第二章頻率域圖像增強

第二章數(shù)字圖像基礎陶冰潔taobingjie@主要內(nèi)容圖像的視覺感知圖像的獲取圖像取樣和量化圖像的表示1、人眼結構(睫狀體)(角膜)(虹膜)（晶狀體）（視網(wǎng)膜）(鞏膜)(脈絡膜)（玻璃體）一、圖像的視覺感知2、人眼視覺感知一、圖像的視覺感知2、人眼視覺感知①神經(jīng)節(jié)細胞②感光細胞③桿狀細胞④錐狀細胞①雙極細胞②錐狀細胞③桿狀細胞一、圖像的視覺感知椎狀細胞(cones):~600-700萬個，感知色彩信息;桿狀細胞(rods):~7500-1500萬個，提取亮度信息。一、圖像的視覺感知conesrods一、圖像的視覺感知Luminance(亮度，輝度)

3、術語（物理）Illuminance

(照度)

Illuminance

istheamountoflightincidentonthe

surface.Reflectance(反射率)

Reflectance

istheproportionofincidentlightthatisreflectedfromasurface.Reflectance(albedo,反照率)，[0~1]/[0%~100%]，0-idealblack，1~idealwhite.Luminance

istheamountofvisiblelightthatcomestotheeyefromasurface.一、圖像的視覺感知Lightness

(明度)

3、術語（主觀）Brightness(光亮度)

Brightnessistheperceivedintensityoflightcomingfromtheimageitself,ratherthananypropertyoftheportrayedscene.Brightnessissometimesdefinedasperceivedluminance.Lightness

istheperceivedreflectanceofa

surface.Itrepresentsthevisualsystem’sattempttoextract

reflectancebasedontheluminancesinthescene.一、圖像的視覺感知入射到觀察場景的光源總量；入射分量，取決于照射源。正比于物理源的輻射能量。物體反射光的總量；反射分量，取決于成像物體的特性。4、圖像形成模型一、圖像的視覺感知4、圖像形成模型f(x,y)i(x,y)r(x,y)一、圖像的視覺感知視覺的空間特性人眼的空間分辨能力為1’(1/60度)；灰度分辨能力大約64級。視覺的時間特性

活動圖像的幀頻至少是15幀/s的時候，人眼才有圖像連貫的感覺。4、人眼的視覺特性與錯覺一、圖像的視覺感知4、人眼的視覺特性與錯覺Brightness(亮度)

區(qū)分4、人眼的視覺特性與錯覺

視覺錯覺a正方形輪廓b圓形輪廓c等長d45度平行線Findablackdot!

4、人眼的視覺特性與錯覺Whatdoyouseehere?Avaseortwomenlookingateachother?Seeifyoucanfindthemboth.BlackorWhite?Motionillusions

Thismeansthatmikemayseethestandardmotionillusions.BarberPole.HumanMotionSystemIllusorySnakes可見光：0.38~0.75um；紅外線：0.75~1000um(>10個倍頻)二、圖像的獲取與顯示

1、光與電磁波譜（ElectromagneticSpectrum）可見光譜：可見波段：0.38-0.75um；子波段:

紫、藍、綠、黃、橘黃、紅色；物體顏色：物體反射光的性質(zhì)決定；彩色光源質(zhì)量：

—發(fā)光強度（Radiance）

—光通量（luminance）

—光亮度（Brightness）二、圖像的獲取與顯示二、圖像的獲取與顯示不可見光譜?Gamma-ray和X-ray：醫(yī)學和天文學?

紅外成像（Infraredimaging）：近、中、遠、極遠紅外；?

微波成像（Microwaveimaging）；?

紫外成像；?

THz波（太赫茲波）

THz射線（太赫茲射線）是從上個世紀80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科學家們將統(tǒng)稱為遠紅外射線。太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波，波長約0.03~3mm范圍，介于微波與紅外之間。頻率：0.1THZ---10THZ(3mm-0.03mm)宏觀電子學向微觀光子學過渡階段THZ波THz波帶很寬:0.1~10THz,而且單個THz脈沖就包含非常寬的帶寬。THz波頻率很高,是微波的1000倍以上,所以空間分辨率很高.由于THz通常由相干電流驅(qū)動的偶極子振蕩或由相干的激光脈沖通過非線性光學參量、差頻過程產(chǎn)生。因此,THz波具有很高的時間和空間相干性。THz波能量低，當頻率恰好為1THz時,光子能量只有大約4meV,因此它不會對被檢測的生物組織產(chǎn)生有害的電離,在醫(yī)學成像方面有很好的應用前景。穿透性強，除了金屬和水對THz有較強吸收,THz對其他物質(zhì)都有很好的穿透性,因此,THz波在安全檢查,反恐領域的應用前景被人們普遍看好。THZ波輻射的特點紅外熱成像鋼包檢測熱風爐檢測核磁共振(MRI)成像X-RAY成像Gamma-rays成像主要參數(shù)：采樣尺寸圖像尺寸物理參數(shù)灰度級別

2、圖想獲取與采集（1）單個傳感器（2）數(shù)字化器組成人工光源光傳感器掃描裝置二、圖像的獲取與顯示4.CCD與CMOS圖像傳感器

圖像傳感器

(imageSensor)CCD

電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice）

特點：

靈敏度高，噪音小，信噪比大。但是生產(chǎn)工藝復雜、成本高、功耗高。

二、圖像的獲取與顯示帶狀傳感器成像

線陣CCD陣列傳感器成像面陣CCD

能在x、y兩個方向都能實現(xiàn)電子自掃描，可以得二維圖像。4.CCD與CMOS圖像傳感器CMOS

互補金屬氧化物半導體

（Complementarymetaloxidesemiconductor）

特點：

集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對光源要求高。二、圖像的獲取與顯示CCD/CMOS

GeorgeSmith,WillardBoyle(1969)諾貝爾物理學獎獲得者(2009)高錕：光纖傳輸以用于光通信方方面三、圖像取樣和量化圖像的數(shù)字化：取樣和量化

為了便于計算機處理，圖像函數(shù)f(x,y)在空間和取值上必須數(shù)字化。連續(xù)圖像數(shù)字圖像離散化NM圖像的數(shù)字化：采樣和量化

圖像的采樣（Sampling)：空間坐標(x,y)的數(shù)字化被稱為圖像采樣確定水平和垂直方向上的像素個數(shù)N、MＮＭ像素（pixel)三、圖像取樣和量化圖像的數(shù)字化：采樣和量化

圖像的量化(Quantization)：取值的數(shù)字化：被稱為圖像灰度級量化量化處理：將f

映射到Z的處理Z的最大取值：確定像素的灰度級數(shù)G=2m。fZ三、圖像取樣和量化數(shù)字圖像的數(shù)學表示三、圖像取樣和量化像元坐標像元的灰度值（Grayscale)數(shù)字圖像的數(shù)學表示三、圖像取樣和量化空間分辨率（SpatialResolution)512×512256×256128×12864×64采樣引起的空間分辨率與圖像質(zhì)量數(shù)碼相機：

3072×2304＝7077888(700萬像素)2592×1944＝5038848(500萬像素)三、圖像取樣和量化灰度分辨率（GrayResolution)量化引起的灰度分辨率與圖像質(zhì)量5122561286484三、圖像取樣和量化原圖低色調(diào)低對比度低飽和度1、空間表示0N-1M-1f(x,y)四、圖像的表示2、數(shù)學描述連續(xù)模型：

f表示圖像的灰度，(x,y)二維空間的連續(xù)變化。離散模型：

經(jīng)過采樣和量化后的數(shù)字圖像就是一個M×N矩陣。

隨機場模型

把每一個像素都看成一個隨機過程。四、圖像的表示3、矩陣表示四、圖像的表示4、鄰域：在一定意義下，與該像素相鄰的像素的集合。OOOO*OOOOOOOOOOOOOOOO*OOOOOOOOOOOOOO*OO3×3鄰域5×5鄰域OOOO*OOOO4鄰域N4(p)8鄰域N8(p)這里：3×3鄰域={(x+1,y),(x,y+1),(x-1,y),(x,y-1)}ND(p)=N8(p)-N4(p):對角鄰域四、圖像的表示

距離3×3鄰域5×5鄰域4鄰域N4(p)8鄰域N8(p)四、圖像的表示

(1)像素(pixel)

Pixel（Pictureelement），圖像的最小信息單位，通常是一個整數(shù)，其大小稱為像素值。(2)灰度級(Gray-level)

表示像素明暗程度的整數(shù)量稱為灰度級。(3)圖像分辨率(Resolution)

指組成一幅圖像的像素密度，也就是圖幅參數(shù)。對同樣大小的一幅圖，如果組成該圖的圖像像素數(shù)目越多，則說明圖像的分辨率越高，看起來就越逼真。相反，圖像顯得越粗糙。(4)顯示分辨率

指顯示屏上能夠顯示出的像素數(shù)目。例如，顯示分辨率為640×480表示顯示屏分成480行，每行顯示640個像素，整個顯示屏就含有307200個顯像點。(5)圖像深度（Bpp，Bitperpixel)

指存儲每個像素所用的位數(shù)，它也是用來度量圖像的灰度分辨率。四、圖像的表示5.基本術語(6)灰度級與圖像深度的關系

1bit(位)——2級

2bit(位)——4級

8bit(位)——256級

24bit(位)——256×256×256（真彩色圖像）

例如：8bit灰度圖的顏色數(shù)。

28=256色

24bit計算機真彩色表示的顏色數(shù)目為：

224=256×256×256=16777216色

四、圖像的表示5.基本術語一般而言，圖像的質(zhì)量取決于：層次(LevelorDetail)對比度(Contrast)清晰度(Definition

)四、圖像的表示圖像的層次-Imagelevel灰度級：表示像素明暗程度的整數(shù)量。例如：像素的取值范圍為0-255，就稱該圖像為256個灰度級的圖像。層次：表示圖像實際擁有的灰度級的數(shù)量。例如：具有32種不同取值的圖像，可稱該圖像具有32個層次。圖像數(shù)據(jù)的實際層次越多，視覺效果就越好。圖像的層次-Imagelevel對比度：是指一