人眼視覺(jué)的時(shí)間特性

第2章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

2.1色度學(xué)基礎(chǔ)2.2人眼的視覺(jué)特性2.3圖像的數(shù)字化2.4圖像的代數(shù)運(yùn)算2.5灰度直方圖2.6圖像文件格式及類型學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握色度學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)理解人眼的視覺(jué)特性掌握?qǐng)D像的數(shù)字化過(guò)程了解圖像的代數(shù)運(yùn)算理解灰度直方圖的概念及其應(yīng)用了解圖像文件的格式及類型2.1色度學(xué)基礎(chǔ)2.1.1三基色原理

在中學(xué)的物理課中我們可能做過(guò)棱鏡的試驗(yàn)，白光通過(guò)棱鏡后被分解成多種顏色逐漸過(guò)渡的色譜，顏色依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，這就是可見(jiàn)光譜。

其中人眼對(duì)紅、綠、藍(lán)最為敏感，這是由于人眼的視網(wǎng)膜上存在大量能在適當(dāng)亮度下分辨顏色的錐狀細(xì)胞，它們分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三種顏色。因此，紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）這三種顏色被稱為三基色。

400nm700nm紫外光紅外光可見(jiàn)光區(qū)546.1nm435.8nm780nm把三種基色光按不同比例相加稱之為相加混色。由紅、綠、藍(lán)三基色進(jìn)行相加混色及其補(bǔ)色，如下圖所示。相加混色的三基色及其補(bǔ)色2.1.2彩色模型

為了科學(xué)地定量描述和使用顏色，人們提出了各種顏色模型。目前常用的顏色模型按用途可分為兩類，一類面向諸如視頻監(jiān)視器、彩色攝像機(jī)或打印機(jī)之類的硬件設(shè)備。另一類面向以彩色處理為目的的應(yīng)用，如動(dòng)畫(huà)中的彩色圖形。面向硬件設(shè)備的最常用彩色模型是RGB模型，而面向彩色處理的最常用模型是HSI模型。另外，在印刷工業(yè)上和電視信號(hào)傳輸中，經(jīng)常使用CMYK和YUV色彩系統(tǒng)。常見(jiàn)彩色圖像處理流程

2.2人眼的視覺(jué)特性2.2.1人眼的構(gòu)造

虹膜瞳孔角膜晶狀體鞏膜脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜黃斑視神經(jīng)玻璃體2.2.2圖像在人眼中的形成過(guò)程

2.2.3亮度范圍和分辨率

1.人眼的亮度感覺(jué)范圍人眼能夠感覺(jué)的亮度范圍（稱為視覺(jué)范圍）非常寬，從千分之幾尼特到幾百萬(wàn)尼特，這是由于瞳孔和光敏細(xì)胞的具有一定的調(diào)節(jié)作用。在不同的亮度環(huán)境下，人眼對(duì)于同一實(shí)際亮度所產(chǎn)生的相對(duì)亮度感覺(jué)是不相同的。另外，當(dāng)人眼適應(yīng)了某一環(huán)境亮度時(shí)，所能感覺(jué)范圍將變小很多。2.人眼的空間分辨力

分辨力——人眼在一定距離上能區(qū)分開(kāi)相近兩點(diǎn)的能力，用能區(qū)分開(kāi)的最小視角之倒數(shù)來(lái)描述

ρ=1/θ2.2.4視覺(jué)適應(yīng)性1.亮度適應(yīng)暗亮亮適應(yīng)適應(yīng)時(shí)間短幾秒鐘亮暗暗適應(yīng)適應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)30秒

2.顏色適應(yīng)隨著光的波長(zhǎng)分布變化，研究存在對(duì)于顏色刺激產(chǎn)生變化的特性；強(qiáng)紅光刺激后，將黃色看成綠色。.2.2.5人眼視覺(jué)的時(shí)間特性(1)視覺(jué)起始特性

在加入階躍光波刺激時(shí)所產(chǎn)生的感覺(jué)變化，在刺激后幾十毫秒時(shí)感覺(jué)才達(dá)到頂點(diǎn)，然后慢慢減少到一個(gè)常值。人眼視覺(jué)曲線的上升沿時(shí)間隨著刺激光強(qiáng)的增加而縮短。(2)視覺(jué)惰性

人眼的亮度感覺(jué)不會(huì)隨著物體亮度的消失而立即消失，而有一個(gè)過(guò)渡時(shí)間，這為視覺(jué)惰性。在亮度消失以后尚能保持1/20—1/10秒；當(dāng)閃爍光源每秒鐘閃爍次數(shù)越過(guò)10—20次時(shí)便會(huì)給人以均勻發(fā)光體的感覺(jué)，電影畫(huà)面24幅/s。2.2.6亮度對(duì)比效應(yīng)

人眼對(duì)亮度差別的感覺(jué)是由相對(duì)亮度的變化決定的，同時(shí)相對(duì)亮度也會(huì)影響人眼對(duì)目標(biāo)的感覺(jué)亮度，而且在客觀亮度的突變處，人眼感覺(jué)的主觀亮度會(huì)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。1.同時(shí)對(duì)比效應(yīng)

大小和亮度均相同的四個(gè)小正方形的物體處于不同的亮度背景中，當(dāng)人同時(shí)觀察目標(biāo)物與背景時(shí)，會(huì)感到較暗背景中的目標(biāo)物較亮，而較亮背景中的目標(biāo)物則較暗。這是由于人的視覺(jué)靈敏度在高亮度背景下會(huì)下降。這種效應(yīng)稱為同時(shí)對(duì)比效應(yīng)。

（1）當(dāng)目標(biāo)物具有相同亮度時(shí)，人會(huì)感到暗背景中的目標(biāo)物較亮，而亮背景中的目標(biāo)物較暗。（2）當(dāng)兩個(gè)不同亮度的目標(biāo)物處于不同亮度的背景中時(shí)，人會(huì)按照對(duì)比度感覺(jué)目標(biāo)物的亮度對(duì)比。（3）當(dāng)人眼觀察對(duì)比度相近的兩個(gè)目標(biāo)物時(shí)，會(huì)認(rèn)為兩個(gè)目標(biāo)物的亮度接近，這種現(xiàn)象稱為亮度恒定現(xiàn)象。2.馬赫效應(yīng)

當(dāng)亮度發(fā)生躍變時(shí)，在亮暗邊緣附近，亮側(cè)亮度上沖、暗側(cè)亮度下沖的現(xiàn)象。2.3圖像的數(shù)字化所謂的圖像數(shù)字化，是指將模擬圖像經(jīng)過(guò)離散化之后，得到用數(shù)字表示的圖像。圖像的數(shù)字化包括了空間離散化（即采樣）和明暗表示數(shù)據(jù)的離散化（即量化）。f(x,y)M個(gè)像素N個(gè)像素像素2.3.1采樣

采樣

是指將在空間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換成離散的采樣點(diǎn)（即像素）集的操作。由于圖像是二維分布的信息，所以采樣是在x軸和y軸兩個(gè)方向上進(jìn)行的。一般情況下，x軸方向與y軸方向的采樣間隔相同。采樣間隔采樣時(shí)的注意點(diǎn)是：采樣間隔的選取。采樣間隔太小，則增大數(shù)據(jù)量；太大，則會(huì)發(fā)生信息的混疊，導(dǎo)致細(xì)節(jié)無(wú)法辨認(rèn)。采樣孔徑的形狀

采樣孔徑通常有圓形、正方形、長(zhǎng)方形和橢圓形四種形狀。如下圖所示。在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到光學(xué)系統(tǒng)特性的影響，采樣孔徑會(huì)在一定程度上發(fā)生畸變，使得邊緣出現(xiàn)模糊現(xiàn)象，同時(shí)降低了輸入圖像的信噪比。采樣孔徑的形狀

采樣的方式

采樣的方式是指采樣間隔確定后，相鄰像素之間的位置關(guān)系。通常有三種采樣方式：有縫、無(wú)縫和重疊采樣。

(a)有縫(b)無(wú)縫(c)重疊采樣效果演示示例細(xì)節(jié)清晰，數(shù)據(jù)量為100%265×180133×9066×4533×22細(xì)節(jié)無(wú)法辨認(rèn)，數(shù)據(jù)量為1%2.3.2量化

量化是將各個(gè)像素所含的明暗信息離散化后，用數(shù)字來(lái)表示。一般的量化值為整數(shù)。充分考慮到人眼的識(shí)別能力之后，目前非特殊用途的圖像均為8bit量化，即采用0~255的整數(shù)來(lái)描述“從黑到白”。在3bit以下的量化，會(huì)出現(xiàn)偽輪廓現(xiàn)象。量化示意圖：低bit量化的偽輪廓現(xiàn)象圖例2.3.3數(shù)字化參數(shù)的選擇及對(duì)圖像的影響

圖像采樣點(diǎn)數(shù)和灰度級(jí)

區(qū)分圖像中的目標(biāo)物細(xì)節(jié)的程度，稱為圖像的分辨率。圖像分辨率包括空間分辨力和幅度分辨率，分別由圖像的采樣和量化決定。

(a)原始圖像(256×256)(b)采樣圖像1(128×128)(c)采樣圖像2(64×64)

(d)采樣圖像3(32×32)(e)采樣圖像4(16×16)(f)采樣圖像5(8×8)1.空間分辨率圖像空間分辨率是由采樣點(diǎn)數(shù)（N）決定的。當(dāng)灰度級(jí)k一定時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)越多,圖像的空間分辨率就越高，圖像質(zhì)量就越好。反之，采樣點(diǎn)數(shù)越少，空間分辨率就越低，圖像質(zhì)量越差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)像素呈塊狀的國(guó)際棋盤(pán)效應(yīng)，這是由于此時(shí)像素塊的面積增大。2.幅度分辨率

(a)原始圖像(256色)(b)量化圖像1(64色)(c)量化圖像2(32色)

(d)量化圖像3(16色)(e)量化圖像4(4色)(f)量化圖像5(2色)圖像幅度分辨率由量化級(jí)數(shù)即灰度級(jí)來(lái)決定。當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)N一定時(shí)，灰度級(jí)數(shù)越多，所得圖像層次越豐富，圖像的幅度分辨率越高，圖像的質(zhì)量就越好；反之，灰度級(jí)數(shù)越少，圖像的幅度分辨率越低，質(zhì)量也就越差，甚至?xí)霈F(xiàn)虛假輪廓的現(xiàn)象。

一般，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時(shí),為了得到質(zhì)量較好的圖像可采用如下原則：（1）對(duì)緩變的圖像，應(yīng)細(xì)量化，粗采樣，以避免假輪廓。（2）對(duì)細(xì)節(jié)豐富的圖像，應(yīng)細(xì)采樣，粗量化，以避免模糊（混疊）。對(duì)于彩色圖像，是按照顏色成分——紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8bit量化，即每種顏色量級(jí)別是256，則可以處理256×256×256=16777216種顏色。

3.圖像數(shù)字化處理規(guī)則2.4圖像的代數(shù)運(yùn)算圖像的代數(shù)運(yùn)算是指兩幅輸入圖像對(duì)應(yīng)像素間的一對(duì)一的灰度值相加、相減、相乘和相除運(yùn)算。圖像代數(shù)運(yùn)算有4種基本形式：（1）加法

圖像的加法運(yùn)算可以用來(lái)消除或降低加性隨機(jī)噪聲，并能取得良好的效果。同時(shí)也可用于將一幅圖像的內(nèi)容疊加到另一幅圖像上，實(shí)現(xiàn)二次曝光。（2）減法圖像的減法運(yùn)算可用于消除一幅圖像中所不需要的加性圖案。還可以用于檢測(cè)同一個(gè)場(chǎng)景的兩幅圖像之間的變化。

（3）乘法乘法運(yùn)算能在獲取圖像的局部圖案是發(fā)揮重要作用，即用一幅掩膜圖像乘以某一幅圖像可以達(dá)到遮住該圖像中的某些部分，僅保留圖像中感興趣的部分的作用。（4）除法除法運(yùn)算則可以產(chǎn)生對(duì)顏色和多光譜圖像分析十分重要的比率圖像。2.5灰度直方圖在數(shù)字圖像處理中，灰度直方圖是一種最簡(jiǎn)單且最有用的用來(lái)描述一幅圖像中灰度級(jí)內(nèi)容的工具，是圖像處理的基礎(chǔ)。2.5.1概念圖像的灰度直方圖是一種反映一幅圖像中各灰度級(jí)像素出現(xiàn)的頻率之間的關(guān)系。描述圖像灰度直方圖的二維坐標(biāo)是以灰度級(jí)作為橫坐標(biāo)和以灰度級(jí)的頻率作為縱坐標(biāo)的。圖像及對(duì)應(yīng)的灰度直方圖

計(jì)算灰度直方圖例2.1

假設(shè)一個(gè)圖像由4*4大小的二維數(shù)值矩陣構(gòu)成，如圖（a）所示，按照條件寫(xiě)出圖像的灰度分布并畫(huà)出圖像的直方圖。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)圖像中灰度級(jí)為表2.3所列。其灰度直方圖如圖（b）?；叶戎祌0123456像素個(gè)數(shù)n1163311像素分布p（r）1/161/166/163/163/161/161/16

(a)原圖像數(shù)值矩陣(b)灰度直方圖（1）灰度直方圖僅僅只能反映圖像的灰度分布情況，而不能反映同一灰度值的像素的具體空間位置，即無(wú)法反映像素的位置信息。2.5.2性質(zhì)（2）任何一幅圖像都有唯一地與其對(duì)應(yīng)的一個(gè)灰度直方圖，但是由于直方圖無(wú)法反映各像素點(diǎn)的具體位置，對(duì)于不同的圖像，只要具有相同的灰度分布情況，其對(duì)應(yīng)的灰度直方圖是一致的，即直方圖與圖像是一對(duì)多的關(guān)系。（3）若一幅圖像分成若干個(gè)子圖像，則該圖像的直方圖就等于各個(gè)子像灰度直方圖的疊加，這是由于灰度直方圖是各灰度級(jí)出現(xiàn)頻數(shù)的統(tǒng)計(jì)值。

2.5.3應(yīng)用從對(duì)圖像的觀察和分析，到對(duì)圖像處理結(jié)果的評(píng)價(jià)，灰度直方圖都算得上是最簡(jiǎn)單，也是最有效的工具。(1)圖像數(shù)字化的重要標(biāo)準(zhǔn)直方圖給出了一個(gè)非常直觀的指標(biāo)，可以用來(lái)判斷圖像數(shù)字化是是否合理地利用了全部允許的灰度范圍。(2)選取圖像分割閾值的依據(jù)根據(jù)圖像的灰度直方圖，對(duì)一些特殊灰度分布的圖像可以直接選取分割閾值。例如對(duì)于具有二峰性的灰度直方圖的圖像，可以根據(jù)直方圖獲得有指導(dǎo)意義的閾值。

(3)計(jì)算圖像中物體的面積當(dāng)物體部分的灰度值比其他部分灰度值大時(shí)，可以利用直方圖統(tǒng)計(jì)出圖像中物體的面積。2.6圖像文件格式及類型

數(shù)字圖像有多種存儲(chǔ)格式，每種格式一般由不同的開(kāi)發(fā)商支持。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和圖像應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，還會(huì)出現(xiàn)新的圖像格式。

1.BMP文件格式

是一種與文件無(wú)關(guān)的圖像文件格式，是一種位映射的存儲(chǔ)形式。是Windows軟件推薦使用的一種格式。應(yīng)用廣泛。2.6.1圖像文件格式