第02章 图像处理基本知识

Slide1第2章图像处理基本知识Slide2内容提要人类视觉与色度学基础图像的表示方法基本的图像处理系统图像的基本统计特征MATLAB图像处理工具箱Photoshop等图像处理软件和开发工具Slide3知识要点人类颜色视觉和色度学知识。灰度图像和彩色图像的描述方法，重点讨论灰度静止图像。典型的数字图像处理系统。图像的基本统计特征。MATLAB图像处理工具箱、Photoshop等图像处理软件入门初步。Slide42.1人类视觉与色度学基础人类色觉的产生是一个复杂的过程。除了光源对眼睛的刺激，还需要人脑对光刺激的解释。人感受到的物体颜色主要取决于反射光的特性。如果物体比较均衡地反射各种光谱，则看起来是白的。如果物体对某些光谱反射得较多，则看起来物体就呈现相对应的颜色。色度学：进行图像的彩色分析，建立的研究彩色计量的学科。Slide5视觉系统中存在着杆状和锥状细胞两种感光细胞。杆状细胞为暗视器官锥状细胞是明视器官，在照度足够高时起作用，并能分辨颜色。锥状细胞大致将电磁光谱的可见部分分为三个波段：红、绿、蓝。这三种颜色被称为三基色Slide6图2.1人类视觉系统三类锥状细胞的光谱敏感曲线Slide7人类视觉对颜色的主观感觉颜色的三种主观感觉：色调、色饱和度和亮度。色调（hue）从一个物体反射过来的或透过物体的光波长是由颜色种类来辨别的，如红、橙、绿。色饱和度（saturation）即色纯度，指颜色的深浅例如：深红和浅红。亮度（brightness）颜色的明暗程度，从黑到白，主要受光源强弱影响。Slide82.1.2三基色原理由三基色混配各种颜色通常有两种方法：相加混色法。彩色电视机上的颜色。相减混色法。彩色电影、幻灯片、绘画原料相加混色和相减混色的主要区别：（1）相加法是由发光体发出的光相加而产生的各种颜色，而相减法是先有白色光，然后从中减去某些成份（吸收）得到各种颜色。（2）相加混色的三基色是红、绿、蓝，而相减混色的三基色是黄、青、品红。相加混色的补色就是相减混色的基色。（3）相加混色和相减混色有不同的规律。Slide9Grassman定律视觉对颜色的响应取决于红、绿、蓝三输入量的代数和。（1）所有颜色都可以用相互独立的三基色混合得到；（2）假如三基色的混合比相等，则色调和色饱和度也相等；（3）任意两种颜色相混合产生的新颜色与采用三基色分别合成这两种颜色的各自成份混合起来得到的结果相等；（4）混合色的光亮度是原来各分量光亮度的总和。Slide10颜色向量C的计算CIE的R、G、B颜色表示系统。选择标准红色，绿色和蓝色三种单色光作为表色系统的三基色。颜色向量C红（R）、绿（G）、蓝（B）三刺激值所构成的（R，G，B）向量的和构成。C=RR0+GG0+BB0（2.1）R、G、B为C的三刺激值（tristimulusvalues）（R0，G0，B0）称为原刺激值，是单位向量。Slide11图2.2颜色的向量表示与光谱三刺激值（a）颜色的向量表示（b）光谱三刺激值Slide122.1.3光度学基本知识光度学光学中研究光的辐射、吸收、照射、反射、散射、漫射等度量的学科同时结合视觉特征来确定光的度量及吸收的单位。在可见光谱段以外的景物图像可用类似的方法。可见光谱段以外所形成的图像，其处理的各个过程也常常要变换成人眼可以观察的图像例如热成像、X光照片等Slide13光度学中的基本概念1.光通量2.发光强度3.视敏度4.亮度亮度是发光面的明亮程度的度量，它决定于单位面积的发光强度，单位为cd/m2。5.照度照度指照射在单位面积上的光通量，单位为勒（lx）。Slide142.2连续图像的数学描述一幅图像可以被看作是空间各点光强度的集合。对于二维图像，可以把光强度I看作是随空间坐标（x,y）、光线波长和时间t变化的连续函数：I=f(x,y,,t)(2.3)Slide15灰度图像如果只考虑光的能量而不考虑其波长图像在视觉上表现为灰色影像--灰度图像：I=f(x,y,,t)（2.4）静止灰度图像：I=f(x,y)（2.5）Slide16一般地，一个完整的图像处理系统输入和显示的都是便于人眼观察的连续图像（模拟图像）。为便于数字存储和计算机处理可以通过数模转换（A/D）将连续图像变为数字图像。Slide172.3基本的图像处理系统图像处理系统包括图像处理硬件和图像处理软件。1.3.1图像处理硬件微机图像处理硬件系统主要由图像输入设备、图像运算处理设备（微计算机）、图像存储器、图像输出设备等组成。软件系统包括操作系统、控制软件及应用软件等。Slide18图2.5基本的数字图像处理系统Slide19较完整的数字图像处理系统结构框图：由输入设备、成像显示记录设备、数字图像处理核心、交互控制单元等组成。1图像输入设备完成将模拟光学图像转换成模拟电图像的过程。数字化图像输入设备还进一步将模拟电图像进行数字化以便于存储介质存储和计算机处理。Slide202.图像存储器为了适应图像的大数据量要求，输入图像、输出图像以及中间结果图像必须用大容量存储介质进行存储。3.主机用于图像处理的计算机。4．显示器及图像输出设备Slide21图2.6数字图像处理系统结构图Slide22图像采集卡、显示卡、高速图像处理卡等。（1）图像采集卡（2）高速图像处理卡（3）显示卡Slide23图2.9基于DSP的高速图像处理卡结构图Slide24图2.10VGA显卡的原理框图Slide252.3.2图像处理软件图2.12图像处理软件系统的层次结构Slide261.图像设备驱动程序2.操作系统：（1）IBMPC及兼容机一般使用MicrosoftWindows操作系统。（2）AppleMacintosh机一般使用MacOSX操作系统。（3）图形工作站典型使用UNIX或XWINDOWS操作系统。3．图像处理开发工具（1）VC++面向对象可视化集成工具（2）MATLAB的图像处理工具箱（3）图像应用软件：Photoshop、CorelDRAW、ACDSeeSlide272.4图像的统计特征（1）图像的大小（size）。（2）图像的灰度平均值（mean）。（3）协方差矩阵（covariancematrix）。11001(,)MNxyffxyMN（2.8）11001[(,))][(,)]MNfgxyfxyfgxygMNC（2.9）Slide28（4）灰度标准差（standarddeviation）。SDffC（2.12）（5）相关系数（correlationcoefficient）。fgfgffggrCCC（2.13）Slide29本章小结（1）主要介绍了数字图像处理的基本知识。从人类视觉特性和色度学基本原理出发，完成对图像进行数学描述，介绍了基本的图像处理系统、图像开发环境及常用的图像处理软件。（2）要求掌握色度学基本概念，了解常用数字图像处理系统的组成原理，逐步熟悉常见图像处理软件的操作方法。（3）本章重点要求掌握图像基本统计特征的意义和计算方法。