第2章圖像 圖像系統(tǒng)與視覺系統(tǒng) 兩個(gè)概念 信源 處理前或處理后的圖像信宿 圖像信息的接受者 2 1圖像2 1 1 有關(guān)光學(xué)的預(yù)備知識(shí) 1 發(fā)光強(qiáng)度 I Intensity 光源發(fā)光的功率稱為發(fā)光強(qiáng)度 其單位主要有如下兩種 燭光功率 CandlePower CP 新燭光 Candle cd 2 光通量 光通量是每秒鐘內(nèi)光流量的度量 其單位是流明 lumen lm 1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 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 4 反射 5 透射 6 亮度 L 這個(gè)概念用來說明物體表面發(fā)光的量度 光可以由一個(gè)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 光學(xué)中的SI單位 國際單位 CdLmLx 2 1 2 圖像的概念 當(dāng)用數(shù)學(xué)方法描述圖像信息時(shí) 對于靜止的 平面的 單色的圖像來說其數(shù)學(xué)表達(dá)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?yàn)楣庖彩悄芰康囊环N表現(xiàn)形式 所以 2 3 2 1 人們所感受到的圖像一般都是由物體反射的光組成的 2 4 式2 6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 5 2 6 晴朗的日子 太陽在地球表面造成的照度為9000英尺 燭光 英制單位 或96840勒克司或96840流明 平方米天空有云時(shí) 太陽在地球表面造成的照度為1000英尺 燭光或10760流明 平方米或10760勒克司 晴天的夜晚而且是滿月的情況下地球表面的照度為 0 01英尺 燭光 0 1076勒克司一般房間照明充分的室內(nèi)照度 大約為100英尺 燭光 1076勒克司 典型物質(zhì)的典型反射系數(shù)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 2 1 3 圖像信息的分類 圖像信息的種類是多種多樣的 但是要想進(jìn)行明確地分類也并非容易 常見的圖像信息大致可分成三類 即 符號(hào)信息圖像信息景物信息情緒信息 1 符號(hào)圖像信息一般是用文字 符號(hào) 圖形等表示的具體的或抽象的事物 2 景物信息這是一種能給人以主觀感覺但并不取決于人本身的客觀場景信息 3 情緒信息這是一類依賴于受信者的圖像信息 2 1 4 圖像的統(tǒng)計(jì)特性 認(rèn)為圖像信號(hào)是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)對于一個(gè)隨機(jī)信號(hào)的數(shù)學(xué)描述是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(guān)矩 中心矩 功率譜等等 1 圖像的振幅分布特性圖像信號(hào)的振幅分布特性由振幅分布函數(shù)或振幅分布密度函數(shù)來表示 振幅分布函數(shù)由下式表示 2 7 式中 是振幅分布函數(shù) g x y 是二維圖像信號(hào) P代表概率 g x y 的值落在z1 z2之間的概率由下式表示 2 8 振幅分布密度函數(shù)f z 可由F z 的導(dǎo)數(shù)得到 即 2 9 式中 是振幅分布函數(shù) g x y 是二維圖像信號(hào) P代表概率 或者由下式來表示 2 10 2 差值信號(hào)的振幅分布特性圖像信號(hào)預(yù)測編碼有重要意義的差值信號(hào)的振幅分布特性近似于指數(shù)分布 即 2 11 式中x是像素間的距離 是由圖像性質(zhì)決定的系數(shù) f x 是概率密度函數(shù) 由實(shí)測結(jié)果可知 對于特寫畫面來說值 較小 對于群集遠(yuǎn)景畫面來說 較大 圖2 2相鄰像素間差值信號(hào)分布密度曲線 圖2 3幀差值信號(hào)分布密度特性 3 圖像的自相關(guān)函數(shù)和空域功率譜一般情況下 圖像的自相關(guān)函數(shù)和空域功率譜針對穩(wěn)定畫面來定義穩(wěn)定畫面就是指圖像g x y 在x y方向上可無限擴(kuò)展 而且無論在哪個(gè)方向上都有相同的統(tǒng)計(jì)特性 能量有限的圖像振幅譜和自相關(guān)函數(shù)當(dāng)一幅圖像用g x y 來表示的話 那么它的傅里葉變換就是其振幅譜 即 2 13 顯然 如果知道了圖像的振幅譜 用其反傅里葉變換就可以求得g x y 2 14 圖像信號(hào)所具有的能量可由下式表示 或者是 2 15 2 16 對于能量有限的圖像信號(hào)g x y 的自相關(guān)函數(shù)由下式表示 2 17 其中 與之間存在著傅里葉變換關(guān)系 即 2 19 2 18 功率有限的圖像的空域功率譜和自相關(guān)函數(shù)對于E為無限的信號(hào)來說 有時(shí)圖像中單位面積上的平均能量 功率 卻是有限的 即 2 20 則式 2 20 可寫成下面的形式 2 21 如果把g x y 限定在如下范圍內(nèi)的話 即 自相關(guān)函數(shù)的基本性質(zhì) 1 2 3 2 30 2 29 2 31 空域功率譜密度的基本性質(zhì) 自相關(guān)函數(shù)的測定結(jié)果 2 32 2 33 相關(guān)函數(shù)是從空間域的角度研究圖像的統(tǒng)計(jì)特性功率譜是從變換域的角度研究圖像的統(tǒng)計(jì)特性 對于一個(gè)連續(xù)的圖像信號(hào)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 由此 其平均信息量可由下式表示 一個(gè)重要概念 對于離散信源來說 消息輸出是等概率時(shí)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(dāng)輸出幅值受限的情況下 幅度概率密度是均勻分布時(shí)其熵值最大 當(dāng)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(shí)其熵值最大 2 2圖像處理系統(tǒng)中常用的輸入 輸出設(shè)備 存儲(chǔ)設(shè)備 主計(jì)算機(jī) 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 圖2 7計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖 2 2 1電視攝像機(jī)1 攝像器件的分類輸入信息分類 分類依據(jù)電流方式 光敏靶的種類 2 攝像器件的性能頻譜響應(yīng)特性輻射靈敏度光電變換特性信噪比暗電流分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)惰性動(dòng)態(tài)范圍 3 幾種常用的攝像器件光電導(dǎo)攝像管 視像管 移像型攝像管 固體攝像器件 彩色圖像傳感器 2 2 2飛點(diǎn)掃描設(shè)備 2 2 3鼓形掃描器 2 2 4微密度計(jì) 2 2 5監(jiān)視器 2 2 6激光掃描器 2 2 7液晶顯示器 2 3視覺系統(tǒng) 2 3 1 視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)造 圖2 31人眼的斷面圖 圖2 32視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)模型 2 3 2 光覺和色覺 眼睛對光的感覺稱為光覺 對顏色的感覺稱為色覺 1 光覺門限及亮度辨別門限 光覺門限 把產(chǎn)生光覺的最小亮度叫做光覺門限或光覺閾 圖2 33錐狀體 a 和桿狀體 b 的相對靈敏度特性 2 有關(guān)色覺的學(xué)說 自 年牛頓成功地分解了太陽光譜以來 認(rèn)為光的波動(dòng)經(jīng)過神經(jīng)傳到大腦 由于波長不同而產(chǎn)生不同顏色感覺的這一假說至今還在提倡 2 4光度學(xué)及色度學(xué)原理 亮度和顏色是進(jìn)入眼睛的可見光的強(qiáng)弱及波長成份的一種感覺的屬性 從某一入射光產(chǎn)生的亮度和顏色的感覺無法測定 并且這種因人而異的感覺也不能比較 既使對同一個(gè)人來說 由于觀察條件不同感覺也不一樣 由三基色混配各種顏色的方法通常有兩種 相加混色 彩色電視機(jī)上的顏色是通過相加混色產(chǎn)生的相減混色 彩色電影和幻燈片等與繪畫原料一樣是通過相減混色產(chǎn)生各種顏色的 相加混色和相減混色的主要區(qū)別 第一 相加混色是由發(fā)光體發(fā)出的光相加而產(chǎn)生各種顏色 而相減混色是先有白色光 爾后從中減去某些成份 吸收 得到各種彩色 第二 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 紫 一般不確切地說成是黃 藍(lán) 紅 也就是說相加混色的補(bǔ)色就是相減混色的基色 第三 相加混色和相減混色有不同規(guī)律 指顏料相混 相加混色 紅 綠 黃紅 藍(lán) 紫藍(lán) 綠 青紅 綠 藍(lán) 白相減混色 黃 白 藍(lán)紫 白 綠青 白 紅白 藍(lán) 綠 紅 黑 格拉斯曼定律 GrassmanLaw 包括如下四項(xiàng)內(nèi)容 所有顏色都可以用互相獨(dú)立的三基色混合得到 假如三基色的混合比相等 則色調(diào)和色飽和度也相等 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分混合起來得到的結(jié)果相等 混合色的光亮度是原來各分量光亮度的總和 這里色調(diào) 色飽和度及亮度是表示色覺程度的量 色調(diào) 表示各種顏色的種類的術(shù)語 色飽和度 表示顏色深淺 添加白光的多少 以三基色為基礎(chǔ)的格拉斯曼定律可用下式表示 F 2 50 2 4 3 CIE的R G B顏色表示系統(tǒng) 國際照明委員會(huì) CIE 規(guī)定 紅色 波長 700 00nm 綠色 波長 546 1nm 藍(lán)色 波長 438 8nm 1lm 白光 0 30lm 紅 0 59lm 綠 0 11lm 藍(lán) 圖2 35相加混色彩色三角形 圖2 36直角彩色三角形 譜色能以單色出現(xiàn)在光譜上而且有一定波長的彩色 非譜色不能作為單色出現(xiàn)在光譜上的顏色稱為非譜色 各種紫紅色就是非譜色的例子 圖2 37CIE色度圖 2 5 2亮度適應(yīng)和顏色適應(yīng) 從較亮的場所到較暗的場所時(shí) 很難馬上看到東西 相反 從較暗的場所到較亮的場所 也看不東西 一般把眼睛的狀態(tài)適應(yīng)明暗條件的變化叫亮度適應(yīng) 從亮到暗的變化叫暗適應(yīng) 從暗向亮的變化叫亮適應(yīng) 一般亮適應(yīng)時(shí)間較短 暗適應(yīng)較長 與亮度適應(yīng)相區(qū)別 隨著光的分布而變化 眼睛有對顏色刺激靈敏度變化的性質(zhì) 例如 用強(qiáng)紅光刺激眼睛后看本來是黃色的物體卻是綠色的 這種依賴光分布的視覺靈敏度現(xiàn)象叫色適應(yīng) 圖2 54明暗對比的例子 刺激的亮度和色度受周圍背景的影響而使其產(chǎn)生不同感覺的現(xiàn)象叫同時(shí)對比現(xiàn)象 這里包括亮度對比和顏色對比 另外 在二個(gè)刺激相繼出現(xiàn)的場合 后續(xù)刺激的感覺受到先行刺激的影響 這種現(xiàn)象叫相繼對比 2 7視覺的時(shí)間特性 視覺的時(shí)間特性是指對光刺激的過渡反應(yīng)特性 如 對閃爍的靈敏度特性適應(yīng)性殘像對運(yùn)動(dòng)的感覺眼球運(yùn)動(dòng)和感覺的關(guān)系等性質(zhì) 2 7 1閃爍 當(dāng)光的閃爍次數(shù)增加時(shí) 就不會(huì)有閃爍的感覺了 這時(shí)與連續(xù)光刺激的感覺一樣 閃爍的次數(shù)叫臨界融合頻率 CriticalFusionFrequency 與照射光的強(qiáng)度及在視網(wǎng)膜上的部位不同而有顯著變化 離中央凹越遠(yuǎn) 偏角大 其融合頻率越高 照度越高則融合頻率越高 人眼錐狀體的 值約為60 70Hz 桿狀體大約是12 15Hz 2 7 2眼球運(yùn)動(dòng)和視覺的關(guān)系視網(wǎng)膜上的視覺細(xì)胞大約有 億多個(gè) 從眼睛出來的神經(jīng)末稍不超過 萬個(gè) 黃斑處的錐狀細(xì)胞大約有 萬 千個(gè) 其中每個(gè)細(xì)胞都有獨(dú)立的神經(jīng)末稍通往大腦 黃斑以外的部分則是幾個(gè)桿狀體接到一個(gè)神經(jīng)末稍上 眼球運(yùn)動(dòng)有 斷續(xù)性運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)跟蹤運(yùn)動(dòng)輻輳開散 Vergencemovement 運(yùn)動(dòng)凝視運(yùn)動(dòng) 斷續(xù)性運(yùn)動(dòng)是高速的跳躍性的運(yùn)動(dòng) 上升時(shí)間大約為1 20s 1 100s平穩(wěn)跟蹤運(yùn)動(dòng)是低速眼球運(yùn)動(dòng)輻輳開散運(yùn)動(dòng)是指兩眼視線在遠(yuǎn)近方向上的運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)速度較低凝視運(yùn)動(dòng)是指視線注視一點(diǎn)時(shí)常常進(jìn)行類似噪聲狀的微小運(yùn)動(dòng) 它包括有顫動(dòng) 閃爍和偏移等形式 2 7 3運(yùn)動(dòng)的感覺 不僅在實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)和觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)有運(yùn)動(dòng)的感覺 而且實(shí)際上物體不運(yùn)動(dòng)而其他條件在運(yùn)動(dòng)的條件下也有運(yùn)動(dòng)的感覺 在心理學(xué)上把實(shí)際物體或觀察者運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)感覺叫做實(shí)際運(yùn)動(dòng) 不是這種情況下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)感覺叫假象運(yùn)動(dòng) 誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng) 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)及殘像等 2 7 4殘像光刺激移去后而殘留的感覺叫殘像 殘象形成直到消滅的經(jīng)過是復(fù)雜的 白色光刺激的痕跡一般是明像和暗像交替出現(xiàn) 徐徐消滅 有色光刺激后是刺激光的顏色和它的補(bǔ)色相近的色交替出現(xiàn)徐徐消滅 殘像主要是由視覺細(xì)胞的光化學(xué)反應(yīng)引起的 2 8形狀感覺與錯(cuò)視 視覺系統(tǒng)所感覺到的物體的形狀并不是簡單的投影到視網(wǎng)膜上的原封不動(dòng)的形狀 對形狀的感覺受到物體自身形狀及周圍背景的影響 這類影響是多種多樣的 有神經(jīng)系統(tǒng)引起的錯(cuò)視現(xiàn)象也有心理因素的作用 幾個(gè)著名的幾何學(xué)的錯(cuò)視圖形的例子 a 本是兩條相等的線段 由于兩端加了不同方向的圖形使我們感覺下邊的一條線段較長 b 使我們看到斜線是錯(cuò)位的 c 中原本是二條平行的直線 可給我們的感覺卻是二根彎曲的線 d 本來是互相平行的三條線 可我們看到的卻是不平行的了 e 中左邊和右邊兩圖中央的圓是相同的 但我們都覺得右邊的要大 所有這些均是由錯(cuò)視造成的