第二讲数字图像基础(新).

数字图像处理(DigitalImageProcessing）李恒超[e-mail]第2章数字图像基础(1)视觉感知要素及图像获取图像采样与量化MATLAB初步小结与作业视觉感知要素•人类视觉系统(HumanVisualSystem,HVS)结构与功能:目的：服务于图像离散化。分辨率+亮度级光和电磁波谱任何波段的波,都能成像;可见光部分是成像的最重要波段,但不仅限不此.图像感知的要素:“场景”+“照射光源”+获取图像的传感器(1)“场景”(2)“照射光源”(3)获取图像的传感器数字图像是离散的，物理图像是连续的；图像采样与量化数字图像与物理图像－数字图像是离散的，物理图像是连续的函数数字化－为了适应数字计算机的处理，必须对连续图像函数进行空间和幅值数字化。空间坐标(x,y)的数字化称为图像采样，而幅值数字化被称为灰度级量化。经过数字化后的图像称为数字图像(或离散图像)。采样－就是图像在空间上的离散化处理，即使空间上连续变化的图像离散化；量化－经过取样的图像，只是在空间上被离散为像素（样本）的阵列，而每一个样本灰度值还是一个有无穷多个取值的连续变化量，必须将其转化为有限个离散值，赋于不同码字才能真正成为数字图像，再由数字计算机或其它数字设备进行处理运算，这样的转化过程称其为量化。分辨率——空间分辨率和灰度分辨率灰度分辨率是指值的单位幅度上包含的灰度级数，即在灰度级数中可分辨的最小变化。若用8比特来存储一幅数字图像，其灰度级为256。空间分辨率是指图像中可辨别的最小细节，采样间隔决定空间分辨率的主要参数。一般情况下，如果没有必要实际度量所涉及象素的物理分辨率和在原始场景中分析细节等级时，通常将图像大小M×N。图像噪声——妨碍人们感觉器官对所接收的信息理解的因素，种类很多，如加性噪声、乘性噪声、白噪声和高斯噪声；对比度——指一幅图像中灰度反差的大小，对比度＝最大亮度/最小亮度。–1)平均直径averagediameter：20mm–2)角膜Cornea：如同相机的滤镜–3)虹膜Iris：2mm-8mm,Controltheamountoflights,如同相机的光圈(likecamera’saperture)。–4)晶状体lens：如同相机的变焦透镜(likecamera’szoomlens)–5)玻璃体Vitreoushumor：如同相机的暗箱(likeacameraobscura)–6)视网膜Retina：如同底片(likecameranegative)。–7)视锥体Cones：cellssensitivetocoloranddetail颜色和细节识别600万-700万–8)视杆体rods：cellssensitivetobrightness亮度7500万-15000万–9)中央凹Fovea：conesarelocatedhere视细胞最密集之处，为视线投影到网膜上的焦点(Thefocus)。–10)视神经Nerve：sendtheinformationtothebrain将收集到的光线转化为脉冲传向大脑，如同光纤(likeopticalfiber)。–11)眼皮Eyelid：如同相机的快门(likecamera’sshutter)–12)盲点Blindspot：Novisualcellishere视神经与眼球的接点，该处无视细胞所以无法感光。•ImageFormationintheEyeTheshapeofthelensiscontrolledbyciliarybody(睫状体):Fordistantobjects:flattened;Fornearobjects,thickerFocallength(焦距):Thedistancebetweenthecenterofthelensandtheretina.17mm-14mm:Fordistantobjects:thelowestrefractive(折射);Fornearbyobjects:themostrefractive(折射).Radiantenergy(辐射能)ischangedtoElectricalImpulses(电刺激),whicharedecodedbythebrainRetinaimagesize:15/100=h/17h=2.55mm1PalmtreeCenterofthelens人眼发生错觉的几种情况(人的感知和外界不存在一一对应关系,或感知不是亮度的简单函数)一个物体和它周围的亮度的交互作用,产生一种称为马赫带的效应，MachBands。当亮度发生跃变时，会有一种边缘增强的感觉，视觉上会感到亮侧更亮，暗侧更暗。Phenomenon2:Simultaneouscontrast(同时对比度)AnotherexamplesAnotherexamplescommonlyseen•3.Theotherphenomenaofopticalillusions(错觉)Illusion:Theeyefillsinnon-existinginformationorwronglyperceivesgeometricalpropertiesofobjects.IcanseeavirtualsquareIcanseealotofvirtualconcentriccirclesIcanseeavirtualcircleWhichlineislonger?Actuallytheyarewiththesamelength.图像分辨率包括空间分辨率和灰度级分辨率空间分辨率：度量视觉系统分辨空间细节的能力像素数:810万像素，200万像素等，空间清晰度灰度级分辨率：度量视觉系统分辨灰度（亮度）细节的能力，一个像素值单位幅度上包含的灰度级数。灰度级数通常是2的整数幂级数，如：用一个byte存一个像素值，则256级屏幕分辨率：显示设备最大可显示的像素点数，如800*600，1024*768，1600*1200DPI(DotperInch):指设备每英寸上所显示的像素点数，常称设备分辨率二、图像采样与量化图像的采样–空间坐标(x,y)的数字化被称为图像采样–确定水平和垂直方向上的像素个数N、M图像采样与量化图像采样的形式化定义–设Z表示整数集合–采样处理：将xy平面分配到一个网格上，且每一个网格中心的坐标是一个笛卡儿乘积ZxZ的元素对，即所有有序元素对(a,b)的集合，其中a和b属于整数集合Zxy平面(a,b)图像的采样与数字图象的质量265x180133x9066x4533x22图像采样与量化空间分辨率a:1024x1024b:512x512-1024x1024c:256x256-1024x1024d128x128-1024x1024e64x64-1024x1024f:32x32-1024x1024IKONOS卫星是美国空间成像公司发射升空的商用卫星，可采集1米分辨率的全色图像和4米分辨率的多光谱图像。如下表所示：常见卫星数据之一:1999年9月24日，SpacingImaging公司成功发射了世界上第一颗高分辨率卫星——IKONOS常见卫星数据之一:常见卫星数据之一:问题：查阅资料了解全球的对地观测系统当前发展水平如何？将全色图像的细节信息融合到多光谱图像中以获取空间分辨率增强的多光谱图像。图像融合与分辨率相关的研究方向举例与分辨率相关的研究方向举例如何提高分辨率：硬件：提高采集设备的传感器（如CCD）密度软件：超分辨率（SR：Super-Resolution）图像重建。图像采样与量化图像的量化–取值的数字化被称为图像灰度级量化–量化处理：将f映射到Z的处理–Z的最大取值，确定像素的灰度级数G=2mf图像的形式化定义–设Z表示整数集合，R表示实数集合–f(x,y)是数字图像：（1）仅当(x,y)是ZxZ中的整数，（2）并且f是给每一个坐标对(x,y)分配了一个灰度值的函数图像采样与量化图像采样与量化问题1：假定一幅图像取M×N个采样点，对样点值进行Q级分档取整。那么对M、N和Q如何取值呢？为了存取的方便，Q一般总是取成2的整数次幂，如Q＝2b，b为正整数，通常称为对图像进行b比特量化。对b来讲，取值越大，重建图像失真越小图像的量化与数字图象的质量256灰度级16灰度级8灰度级4灰度级图像采样与量化固定：265x180问题2：对M×N的取值，主要的依据是取样的约束条件，也就是在M×N达到满足采样定理的情况下，重建图像就不会产生失真，否则就会因取样点数不够而产生所谓混淆失真。?数字图像——近似图像，需要多少采样分辨率和灰度级胡昂[1965]实验：–实验方法•选取一组细节多少不同的、不同N×M,G的图象•让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图象排序–实验结论•随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提高•对有大量细节的图象，质量对灰度级需求相应降低问题图像的采样与量化非统一的图像的采样–在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样图像的采样与量化非统一的图像的量化–在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区域–避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现象f采样和量化：“统一”与“非统一”的特点与优点？共性与特性的统一自适应(adaptive)——特定问题或应用问题与分辨率相关的研究：超分辨率（Super-Resolution）：共性与特性的统一自适应(adaptive)——特定问题或应用问题扫描仪分辨率与扫描图象的大小–分辨率：单位长度上采样的像素个数：DPI(dot/inch)1000DPI1600DPI1000象素1600象素1英寸原稿二、图像的采样与量化课后作业1、熟悉Matlab编环境2、编程理解数字图像的表示