第二章数字图象处理基础.

中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理第二章数字图像处理基础（4课时）2.1色度学基础2.2人的视觉特性2.3图像数字化2.4数字图像表示形式和特点2.5图像灰度直方图2.6图像处理算法的形式2.7图像数据结构与图像文件格式2.8图像的特征与噪声中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础1、三基色原理：（格拉斯曼定律）人眼视网膜上存在大量能分辨颜色的锥状细胞，分别对应红、绿、蓝三种颜色，即分别对红光、绿光、蓝光敏感。由此，红(R)、绿(G)、蓝(B)这三种颜色被称为三基色。（相互独立）根据人眼三基色吸收特性，人眼所感受到的颜色其实是三种基色按照不同比例的组合。（完备性）C=aR(r)+bG(g)+cB(b)中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础2、物体的色是人的视觉器官受光后在大脑的一种反映。物体的色取决于物体对各种波长光线的吸收、反射和透视能力。物体分消色物体和有色物体。（1）消色物体的色：消色物体指黑、白、灰色物体，对照明光线具有非选择性吸收的特性，即光线照射到消色物体上时，被吸收的各种波长的入射光是等量的；被反射或透射的光线，其光谱成分也与入射光的光谱成分相同。当白光照射到消色物体上时，反射率在75%以上，即呈白色；反光率在10%以下，即呈黑色；反光率介于两者间，呈深浅不的的灰色。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础（2）有色物体的色：有色物体对照明光线具有选择性吸收的特性，即光线照射到有色物体上，入射光中各种波长的色光是不等量的被吸收，有的被吸收得多，有的被吸收得少。白光照射到有色物体上，其反射或透射的光线与入射光线相比，不仅亮度有所减弱，光谱成分也改变了，因而呈现出各种不同的颜色。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础（3）光源的光谱成分对物体颜色的影响当有色光照到消色物体上时，物体反射光颜色与入射光颜色相同。两种以上有色光同时照射到消色物体上时，物体颜色呈加色法效应。如红光和绿光同时照射白色物体，该物体呈黄色。加色原理：利用源色(红、绿、蓝)相加获取彩色。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础（3）光源的光谱成分对物体颜色的影响当有色光照到有色物体上时，物体的颜色呈减色法效应。如黄色物体在品红光照射下呈现红色，在青色光照射下呈现绿色，在蓝色光照射下呈灰色或黑色。减色原理：利用白光中减去补色(黄、品、青)获取彩色影像的方法。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础2.1.1、颜色模型各种表示颜色的方法，称做颜色模型。目前使用最多的是面向机器（如显示器、摄像机、打印机等）的RGB模型和面向颜色处理（也面向人眼视觉）的HSI(HSV）模型。1、RGB模型：中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础2.1.1、颜色模型2、HSI(V)模型：利用色调、饱和度和亮度三个属性组成一个表示颜色的圆柱体。()/3IRGB31min(,,)SRGBI2GBHGB120.5[()()]cos[]()()()RGRBRBGBRG中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础2.1.1、颜色模型HSI优点是，能够独立变化每一个HSI成分而不会影响到其他的HSI成分。例如，反差拉伸能够应用于图像的亮度成分，而在图像增强过程中像元的色度和饱和度将不会变化。也可用于显示具有不同分辨率的空间配准后的数据。例如，一个数据源的高分辨率下的数据可以作为亮度成分显示，而来自另一个数据源的低分辨率下的数据可以作为色度和饱和度成分来显示。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础2.1.1、颜色模型3、CMY颜色模型：以品红(magenta)、青(cyan)、黄(yellow)作为三基色，是一种减色系统。CMY减色系统和RGB加色系统颜色互为补色。所谓某颜色的补色是从白色中减去这种颜色后所得到的颜色。品红是绿色的补色，青色是红色的补色，黄色是蓝色的补色。相加系统的补色就是相减系统的基色(R+G=黄，G+B=青，R+B=品红)。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础2.1.2、颜色模型间转换通常在HSI下作完增强后，再变回RGB显示。RGB色彩立方体的投影面。当对黑白点之间逐步变小的立方体进行投影时，就会产生一系列的投影结果。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础2.1.2、颜色模型间转换中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.1色度学基础2.1.2、颜色模型间转换如果投影面沿灰度线从白到黑移动，就会使一系列的更小的立方体被投影，从而在投影面上产生一序列的尺寸逐步降低的六边形。白色六边形最大，而黑色六边形最小，实际上已经缩小到一个点（立体六角锥）。亮度定义为沿灰度线方向从黑包到任意给定六边形的投影距离；色度用环绕六边形的角度来表示；饱和度用距六边形中心灰度点的距离来表示。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点（1）瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，控制进入人眼内之光通量(照相机光圈作用)（2）晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成象(照相机透镜作用)中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点（3）视细胞：大量于视网膜上，分为两类：1）锥状细胞：600万－700万个；明视细胞，在强光下检测亮度和颜色；白天视觉过程靠此完成。2）杆(柱)状细胞：更多(10-20倍)；暗视细胞，在弱光下检测亮度，无色彩感觉，用于给出总体图像(平均亮度)。每个锥状视细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率高，分辨细节、颜色；多个杆状视细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率低，仅分辨图的轮廓。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点（4）人眼成象过程：光线通过角膜、前室水状液、水晶体、后室玻璃体，成像在视网膜的黄斑区周围。视网膜上的光敏细胞感受到不同的光刺激，产生强度不同的电脉冲，并经神经纤维传送到视神经中枢，由于不同位置的光敏细胞产生了和该处光的强弱成比例的电脉冲，所以，大脑中便形成了一幅景物的感觉。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点人眼的适应亮度范围很宽：10的10次方(最大与最小之差)。同时识别亮度范围很有限的：（适应的范围宽，同时识别范围窄）。如从亮屋到黑屋什么都看不见（需适应20～30秒），从黑屋到白屋适应较快（仅需1～2秒）。人眼对亮度有适应能力，因此很难判别亮度绝对值。即使相同亮度，但若背景亮度不同，人眼的主观感觉的亮度亦不一致。要人眼感觉物体在运动，至少15帧/S。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点系统输出图像员终总是由人的视觉系统来评价。图像质量评价与视觉心理：对图像的认识或理解是由感觉和心理状态决定的；图像系统评价的真正尺度应该是发信者的意图为收信者所理解的程度，而不是对发信者发出的图像像素信息集台的简单接收。画面组成和视觉心理：人的视野，左右约180度，上下约60度，视力好的部位仅限2－3度。人是如何转动眼球使视线移动，从而适应大的画面和立体景像的？中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点人眼中心视力分辨率强，可以进行图像细节的认识，但只能认识图像的一小部分；而周边视力分辨率差，但可认识图像的全貌，而且可以将所视目标特征部分检出，利用检出的目标图像特征去控制眼球运动。必要时可以再用中心视力来进一步认识这一部分图像。对于大画面图像，充分利用周边视产生较强的临场感；而小画面临场感弱，为了产生充分的临场感。画面尺寸一般应有30度以上的视野。宽银幕和球幕电影的视觉效果好的原因。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点视觉的时空频率分析：视觉的空间频率特性是影响图像锐度的主要原因。具有mach效应、Roca-Sulzer微分效应以及中枢神经的Craik-o’brien积分效应等是视觉信息处理的基础。由此可将视觉和图像结合起来研究，应用于图像编码中。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点mach效应：一种亮度对比现象。当一系列亮度不同的图形从暗到亮排列在一起时，在较亮图形临近较暗图形的边缘处，存在一条更亮的带子；而在较暗图形临近较亮图形的边缘处，有一条更暗的带子。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点Mach带效应：当亮度为阶跃变化时，图像中显示出竖条灰度梯级图像，如图。每个竖条宽度内反射出来的强度是均匀的，相邻竖条之间的强度是常数，然而看起来每一竖条内右边要比左边稍亮。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点眼睛对不同空间频率产生不同视觉响应的结果。视觉系统对空间高频和低频的敏感性较差，而对中频有较高的敏感性，因而在亮度突变处产生亮度过冲现象；对景物有增强其轮廓的作用。制作效果：用一个黑白组成的圆盘，高速旋转时,在3个交界处会看到比较亮和比较暗的两条窄环：b点亮环和c点暗环。亮环和暗环就叫马赫带。物理上，ab和cd区的亮度是均匀的，而看起来b点却比ab区亮，而c点又比cd区暗，说明感觉的变化和光强的变化并不完全对应。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点视觉生理和模型研究：视觉生理主要是指从视觉信息的产生、传输和处理的机理。涉及神经生理学，对图像工程技术是很有启发性的。已经能够对部分神经网络进行模型分析，如侧抑制现象、马赫效应等。但涉及到大脑高级神经中枢的“思考过程”，学习、联想、记忆等自己组织化机能的研究，还刚起步。埃舍尔矛盾空间中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理1、人眼的构造与机理要点研究课题：（1）搞清决定图像质量的主观因素，作出其总的结构模型；（2）找出人脑真正接收信息的容量，大脑有效接收图像的显示方式；（3）弄清图像信源和信宿的结构，建立起包括人的因素在内的信息论；（4）研究视觉和其它感觉的相乘作用，即视觉和其它感觉的互相影响；（5）开发自己组织作用的综合研究，进一步建立、发展“思考过程”；（6）视觉和行为的关系。2.2人的视觉特性中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点视觉信息的产生：倾向性的意见：视网膜可分为若干层，各层对视觉信息的产生、加工、传递起着不同的作用。视觉信息的产生是在具有杆状细胞和锥状细胞的视细胞层。视觉信息传递：视觉信息传递分眼球内和眼球外两部分。视觉信息的加工处理：刺激某一个神经元使其兴奋，若再刺激该神经元附近的其它神经元时，可以看出后者的兴奋对前者的兴奋有抑制作用。侧抑制的强弱与神经之间距离、兴奋程度等有关。中南大学地球科学与信息物理学院地信系梅小明数字图像处理2.2人的视觉特性1、人眼的构造与机理要点由于视神经的侧抑制作用而产生的视觉马赫现象，有增强像轮廓提高图像反差的作用。大脑对图形的认识过程，知之较少，但有很多设想，如大脑全息记忆型设想。学会走迷宫老鼠切除大脑部分皮层实验，只切少许不受影