數(shù)字圖像處理－圖像和視覺(jué)基礎(chǔ)

數(shù)字圖像處理

(DigitalImageProcessing〕數(shù)字圖像處理與模式識(shí)別研究所山東科技大學(xué)信電學(xué)院第二章圖像和視覺(jué)根底2.1光的特性2.2視覺(jué)系統(tǒng)2.3顏色

2.3.1CIE色度圖

2.3.2常用顏色模型2.4圖像的表示2.1光的特性光是一種電磁波。在電磁波譜中，可見(jiàn)光僅占很窄的一個(gè)波譜范圍。其波長(zhǎng)在0.38～0.76m之間。以下圖(a)示出電磁波譜的大致劃分?？梢?jiàn)光的低頻率端是紅色，高頻率段是紫色。從高頻到低頻的光譜顏色的變化分別是紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅，如圖(b)所示。太陽(yáng)或燈泡等光源發(fā)射可見(jiàn)光譜中的全部頻率而產(chǎn)生白色光。當(dāng)白色光投射到一個(gè)物體上時(shí)，某些頻率被反射，某些那么被物體吸收了。在反射光中混合的頻率確定了我們所感受到的物體的顏色。如果在反射光中以低頻率為主，那么物體呈現(xiàn)紅色，此時(shí)，我們可以說(shuō)光主要含有光譜中紅色端的頻率。除了頻率以外，描述光的各種性質(zhì)還需要另一些特征。在觀察光源時(shí)，我們的眼睛對(duì)顏色〔或主頻率〕和另外兩個(gè)根本的感覺(jué)作出反響。其中之一是亮度,即感受到的光明度。第二個(gè)感受的特征是光的純度或飽和度。這三種特征：主頻率、明度和純度通常用來(lái)描述光源的不同性質(zhì)。通常用色度說(shuō)明純度和主頻率這兩種顏色特征。

另外，人的眼睛只能看到可見(jiàn)光局部，但就目前科技水平看，能夠成像的并不僅僅是可見(jiàn)光。一般來(lái)說(shuō)可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為0.38～0.76μm，而迄今為止人類發(fā)現(xiàn)可成像的射線已有多種，如：

γ射線：0.003～0.03nm；X射線：0.03～3nm；紫外線：3～300nm；紅外線：0.8～300μm；微波：0.3～100cm。這些射線均可以成像。利用圖像處理技術(shù)把這些不可見(jiàn)射線所成圖像加以處理并轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)圖像，實(shí)際上大大延伸了人類視覺(jué)器官的功能，擴(kuò)大了人類認(rèn)識(shí)客觀世界的能力。2.2視覺(jué)系統(tǒng)眼睛中的光接受器主要是視網(wǎng)膜中的視覺(jué)細(xì)胞。有兩種類型的視覺(jué)細(xì)胞，分別稱為錐狀體和桿狀體。錐狀體只有在光線明亮的情況下才起作用，它具有區(qū)分光波波長(zhǎng)的作用，因此對(duì)顏色非常敏感。每個(gè)眼睛的錐狀體大約有700萬(wàn)個(gè)。桿狀體比錐狀體的靈敏度高，在較暗的光線下就能起作用，但是它沒(méi)有區(qū)分顏色的能力，又叫夜視覺(jué)，所以黑暗中看到的東西沒(méi)有顏色，其數(shù)量大約有1億三千萬(wàn)個(gè)。當(dāng)眼睛接受到的光包含所有可見(jiàn)光信號(hào)，且其強(qiáng)度大體相近時(shí)，人們感覺(jué)到的是沒(méi)有顏色的白光。在光源為白光的照射下，假設(shè)物體能反射80%以上的入射光，那么看上去是白色的。假設(shè)反射光小于3%，物體看上去是黑色的，中間值對(duì)應(yīng)不同程度的灰色。為了表示方便，光強(qiáng)度可以規(guī)一化到0～1之間，0對(duì)應(yīng)黑色，1對(duì)應(yīng)白色，中間值對(duì)應(yīng)灰色。光能本身是無(wú)顏色的，顏色是人們眼睛感知光后產(chǎn)生的生理和心理現(xiàn)象。眼睛對(duì)光的感覺(jué)稱為光覺(jué)，對(duì)顏色的感覺(jué)稱為色覺(jué)，這是眼睛的根本特性。光覺(jué)的門(mén)限值大約為1×10cd/m(尼特〕，人眼感覺(jué)光的范圍的最大值和最小值之比到達(dá)10以上。但人的眼睛并不能同時(shí)對(duì)這樣大范圍的明亮程度都作出反響。某一時(shí)刻眼睛只能感知很小范圍的明亮度。一般情況下，在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感覺(jué)到的明暗程度也不同，例如白天我們看不見(jiàn)星星，而夜晚卻能看到。同樣，在觀察顏色時(shí)，在圖形的色度一樣，但背景顏色不一樣時(shí)，感覺(jué)到的圖像的色度也不一樣。這種現(xiàn)象叫做比照現(xiàn)象。比照現(xiàn)象包括亮度比照和顏色比照。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，在背景亮度比目標(biāo)亮度低的場(chǎng)合，感覺(jué)目標(biāo)有一定亮度。當(dāng)背景亮度比目標(biāo)亮?xí)r，看到的目標(biāo)就有亮的多的感覺(jué)。同時(shí)，比照效果在背景大的場(chǎng)合比較顯著。2.3顏色白光通過(guò)棱鏡，就會(huì)折射出顏色的光譜。一般可以分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫七色?？梢?jiàn)光譜的每局部都有它自己唯一的值，它被稱之為顏色，理論上可以選擇幾百萬(wàn)種顏色，從一種顏色轉(zhuǎn)換成另一種顏色實(shí)際上很難區(qū)別。可見(jiàn)光譜可以由多種顏色構(gòu)成，但是人們一般只看到一種顏色，它是多種顏色混合后結(jié)果。因?yàn)槿搜塾邪讯喾N顏色相混合的能力。在心理生物學(xué)上，顏色由其色彩、色飽和度和明度決定。顧名思義，色彩即顏色的“色彩〞，它是某種顏色據(jù)以定義的名稱。色飽和度是單色光中摻入白光的度量，單色光的色飽和度為100%，白光參加后，其色飽和度下降，非彩色光的色飽和度為0%，明度為光的強(qiáng)度值。在心理物理學(xué)上，與色彩、色飽和度和明度相對(duì)應(yīng)的是主波長(zhǎng)、色純和亮度。在可見(jiàn)光譜上，單一波長(zhǎng)的電磁能所產(chǎn)生的顏色是單色的。光的顏色由其主波長(zhǎng)決定，而色純那么由單色光中摻入的白光量的相對(duì)大小決定。亮度與光的能量成比例，它是單位面積上所接受的光強(qiáng)。純的單色光在實(shí)際生活中是少見(jiàn)的，人們所看到的顏色都是混合色。彩色圖形顯示器〔CRT〕上每個(gè)像素都是由紅、綠、藍(lán)三種熒光點(diǎn)組成，這是以人類視覺(jué)顏色感知的三刺激理論為根底設(shè)計(jì)的。三刺激理論基于這樣一個(gè)假設(shè)：人類眼睛視網(wǎng)膜中的錐狀視覺(jué)細(xì)胞，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)三種光最敏感。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，對(duì)藍(lán)色敏感的細(xì)胞對(duì)波長(zhǎng)為440nm左右的光最敏感；對(duì)綠色敏感的細(xì)胞對(duì)波長(zhǎng)為545nm左右的光最敏感；對(duì)紅色敏感的細(xì)胞對(duì)波長(zhǎng)為580nm左右的光最敏感。實(shí)驗(yàn)還顯示，人類眼睛對(duì)藍(lán)光的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)紅光和綠光的靈敏度。2.3.1CIE色度圖兩種不同的顏色可以混合生成另一種顏色。如果兩種顏色混合成白色光，它們就被稱為互補(bǔ)色。紅色和青色，綠色和品紅，以及藍(lán)色和黃色都是互補(bǔ)色。適中選擇兩種或多種初始顏色，可以形成許多其它顏色。用來(lái)生成其它顏色的初始顏色稱為基色。在實(shí)際的根本顏色中，沒(méi)有哪一組集合能組合生成所有可見(jiàn)的顏色。然而，三種基色對(duì)多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是足夠的。通常采用紅、綠、藍(lán)作為三種基色，即RGB加色系統(tǒng)。以下圖示出用來(lái)生成任何一種光譜顏色的紅、綠、藍(lán)色的量。從曲線圖中可知，500nm波長(zhǎng)附近的顏色只能從藍(lán)光和綠光混合相加所得的光中再加負(fù)紅光才能得到。但實(shí)際上不存在負(fù)的光強(qiáng)，因此，RGB彩色監(jiān)視器不能顯示500nm波長(zhǎng)左右的顏色。顏色匹配所需的RGB基色量在實(shí)際的根本顏色中，沒(méi)有哪一組集合能組合生成所有可見(jiàn)的顏色。然而，三種基色對(duì)多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是足夠的。通常采用紅、綠、藍(lán)作為三種基色，即RGB加色系統(tǒng)。上圖示出用來(lái)生成任何一種光譜顏色的紅、綠、藍(lán)色的量。從曲線圖中可知，500nm波長(zhǎng)附近的顏色只能從藍(lán)光和綠光混合相加所得的光中再加負(fù)紅光才能得到。但實(shí)際上不存在負(fù)的光強(qiáng)，因此，RGB彩色監(jiān)視器不能顯示500nm波長(zhǎng)左右的顏色。由于沒(méi)有哪一組彩色光源可用來(lái)組合顯示所有可能的顏色，國(guó)際照明委員會(huì)〔CIE〕在1931年定義了三種標(biāo)準(zhǔn)基色X,Y,Z。這三種基色是想像的顏色。定義這三基色的同時(shí)還定義了一組彩色匹配函數(shù)，如以下圖所示。圖中曲線不是代表基色的光譜，而是用來(lái)代表匹配各種可見(jiàn)色光所需的每一種基色的量。這就給出了定義各種顏色的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而且使用CIE基色防止了顏色的負(fù)值匹配。顏色匹配所需的XYZ基色量CIE規(guī)定三基色為XYZ,任何一種顏色C可以表示成:C﹦XX﹢YY﹢ZZ其中，X,Y,Z是為匹配顏色C所需標(biāo)準(zhǔn)基色的量。如果只考慮顏色的色彩和純度，那么可以將式(8-42)中的亮度標(biāo)準(zhǔn)化，即作如下計(jì)算：x﹦X/(X﹢Y﹢Z)，y﹦Y/(X﹢Y﹢Z)，x﹦Z/(X﹢Y﹢Z)這里，x﹢y﹢z=1。因此，任何一種顏色可僅用x和y表示出來(lái)。由于x和y僅依賴于色彩和純度，所以稱為色度值。色度值表示生成一種顏色所需X,Y,Z三基色的相對(duì)量，但不表示顏色的亮度，亮度由Y表示，X和Z可根據(jù)它們對(duì)Y的比例來(lái)確定。以下圖為國(guó)際照明委員會(huì)給出的CIE色度圖，其圖形輪廓線代表所有可見(jiàn)光波長(zhǎng)的軌跡，線上數(shù)字標(biāo)明該位置可見(jiàn)光的波長(zhǎng)。紅色位于圖的右下角，綠色在圖頂端，藍(lán)色在圖左下角，連接光譜軌跡兩端點(diǎn)的直線稱為紫色線，它并不屬于光譜。內(nèi)部的點(diǎn)表示所有可能的可見(jiàn)顏色的組合，中間的C點(diǎn)對(duì)應(yīng)于亮白色位置，它用作平均日光的近似標(biāo)準(zhǔn)。由于標(biāo)準(zhǔn)化，色度圖中沒(méi)有亮度值,具有同一色度但不同亮度的顏色位置相同。CIE色度圖CIE色度圖有多種用途。欲獲得一種光譜色的補(bǔ)色，只需從這一點(diǎn)通過(guò)C點(diǎn)作一條直線，求出其與對(duì)側(cè)光譜軌跡的交點(diǎn)，即可求得補(bǔ)色波長(zhǎng),如上圖中C1的補(bǔ)色為C2，或者說(shuō)C1和C2互為補(bǔ)色。兩種補(bǔ)色按一定比例相加得白色。求一種顏色的主波長(zhǎng)時(shí)，只要連接顏色所在位置與C點(diǎn)的直線，直線與位于顏色同側(cè)的光譜軌跡線交點(diǎn)即為主波長(zhǎng)，如以下圖中C3的主波長(zhǎng)為C4。但如果交點(diǎn)在紫色線上，那么主波長(zhǎng)應(yīng)是位于顏色反側(cè)的光譜軌跡線交點(diǎn)，如圖8.27中C5同C點(diǎn)相連同側(cè)的交點(diǎn)為C6，在紫色線上，因此C5的主波長(zhǎng)為反側(cè)的C7。用CIE色度圖確定補(bǔ)色、主波長(zhǎng)和純度單純色或全飽和色位于光譜軌跡上，其色純度為100%，而C點(diǎn)色純度為O%。任一中間顏色的色純度即等于C點(diǎn)與它之間距離除以C點(diǎn)至光譜軌跡線或紫色線之間的距離。例如上圖中C3顏色的色純約等于25%，而C4顏色的色純?yōu)?00%，色純度用百分?jǐn)?shù)表示。2.3.2常用顏色模型1.RGB顏色模型國(guó)際照明委員會(huì)選擇紅色〔波長(zhǎng)=700.00nm)、綠色〔波長(zhǎng)=546.1nm)、藍(lán)色〔波長(zhǎng)=435.8nm)三種單色光作為表色系統(tǒng)的三基色，這就是CIE的RGB(Red,Green,Blue)顏色表示系統(tǒng)。我們通常使用的彩色光柵顯示器采用的就是RGB顏色模型系統(tǒng)。RGB顏色模型是相加混色，稱為加色系統(tǒng)。如以下圖所示。白光可以由RGB三種根本色相加得到。產(chǎn)生1lm(流明)的白光所需要的三基色近似值可以用下面的亮度方程來(lái)表示：1lm(白光)﹦0.30lm(紅)﹢0.59lm(綠)﹢0.11lm(藍(lán))即產(chǎn)生白光時(shí)，三基色的比例關(guān)系是不等的，這給實(shí)際使用帶來(lái)一些不方便。RGB加色系統(tǒng)為了克服這一缺點(diǎn)，使用了三基色單位制，即所謂的T單位制。在使用T單位制時(shí)，其方程可以改寫(xiě)如下：1lm(白光)﹦1T(紅)﹢1T(綠)﹢1T(藍(lán))即1T單位紅光=0.30lm，1T單位綠光=0.59lm，1T單位藍(lán)光=0.11lm，這也是T單位與流明數(shù)的關(guān)系。由不同的RGB分量相加就可以產(chǎn)生其他的顏色，即：C﹦rR﹢gG﹢bB式中C為混合色，r,g,b為匹配時(shí)使用T單位制，所需要RGB三基色的量值，r,g,b的取值范圍在0～1之間。然而，仍然有不少顏色無(wú)法用RGB表示出。以下圖中三角局部標(biāo)出了RGB顏色模型系統(tǒng)所能表示的顏色區(qū)域。RGB顏色范圍2.CMY顏色模型以品紅、青、黃(Cyan,Magenta,Yellow)作為三基色所構(gòu)成的顏色模型也是一種常用的顏色表示系統(tǒng)。它是一種減色系統(tǒng)。CMY減色系統(tǒng)和RGB加色系統(tǒng)顏色互為補(bǔ)色。所謂某顏色的補(bǔ)色是從白色中減去這種顏色后所得的顏色。品紅是綠色的補(bǔ)色，青色是紅色的補(bǔ)色，黃色是藍(lán)色的補(bǔ)色。即相加系統(tǒng)的補(bǔ)色就是相減系統(tǒng)的基色(R+G=黃，G+B=青，R+B=品紅〕。以下圖示出了CMY和RGB的關(guān)系。CMY和RGB的關(guān)系與彩色光柵顯示器RGB三支電子槍轟擊屏幕熒光粉組合光顏色不同，打印機(jī)和繪圖儀之類的硬拷貝設(shè)備是通過(guò)往紙上涂顏料來(lái)生成彩色圖片。我們通過(guò)反射光來(lái)看見(jiàn)顏色，這是一種減色處理。正如白色光經(jīng)過(guò)品紅色物體外表的反射或透射后，光譜中綠色局部被吸收和減去，人們看到物體呈現(xiàn)品紅色，是一個(gè)減色過(guò)程。攝影的濾光鏡也是利用這一原理。打印、繪圖、印刷、膠卷以及非發(fā)光顯示器等反射體通常采用CMY減色系統(tǒng)。使用CMY減色系統(tǒng)的打印處理通過(guò)四個(gè)墨點(diǎn)的集合來(lái)產(chǎn)生顏色點(diǎn)。三種基色〔品紅、青和黃〕各使用一點(diǎn)，黑色也使用一點(diǎn)。因?yàn)槠芳t色、青色和黃色墨水的混合通常生成深灰色而不是黑色，所以黑色單獨(dú)包括在其中，使顏色效果更好。通過(guò)三種基色的墨水相互混合，產(chǎn)生不同顏色的組合。加上黑墨水后的顏色系統(tǒng)也稱為CMYB模型。256級(jí)常規(guī)灰度顯示彩虹顯示紅色〔R〕飽和度顯示綠色〔G〕飽和度顯示藍(lán)色〔B〕飽和度顯示黃色〔Y〕飽和度顯示青色〔M〕飽和度顯示絮色〔C〕飽和度顯示2.4圖像的表征2.4.1圖像表示為了對(duì)圖像施以有效的處理，就要了解圖像的內(nèi)在特性。同時(shí)，為了方便地處理圖像，用適當(dāng)?shù)臄?shù)字模型去表征圖像的特性也是十分必要的。在圖像處理中常用的數(shù)字表征法有兩種，一種是確定性的，一種是統(tǒng)計(jì)性的。用確定性的圖像表征法可方便地研究圖像的點(diǎn)的性質(zhì)，而用統(tǒng)計(jì)表征法可用統(tǒng)計(jì)平均參數(shù)反映圖像的特性。物體→當(dāng)用數(shù)學(xué)方法描述一幅圖像時(shí)，常著重考慮它的點(diǎn)的性質(zhì)。例如，一幅圖像可以被看成是空間各個(gè)座標(biāo)點(diǎn)上強(qiáng)度的集合。它的最普遍的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

I=f(x,y,z,

,t)其中，x、y、z是空間坐標(biāo)，

是波長(zhǎng)，t是時(shí)間，I是圖像點(diǎn)的光強(qiáng)度。對(duì)靜態(tài)圖像，t為常數(shù)。對(duì)單色圖像，

為常數(shù)。對(duì)平面圖像,z為常數(shù)。例如，對(duì)于靜態(tài)平面單色圖像，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為：

I=f(x,y)上面式子所表示的圖像是多種多樣的，要想對(duì)圖像信息進(jìn)行明確地分類也并非容易。只能就圖像處理中常見(jiàn)的圖像信息加以簡(jiǎn)單地分類。在數(shù)字圖像處理中所涉及到的是一些最普通類型的圖像。它們的突出特點(diǎn)是都具有特殊的統(tǒng)計(jì)特性，并且有專門(mén)的應(yīng)用。從這個(gè)基點(diǎn)出發(fā)可做如下比較明快的分類：TV型的自然風(fēng)景，這是一種常見(jiàn)的圖像；空間攝影照片和地球資源探測(cè)圖片，這類圖像構(gòu)圖不明顯；電子顯微鏡照片和標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡照片，這是一類在冶金學(xué)、醫(yī)學(xué)及石油探測(cè)等都很感興趣的一類照片；文本，這是指一些打印、印刷或手寫(xiě)的記號(hào)圖像；圖樣，它們通常就是簡(jiǎn)單地由線段和圖形構(gòu)成的單色二值圖像；專用圖像，這一類圖像大多是用特殊技術(shù)得到的圖像，例如，X射線照片、紅外熱象、超聲波圖像等等。2.4.2數(shù)字圖像的表示一般的圖像〔即模擬圖像〕是不能直接用數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)處理的。為使圖像能在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，首先必須將各類圖像〔如照片，圖形，X光照片等等〕轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像。所謂將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像或圖像數(shù)字化，就是把圖像分割成如下圖的稱為象素的小區(qū)域．每個(gè)象素的亮度或灰度值用一個(gè)整數(shù)來(lái)表示。把圖像分割成象素的方法可以是多種多樣的，如下圖。即每個(gè)象素所占小區(qū)域可以是正方形的，六角形的或三角形的。與之相對(duì)應(yīng)的象素所構(gòu)成的點(diǎn)陣那么分別為正方形網(wǎng)格點(diǎn)陣、正三角形網(wǎng)格與正六角形點(diǎn)陣。上述各象素分割方案中，正方形網(wǎng)格點(diǎn)陣是實(shí)際常用的。對(duì)一個(gè)正方形點(diǎn)陣，假設(shè)任一象素沿水平與垂直方向上與相鄰象素間距為1，那么該象素沿斜線方向上的間距為1.采樣

采樣就是把在時(shí)間上和空間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換成為離散的采樣點(diǎn)〔即象素〕集的一種操作。由于圖像是一種二維分布的信息，為要對(duì)它完成抽樣操作，就需要先將二維信號(hào)變?yōu)橐痪S信號(hào)，再對(duì)一維信號(hào)完成采樣。具體做法是，先沿垂直方向，按一定間隔以上到下順序地沿水平方向直線掃描的方式，取出各水平行上濃淡〔灰度〕值的一維掃描線。而后再對(duì)該一維掃描線信號(hào)按一定間隔采樣得到離散信號(hào)。即先沿垂直方向抽樣，再沿水平方向抽樣兩步完成采樣操作。對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像〔即時(shí)間域的連續(xù)圖像〕，還需先在時(shí)間軸上采樣，即先在時(shí)間軸上采樣，再沿畫(huà)面垂直方向采樣，最后再沿畫(huà)面水平方向上抽樣這樣三步完成采樣操作。假設(shè)采樣結(jié)果每行〔即橫向〕象素為M個(gè)，每列〔即縱向〕象素為N個(gè)，那么整幅圖像大小為M×N個(gè)象素。在進(jìn)行采樣時(shí)，采樣點(diǎn)間隔的選取是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。它決定了采樣后的圖像忠實(shí)地反映原圖像的程度?；蛘哒f(shuō)，采樣間隔大小的選取要根據(jù)原圖像中包含何種程度的細(xì)微濃淡變化來(lái)確定。