第二讲 数字图像处理基础知识

数字图像处理基础知识
一、明暗视觉
人眼对不同颜色的光的亮度感觉是不一样的， 明暗不同。
二、彩色视觉 为确切表示某一彩色光，必须用三个基本参量 （亮度、色调和饱和度）来表示，彩色视觉就是对 这三个参量的总效应。 1、亮度：反映光作用于人眼时引起的明亮程度。
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2、色调：反映了颜色的类别。
RGB的比例关系决定了彩色光的色度，而他们 的数值决定了彩色光的亮度。 色差信号：由基色信号与亮度信号之差构成,即： R-Y,B-Y,G-Y，一般选取其中的前两个。 色差信号不包含有亮度信息；两个色差信号之间 相互独立；在传输黑白图像时，两个色差信号为0。 亮度信号Y、色差信号与三基色信号RGB之间的 关系为：
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该系统为非移变系统，则有：
H f ( x a , y b ) g( x a , y b ) 其中a和b分别是空间位置的位移 量
说明图像中任一点通过系统时的响应只取决 于该点的输入值，而与该点的位置无关。
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2.4.2 空域卷积
信号输入线性非移变系统并输出的过程可以 用卷积来描述。线性非移变系统的输出等于输入 信号与表征系统特性的函数的卷积。 二维数字图像的卷积称为空域卷积。 对于线性非移变系统，其性能完全由其单位 冲击响应来表征，即：
三、人眼的分辩力 是指人在观看景物时对景物细节的分辩能力。
分为：黑白细节分辩力和 彩色细节分辩力。对彩色 细节分辩力的要求要比黑 白细节分辩力要求低。
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四、视觉惰性与闪烁感觉 1、视觉惰性
当一定强度的光作用于视网膜时，不能在瞬间 形成稳定的主观亮度感觉，而有一个短暂的过渡过 程；当光消失后，亮度感觉也并不立刻消失，而是 按近似指数函数的规律逐渐减小。人眼的这种视觉 特性叫做视觉暂留特性，或视觉惰性。 例如：人眼对房间内灯的开关的感受。
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空间混色法：利用人眼分辩力的有限性，把彼 此相距很近的三基色发光点看成是相加合成的光。
生理混色法：利用两只眼睛同时分别观看两幅 不同颜色的同一幅图像，也可以得到混色的效果。
电视系统中一般是采用这种相加混色的方法。 相减混色法：用于彩色印刷、彩色胶片、绘画
等。
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(a)1024 ×1024.8-bit image (b) 512 ×512 image resampled into 1024 ×1024 pixels by row and column duplication. (c) through (f) 256 ×256, 128 × 128, 64 ×64, and 32 ×32 images resampled into 1024 ×102 4 pixels.
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Y 0.30 R 0.59G 0.11B R Y 0.70 R 0.59G 0.11B B Y 0.30 R 0.59G 0.89 B
色差信号R-Y,B-Y幅度范围比较大，还需对其 进行压缩，得到压缩后的色差信号U和V，它们之 间的关系为：
空间坐标的数字化称为是空间采样；
幅度数字化称为幅度量化。
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一、采样
对连续变化的图像在空间坐标上做离散化的过 程，称为对图像采样（取样、抽样）。
满足奈奎斯特采样定理。 像素：组成数字图像的基 本单元。是一个二维元素， 具有特定的位置(x,y)和幅 值f(x,y)。
图像采样示意图
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白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑
标准彩条信号：
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3、饱和度：指彩色光所呈现色彩的深浅程度。
对于同一色调的彩色光，饱和度越高，颜色越深，如
深红；饱和度越低，颜色越浅，如浅红。
原图
饱和度降低
色度：色调和饱和度合称为色度，即表明了彩色 光的颜色类别，又说明了颜色的深浅程度。
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2.1.3 颜色方程
自然界中的任何颜色光均可以用颜色方程来表 示：
F RR GG BB
F：代表具有特定亮度和色度的彩色光； R[R],G[G],B[B]：F色光的三色分量； [R][G][B]：三基色单位量，能配出标准白光的3 基色量；RGB:称为三刺激值，可以测得；
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2.4 数字图像的系统模型
2.4.1 线性非移变系统
在图像处理中，为了分析和处理的方便，采用 线性和空间不变性的系统模型来解决图像问题。线 性非移变系统如图2－3所示：
图2-3
线性系统
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上图所示系统的输入和输出具有如下的关系：
g ( x, y) H f ( x, y)
I f ( x, y )
代表静止、黑白、平面图像
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数字图像的表示：
数字图像可以用I(r,c)表示，其中I代表离散化后 的f，(r,c)代表离散化的(x,y)，其中r代表图像的行， c代表图像的列。
为了分析的方便，仍采用f(x,y)来表示数字图像， 其中f,x,y都在整数集合中取值。
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第二讲 数字图像处理基础知识
2.1 视觉特性与三基色原理 2.2 图像的采集和显示 2.3 数字图像的生成和表示方法 2.4 数字图像的系统模型
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2.1 视觉特性与三基色原理
2.1.1 人眼的视觉特性
根据数字图像处理的需要，关注人眼的如下 几个重要特性：明暗视觉、彩色视觉、人眼的分 辩力、视觉惰性与闪烁感觉。
量化误差：量化是以有限个离散值近似表示无 限的连续值，所以存在误差，称其为量化误差。 对应均匀量化，量化层次越多，量化误差越小， 但编码所需要的码字的比特数越多。
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量化级数对图像质量的影响：级数越高，图像 质量越好。
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(a)Image with a low level of detail. (b) Image with a medium level of detail. (c) Image with a relatively large amount of detail.
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图像阵列中每个元素都是离散值，在数字图像 处理中，一般取阵列N和灰度级G都是2的整数幂， 即取N＝2n及G＝2m。 对一般电视图像，N取256或512，灰度级G取64 级(m＝6bit)至256级(m=8bit)，即可满足图像处理 的需要。 彩色图像可以采用R、G、B三个矩阵来表示。
数字图像处理基础知识 2.1.2 三基色原理
自然界中的颜色有无数多种，如何对这些颜 色加以表示呢？只需要三种颜色，即三基色就可 以表示所有的颜色。 一、含义 指选择3种独立的颜色，将它们按照不同的比 例混合，就可以得到不同的颜色；反之，任何颜 色也能分解为这三种颜色。
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注： 1、三种颜色必须是独立的，即其中的任何一 个颜色都不能由另外两个基色表示。 2、合成彩色光的亮度等于三个基色的亮度之 和；而色度由三个基色分量的比例决定。 在彩色电视系统，彩色图像系统中选择的三 基色一般为：红、绿、蓝，即R、G、B。
h( x, y) H ( x, y)
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g ( x, y ) H f ( x, y ) f ( x, y ) * h( x, y )

Байду номын сангаас

f ( , )h( x , y )d d
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若按等间隔采样，排成 M×N阵列（一般取方 阵N×N），则数字图 像的表达式为：
f (0,0) f (1,0) f ( x, y ) f ( N 1,0)
f (0,1) f (1,1) f ( N 1,1)

f (0, N 1) f (1, N 1) f ( N 1, N 1)
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二、相加混色 1、混色规律：如图2－2所示
红＋蓝＝品红 蓝＋绿＝青 绿＋红＝黄 红＋绿＋蓝＝白
相加混色规律示意图
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2、互补色：当两种色光按照适当的比例混合得到 白光，则这两种色称为互补色。 如：青＋红＝白色；黄＋蓝＝白色； 品＋绿＝白色。 3、相加混色的方法 时间混色法：将三种基色轮流投射到某一表面， 只要轮换的时间足够快，利用人眼的视觉惰性就可 以得到相加混色的效果。
设k1 , k2为常数， g1( x , y ) H f1( x , y ), g 2 ( x , y ) H f 2 ( x , y )
由于该系统为线性系统，所以满足叠加性和齐 次性，所以有：
H k1 f1 ( x, y ) k2 f 2 ( x, y ) k1 H f1 ( x, y ) k2 H f 2 ( x, y ) k1 g1 ( x, y ) k2 g 2 ( x, y )
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视觉惰性示例图
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2、临界闪烁频率 眼睛在周期性的光脉冲的作用下，如果它的频 率不够高，则眼睛会感到一明一暗的闪烁现象。如 果将光脉冲的频率增加到某一值时，由于视觉惰性， 眼睛就感觉不到闪烁了。
不引起闪烁感觉的光脉冲的最低重复频率称为 临界闪烁频率。 经验可知人眼的临界闪烁频率约为46Hz。
U 0.493B Y V 0.877R Y
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2.2 图像的采集和显示
2.2.1 图像采集
一、图像采集过程 首先是利用对某个电磁能量谱波段敏感的物理 器件，接受辐射并产生与所接受到的电磁辐射能量 成正比的模拟电信号。光电转换过程 然后是将前面得到的模拟电信号转化为数字信 号以输入进计算机进行处理。模数转换过程
A 1024 ×1024.8-bit image subsampled down to size 32 ×32 pixels. The number of allowable gray levels was kept at 256.
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采样点数对 图像质量的 影响：点数 越多，图像 质量越好。
采样点数和量化级数不同时会直接关系到图像的清晰度， 点数和级数越多，图像质量越高。 缺点？
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2.3.2 数字图像的表示方法
连续图像的最普通的数学表达式为：
I f ( x, y, z, , t )
其中x,y,z代表空间坐标，λ代表波长，t代表 时间，所以该表达式可以代表一幅立体的、彩色 的、活动的图像。
数字图像处理基础知识 2.2.2 图像的显示
常用的显示设备是电视显示器，其又可以分为 以下类型：CRT、液晶显示(LCD)、等离子体显示 (PDP)等。
CRT：电子扫描。 LCD: 它利用了液晶的电光效应，通过电路控 制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度 层次及色彩丰富的图像。
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二、图像采集设备 用于可见光和红外线成像的采集设备主要有： 显微密度计、析像管、视像管和固态阵等，其中固 态阵应用最广泛。 固态阵可按几何组织形式分为两种：线扫描器 和平面扫描器，其主要元件是电荷耦合器件CCD。 例子：航空航天上用的CCD数字相机、数字摄 像机、微光夜视设备、针孔相机、带CMOS Sensor 的手机。
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二、量化
量化：对信号的幅度进行离散化分层的过程称 为量化。
对像素的连续的亮度值作等间隔分层量化称为 均匀量化；作不等间隔分层量化称为非均匀量化。 根据人眼的视觉特性，通常需要100多个量化级 数。为了计算机的表达方便，量化级数一般为 2的整 数次幂，如256、128等。
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PDP: 基于一利用稀有气体（惰性气体）放电 所产生的真空紫外线激励荧光粉发光的显示技术。 可以硬拷贝到幻灯片、照片和透明胶带上。 可以使用各种热敏、激光和喷墨打印设备进行 图像的输出和显示。
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2.3 数字图像的生成和表示方法
2.3.1 数字图像的生成
常见的图像是连续的，为了适应计算机的处理， 必须对连续图像函数进行空间和幅度数字化。