《數(shù)字圖像處理（第4版）》課件 第02章 圖像處理基本知識(shí)

Slide1第2章圖像處理基本知識(shí)Slide2內(nèi)容提要

人類視覺與色度學(xué)基礎(chǔ)圖像的表示方法基本的圖像處理系統(tǒng)圖像的基本統(tǒng)計(jì)特征MATLAB圖像處理工具箱Photoshop等圖像處理軟件和開發(fā)工具Slide3知識(shí)要點(diǎn)人類顏色視覺和色度學(xué)知識(shí)。灰度圖像和彩色圖像的描述方法，重點(diǎn)討論灰度靜止圖像。典型的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。圖像的基本統(tǒng)計(jì)特征。MATLAB圖像處理工具箱、Photoshop等圖像處理軟件入門初步。Slide42.1

人類視覺與色度學(xué)基礎(chǔ)為什么要研究人類的視覺系統(tǒng)？為了實(shí)現(xiàn)圖像處理系統(tǒng)的有效性和經(jīng)濟(jì)性，圖像信息處理系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與信源和信宿的特性密切相關(guān)。信源可追溯到處理前的原始光學(xué)圖像，信宿最終為處理后圖像信息的接收者－－人類的視覺系統(tǒng)（HumanVisualSystem，HVS）。色度學(xué)人類色覺的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過程。除了光源對(duì)眼睛的刺激，還需要人腦對(duì)光刺激的解釋。人感受到的物體顏色主要取決于反射光的特性。如果物體比較均衡地反射各種光譜，則看起來是白的。如果物體對(duì)某些光譜反射得較多，則看起來物體就呈現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的顏色。色度學(xué)：進(jìn)行圖像的彩色分析，建立的研究彩色計(jì)量的學(xué)科。Slide5Slide6兩種感光細(xì)胞視覺系統(tǒng)中存在著桿狀和錐狀細(xì)胞兩種感光細(xì)胞。桿狀細(xì)胞為暗視器官錐狀細(xì)胞是明視器官，在照度足夠高時(shí)起作用，并能分辨顏色。錐狀細(xì)胞大致將電磁光譜的可見部分分為三個(gè)波段：紅、綠、藍(lán)。這三種顏色被稱為三基色2.1.1人眼的結(jié)構(gòu)與功能眼睛是人類最重要和敏感的感官，也是接受圖像信息的信宿。人類具有視力是來自外界景物的光線、眼睛和大腦共同作用的結(jié)果。人眼看物基于凸透鏡成像原理，角膜、晶狀體的共同作用相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡。視網(wǎng)膜（retina）則相當(dāng)于一個(gè)光屏。人眼將這些視覺形象信息轉(zhuǎn)變成視神經(jīng)（opticnerve）信號(hào)，傳送給大腦。Slide7圖2.1人眼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2.2眼底Slide8視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜感覺層主要含有兩種重要的光感受器細(xì)胞，是接受、轉(zhuǎn)變光刺激的神經(jīng)上皮細(xì)胞：錐狀細(xì)胞：分布于視軸與視網(wǎng)膜交點(diǎn)的黃斑區(qū)內(nèi)，形成中心視力。既能分辨光的強(qiáng)弱，又具有辨色作用。白天的視覺過程主要由它完成，稱為白晝視覺或明視覺。桿狀細(xì)胞：對(duì)低照度的物體產(chǎn)生的弱光敏感，但分辨細(xì)節(jié)的能力差。夜晚的視覺過程主要由桿細(xì)胞來完成，又稱為夜視覺或暗視覺。Slide92.1.2

人類的基本視覺特性錐狀細(xì)胞大致將電磁光譜的可見部分分為三個(gè)波段：紅、綠、藍(lán)。錐狀細(xì)胞中大約：65%對(duì)紅光敏感33%對(duì)綠光敏感只有2%對(duì)藍(lán)光敏感。這三種顏色被稱為：三基色。圖2.3所示為人類視覺系統(tǒng)三類錐狀細(xì)胞的光譜敏感曲線。Slide10Slide11圖2.3人類視覺系統(tǒng)三類錐狀細(xì)胞的光譜敏感曲線Slide12

人類視覺對(duì)顏色的主觀感覺顏色的三種主觀感覺：色調(diào)、色飽和度和亮度。色調(diào)（hue）從一個(gè)物體反射過來的或透過物體的光波長(zhǎng)是由顏色種類來辨別的，如紅、橙、綠。色飽和度（saturation）即色純度，指顏色的深淺例如：深紅和淺紅。亮度（brightness）顏色的明暗程度，從黑到白，主要受光源強(qiáng)弱影響。人眼分辨力人眼分辨景物細(xì)節(jié)的能力可用空間分辨率來描述：以黑白圖案進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)平面上兩個(gè)黑點(diǎn)相互靠近到一定程度d時(shí)，離開一定距離L的觀察者將無法區(qū)分兩個(gè)黑點(diǎn)。這個(gè)極限值一般用視角θ表示。

（2.1）Slide13Slide14

2.1.3三基色原理由三基色混配各種顏色通常有兩種方法：相加混色法。彩色電視機(jī)上的顏色。相減混色法。彩色電影、幻燈片、繪畫原料相加混色和相減混色的主要區(qū)別：（1）相加法是由發(fā)光體發(fā)出的光相加而產(chǎn)生的各種顏色，而相減法是先有白色光，然后從中減去某些成份（吸收）得到各種顏色。（2）相加混色的三基色是紅、綠、藍(lán)，而相減混色的三基色是黃、青、品紅。相加混色的補(bǔ)色就是相減混色的基色。（3）相加混色和相減混色有不同的規(guī)律。Slide15Grassman定律視覺對(duì)顏色的響應(yīng)取決于紅、綠、藍(lán)三輸入量的代數(shù)和。（1）所有顏色都可以用相互獨(dú)立的三基色混合得到；（2）假如三基色的混合比相等，則色調(diào)和色飽和度也相等；（3）任意兩種顏色相混合產(chǎn)生的新顏色與采用三基色分別合成這兩種顏色的各自成份混合起來得到的結(jié)果相等；（4）混合色的光亮度是原來各分量光亮度的總和。Slide16

顏色向量C的計(jì)算CIE的R、G、B顏色表示系統(tǒng)。選擇標(biāo)準(zhǔn)紅色，綠色和藍(lán)色三種單色光作為表色系統(tǒng)的三基色。顏色向量C紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三刺激值所構(gòu)成的（R，G，B）向量的和構(gòu)成。

C=RR0+GG0+BB0

（2.1）R、G、B為C的三刺激值（tristimulusvalues）（R0，G0，B0）稱為原刺激值，是單位向量。Slide17圖2.2顏色的向量表示與光譜三刺激值

（a）顏色的向量表示（b）光譜三刺激值Slide18

2.1.4光度學(xué)基本知識(shí)光度學(xué)光學(xué)中研究光的輻射、吸收、照射、反射、散射、漫射等度量的學(xué)科同時(shí)結(jié)合視覺特征來確定光的度量及吸收的單位。在可見光譜段以外的景物圖像可用類似的方法。可見光譜段以外所形成的圖像，其處理的各個(gè)過程也常常要變換成人眼可以觀察的圖像例如熱成像、X光照片等Slide19光度學(xué)中的基本概念1.光通量2.發(fā)光強(qiáng)度3.視敏度4.亮度亮度是發(fā)光面的明亮程度的度量，它決定于單位面積的發(fā)光強(qiáng)度，單位為cd/m2。5.照度照度指照射在單位面積上的光通量，單位為勒（lx）。Slide202.2連續(xù)圖像的數(shù)學(xué)描述1991年E.H.Adelson提出了七維全光函數(shù)

L(Vx,Vy,Vz,θ,?,λ,t)記錄場(chǎng)景的全部視覺信息）。各個(gè)分量的含義是從觀察者的位置和角度進(jìn)行定義的。其中Vx、Vy、Vz代表視點(diǎn)即觀察者的空間位置，θ、?

代表場(chǎng)景點(diǎn)相對(duì)于視點(diǎn)的角度，λ代表所采集光線的波長(zhǎng)，t代表對(duì)光線進(jìn)行捕獲的時(shí)刻。七維全光函數(shù)包含的數(shù)據(jù)規(guī)模過于龐大，通過引入“計(jì)算”的手段以實(shí)現(xiàn)高維信息的采集與捕獲是計(jì)算攝影學(xué)（ComputationalPhotography）的重要任務(wù)。圖2.6高維場(chǎng)景信息的示意圖Slide213D動(dòng)態(tài)圖像一幅圖像可以被看作是空間各點(diǎn)光強(qiáng)度的集合。對(duì)于三維圖像，可以把光強(qiáng)度I看作是隨空間坐標(biāo)（x,y,z）、光線波長(zhǎng)

和時(shí)間t變化的連續(xù)函數(shù)：

I=f(x,y,z,

,t)(2.3)Slide223D靜態(tài)圖像把三維靜態(tài)彩色圖像光強(qiáng)度I視為隨空間坐標(biāo)(x,y,z)、光線波長(zhǎng)λ的連續(xù)函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

I

=f(x,y,z,λ)

（2.4）此類圖像典型的表現(xiàn)形式是采用激光全息照相技術(shù)拍攝的立體彩色照片。全息照相術(shù)（holography）榮獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Slide232D動(dòng)態(tài)彩色圖像對(duì)于二維圖像而言，可以簡(jiǎn)單地把光強(qiáng)度I視為隨空間坐標(biāo)(x,y)、光線波長(zhǎng)

和時(shí)間t變化的連續(xù)函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

I

=f(x,y,λ,t)

（2.5）應(yīng)用舉例：彩色電影彩色電視手機(jī)視頻Slide24Slide252D灰度圖像如果只考慮光的能量而不考慮其波長(zhǎng)

圖像在視覺上表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)灰色影像：

I=f(x,y,t)

（2.6）靜止灰度圖像：

I=f(x,y)

（2.7）

圖2.7灰度圖像的三維圖示Slide26Slide27連續(xù)圖像=》數(shù)字圖像一般地，一個(gè)完整的圖像處理系統(tǒng)輸入和顯示的都是便于人眼觀察的連續(xù)圖像（模擬圖像）。為便于數(shù)字存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)處理可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D）將連續(xù)圖像變?yōu)閿?shù)字圖像。Slide282.3基本的圖像處理系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)包括圖像處理硬件和圖像處理軟件。1.3.1圖像處理硬件微機(jī)圖像處理硬件系統(tǒng)主要由圖像輸入設(shè)備、圖像運(yùn)算處理設(shè)備（微計(jì)算機(jī)）、圖像存儲(chǔ)器、圖像輸出設(shè)備等組成。軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)、控制軟件及應(yīng)用軟件等。Slide29圖2.8基本的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)Slide30較完整的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：由輸入設(shè)備、成像顯示記錄設(shè)備、數(shù)字圖像處理核心、交互控制單元等組成。1圖像輸入設(shè)備完成將模擬光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成模擬電圖像的過程。數(shù)字化圖像輸入設(shè)備還進(jìn)一步將模擬電圖像進(jìn)行數(shù)字化以便于存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)處理。Slide312.圖像存儲(chǔ)器為了適應(yīng)圖像的大數(shù)據(jù)量要求，輸入圖像、輸出圖像以及中間結(jié)果圖像必須用大容量存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行存儲(chǔ)。3.主機(jī)用于圖像處理的計(jì)算機(jī)。4．顯示器及圖像輸出設(shè)備Slide32圖2.9數(shù)字圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Slide33圖像采集卡、顯示卡、高速圖像處理卡等。（1）圖像采集卡（2）高速圖像處理卡（3）顯示卡Slide34圖2.10基于DSP的高速圖像處理卡結(jié)構(gòu)圖Slide35圖2.11VGA顯卡的原理框圖GPU（GraphicsProcessingUnit）顯卡的一個(gè)核心部件，是區(qū)分顯卡性能的最主要元件。如果是集成顯卡，一般GPU就和CPU集成在一起了，這時(shí)候它和CPU共用一個(gè)風(fēng)扇和緩存。GPU主要是用于大量的并行重復(fù)計(jì)算，其計(jì)算執(zhí)行能力很強(qiáng)。關(guān)于圖像圖形處理以及如機(jī)器學(xué)習(xí)算法等方面的大型矩陣運(yùn)算，GPU就能大顯身手。GPU計(jì)算正在加速著深度學(xué)習(xí)革命。

Slide36Slide372.3.2圖像處理軟件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖2.12圖像處理軟件Slide381.圖像設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序2.操作系統(tǒng)：（1）IBMPC及兼容機(jī)一般使用MicrosoftWindows操作系統(tǒng)。（2）AppleMacintosh機(jī)一般使用MacOSX操作系統(tǒng)。（3）圖形工作站典型使用UNIX或XWINDOWS操作系統(tǒng)。3．圖像處理開發(fā)工具（1）VC++面向?qū)ο罂梢暬晒ぞ撸?）MATLAB的圖像處理工具箱（3）Python圖像處理（4）圖像應(yīng)用軟件：Photoshop、CorelDRAW、ACDSeeSlide392.4圖像的統(tǒng)計(jì)特征

（1）圖像的大?。╯ize）。（2）圖像的灰度平均值（mean）。（3）協(xié)方差矩陣（covariancematrix）。

（2.8）

（2.9）