第二章-圖像獲取

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數(shù)字圖像處理王偉浙江工業(yè)大學(xué)感知技術(shù)研究所2第二章圖像獲取視覺(jué)系統(tǒng)的基本構(gòu)造低級(jí)感知層次視網(wǎng)膜上的光學(xué)成像神經(jīng)活動(dòng)電信息大腦獲取圖像感知高級(jí)感知層次圖像信息的分析和理解（知之甚少，生理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物物理和化學(xué)）視網(wǎng)膜上的視覺(jué)接收器視桿體，提供暗視，光靈敏度高視錐體，提供明視，光亮度范圍大光度學(xué)和色度學(xué)的基本原理光覺(jué)（亮度）：光的強(qiáng)弱色覺(jué)（顏色）：光的波長(zhǎng)彩色（色彩）三要素：HSI色度Hue：顏色的類別色飽和度Saturation：顏色的深淺程度亮度Intensity：光刺激人眼所引起視覺(jué)的明暗程度光度學(xué)和色度學(xué)的基本原理三基色原理：格拉斯曼定律所有顏色都可以由不同比例的相互獨(dú)立的三基色混合得到

相加混色：由發(fā)光體發(fā)出的光相加而產(chǎn)生各種顏色，一般用于顯示，三基色為紅、綠、藍(lán)。

相減混色：從白色光中減去（吸收）某些成分產(chǎn)生各種顏色，一般用于印刷，三基色為黃、品紅、青。光場(chǎng)的瞬時(shí)光亮度計(jì)量：光度學(xué)和色度學(xué)的基本原理代表像源的空間輻射能量分布

相對(duì)光效（視敏）函數(shù)，即人視覺(jué)的光譜響應(yīng)

任意波長(zhǎng)光的視敏度與K(555)之比。人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光所得到的亮度感覺(jué)是不同的。其中對(duì)555nm的光感覺(jué)到的亮度最大。2100lm468lm光通量光度學(xué)和色度學(xué)的基本原理按人眼的光感覺(jué)來(lái)度量光的輻射功率。單位：流明(lm)它不僅與某一波長(zhǎng)光的輻射功率有關(guān)，還與人眼對(duì)該波長(zhǎng)光的視敏函數(shù)有關(guān)。例如：40瓦的白熾燈40瓦的日光燈>照度：照射在單位面積上的光通量，光源對(duì)物體輻射的的一種度量。Lx->lm/m2亮度：發(fā)光面的明亮程度，觀察者對(duì)物體表面反射光強(qiáng)的度量。每單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度，cd/m2光強(qiáng)（發(fā)光強(qiáng)度）：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，I=dF/dw坎德拉cd->流明/立體弧度光度學(xué)：光強(qiáng)、亮度、照度光度學(xué)和色度學(xué)的基本原理信號(hào)的分類圖像信號(hào)分析基礎(chǔ)圖像信號(hào)分析基礎(chǔ)數(shù)字量16位二進(jìn)制PCM碼表示，如1011011110101011圖像信號(hào)的采樣定理：圖像信號(hào)分析基礎(chǔ)對(duì)一個(gè)頻譜有限(|u|<umax且|v|<vmax)的圖像信號(hào)f(t)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣頻率滿足采樣函數(shù)f(i,j)便能無(wú)失真地恢復(fù)為原來(lái)的連續(xù)信號(hào)f(x,y)。umax

、vmax分別為信號(hào)在兩個(gè)方向頻域上的有效頻譜的最高角頻率；u、v分別為二維采樣頻率，us=2π/Tu，vs=2π/Tv，實(shí)際上，常取Tu=Tv=T。信號(hào)的量化：圖像信號(hào)分析基礎(chǔ)采樣是空間離散化，而量化是幅值離散化。所謂量化是將f(x,y)的連續(xù)分布的值域劃分成若干個(gè)子空間，在同一子空間內(nèi)的不同灰度值都用這個(gè)子空間內(nèi)某一個(gè)確定值代替，形成一個(gè)有限可列數(shù)值序列。均勻量化非均勻量化13標(biāo)量量化最優(yōu)量化器設(shè)計(jì)就是取均方誤差最小或信噪比最大的量化量化誤差均方誤差信噪比最優(yōu)量化器圖像中坐標(biāo)軸的規(guī)定：圖像信號(hào)分析基礎(chǔ)數(shù)字圖像的表示方法：圖像信號(hào)分析基礎(chǔ)yx數(shù)字圖像常用矩陣來(lái)表示：圖像信號(hào)分析基礎(chǔ)17數(shù)字圖像的基本概念

18數(shù)字圖像的表示M和N為正整數(shù)矩陣中的每個(gè)元素稱為圖像單元，又稱為圖像元素，或簡(jiǎn)稱像素

19數(shù)字圖像的表示(1)二進(jìn)制圖像在一幅二進(jìn)制圖像中，每一個(gè)像素將取兩個(gè)離散數(shù)值（0或1）中的一個(gè)。二進(jìn)制圖像使用uint8或雙精度類型的數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)。(2)索引圖像索引圖像是一種把像素直接作為RGB調(diào)色板下標(biāo)的圖像。在MATLAB中，索引圖像包含一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣X和一個(gè)顏色映射（調(diào)色板）矩陣map。數(shù)據(jù)矩陣可以是unit8、unit16或雙精度類型的。顏色映射矩陣map是一個(gè)m3的數(shù)據(jù)陣列，其中每個(gè)元素的值均為[0,1]之間的雙精度浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，map矩陣中的每一行分別表示紅色、綠色和藍(lán)色的顏色值。索引圖像可把像素的值直接映射為調(diào)色板數(shù)值，每個(gè)像素的顏色通過(guò)使用X的像素值作為map的下標(biāo)來(lái)獲得，如值1指向map的第一行，值2指向第二行，以此類推。MATLAB圖像類型20數(shù)字圖像的表示(3)灰度圖像灰度圖像通常由一個(gè)unit8、unit16或雙精度類型的數(shù)組來(lái)描述，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣I，如式(2.6.1)。該矩陣中的數(shù)據(jù)均代表了在一定范圍內(nèi)的灰度級(jí)，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于圖像的一個(gè)像素點(diǎn)，通常0代表黑色，1、255或65535（針對(duì)不同的存儲(chǔ)類型）代表白色。(4)多幀圖像多幀圖像是一種包含多幅圖像或幀的圖像文件，又稱為多頁(yè)圖像或圖像序列，主要用于需要對(duì)時(shí)間或場(chǎng)景上相關(guān)圖像集合進(jìn)行操作的場(chǎng)合。例如，磁諧振圖像切片或電影幀等。在MATLAB中，它是一個(gè)四維數(shù)組，其中第四維用來(lái)指定幀的序號(hào)。MATLAB圖像類型21數(shù)字圖像的表示(5)RGB圖像RGB圖像又稱為真彩圖像，它是利用R、G、B三個(gè)分量表示一個(gè)像素的顏色，R、G、B分別代表紅、綠、藍(lán)三種不同的基本顏色，通過(guò)三基色可以合成出任意顏色。所以對(duì)一個(gè)尺寸為MN的真彩圖像來(lái)說(shuō)，在MATLAB中則存儲(chǔ)為一個(gè)MN3的多維數(shù)據(jù)矩陣。RGB圖像不使用調(diào)色板，每一個(gè)像素的顏色直接由存儲(chǔ)在相應(yīng)位置的紅、綠、藍(lán)顏色分量的組合來(lái)確定。每個(gè)像素的三個(gè)顏色分量都存儲(chǔ)在矩陣的第三維中，如坐標(biāo)(16,36)處的紅、綠、藍(lán)顏色值分別保存在元素(16,36,2)、(16,36,4)和(16,36,6)中。MATLAB圖像類型22空間分辨率256256

12812864643232圖像空間分辨率變化的典型效果23灰度級(jí)分辨率

L=16

L=8L=4L=2圖像灰度分辨率變化的典型效果24象素間的基本關(guān)系鄰域N4(p)——象素(x,y)的4鄰域(x+1,y)，(x-1,y)，(x,y+1)，(x,y-1)ND(p)——象素(x,y)的對(duì)角鄰域(x+1,y+1)，(x+1,y-1)，(x-1,y+1)，(x-1,y-1)N8(p)——象素(x,y)的8鄰域

N4(p)+ND(p)25象素間的基本關(guān)系連通性V是用于定義連接性的灰度值集合

4連接：2個(gè)像素p和r在V中取值，且r在N4(p)中，則它們?yōu)?連接；8連接：2個(gè)像素p和r在V中取值，且r在N8(p)中，則它們?yōu)?連接；m連接(混合連接)：2個(gè)像素p和r在V中取值，且滿足下列條件之一，則它們?yōu)閙連接：r在N4(p)中；

r在ND(p)中且N4(p)∩N4(r)是空集，該集合是由p和r的在V中取值的4近鄰像素組成。26象素間的基本關(guān)系連通性從具有坐標(biāo)(x,y)的像素p到具有坐標(biāo)(s,t)的像素q的通路（或曲線）是特定像素序列，其坐標(biāo)為(x0,y0)，(x1,y1)，，(xn,yn)這里，(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,