1、第三基礎(chǔ)知識演示文稿第一頁，共六十九頁。優(yōu)選第三基礎(chǔ)知識第二頁，共六十九頁。3.1圖像處理的視覺基礎(chǔ)視覺生理/視覺特性/視覺模型視覺基礎(chǔ)/視覺應(yīng)用它們與圖像研究的關(guān)系見圖3-1。 第三頁，共六十九頁。圖3-1 視覺研究與圖像的關(guān)系視覺研究基礎(chǔ)研究視覺心理現(xiàn)象法則（心理學）視覺信息加工機理（生理學）應(yīng)用研究視環(huán)境的改善和視機能應(yīng)用（照明工程學、人類工程學）圖像改善和評價（圖像工程）模擬視覺機能的信息處理（信息工程、人工智能心理測定模擬技術(shù)第四頁，共六十九頁。1、圖像質(zhì)量評價與視覺心理對圖像質(zhì)量的最終評價是由人的感覺器官和心理狀態(tài)來決定的。與圖像內(nèi)容以及觀察者的心理因素有關(guān)。從圖像信息傳輸角度出發(fā)

2、，圖像系統(tǒng)評價的真正尺度應(yīng)該是發(fā)出信息者的意圖為接收信息者所理解的程度，而不是對發(fā)出信息者發(fā)出的圖像像素信息集合的簡單接收。第五頁，共六十九頁。圖像質(zhì)量評價方法1.客觀評價信噪比等缺點是不容易取得客觀評價指標的計算，不能反映視覺心理2.主觀評價根據(jù)視覺效果進行評分一般方法第六頁，共六十九頁。2、畫面組成和視覺心理“”視野指眼球不動時所能見到的范圍如果把注視點作為中心，可見的范圍上方約65。，下方約75。，左右視角約為104。 ，但視力好的部位僅限于中央2。3。左右。為了適應(yīng)大的畫面和立體景象的機理，眼球必須轉(zhuǎn)動使視線移動。中心視力分辨率強，可以進行圖像細節(jié)的認識。周邊視力分辨率差，可以將視目標

3、特征部分檢出，利用檢出的目標圖像特征去控制眼球運動。另外周邊視可以認識圖像的全貌，而中心視只能認識圖像的一小部分。要產(chǎn)生充分的臨場感，畫面尺寸應(yīng)該產(chǎn)生30。以上視野，如寬銀幕電影。第七頁，共六十九頁。3、視覺的時空頻率分析空間分辨力人眼對空間景物細節(jié)的分辨能力有限。時間分辨力對亮度的響應(yīng)有時延和殘留，因而對景物亮度的變化也有分辨力，過快的變化無法分辨“視覺惰性”。當離散畫面的重復頻率不低于24Hz時，可形成連續(xù)畫面的感覺，即人眼不能分辨相鄰兩幅畫面間的差別，而低于24Hz時，有閃爍感。第八頁，共六十九頁。第九頁，共六十九頁。3、視覺的時空頻率分析人眼對畫面靜止部分的分辨率高于活動部分，對靜止部

4、分減少時間分辨率，而對活動部分減少空間分辨率，可以達到數(shù)據(jù)壓縮的效果。幅度分辨力人眼對景物亮度層次的分辨力也有限，過小的亮度差別無法分辨。對彩色圖像的色調(diào)和飽和度的分辨力人的視覺對彩色細節(jié)的分辨力要比亮度細節(jié)差，在國際無線電咨詢委員會（ITU-R，原CCIR）601標準中，就利用了這種特性，將色差信號的空間分辨率減半，仍可以得到非常好的圖像質(zhì)量。第十頁，共六十九頁。4、視覺生理視覺生理指視覺信息的產(chǎn)生部分視細胞(圖像信息感受器)和其它神經(jīng)細胞以及大腦高級中樞的神經(jīng)系統(tǒng)的信息產(chǎn)生、傳輸和處理的機理第十一頁，共六十九頁。人類視覺感知過程人眼結(jié)構(gòu)眼睛中圖像的形成視覺特性第十二頁，共六十九頁。視覺生理

5、特點對圖像處理方法的影響很大1、人眼的結(jié)構(gòu)第十三頁，共六十九頁。視錐細胞和視桿細胞在視網(wǎng)膜上的分布錐狀（cone）視覺：白晝視覺，色彩；桿狀（rod）視覺：夜視覺，低照度敏感。第十四頁，共六十九頁。2、眼睛中圖像的形成成像的幾何原理視覺信息的產(chǎn)生視覺信息的傳遞視覺信息的加工處理第十五頁，共六十九頁。（1）成像的幾何原理用眼睛觀察樹的光學表示法，C點為晶狀體的光學中心當晶狀體的折射能力由最小變到最大時，晶狀體的聚焦中心與視網(wǎng)膜之間的距離由17mm縮小到14mm。當眼睛聚焦到遠于3m的物體時，晶狀體的折射能力最弱，當聚焦到非常近的物體時，其折射能力最強。 第十六頁，共六十九頁。成像尺寸計算觀測者看

6、一個距離100m，高15m的樹。設(shè)x表示視網(wǎng)膜上形成的圖像的大小，單位mm，有:15/100=x/17, x=2.55mm第十七頁，共六十九頁。（2）視覺信息的產(chǎn)生光化電過程色覺理論主要有兩種三色學三種視色素，對光的影響峰值分別在紅、綠、藍區(qū)，綜合后形成色覺信息。四色學說三對視色素(白-黑，紅-綠，黃-藍)，它們的組合響應(yīng)產(chǎn)生色覺信息第十八頁，共六十九頁。人類感光細胞的敏感曲線400 450 500 550 600 650 700100806040200藍綠紅波長（nm)光吸收特性%三種不同頻率響應(yīng)的錐，各對紅、綠、藍具有最強的響應(yīng)，彩色的識別功能第十九頁，共六十九頁。（3）視覺信息的加工處理

7、簡單型細胞檢測圖像的明暗邊界和線條的位置和方向，復雜型細胞對直線和邊界的運動方向敏感，低級超復雜型細胞檢測直線和邊界的長度、寬度，而高級超復雜型細胞可以檢測曲線和邊緣曲度等第二十頁，共六十九頁。3、 視覺特性亮度適應(yīng)與鑒別分辨力對比靈敏度同時對比效應(yīng)閾值效應(yīng)和掩蓋效應(yīng)視覺運動特性視覺空間頻率特性視覺時間頻率特性第二十一頁，共六十九頁。主觀亮度感受特性 第二十二頁，共六十九頁。第二十三頁，共六十九頁。第二十四頁，共六十九頁。分辨力在不同的亮度適應(yīng)級，人眼的分辨力不同，如圖所示，I是背景光強，I是光強的變化，稱為韋伯比，表示光強分辨力 光強分辨力的典型韋伯比第二十五頁，共六十九頁。馬赫帶效應(yīng)第二十

8、六頁，共六十九頁。同時對比效應(yīng)圖第二十七頁，共六十九頁。3.1.2 視覺的簡單數(shù)學模型亮度視覺模型彩色視覺模型第二十八頁，共六十九頁。1、亮度視覺模型輸入圖像Ii(x,y)光學系統(tǒng)H(x, y)輸出圖像Io(x,y)線性光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF 第二十九頁，共六十九頁。2、彩色視覺模型ThomasYoung三色假說 g3g1g2d3d2d1e3e1e2線性系統(tǒng)-黃綠色視錐感受器藍色視錐感受器綠色視錐感受器LOGLOGLOG+-+H2(Wx,Wy)H1(Wx,Wy)H3(Wx,Wy)神經(jīng)信號彩色視覺模型第三十頁，共六十九頁。彩色響應(yīng)在上圖模型中，e1、e2、e3代表視網(wǎng)膜三個具有S1

9、()、S2()、S3()譜靈敏度的感受器，其輸出分別為 C()為入射光譜的能量分布函數(shù) 第三十一頁，共六十九頁。彩色信息融合e1、e2、e3經(jīng)對數(shù)傳傳遞后合并為d1、d2、d3輸出：第三十二頁，共六十九頁。色度學3個基本顏色紅（R, red）、綠(G, green)和藍( B, blue)國際照明委員會（CIE），1931年規(guī)定3種基本色的波長為R:700nm, G:546.1nm, B:435.8nm。第三十三頁，共六十九頁。三色系統(tǒng)彩色加法系統(tǒng)（左）與減法系統(tǒng)（右）利用3基色疊加可產(chǎn)生光的3補色：品紅（M, magenta，即紅加藍）、藍綠（C, cyan，即綠加藍）、黃（Y, yello

10、w，即紅加綠）。按一定的比例混合3基色或?qū)?個補色與相對的基色混合就可以產(chǎn)生白色。光的混合滿足加色定理。第三十四頁，共六十九頁。色度圖第三十五頁，共六十九頁。xyz相對三色系數(shù)（色品坐標）x+y+z=1,(x,y)CIE色度圖。對應(yīng)于 x=y=0.33的 E點，稱等能量點，CIE標準白光。0.800.20.8xy520nm700-770nm紅藍綠NTSCPAL紫 色度圖色品坐標系第三十六頁，共六十九頁。顏色特征區(qū)分顏色通常用3種基本特性：亮度色調(diào)飽和度。色調(diào)和飽和度合起來稱為色度。顏色可以用亮度和色度共同表示第三十七頁，共六十九頁。坐標系為組成某種顏色所需的紅、綠、藍的量稱為3個刺激量，分別用

11、R、G、B表示。 顏色還可以用色品值r、g、b（相對色系數(shù)）表示，定義如下 第三十八頁，共六十九頁。主要彩色匹配規(guī)則：任何彩色可以用不多于三個基色配成；混合色的光亮度等于各分量亮度之和；人眼不能分解混合彩色的各個分量；在某一亮度等級上的彩色匹配可適用于較寬的亮度范圍；第三十九頁，共六十九頁。3.2圖像的數(shù)學模型 連續(xù)模型離散模型隨機場模型第四十頁，共六十九頁。圖像的連續(xù)模型基本的連續(xù)模型照明反射模型噪聲模型第四十一頁，共六十九頁。1、基本的連續(xù)模型圖像可以用灰度級G在x，y二維空間的連續(xù)變換來描述，即： Sg(x,y)f(x,y)圖像處理的基本框圖圖像=g(x,y)，時間序列圖像的描述為： 圖

12、像序列=g1(x,y),g2(x,y),gt(x,y)或： 圖像序列=g(x,y,t)。圖像處理 f(x,y)=Sg(x,y)其中S可以是有意施加的某種處理方法，也可以是圖像系統(tǒng)中導致圖像退化的原因。 G(x,y)=S-1f(x,y) 是圖像復原的基本模型。第四十二頁，共六十九頁。（2）、照明反射模型（3）、彩色模型2、離散模型3、隨機場模型三、圖像的數(shù)字化f(x,y)= i(x,y)r(x,y), 其中 0 i(x,y) Bm, 0 r(x,y) 1,i(x,y)照射分量，r(x,y)反射分量， Bm最大光照強度。gmin g gmax, gmin=imin rmin, gmax=imax

13、rmax。 gmin ，gmax 是圖像灰度范圍。該模型常用于同態(tài)濾波，計算機圖形：真實感模型2、照明反射模型第四十三頁，共六十九頁。3、 通用的彩色模型RGB模型HSI模型第四十四頁，共六十九頁。（1）RGB模型第四十五頁，共六十九頁。（2）HSI模型視覺生理模型色調(diào)（H，Hue）、色飽和度（S，Saturation）以及亮度（I，Intensity在特定應(yīng)用環(huán)境中，用于圖像分析有特殊的優(yōu)勢在只有光照亮度發(fā)生變化的應(yīng)用中，不考慮亮度，只使用色度進行區(qū)域分割。第四十六頁，共六十九頁。圓錐體模型第四十七頁，共六十九頁。RGB到HSI第四十八頁，共六十九頁。HSI到RGB第四十九頁，共六十九頁。顏

14、色特征豐富了圖像處理的方法色彩的識別，色彩分解，提取特征。例如：濾色鏡，遙感、著色后細胞紅綠藍紅黃綠藍紫第五十頁，共六十九頁。4、彩色電視色度坐標系統(tǒng)RGB三基色系統(tǒng)稱為“物理三基色” CIE另外規(guī)定了一種虛擬的三基色系（XYZ）標準色度系統(tǒng)，在匹配各種彩色時，三基色系數(shù)都是正值第五十一頁，共六十九頁。5、噪聲的模型噪聲的特征噪聲的來源噪聲模型第五十二頁，共六十九頁。（1）噪聲的特征圖像信號，f(x,y)噪聲，n(x,y)，隨機性的，可以用隨機過程來描述。一般常用統(tǒng)計特征來描述，如均值、方差、相關(guān)函數(shù)等。均值En(x,y)反映噪聲的直流分量，均方值En2(x,y)反映噪聲的總功率，均方差E(n

15、(x,y)-En(x,y)2描述噪聲的交流功率，均值的平方En(x,y)2，表示噪聲的直流功率。第五十三頁，共六十九頁。（2）噪聲的來源外部噪聲：從處理系統(tǒng)外來的影響，如電磁波干擾。內(nèi)部噪聲：(1)由光和電的基本性質(zhì)引起的噪聲。(2)機械運動產(chǎn)生的噪聲。(3)元器件材料本身的缺陷帶來的噪聲。(4)系統(tǒng)內(nèi)部電路噪聲。第五十四頁，共六十九頁。噪聲分類從統(tǒng)計觀點看平穩(wěn)噪聲凡是統(tǒng)計特征不隨時間變化的；非平穩(wěn)噪聲統(tǒng)計特征隨時間變化的。從噪聲幅度分布的統(tǒng)計來看其密度函數(shù)有高斯型、瑞利型等，分別稱為高斯噪聲和瑞利噪聲。按噪聲頻譜形狀命名的，如頻譜均勻分布的噪聲稱為白噪聲，頻譜與頻率成反比的稱為1/f噪聲，頻

16、譜與頻率平方成正比的稱為三角噪聲第五十五頁，共六十九頁。（3）噪聲的模型加法性噪聲：g(x,y)=f(x,y)+n(x,y) 乘法噪聲：g(x,y)=f(x,y)1+n(x,y)=f(x,y)+f(x,y)n(x,y) 第五十六頁，共六十九頁。3.2.2 離散模型第五十七頁，共六十九頁。 數(shù)字圖像，數(shù)字化（1）連續(xù)畫面空間坐標離散化采樣： 方形、三角形、正六角形點陣等。采樣點陣（2）采樣點（像素）幅值（實數(shù)）取整量化： 均勻、非均勻/矢量、標量第五十八頁，共六十九頁。1、圖像的均勻采樣yxxy典型的采樣方式第五十九頁，共六十九頁。二維采樣定理對于二維有限帶寬信號fc(x,y)，如果其二維傅立葉變換只在的范圍內(nèi)不為零，那么采樣間隔必須滿足這樣才能保證信號可以重構(gòu)。該條件稱為Nyquist采樣定理 第六十頁，共六十九頁。2、圖像的量化q1 q0 q2 qN-1 0 f0 f1 f2 fN-1 fN fq量化過程量化的準則是：若則 第六十一頁，共六十九頁。量化誤差“量化誤差”“量化失真”由量化誤差產(chǎn)生的圖像失真稱為量化失真。第六十二頁，共六十九頁。3、數(shù)字圖像的表示整數(shù)矩陣向量第六十三頁，共六十九頁。數(shù)字圖像，矩陣元素：像元、圖像元素、像素電視圖像：512512 128；一般圖像：256 256 64。（1）整數(shù)矩陣第六十四頁，共六十九頁?；叶确直媛?/p>