第2章 視覺感知與圖像的基本概念

第2章視覺感知與圖像的基本概念2本章內(nèi)容簡介視覺感知數(shù)字圖像的概念與描述圖像的數(shù)字化數(shù)字圖像的存儲格式灰度直方圖32.1視覺感知圖像處理的研究需要了解人類視覺機理：人們能夠區(qū)分的光強度差別有多大？我們眼睛的空間清晰度是多少？對運動的感覺如何?我們估計和比較距離和面積的精度是多少？人類特性視覺的光譜是怎樣的?人的視覺中彩色起什么作用？人類是如何獲得視覺感知，如何認知周圍事物的？人們對于自己視覺機構的生物、生理、物理過程的了解，以及神經(jīng)、精神方面的了解還處于低級階段，認識還很不完善，還有很大的局限性。4人眼構造5視桿細胞與視錐細胞視網(wǎng)膜上有桿狀細胞和錐狀細胞兩類視覺接收器；視桿細胞(Rodcell)：細長而薄，數(shù)量上約1.2億個，它們提供暗視(ScotopicVision)，即在低幾個數(shù)量級亮度時的視覺響應，其光靈敏度高。視錐細胞(Conecell)：結構上短而粗，數(shù)量少，約600萬~700萬，光靈敏度較低，它們提供明視(PhotopicVision)，其響應光亮度范圍比視桿細胞要高5～6個數(shù)量級。在中間亮度范圍是兩種視覺細胞同時起作用。視錐體集中分布在視網(wǎng)膜中心。視覺感知視覺感知是視覺的內(nèi)在表象。視覺感知包括兩個不同的感知層次：視覺的低級感知層次視覺的高級感知層次6視覺低級感知層次視覺系統(tǒng)從外界獲取圖像。眼睛視網(wǎng)膜上獲得周圍世界的光學信號，然后視覺接收器發(fā)生光電化學反應（桿狀細胞和錐狀細胞在視網(wǎng)膜上作為視覺接收器），產(chǎn)生視神經(jīng)脈沖，從而將光圖像信息轉化為視網(wǎng)膜的神經(jīng)活動電信息，最后通過視神經(jīng)纖維，把這些圖像信息傳送入大腦，由大腦獲得圖像感知。視覺系統(tǒng)的可視波長范圍為=380nm～780nm;視覺系統(tǒng)的可響應的亮度范圍是:1～10個量級的幅度范圍。78視覺高級感知層次大腦對視神經(jīng)纖維傳送來的圖像信息進行分析和理解，通過圖像獲得對周圍世界感知的信息和知識。人們對大腦的高級感知層次至今知之甚少,仍是生理學、神經(jīng)科學、生物物理學、生物化學研究的重要課題。9視覺和視覺感知“視覺是一個信息處理過程。它能從外部世界的圖像中得到一個即對觀察者有用又不受無關信息干擾的描述?！薄耙曈X感知又是和過去留存于記憶中的同類活動有關，視覺儲積起大量的視覺意象。記憶形象可用于對知覺對象的辨認，解釋和補充?！笔褂嬎銠C具有人類視覺能力，研究人類的視覺感知，模仿人類的視覺感知，是研究工作的重要途徑。10視覺特性視覺特性是視覺的外在表現(xiàn)；圖像是周圍世界的一種映射，對于運動圖像，空間座標x,y,z都是時間t的函數(shù)，若在連續(xù)的不同時間獲取圖像，可以獲得序列圖像對于按不同波段獲取圖像，可獲得彩色圖像或不同波段的圖像信號(如遙感圖像,醫(yī)學圖像等)。對于按不同視角，即不同的x,y,z間相互關系，可以得到不同視角的不同圖像。因此，視覺特性包括有視覺對光強，對各種波長、彩色的光譜效應，對物體邊緣等空間頻率變化的響應，以及視覺對時間瞬時變化運動的響應。11相對視敏函數(shù)人眼對不同波長的光有不同的敏感度，不同波長而幅射功率相同的光不僅給人以不同的色彩感覺，而且亮度感覺也不同。視敏函數(shù)：描述人眼視敏特性的物理量為視敏函數(shù)和相對視敏函數(shù)。在相同亮度感覺的條件下，不同波長光輻射功率的倒數(shù)用來衡量人眼對各波長光明亮感覺的敏感程度。對于人眼，是鐘形曲線。相對視敏曲線視桿細胞和視錐細胞的相對視敏曲線有所不同，對視錐細胞情況，在=555nm時綠光亮度最敏感，對視桿細胞暗視情況,則=505nm時綠光最敏感。

1213對比靈敏度在均勻照度背景I上，有一照度為I+△I的光斑，稱眼睛剛好能分辨出的照度差△I與I的比（△I/I）為對比靈敏度；由于背景亮度I增大，△I也需要增大，因此在相當寬的強度范圍內(nèi)，對比靈敏度是一個常數(shù)，約等于0.02，這個比值稱為韋伯比（Weber比）。亮度很強（弱）時不為常數(shù)。14同時對比度在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同，人眼所感受到的主觀亮度不同，這種效應稱為同時對比度。由于同時對比是由亮度差別引起的，故也稱為亮度對比。相對應的還有色度對比。

馬赫帶Mach在1865年討論了“Mach帶”現(xiàn)象“Mach帶”一條有均勻黑的區(qū)域和均勻白的區(qū)域每級階躍的灰度差相同“Mach帶”，人們在觀察現(xiàn)象：每個條帶內(nèi)灰度是不均勻的每級階梯的右邊比左邊更暗15人類視覺感知能力的特點人類視覺系統(tǒng)在對物體的識別上有特殊強大的功能；但在對灰度、距離和面積的絕對的估計上卻有某些欠缺；以傳感器單元的數(shù)目比較：視網(wǎng)膜包含接近1.3億個光接收器，這極大的大于CCD片上的傳感器單元數(shù)；和它每次執(zhí)行運算的數(shù)目比較：和計算機的時鐘頻率相比，神經(jīng)處理單元的開關時間將比之大約慢倍；不論這慢的定時和大量的接收器，人類的視覺系統(tǒng)是比計算機視覺系統(tǒng)要強大得多。它能實時分析復雜的景物以使我們能即時的反應。172.2數(shù)字圖像的概念與描述所謂的數(shù)字圖像的描述是指如何用一個數(shù)值方式來表示一個圖像。數(shù)字圖像是圖像的數(shù)字表示，像素是其最小的單位?？梢杂镁仃噥砻枋鰯?shù)字圖像。描述數(shù)字圖像的矩陣目前采用的是整數(shù)陣，即每個像素的亮暗，用一個整數(shù)來表示。18數(shù)字圖像的概念與描述

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圖像的坐標系矩陣是按照行列的順序來定位數(shù)據(jù)的，但是圖像是在平面上定位數(shù)據(jù)的，所以有一個坐標系定義上的特殊性。為了實現(xiàn)方便起見，這里以矩陣坐標系來定義圖像的坐標。行（i）列（j）矩陣A(i,j)矩陣坐標系X軸（i）Y軸（j）圖像f(i,j)直角坐標系19數(shù)字圖像的概念與描述

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黑白圖像黑白圖像是指圖像的每個像素只能是黑或者白，沒有中間的過渡，故又稱為２值圖像。2值圖像的像素值為0、1。20數(shù)字圖像的概念與描述

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灰度圖像灰度圖像是指每個像素的信息由一個量化的灰度級來描述的圖像，沒有彩色信息。21數(shù)字圖像的概念與描述

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彩色圖像彩色圖像是指每個像素的信息由RGB三原色構成的圖像，其中RGB是由不同的灰度級來描述的。彩色圖像不能用一個矩陣來描述了，一般是用三個矩陣同時來描述。222.3圖像的數(shù)字化我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降膱D像一般是連續(xù)形式的模擬圖像，可由一個二維連續(xù)函數(shù)f(x,y)來描述。其中：

(x,y)是圖像平面上任意一個二維坐標點，f(x,y)則是該點顏色的深淺。數(shù)字圖像處理的一個先決條件就是將連續(xù)圖像經(jīng)采樣、量（離散）化，轉換為數(shù)字圖像。23圖像的數(shù)字化數(shù)字化的過程也稱為A/D轉換：是將光電傳感器產(chǎn)生的模擬量轉換為數(shù)字量，以便計算機處理；轉換過程：采樣、量化、編碼；轉換精度：ADC位數(shù)；轉換速度：采樣速率；量化誤差。24圖像的數(shù)字化經(jīng)數(shù)字化的圖像方可用計算機來處理。圖像f(x,y)必須在空間上和在顏色深淺的幅度上都進行數(shù)字化：空間坐標(x,y)的數(shù)字化被稱為圖像采樣；顏色深淺幅度的數(shù)字化被稱為灰度級量化。25圖像的數(shù)字化

——采樣間隔采樣時的注意點是：采樣間隔的選取。采樣間隔太小，則增大數(shù)據(jù)量；采樣間隔太大，則會發(fā)生信息的混疊，導致細節(jié)無法辨認。26圖像的數(shù)字化

——采樣指標分辨率分辨率

是指映射到圖像平面上的單個像素的景物元素的尺寸。單位：像素/英寸，像素/厘米

（如：三星智能手機GALAXYS4顯示屏為441ppi）

分辨率

或者是指要精確測量和再現(xiàn)一定尺寸的圖像所必需的像素個數(shù)。

單位：像素×像素

（如：數(shù)碼相機指標1210萬像素（4000×3000））27圖像的數(shù)字化

——量化概念量化是將各個像素所含的明暗信息離散化后，用數(shù)字來表示。一般的量化值為整數(shù)。充分考慮到人眼的識別能力之后，目前非特殊用途的圖像均為8bit量化，即采用0~255的整數(shù)來描述“從黑到白”。在3bit以下的量化，會出現(xiàn)偽輪廓現(xiàn)象。28圖像的數(shù)字化

——量化方法量化可分為均勻量化和非均勻量化。均勻量化是簡單地在灰度范圍內(nèi)等間隔量化。非均勻量化是對像素出現(xiàn)頻度少的部分量化間隔取大，而對出現(xiàn)頻度大的部分量化間隔取小。

一般情況下，對灰度變化比較平緩的部分用比較多的量化級。29圖像質量的確定數(shù)字化時，關鍵是要決定：采樣點數(shù)M×N

（行和列）量化級別G

（灰度級數(shù)）為了便于處理，采樣點數(shù)N與量化級別G都為2的冪次方，即M=2m，N=2n

，G=2k

（m，n，k均為正整數(shù)）。記錄一幅圖像所需的字節(jié)（byte）B可由下式計算：

B＝M×N×k÷8實際上：M、N一般取64、128、256、640、1024、1240等值；k一般取1、4、8、16、24、32等值。一般地說，圖像質量隨M、N和k的增加而增高。30采樣傳感器采樣傳感器CCD(ChargeCoupleDevice)：電荷耦合器件；CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)：互補性金屬氧化物半導體。31CCDCC