖咸象。去除答不需壇要的稻疊加聯(lián)性圖采案-設(shè)：塌時(shí)況間1他的圖桐象為