最新图像处理(第二章)幻灯片.ppt

l一：视觉基础一：视觉基础l二：成象基础二：成象基础l三：图像基础三：图像基础l1.人眼与亮度视觉人眼与亮度视觉l2.颜色视觉颜色视觉l两个事实可以表明人所感觉到的亮度不是光强度的简单函数。l1 基于视觉系统趋向于过高或过低估计不同亮度区域边界值的现象。马赫带：人们在明暗变化的边界上常常在亮区看到一条更亮的光带，而在暗区看到一条更暗的线条 成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l2同时对比度现象视觉对比：光刺激在空间上的分布不同引起的视觉经验 明暗对比：某个物体反射的光量相同时，由于周围物体的明度不同，可 以产生不同的明度经验颜色对比：物体颜色受周围颜色影响朝向它们补色的方向变化 成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础例题例题 马赫带效应马赫带效应和和同时对比度同时对比度反映了什么共反映了什么共同问题？同问题？答：它们都反映了人类视觉所感知的主观亮度答：它们都反映了人类视觉所感知的主观亮度并不是物体表面照度的简单函数。并不是物体表面照度的简单函数。1、颜色基础颜色基础 2、颜色模型、颜色模型成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l3基本颜色：红（R,red）,绿（G,green）, 蓝（B,blue）l波长：R700nm G546.1nm,B435.8nml3补色：品红，蓝绿，黄成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l3个基本特性量：辉度、色调、饱和度；l辉度：与物体的反射率成正比（主观亮度）；l色调：与混合光谱中主要光波长相关联；l饱和度：与一定色调的的纯度有关，纯光的谱色是完全饱和的；l色度：色调和饱和度合起来称为色度；l颜色可用辉度和色度共同表示；l 色系数成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础1zyxZYXZzZYXYyZYXXxx:红色色系数; X:红色刺激量y:绿色色系数； Y:绿色刺激量z:蓝色色系数； Z:蓝色刺激量成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l色度图:1931年CIE制定成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础1、RGB模型（ R：红，G：绿，B：蓝）2、HSI模型（ H：色调，S：饱和度，I：密度）3、RGB转换到HSI4、HSI 转换到RGB成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础（1）RGB模型成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础（2）HSI模型特点：1、I分量与图像的彩色信息无关 2、H和S与颜色有关成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础（3）RGB转换到HSI2/12)()(2/)()(arccos),(min()(31)(31BGBRGRBRGRHBGRBGRSBGRI成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础（4） HSI 转换到RGB当H在（00，1200）之间)(3)60cos(cos1)1 (0RBIGHHSIRSIB成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础（4） HSI 转换到RGB当H在（1200，2400）之间)(3)180cos()120cos(1)1 (00GRIBHHSIGSIR成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础（4） HSI 转换到RGB当H在（2400，3600）之间)(3)300cos()240cos(1)1 (00GBIRHHSIBSIG成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础RGB与HIS的转换成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础RGB与HIS的转换成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l一：视觉基础一：视觉基础l二：成象基础二：成象基础l三：图像基础三：图像基础l1.人眼与亮度视觉人眼与亮度视觉l2.颜色视觉颜色视觉l一：视觉基础一：视觉基础l二：成象基础二：成象基础l三：图像基础三：图像基础l1.光度学和成象模型光度学和成象模型l2.成象变换成象变换l3.采样和量化采样和量化成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l光度学：具体研究光的强度的学科光度学：具体研究光的强度的学科l光强度：点光源沿某个方向光强度：点光源沿某个方向r的发光强度的发光强度I定义为沿此方向上单位立体角定义为沿此方向上单位立体角内发出的内发出的光通量。如下图示。其中立体角的单位为。如下图示。其中立体角的单位为sr。如果我们以。如果我们以r为为轴取轴取1个立体角元个立体角元d。设。设d内的光通量为内的光通量为d，则沿，则沿r方向的方向的发光强度为为. 单位为单位为cd（坎），（坎），1cd=1lm/srddI成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l亮度亮度B:面元面元dS沿沿r方向的亮度方向的亮度B定义为在此方向上单位的发光强度或光定义为在此方向上单位的发光强度或光通量：通量：l亮度的单位为亮度的单位为cd/m2（坎每平方米）。（坎每平方米）。l照度：面元照度：面元dS上的光通量上的光通量d。 l照度单位为照度单位为1 x（勒）（勒）cosddcosdSdSdIdSdIBSEdd成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l成象模型成象模型f(x,y)-图像在坐标点（x,y） 的亮度i(x,y)-照度成分r(x,y)-反射成分 f(x,y)i(x,y)r(x,y) 其中 ：0 i(x,y) 0 r(x,y)1成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l图象采集中需要将图象采集中需要将3-D客观场景客观场景投影投影到到2-D图象平面。这个图象平面。这个投影投影可用可用几何透视变换几何透视变换（也称为（也称为成象变换成象变换）描述，下图给）描述，下图给出一个成象过程的几何模型示意图，出一个成象过程的几何模型示意图，成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l根据此图能够得到根据此图能够得到3-D投影后的图象平面坐标投影后的图象平面坐标：ZYyZXx,这里（X,Y,Z)表示3D空间中任意点的世界坐标 (x,y)表示3D 点投影后的图像平面2-D坐标注意：它们还可以表示成线性矩阵的形式成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l图象尺寸图象尺寸M，N和每个象素所具有的离散灰度级数和每个象素所具有的离散灰度级数G为：为： M=2m N=2n G=2k图象空间分辨率变化所产生的效果图（a）为1幅512512，256级灰度的图象，其余各图依次为保持灰度级数不变而将原图空间分辨率在横竖两个方向逐次减半所的结果。成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础图象幅度分辨率变化所产生的效果 图(a)为1幅512512，256级灰度的图象，其余各图依次为保持空间分辨率不变而将灰度级数逐次减小为64，16，8，4，2所得的结果例例 题题 波特率波特率(band rate)是一种常用的离散数据是一种常用的离散数据传输度量。当采用二进制时，它等于每秒所传输传输度量。当采用二进制时，它等于每秒所传输的比特数。现设每次先传输的比特数。现设每次先传输1个个起始比特，再传起始比特，再传输输8个个比特的信息，最后传输比特的信息，最后传输1个个终止比特，试计终止比特，试计算算(1)以以9600波特波特传输传输1幅幅256256、256灰度级的灰度级的图像所需的时间；图像所需的时间；(2)以以38400波特波特传输传输1幅幅10241024、16777216色的真彩色图像所需的时间。色的真彩色图像所需的时间。 l非均匀的图像的非均匀的图像的采样采样 在灰度级变化在灰度级变化尖锐尖锐的区域，用细腻的采样，在的区域，用细腻的采样，在灰度级比较灰度级比较平滑平滑的区域，用粗糙的采样的区域，用粗糙的采样成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l非均匀的图像的非均匀的图像的量化量化 在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区域灰度级变化比较平滑的区域 避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现象滑的区域出现假轮廓的现象f思考题思考题数字化图像的数据量与哪些因素有关？数字化图像的数据量与哪些因素有关？l一：视觉基础一：视觉基础l二：成象基础二：成象基础l三：图像基础三：图像基础l1.光度学和成象模型光度学和成象模型l2.成象变换成象变换l3.采样和量化采样和量化l一：视觉基础一：视觉基础l二：成象基础二：成象基础l三：图像基础三：图像基础l1.象素间联系象素间联系l2.图像运算图像运算l3.坐标变换坐标变换成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础1、象素的邻域象素的邻域2、连通性连通性3、等价关系和传递闭包等价关系和传递闭包4、距离量度、距离量度成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l4邻域邻域l8邻域邻域成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l4 连接连接l8 连接连接lm连接连接成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l等价关系等价关系:满足满足 以下以下3个性质的关系称为等价关系个性质的关系称为等价关系定义在集合A上的（二元）关系R可具有如下性质：（1）反射性：即对A中每个a,aRa成立；（2）对称性：即对A中每个a和b,如果aRa成立，则bRa 也成立；（3）传递性：即对A中每个a，b和c,如果aRb成立，bRc成立,则aRc 也成立；a R b,表示a与b相连成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础:包含传递性的隐含关系的集合称为包含传递性的隐含关系的集合称为R的的传递闭包，记为传递闭包，记为R+例如，从R=(a,a),(a,b),(b,d),(d,b),(c,e)可得如下的矩阵B： 则：R+= (a,a),(a,b),(a,d),(b,b),(b,d) ,(d,b),(d,d),(c,e) ,0000000010100000100000011B0000001010100000101000011BB+可如下计算：B+=B+BB+BBB+(B) nl一：视觉基础一：视觉基础l二：成象基础二：成象基础l三：图像基础三：图像基础l1.象素间联系象素间联系l2.图像运算图像运算l3.坐标变换坐标变换成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础1、算术运算2、逻辑运算成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l加法l减法l乘法l除法l加法运算的定义加法运算的定义C(x,y) = A(x,y) + B(x,y)l主要应用举例主要应用举例去除去除“叠加性叠加性”噪音噪音生成图象叠加效果生成图象叠加效果成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l去除去除“叠加性叠加性”噪音噪音 对于原图象对于原图象f(x,y),有一个噪音有一个噪音图象集图象集 gi(x,y) i =1,2,.M其中：其中：gi(x,y) = f(x,y) + h(x,y)iM个图象的均值定义为：个图象的均值定义为：g(x,y) = 1/M (g0(x,y)+g1(x,y)+ gM(x,y)当：噪音当：噪音h(x,y)i为互不相关，且均值为为互不相关，且均值为0时，时，上述图象均值将降低噪音的影响。上述图象均值将降低噪音的影响。成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l生成图象叠加效果生成图象叠加效果对于两个图象对于两个图象f(x,y)和和h(x,y)的均值有：的均值有：g(x,y) = 1/2f(x,y) + 1/2h(x,y)会得到二次暴光的效果。推广这个公式为：会得到二次暴光的效果。推广这个公式为：g(x,y) = f(x,y) + h(x,y)其中其中+= 1 我们可以得到各种图象合成的效果，也可以我们可以得到各种图象合成的效果，也可以用于两张图片的衔接用于两张图片的衔接成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l减法的定义减法的定义 C(x,y) = A(x,y) - B(x,y)l主要应用举例主要应用举例 去除不需要的叠加性图案去除不需要的叠加性图案 检测同一场景两幅图象之间的变化检测同一场景两幅图象之间的变化 计算物体边界的梯度计算物体边界的梯度成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l去除不需要的叠加性图案去除不需要的叠加性图案设：背景图象设：背景图象b(x,y)，前景背景混合图象，前景背景混合图象f(x,y)g(x,y) = f(x,y) b(x,y)g(x,y) 为去除了背景的图象。为去除了背景的图象。电视制作的蓝屏技术就基于此电视制作的蓝屏技术就基于此成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l检测同一场景两幅图象之间的变化检测同一场景两幅图象之间的变化 设：设： 时间时间1的图象为的图象为T1(x,y)， 时间时间2的图象为的图象为T2(x,y) g(x,y) = T2 (x,y) - T1(x,y)= =- -成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础= =- -成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l乘法的定义乘法的定义C(x,y) = A(x,y) * B(x,y) l主要应用举例主要应用举例 图象的局部显示图象的局部显示用二值蒙板图象与原图象做乘法用二值蒙板图象与原图象做乘法成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础求反异或、或与成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l求反的定义求反的定义g(x,y) = 255 - f(x,y)l主要应用举例主要应用举例获得一个阴图象获得一个阴图象获得一个子图像的补图像获得一个子图像的补图像绘制区别于背景的、可恢复的图形绘制区别于背景的、可恢复的图形程序演示成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l获得一个阴图象获得一个阴图象成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l获得一个子图像的补图像获得一个子图像的补图像255-= =成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l异或运算的定义异或运算的定义g(x,y) = f(x,y) h(x,y)l主要应用举例主要应用举例 获得相交子图象获得相交子图象 绘制区别于背景的、可恢复的图形绘制区别于背景的、可恢复的图形成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l获得相交子图象获得相交子图象 = =成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l绘制区别于背景的、可恢复的图形绘制区别于背景的、可恢复的图形原图原图异或画图异或画图异或恢复原图异或恢复原图成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l或运算的定义或运算的定义 g(x,y) = f(x,y) v h(x,y)l主要应用举例主要应用举例 合并子图像合并子图像 = =成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l与运算的定义与运算的定义 g(x,y) = f(x,y) h(x,y)l主要应用举例主要应用举例 = =l一：视觉基础一：视觉基础l二：成象基础二：成象基础l三：图像基础三：图像基础l1.象素间联系象素间联系l2.图像运算图像运算l3.坐标变换坐标变换成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础l平移变换平移变换l尺度（放缩）变换尺度（放缩）变换l旋转变换旋转变换l级连级连l反变换反变换成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础V=AVV=X Y Z 1TV= X Y Z 1T1000100010001000ZYXTAV=TV程序演示成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础v=AvV=X Y Z 1TV= X Y Z 1TV=SV用Sx, Sy Sz沿X，Y和Z轴进行放缩变换可用下列矩阵实现：1000000000000zyxSSSS程序演示成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础v=AvV=X Y Z 1TV= X Y Z 1T绕X坐标旋转角度可用下列变换实现10000cossin00sincos00001R绕Y坐标轴转角度可用下列变换实现：10000cos0sin00100sin0cosR绕Z坐标轴转角度可用下列变换实现：1000010000cossin00sincosR程序演示成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础V=R(S(TV)=AVA= RSTV=X Y Z 1TV= X Y Z 1T成象基础成象基础图像基础图像基础视觉基础视觉基础平移的逆矩阵是:10001000100010001ZYXT旋转的逆矩阵R-1是1000010000cossin00sincos1）（）（）（）（RImaging 成像成像 通过成像传感器将实际景物映射为图像的通过成像传感器将实际景物映射为图像的过程。过程。Optical image 光学图像光学图像 通过镜头等光学器件将景物中的通过镜头等光学器件将景物中的光投射到一表面上的结果。光投射到一表面上的结果。Brightness 亮度亮度 和图像一个点相关的值，表示从该点的和图像一个点相关的值，表示从该点的物体发射或反射的光的量。物体发射或反射的光的量。Contrast 对比度对比度 物体平均亮度（或灰度）与其周围背景物体平均亮度（或灰度）与其周围背景的差别程度。的差别程度。Color model 颜色模型颜色模型专业单词课课学专业单词课课学Hue 色调色调 与混合光谱中主要光波长相关联。与混合光谱中主要光波长相关联。Saturation 饱和度饱和度 与一定色调的的纯度有关。与一定色调的的纯度有关。Intensity 亮度亮度 指光密度。指光密度。Quantization 量化量化 在每个象素处，将图像的局部特性赋在每个象素处，将图像的局部特性赋予一个灰度集合中的元素的过程。予一个灰度集合中的元素的过程。Resolution 分辨率分辨率 （l l）在光学中指可分辨的点物体之间）在光学中指可分辨的点物体之间最小的分离距离；（最小的分离距离；（2 2）在图像处理中，指图像中相邻的点）在图像处理中，指图像中相邻的点物体能够被分辨出的程度。物体能够被分辨出的程度。专业单词课课学专业单词课课学Quantitative image analysis 定量图像分析定量图像分析 从一幅数字图从一幅数字图像中抽取定量数据的过程。像中抽取定量数据的过程。Algebraic operation 代数运算代数运算 一种图像处理运算，包括一种图像处理运算，包括两幅图像对应像素的和、差、积、商。两幅图像对应像素的和、差、积、商。Logical operation 逻辑运算逻辑运算 一种图像处理运算，包括两一种图像处理运算，包括两幅图像对应像素的与、或、异或、求反。幅图像对应像素的与、或、异或、求反。Mach band effect 马赫带效应马赫带效应专业单词课课学专业单词课课学