第二讲 基本知识

质量尺度 非常好 好 一般 差 非常差
妨碍尺度： 妨碍尺度：1、感觉不出。2、刚有察觉。3、明确察觉 感觉不出。 刚有察觉。 但图像仅稍受损。 图像受损，但无害。 但图像仅稍受损。4、图像受损，但无害。 有些受害。 明显。 5、 有些受害。6、明显。7、差
电视图像：杂波、回波、清晰度、对比度、亮度、观测者类型、 电视图像：杂波、回波、清晰度、对比度、亮度、观测者类型、 试验图像类型、观测条件等。 试验图像类型、观测条件等。
平均分数
c = ∑nk ck / ∑nk
k= 1 k= 1
k
k
ck图 属 k类 分 像 于 的 数 nk判 该 像 于 类 人 断 图 属 k 的 数
分数 5分 4分 3分 2分 1分
妨碍尺度 丝毫看不出图像质量变坏 能看出图像质量变化但不妨碍观看 清楚地看出图像质量变坏对观看稍有 妨碍 对观看有妨碍 非常严重地妨碍观看
0 < i(x, y) < ∞
0 < r(x, y) <1
由光源决定 由场景中的目标特性所决定
2.1.3 成像模型
视觉系统的MTF：亮暗在空间上作正弦变化 ， 条纹图案的物理对比度 ： 亮暗在空间上作正弦变化， 视觉系统的 和感觉对比度之比随空间频Baidu Nhomakorabea变化而变化的曲线
I MFT:光学系统的调制传输函数 H(wx , wy ) 光学系统的调制传输函数
∫
∞
0
I (x, y, λ) (λ)dλ V
I－光分布，V－相对光强度效率函数。 －光分布， －相对光强度效率函数。 亮度：（感觉到光强度）与环境有关。 亮度：（感觉到光强度）与环境有关。 ：（感觉到光强度
亮度适应级：视觉系统的当前灵敏度级 亮度适应级：
2.1.2 亮度适应和区分
概念： 概念：
1、马赫带效应（mach）：基于视觉系统有趋于过高或过低估计 、马赫带效应（ ）
反射 视网膜图 像 中央凹
电脉冲 人脑判读
2.1.2 亮度适应和区分
光：电磁辐射 刺激视觉 人眼可见区域： 人眼可见区域：350～780um ～ 380 780
人眼识别光的强度范围：由夜视阈值到强闪光之间 ～ 人眼识别光的强度范围：由夜视阈值到强闪光之间1～1010级
强度： 强度：(x, y) = f
不同亮度区域边界值的现象
灰阶
距离 马赫带效应
2.1.2 亮度适应和区分
2、同时对比度： 基于人眼对某个区域感觉到的亮度并不仅仅依 、同时对比度： 赖于它的强度
同时对比度效应
2.1.3 成像模型
图像成像模型： 图像成像模型：
0 < f (x, y) < ∞
i(x, y) 照 成 度 分
r(x, y) 反 成 射 分
我国：线性数学模型 不同失真的叠加规律， 我国：线性数学模型——不同失真的叠加规律，定量地给出主 不同失真的叠加规律 观图像质量与多种失真的关系。 观图像质量与多种失真的关系。
电视系统： 电视系统：通常使用电子测试波形或由摄像机摄取测试图案卡片来 观察其性能变化， 观察其性能变化，以进行图像质量测试和评价
图像复原：是用于补偿图像的降质， 图像复原：是用于补偿图像的降质，使复原后的图像接近原像
基本概念
图像逼真度： 图像逼真度：fidelity——描述被评价图像与标准图 像的偏离程度
图像可懂度：intelligibility——表示图像能向人 图像可懂度 或 机器提供信息的能力
图像通信和图像质量关系模型图
神经信号 光接收器 对数 线性系统
黑白视觉对数模型
光感受器 线性系统H1 非线性系 H2统 黑白视觉扩展模型 线性系统 H3 线性系统 H4
光感受器——对不同波长有不同灵敏度 H1――代表眼睛光学性能的低通线性系统 H2――代表杆状或锥状视细胞非线性强度响应的一般黑白非线性网络 H3――代表侧抑制过程的具有带通性能的线性系统 H4――具有时间滤波效应的线性系统
2.1.4 颜色视觉
彩色图像 1、R,G,B: 面向硬件设备的彩色模型 、 –三基色原理：三基色指可以用来调配出其它颜色的红、绿、蓝三 三基色原理：三基色指可以用来调配出其它颜色的红、 三基色原理 –种颜色。 种颜色。 种颜色 –彩色图像可由红、绿、 彩色图像可由红、 彩色图像可由红 蓝三基色图像叠加而成。 蓝三基色图像叠加而成。 –R(X, Y) + G(X, Y) + B(X, Y)
等效信噪比PSNR: 等效信噪比PSNR:
PSNR = 10log10 (PMSE)
2.4
图像的采样与量化
2.4.1 采样 2.4.2 量化 2.4.3 采样与量化的关系 2.4.4 二值图像 2.4.5 数据储存结构
2.4
图像的采样与量化
连续函数图像——图像空间上采样 图像空间上采样——幅度上量化 幅度上量化——处理 连续函数图像 图像空间上采样 幅度上量化 处理 数字图像D/A转换——模拟显示 数字图像D/A转换 D/A转换 模拟显示
图像质量评价的研究是图像信息工程的基本技术之一。 图像质量评价的研究是图像信息工程的基本技术之一。 光电变换——传输 传输——处理 处理——记录 记录——其他变换 光电变换 传输 处理 记录 其他变换 图像编码技术 :在保持被编码图像一定质量的前提下，以尽量少 在保持被编码图像一定质量的前提下， 在保持被编码图像一定质量的前提下 的码字来表示图像， 的码字来表示图像，以便节省信道和储存器容量 图像增强： 图像增强：就是为了改善图像的主观视觉显示质量
光的三基色，颜料的三基色 光的三基色， 光的三基色
2.2 图像的噪声分析
噪声： 噪声：妨碍人们感觉器官对所接受的信源信息理解的因素 不可预测，只能用概率统计方法来认识的随机误差 不可预测， 外部噪声：系统外部干扰从电磁波或经电源串进系统内部而引起的噪声 如无线电、电气设备 内部噪声： 散粒噪声,由光和电的基本性质引起的噪声。 热噪声，光量密度随时间变化所形成的光量子噪声。 抖动噪声：电器的机械运动产生的噪声。 元器件材料本身引起的噪声 系统内部电路设备所引起的噪声。交流、嵌位电路引起 的噪声。
发送环境A
S
信 息 源
变 换 系 统
传 输 处 理 系
统
逆 变 换 系 统
收信环境B R
信 源
T L D
图 质 像 量 Q = f (S, A,T, L, D, B, R)
2.3.1 图像的主观评价 图像的主观评价
外行、 外行、内行 主观评价： 主观评价： 绝对评价——标准图像作参考。 绝对评价 标准图像作参考。 标准图像作参考 “全优度尺度”： 全优度尺度” 全优度尺度 非常好图像 好图像 中等图像 差图像 非常差图像 5分 4分 3分 2分 1分
2.1.1视觉原理 视觉原理 成像过程： 成像过程：
反射,视网膜图像 中央凹电脉冲 人脑判读视网膜图像。 反射 视网膜图像,中央凹电脉冲 人脑判读视网膜图像 。 反 视网膜图像 中央凹电脉冲,人脑判读视网膜图像 射到中央凹，由光接收器的相对刺激作用产生感觉， 射到中央凹，由光接收器的相对刺激作用产生感觉，把辐射来的 能量变为电脉冲，由人脑判断。 能量变为电脉冲，由人脑判断。
相对评价——图像好到坏分类，比较。 图像好到坏分类，比较。 相对评价 图像好到坏分类 “群优度尺度”最好、稍 群优度尺度”最好、 好…. . 一批中最好的图像 比该批的平均水平好的图像 稍好于该批的平均水平图像 该批平均水平的图像 稍次于该批的平均水平图像 比该批的平均水平差的图像 一批中最差的图像 7分 6分 5分 4分 3分 2分 1分 分
1 1 ∧ f ( j, k) = 1 1
1 1 1 2 2 1 2 2 1 1 1 1
峰值均方误差PMSE 峰值均方误差PMSE
∧ 1 J K ( )∑∑[ f ( j, k) f ( j, k)]2 JK j=1 k=1 PM = SE A2
f(j,k)--被变换的图像场，A--f(j,k)的最大值
采样 f(x,y) fs(x,y)
量化
计算机
检测阵列
量化：灰度上的离散化 采样：空间上的离散化
表达（建模，图像数字化） 表达（建模，图像数字化）
噪声从统计特性上分： 平稳 平稳－ 噪声从统计特性上分： a)平稳－统计特性不随时间变化 b)非平稳－统计特性随时间变化 非平稳－ 非平稳 噪声从幅度分布上分： 分布、 噪声从幅度分布上分：Gause分布、雷利分布 分布
噪声按频谱形状分： a）频谱均匀的称白噪声 噪声按频谱形状分： ） b）频谱与f成反比称 噪声，三角噪声 ）频谱与 成反比称 噪声， 成反比称1/f噪声 （与f2成正比）
噪声与信号的关系： ） 噪声与信号的关系 a）加性噪声 b）乘性噪声 ）
图像系统噪声的特点： 图像系统噪声的特点：
1 ω y (ω) = x ( ) L L
二维噪声－扫描－传输－ 二维噪声－扫描－传输－二维噪声 a）噪声的扫描变换 ）
L―扫描点数， ―水平方向的功率密度分布y ―垂直方向的功率密度 扫描点数， 水平方向的功率密度分布， 水平方向的功率密度分布， 扫描点数 x 垂直方向的功率密度 分布
2.1.1 视觉原理 2.1.2 亮度适应和区分 2.1.3 成像模型 2.1.4 颜色视觉
2.1视觉感知 视觉感知
2.1.1视觉原理
2.1.1视觉原理
光接收细胞： 光接收细胞： 锥细胞： 锥细胞：600～700万。对颜色敏感。充分识别图像细节，每个细 ～ 万 对颜色敏感。充分识别图像细节， 胞接一个神经末端，又叫适亮视觉（ 胞接一个神经末端，又叫适亮视觉（photopic vision）、白昼视 ） 觉 柱细胞：7500～15000万，几个柱细胞联到同一个神经末梢，分辨 柱细胞： ～ 万 几个柱细胞联到同一个神经末梢， 率低，提供视野的整体试象，不感受颜色对低照度敏感。 率低，提供视野的整体试象，不感受颜色对低照度敏感。 夜视觉
b) 噪声与图像的相关性，与摄像设备不同有关 噪声与图像的相关性， c）噪声叠加性，同类噪声可进行功率相加，SNR下降 ）噪声叠加性，同类噪声可进行功率相加， 下降
2.3 图像质量评价
2.3.1 图像的主观评价 图像的主观评价 2.3.2 黑白离散图像的逼真度量度
2.3.1 图像的主观评价 图像的主观评价
输入
Ii (x, y)
光学系统 H(wx , wy )
输出
I0 (x, y)
输入图像 输出图像
Ii (x, y) I0 (x, y)
的傅立叶变换
0 (wx , wy )
i (wx , wy )
的傅立叶变换
0 (wx , wy ) H(wx , wy ) = i (wx , wy )
人的视觉系统的MFT是非线性和各向异性的（ 人的视觉系统的MFT是非线性和各向异性的（即旋转可变 MFT是非线性和各向异性的 ），眼睛对光强度的非线性响应成对数型 眼睛对光强度的非线性响应成对数型。 性），眼睛对光强度的非线性响应成对数型。
第二讲 图像信息的基本知识
视觉基础 人眼与亮度视觉 颜色视觉 图像和视觉基础 成像基础 成像模型 成像几何 采样和量化 像素间联系 图像运算 图像坐标变换
图像基础
2.1 视觉感知 2.2 图像的噪声分析 2.3 图像的质量评价 2.4 图像的采样与量化(数字化) 2.5 像素之间的关系
2.1视觉感知 视觉感知
绿色视谱感受器
e2
e1
线性系统
非线性 系统
+
－
∑
d2
d1
线性系统
g2
g1
g3
神经 信号
线性系统
黄绿视谱感受器
非线性 系统
线性系统
－
蓝色视谱感受器
e3
线性系统
非线性 系统
+
彩色视觉扩展模型
∑
d3
线性系统
2、H、S、I : (面向彩色处理的最常用模型 、 、 、 面向彩色处理的最常用模型) 面向彩色处理的最常用模型 区分颜色常用的3种基本特性量：亮度、色调、饱和度。 区分颜色常用的 种基本特性量：亮度、色调、饱和度。 种基本特性量 Hue，Saturation，Intensity ， ， 亮度：与物体的发射率成正比 亮度： 色调： 色调：与混合光谱中主要光波长相联系 饱和度： 饱和度：与一定色调的纯度有关
2.3.2 黑白离散图像的逼真度量度 归一化均方误差NMSE 归一化均方误差NMSE
[ f ( j, k) f ( j, k)]2 ∑∑ NMSE =
j =1 k =1 J J K ∧
[ f ( j, k)]2 ∑∑
j =1 k =1
K
1 1 f ( j, k) = 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1