优选第数字图像基础
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数字图像基础
LCD与CRT
• 电脑显示器包括两种：
– 液晶LCD(liquid crystal display) – 阴极射线管CRT
• 电脑CRT显示器类似于彩色电视机中的CRT。显示屏上的 每个彩色像点由代表R、G、B三种模拟信号的相对强度决 定，这些彩色像点就构成一幅彩色图像。
彩色显像管产生颜色的原理
• 三要素中，色调由光波的波长决定，亮度和饱和度与光波 的振幅有关。
颜色三要素——色调
• 色调表示光的颜色，决定于光的波长。自然界中的七 色光分别对应着不同的色调，而每种色调又分别对应 着不同的波长。
• 色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、紫来表示，而黑、 白、灰无色彩。
• 色调有一个基本顺序：红（Red）、橙（Orange）、 黄（Yellow）、绿（Green）、青(Cyan)、蓝(Blue)、 紫(Magenta)。在这个次序中，人们混合相邻颜色时， 能够得到这两种颜色之间连续变化的色调。
像素深度
• 像素深度是指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量 图像的分辨率。
• 像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者 确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。
像素深度
• 例如，一幅彩色图像的每个像素用R、G、B三个分量表示， 若每个分量用8位，那么一个像素共用24位表示，就说像 素的深度为24，每个像素可以是224=16 777 216种颜色中 的一种。
• 明白了以上道理，我们对如何选择图像的色彩模式就 有了一个概念了：如果图像只在电脑上显示，就用 RGB模式，这样可以得到较广的色域；如果图像需要 打印或者印刷，就必须使用CMYK模式，才可确保印 刷品颜色与设计时一致。
活动任务
• 任务1：通过Photoshop体验颜色三要素（色调、亮 度、饱和度）
基础篇第二讲：数字图像基础
二 、像素、颜色深度与分辨率
图像分辨率：是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。 对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多， 则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。反之，图像 显得越粗糙。 在用扫描仪扫描彩色图像时，通常要指定图像的分辨率， 用每英寸多少像素（ppi，即pixel per inch）表示。如果 用300ppi来扫描一幅8×10英寸的彩色图像，就得到一幅24 00×3000个像素的图像。分辨率越高，像素就越多，图像 的质量相对也就越高。 例如，一张72ppi分辨率1×1英寸的图像（包含的像素数为 分辨率为72 ppi（左图）和300 ppi（右图）的图像示例 72×72=5184）和一张尺寸同为1×1英寸但分辨率为300 pp i的图像（包含的像素数为300×300=90000），在同样放大 （此外，还有打印机分辨率、扫描仪分辨率等。 ） 200%时，可以看到分辨率为300 ppi的明显比72 ppi的清晰， 如图所示：
PCX：PCX格式是ZSOFT公司在开发图像处理软件Paintbrush时开发 的一种格式，存储格式从1位到24位，它是过压缩的格式，占用磁 盘空间较少。由于该格式出现的时间较长，并且具有压缩及全彩 色的能力，所以PCX格式现在仍然流行。 SVG：一种开放标准的矢量图形语言，可设计高分辨率的Web图形 页面。SVG被开发的目的是为Web提供非栅格的图像标准。 EPS：矢量图格式，专业印刷通用格式，所以其内部色彩是用CMYK 格式，在输出成EPS的过程中，一些超出CMYK色域的色彩会被转换； EPS格式能保存图案中的位图和矢量图对象。 EPS格式在Mac和PC环境下的图形和版面设计中广泛使用，用在Pos tScript输出设备上打印。几乎每个绘程序及大多数页面布局程序 都允许保存EPS文档。
数字图像基础PPT课件
2.55mm
第2章 第10页
2 Fundamental
2.1.2 人眼中的图像形成过程
人眼视觉的空间特性 空间分辨率为1’ 灰度分辨能力为64级
视觉的时间特性
活动图像的帧率至少15 fps时,人眼才有图像连续的感觉 活动图像帧率在25 fps时, 人眼感受不到闪烁感 监控视频 15fps, 电影 24fps, 电视 25fps, DVD 30 fps 电脑屏幕 60fps
数目:600~700万, 位于中心凹附近 每个锥状细胞连接到单独一个双
极性细胞 空间分辨率高, 对颜色敏感度高 感光灵敏度低,锥状视觉称为“明
视觉”
杆状细胞
数目:7500万~1.5亿 几个杆状细胞连接到同一个双极
性细胞 空间分辨率低,没有色彩感觉 感光灵敏度高,杆状视觉称为“暗视
觉”
第2章 第14页
2 Fundamental
2.1.3 亮度适应和鉴别-韦伯定理
韦伯定理: 如果一个物体的亮 度与其周围背景I有刚刚可察 觉到的差别I, 则I和I的比值 是I的函数,且该比值在一定亮 度范围内近似不变, 该比值称 为韦伯比.
韦伯定理说明人眼视觉系统对 亮度的对比度敏感,而非亮度 值本身
视网膜是倒置结构, 由外到里 由三层细胞构成
神经节细胞层: 神经节细胞,与 视神经相连,传递神经刺激
双极细胞层: 双极细胞,连接视 细胞和神经节细胞.
感光细胞层:两种视细胞,锥状 细胞 杆状细胞,感受光线的明 暗和颜色刺激
第2章 第7页
2 Fundamental
2.1.1 人眼的结构
锥状细胞
低照度, 韦伯比高, 亮度辨别能 力差;高照度,韦伯比低, 亮度辨 别能力强
Weber ratio I50 I
第2章 第10页
2 Fundamental
2.1.2 人眼中的图像形成过程
人眼视觉的空间特性 空间分辨率为1’ 灰度分辨能力为64级
视觉的时间特性
活动图像的帧率至少15 fps时,人眼才有图像连续的感觉 活动图像帧率在25 fps时, 人眼感受不到闪烁感 监控视频 15fps, 电影 24fps, 电视 25fps, DVD 30 fps 电脑屏幕 60fps
数目:600~700万, 位于中心凹附近 每个锥状细胞连接到单独一个双
极性细胞 空间分辨率高, 对颜色敏感度高 感光灵敏度低,锥状视觉称为“明
视觉”
杆状细胞
数目:7500万~1.5亿 几个杆状细胞连接到同一个双极
性细胞 空间分辨率低,没有色彩感觉 感光灵敏度高,杆状视觉称为“暗视
觉”
第2章 第14页
2 Fundamental
2.1.3 亮度适应和鉴别-韦伯定理
韦伯定理: 如果一个物体的亮 度与其周围背景I有刚刚可察 觉到的差别I, 则I和I的比值 是I的函数,且该比值在一定亮 度范围内近似不变, 该比值称 为韦伯比.
韦伯定理说明人眼视觉系统对 亮度的对比度敏感,而非亮度 值本身
视网膜是倒置结构, 由外到里 由三层细胞构成
神经节细胞层: 神经节细胞,与 视神经相连,传递神经刺激
双极细胞层: 双极细胞,连接视 细胞和神经节细胞.
感光细胞层:两种视细胞,锥状 细胞 杆状细胞,感受光线的明 暗和颜色刺激
第2章 第7页
2 Fundamental
2.1.1 人眼的结构
锥状细胞
低照度, 韦伯比高, 亮度辨别能 力差;高照度,韦伯比低, 亮度辨 别能力强
Weber ratio I50 I
数字图像处理 数字图像基础
数字图像处理数字图像基础数字图像处理是将数字图像进行分析、处理和理解的过程，它的目标是提高数字图像的质量、抽取图像的特征、提取图像的信息和实现图像的应用。
数字图像处理技术已经渗透到几乎所有领域，如医学、电影、远程通讯、安全监控等。
数字图像处理基础知识包括采集、压缩、存储、预处理、增强、分割、特征提取、分类和应用。
图像采集采集是数字图像处理中最基础的环节，它将物理光学信号转化为数字信号。
常见的图像采集设备包括CCD、CMOS和磁介质等。
图像压缩图像压缩是将图像文件从原始大小减小，并通过各种手段来减少文件大小和传输时间的过程。
图像压缩通常有两种方式，一种是有损压缩，一种是无损压缩。
图像存储图像存储是将数字图像保存在计算机或外部储存设备中。
常用的图像存储格式包括BMP、PNG、JPEG和GIF。
图像预处理图像预处理是在进行其他数字图像处理操作之前，对原始图像进行预处理以去除噪声、平滑、增强、锐化等。
常见的预处理方法包括空间域滤波、频率域滤波、直方图均衡化、形态学操作等。
图像增强图像增强是为了改善图像的质量、提高图像的视觉效果和增强图像的细节而进行的操作。
常见的图像增强方法包括灰度拉伸、对数变换、伽马变换、直方图规定化等。
图像分割图像分割是将数字图像分成不同的区域并对这些区域进行分析和理解的过程。
图像分割可以有多种方法，包括阈值分割、区域分割、边缘分割等。
特征提取图像特征提取是从原始图像中提取一些相关的特征以便于后续的分类和识别。
特征提取的常见方法包括边缘检测、角点检测、纹理描述等。
图像分类图像分类是将数字图像按照其特征划分为不同的类别。
常见的图像分类算法有SVM、KNN、神经网络等。
应用数字图像处理在很多领域都有广泛的应用，如医学影像处理、智能交通、虚拟现实等。
最近，随着深度学习的兴起，数字图像处理技术也被广泛应用于计算机视觉、自然语言处理等领域。
以上是数字图像处理的基础知识，数字图像处理应用广泛，研究数字图像处理可以掌握现代图像处理的基本技能，有利于提高计算机视觉，图像识别和其他领域的研究水平。
第1章数字图像基础ppt课件
数字图像处理的特点
再现性好 不管是什么数字图像，均用数组或数组集合表示。在传
送和复制图像时，只在计算机内部进行处理，这样数 据就不会丢失或遭破坏，保持了完好的再现性。而在 模拟图像处理过程中，就会因为各种干扰因素而无法 保持图像的再现性。
数字图像处理的特点
通用性、灵活性强 不管是可视图像还是X光图像、热红外图像、超声波图
图象处理存在缺点
图象信号的数字化处理也存在一些缺点： 比如处理速度较慢、系统相对比较复杂、 信号量化过程中可能引入噪声、量化时损 失的信息无法恢复。
人类视觉模型
人类视觉系统 人类视觉是人眼对场景可见光能量在视网膜
上形成的一种刺激，通过人脑对刺激信号 的处理，获取场景的描述和感知。
重要性
4颜色感觉与刺激面积的关系
对一个色觉正常的人来说，颜色刺激面积 非常小时就不能识别颜色了——第三色盲。
这个原理被用到彩色电视机原理中，对减 少传送频带作出了贡献。
视觉的空间性质
马赫带效应轮廓增强现象: 视觉的主观感受在亮度有变化的地方出现虚幻的明亮或
黑暗的条纹，马赫带效应的出现是人类的视觉系统造 成的。生理学对马赫带效应的解释是：人类的视觉系 统有增强边缘对比度的机制。 马赫带现象是1868年由奥地利物理学家 E.马赫发现的 一种明度对比现象，即是指人们在明暗交界处感到亮 处更亮，暗处更暗的现象。它是一种主观的边缘对比 效应。当观察两块亮度不同的区域时，边界处亮度对 比加强，使轮廓表现得特别明显。
图像的像素:邻域
图像的像素：像素的连通性
连通性是描述区域和 边界的重要概念
两个像素连通的两个必 要条件是：
两个像素的位置在某种 情况下是否相邻
两个像素的值是否满足 某种相似性
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6.35mm （3）镜头成像尺寸过小
图像的取样与量化
取样和量化的基本概念 数字图像表示 动态范围与对比度 空间和灰度分辨率 数字图像的质量参数
图像的取样与量化
图像的数字化包括取样和量化两个过程。
空间坐标(x,y)的离散及数字化称为图像取样 而幅值离散及数字化被称为灰度级量化
如果采用正方形网格采样，假定x方向采样间隔为x，y方 向采样间隔为y，那么采样后形成的空间离散图像为： f (ix ,jy)=f(i,j) ，i=0,1,..,M-1； j=0,1,…,N-1。
可见光成像--摄像机及镜头
摄像镜头/相机镜头
镜头及其光学特性
对摄像镜头成像性能的要 求，可以分为两个方面：一是 光学特性，包括焦距、物距、 像距、放大率等；二是成像质 量，镜头所成的光学图像应该 足够清晰，并且物和像要相似、 畸变要小、透光率要强、像面 照度分布要均匀等。
物距、像距与焦距 之间的关系:
图像感知和获取
成像传感器 图像形成中的能量传播模型 摄像机及镜头
成像传感器
通过将输人电功率和对特殊 类型检测能源敏感的传感器 材料组合，把输人能源转变 为电压。输出电压波形是传 感器的响应，然后采用A/D 转换器将其数字化。
用单个传感器获取图像
如光电二极管，它由硅材料构成，并且其输出电压波形 与光成正比，在传感器前边用一个滤光器改善选择性。 为了用单一传感器产生二维图像，在传感器和成像区之 间，还必须在x和y方向有相对位移。
杆状细胞(rod)：
体积大，分布面大且几个杆状细胞联到同一个神经末梢，故
分辨率比较低；主要提供视野的整体视象，不感受颜色并对低照 度较敏感，形成具有高灵敏度的无色觉功能的暗视觉。
例如在日光下鲜艳的彩色物体在月光下变得像无色的，就是 由于只有杆状细胞在工作。
2. 人眼成像过程
H-物高 L-物距
h l HL
采样列 像素
采样行
1 1 1 l l f
物高、像高与物 距之间的关系式：
h l
hl镜头成像模型源自镜头成像质量的主要评价指标及参数
评价指标（光学系统）
分辨率（Resolution） 锐度（Lens Sharpness） 像差
镜头的主要参数
成像尺寸 焦距和视场角 相对孔径与光圈 安装接口方式
Weber ratio (the experiment) : I C / I
I: the background illumination IC : the increment of illumination（50% ∆I） Small Weber ratio indicates good discrimination Larger Weber ratio indicates poor discrimination
用带状传感器获取图像
这是大多数平板扫描仪 所用的装置。感受装置可能 有4 000或更多的排成直线的 传感器。传感器带一次给出 一幅图像的一行，传感器带 的运动完成二维图像的另一 维。
以圆环形状安装的传感 器带用于医学和工业成像， 以得到三维物体的横断面 (切片)图像。
用传感器阵列获取图像
这也是在摄像机上常 见的主要结构。这些摄像 机的典型传感器是CCD阵 列, CCD传感器广泛地运 用于数字摄像机和其他光 敏感设备中，每一个传感 器的响应正比于投射到传 感器表面的光能总量。
The current sensitivity level of the visual system is called brightness adaptation level
亮度适应现象：
利用改变其整个灵敏度 来实现这一大范围的适应性。
如从亮处到暗处,人眼 有一段适应时间。
暗视
适光
光强度辨别能力（ Brightness discrimination ）
ISO Camera Resolution Chart ISO12233
镜头(1/3")基准像场
镜头(1/3")基准像场
成像器件(1/2") 靶面
镜头(1/4")基准像场
成像器件(1/3") 靶面
6mm
成像器件(1/4") 靶面
4mm
8mm
8.47mm （1）镜头与成像器件规格匹配
8.47mm (1/3") （2）镜头成像尺寸过大
h-像高
l-像距 f – 焦距
3. 人眼视觉特性
亮度适应范围大 实验表明，主观亮度（视觉系统感觉到的亮度）
是进入眼睛的光强度的对数函数。
Dynamic range of human visual system: 10-6~104 mL (millilambert- 亮度单位，毫朗伯)
Can not accomplish this range simultaneously
优选第数字图像基础
1
视觉感知要素
1. 人眼的构造
中央凹 盲点
感光细胞(photoreceptor cells)：锥状细胞、杆状细胞
锥状细胞(cone)：
主要分布在视网膜的中央凹，体积小，排列密度
很高，提供图像细节感知。感光灵敏度低，对颜色很 敏感。锥状细胞视觉称为明视觉或亮光视觉。
彩色视觉-- 红(red)、绿(green)、(blue)
很明显，不需要传感 器相对于景物做二维或1 维相对运动。
CCD and CMOS sensors mounted on PCBs
图像形成中的能量传播模型
图像形成时，其灰度值f (x,y)正比于物理源（如光源） 所辐射的能量，即：
f x, y i x, y r x, y
其中：
i x, y 称为入射分量，取决于照射源， 满足 0 i x, y r x, y 称为反射分量(透射系数)，取决于成像物体的特性， 满足 0 r x, y 1
曲线表明:在背景低照度级别时，亮度辨别较差(韦伯比大), 当背景照明增加时亮度辨别能力得到改善。
马赫带现象
“下冲”和“上冲” 类似系统响应的
“超调”现象
同时对比现象
视觉错觉
音乐家或头像？
对图像的认识或理解是由感 觉和心理状态决定的,数字图像 处理后的图像很多情况下是给人 观察和评价的，因此受人的因素 影响较大。