圖像處理基本知識(shí)第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1視覺感知2.2圖像的噪聲分析2.3圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)2.4圖像的采樣與量化(數(shù)字化)2.5像素之間的關(guān)系第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1視覺感知2.1.1視覺原理2.1.2亮度適應(yīng)和區(qū)分2.1.3成像模型2.1.4顏色視覺第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1視覺感知

2.1.1視覺原理

例：距離100米高15米圖像大小2.55毫米第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五桿狀體：7500～15000萬，幾個(gè)柱細(xì)胞聯(lián)到同一個(gè)神經(jīng)末梢，分辨率低，提供視野的整體視象，不感受顏色對(duì)低照度敏感。夜視覺2.1.1視覺原理成像過程：

晶體聚焦；視網(wǎng)膜成像；視網(wǎng)膜圖像反映到中央凹；由光接收器的相對(duì)刺激作用產(chǎn)生感覺，把輻射來的能量變?yōu)殡娒}沖；人腦判斷。反映聚焦到視網(wǎng)膜中央凹圖像電脈沖人腦判讀光接收器：錐狀體：600～700萬。對(duì)顏色敏感。充分識(shí)別圖像細(xì)節(jié)，每個(gè)細(xì)胞接一個(gè)神經(jīng)末端，又叫適亮視覺（photopicvision）、白晝視覺第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1.2亮度適應(yīng)和區(qū)分

1.可見光范圍：電磁輻射刺激視覺人眼可見區(qū)域：380～780nm380nm780nm2.人眼識(shí)別光的強(qiáng)度范圍：由夜視閾值到強(qiáng)閃光之間1～1010級(jí)第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五I－光分布，V－相對(duì)光強(qiáng)度效率函數(shù)。亮度：（感覺到光強(qiáng)度）與環(huán)境有關(guān)。3.亮度適應(yīng)現(xiàn)象：

人眼利用改變其整個(gè)靈敏度來適應(yīng)不同的亮度范圍。4.亮度適應(yīng)級(jí)：視覺系統(tǒng)的當(dāng)前靈敏度級(jí)第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五5.馬赫帶效應(yīng)（mach）：基于視覺系統(tǒng)有趨于過高或過低估計(jì)不同亮度區(qū)域邊界值的現(xiàn)象2.1.2亮度適應(yīng)和區(qū)分

灰階

距離

馬赫帶效應(yīng)第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.1.2亮度適應(yīng)和區(qū)分6.同時(shí)對(duì)比度效應(yīng)：基于人眼對(duì)某個(gè)區(qū)域感覺到的亮度并不僅僅依賴于它的強(qiáng)度同時(shí)對(duì)比度效應(yīng)第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.圖像的數(shù)學(xué)模型：2.1.3成像模型

irradiationreflection黑天鵝絨0.01，不銹鋼0.65，白色墻0.80，鍍銀的器皿0.90，白雪0.98。

靜止、平面、單色圖像表示為一般圖像可表示為第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.黑白視覺模型

輸入光學(xué)系統(tǒng)輸出MTF:光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五實(shí)驗(yàn)表明：人的視覺系統(tǒng)的MTF是非線性和各向異性的（即旋轉(zhuǎn)可變性），眼睛對(duì)光強(qiáng)度的非線性響應(yīng)呈對(duì)數(shù)型。光接收器對(duì)數(shù)線性系統(tǒng)黑白視覺對(duì)數(shù)模型神經(jīng)信號(hào)視覺系統(tǒng)的MTF：亮暗在空間上作正弦變化，條紋圖案的物理對(duì)比度和感覺對(duì)比度之比隨空間頻率變化而變化的曲線第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五光感受器——對(duì)不同波長(zhǎng)有不同靈敏度H1――低通線性系統(tǒng):代表眼睛的光學(xué)性能H2――一般黑白非線性網(wǎng)絡(luò):代表?xiàng)U狀或錐狀視細(xì)胞非線性強(qiáng)度響應(yīng)H3――代表側(cè)抑制過程的具有帶通性能的線性系統(tǒng)H4――具有時(shí)間濾波效應(yīng)的線性系統(tǒng)光感受器線性系統(tǒng)H1非線性系H2統(tǒng)線性系統(tǒng)H3線性系統(tǒng)H4黑白視覺擴(kuò)展模型輸出第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五顏色，無彩色，彩色彩色視覺模型RGBHSI1、R,G,B彩色空間:面向硬件設(shè)備的彩色模型三基色原理：三基色指可以用來調(diào)配出其它顏色的紅、綠、藍(lán)三種顏色。在R，G，B彩色空間中，任意彩色圖像可由紅、綠、藍(lán)三基色圖像疊加而成。R(x,y)+G(x,y)+B(x,y)2.1.4顏色視覺

第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五線性系統(tǒng)綠色視譜感受器彩色視覺擴(kuò)展模型線性系統(tǒng)黃綠視譜感受器藍(lán)色視譜感受器神經(jīng)信號(hào)－－線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2、H、S、I:(面向彩色處理的最常用模型)區(qū)分顏色常用的3種基本特性量：亮度、色調(diào)、飽和度。Intensity，

Hue，Saturation亮度：與物體的反射率成正比色調(diào)：與混合光譜中主要光波長(zhǎng)相聯(lián)系飽和度：與一定色調(diào)的純度有關(guān)色調(diào)和飽和度合起來稱為色度。顏色可用亮度和色度共同表示。

光的三基色，顏料的三基色第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.2圖像的噪聲分析外部噪聲：系統(tǒng)外部干擾從電磁波或經(jīng)電源串進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部而引起的噪聲如無線電、電氣設(shè)備內(nèi)部噪聲：散粒噪聲：由光和電的基本性質(zhì)引起的噪聲。

熱噪聲：光量密度隨時(shí)間變化所形成的光量子噪聲。

抖動(dòng)噪聲：電器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

元器件材料本身引起的噪聲

系統(tǒng)內(nèi)部電路設(shè)備所引起的噪聲：交流、嵌位電路引起的噪聲。

噪聲：妨礙人們感覺器官對(duì)所接受的信源信息理解的因素不可預(yù)測(cè)，只能用概率統(tǒng)計(jì)方法來認(rèn)識(shí)的隨機(jī)誤差第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五噪聲與信號(hào)的關(guān)系：a）加性噪聲

b）乘性噪聲噪聲從統(tǒng)計(jì)特性上分：a)平穩(wěn)－統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間變化b)非平穩(wěn)－統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間變化

噪聲從幅度分布上分：Gauss分布、瑞利分布、負(fù)指數(shù)分布、分布、K分布噪聲按頻譜形狀分：a）頻譜均勻的稱白噪聲b）頻譜與f成反比稱1/f噪聲，三角噪聲（與f2成正比）第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五圖像系統(tǒng)噪聲的特點(diǎn)：a）噪聲的掃描變換L―掃描點(diǎn)數(shù)，―水平方向的功率密度分布，―垂直方向的功率密度分布b)噪聲與圖像的相關(guān)性，與攝像設(shè)備不同有關(guān)c）噪聲疊加性，同類噪聲可進(jìn)行功率相加，SNR下降二維噪聲－掃描－傳輸－二維噪聲第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.3圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)2.3.1圖像的主觀評(píng)價(jià)2.3.2

黑白離散圖像的逼真度量度

第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究是圖像信息工程的基本技術(shù)之一。光電變換——傳輸——處理——記錄——其他變換2.3.1圖像的主觀評(píng)價(jià)圖像增強(qiáng)：就是為了改善圖像的主觀視覺顯示質(zhì)量

圖像復(fù)原：是用于補(bǔ)償圖像的降質(zhì)，使復(fù)原后的圖像接近原像

圖像編碼技術(shù):在保持被編碼圖像一定質(zhì)量的前提下，以盡量少的碼字來表示圖像，以便節(jié)省信道和儲(chǔ)存器容量第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五基本概念圖像逼真度：fidelity——描述被評(píng)價(jià)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的偏離程度圖像可懂度：intelligibility——表示圖像能向人或機(jī)器提供信息的能力第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五信息源發(fā)送環(huán)境AS變換系統(tǒng)傳輸處理系統(tǒng)逆變換系統(tǒng)信源收信環(huán)境BRTLD圖像通信和圖像質(zhì)量關(guān)系模型圖第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.3.1圖像的主觀評(píng)價(jià)

外行——代表平均觀察者感覺得圖像質(zhì)量?jī)?nèi)行——可對(duì)圖像質(zhì)量提出較好的臨界判斷主觀評(píng)價(jià)的方式：絕對(duì)評(píng)價(jià)；相對(duì)評(píng)價(jià)絕對(duì)評(píng)價(jià)——讓觀察者觀看一幅圖像，按照預(yù)先規(guī)定的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)判斷圖像質(zhì)量。有時(shí)配備一套標(biāo)準(zhǔn)參考圖像，以便評(píng)定時(shí)進(jìn)行主觀校準(zhǔn)?！叭珒?yōu)度尺度”：非常好圖像5分好圖像4分中等圖像3分差圖像2分非常差圖像1分第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五相對(duì)評(píng)價(jià)——請(qǐng)觀察者評(píng)定一套圖像，比較某一特定圖組中圖像的優(yōu)劣。圖像從好到壞分類、比較?！叭簝?yōu)度尺度”：最好、稍好….一批中最好的圖像7分比該批的平均水平好的圖像6分稍好于該批的平均水平圖像5分該批平均水平的圖像4分稍次于該批的平均水平圖像3分比該批的平均水平差的圖像2分一批中最差的圖像1分第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五平均分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)妨礙尺度質(zhì)量尺度5分4分3分2分1分絲毫看不出圖像質(zhì)量變壞能看出圖像質(zhì)量變化但不妨礙觀看清楚地看出圖像質(zhì)量變壞對(duì)觀看稍有妨礙對(duì)觀看有妨礙非常嚴(yán)重地妨礙觀看非常好好一般差非常差妨礙尺度：1、感覺不出。2、剛有察覺。3、明確察覺但圖像僅稍受損。4、圖像受損，但無害。5、有些受害。6、受害明顯。7、差第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五電視圖像：雜波、回波、清晰度、對(duì)比度、亮度、觀測(cè)者類型、試驗(yàn)圖像類型、觀測(cè)條件等。我國(guó)：線性數(shù)學(xué)模型——不同失真的疊加規(guī)律，定量地給出主觀圖像質(zhì)量與多種失真的關(guān)系。電視系統(tǒng)：通常使用電子測(cè)試波形或由攝像機(jī)攝取測(cè)試圖案卡片來觀察其性能變化，以進(jìn)行圖像質(zhì)量測(cè)試和評(píng)價(jià)第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.3.2黑白離散圖像的逼真度量度歸一化均方誤差NMSE第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五峰值均方誤差PMSEf(j,k)--被變換的圖像場(chǎng)，A--f(j,k)的最大值等效信噪比PSNR:

第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.4圖像的采樣與量化

2.4.1采樣2.4.2量化2.4.3采樣與量化的關(guān)系2.4.4二值圖像2.4.5數(shù)據(jù)儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.4圖像的采樣與量化

連續(xù)函數(shù)圖像——圖像空間上采樣——幅度上量化——處理數(shù)字圖像——D/A轉(zhuǎn)換——模擬顯示采樣量化計(jì)算機(jī)fs(x,y)f(x,y)檢測(cè)陣列1.采樣：空間上的離散化2.量化：灰度上的離散化3.表達(dá)（建模，圖像數(shù)字化）灰度圖像的陣列表示法:連續(xù)信號(hào)（抽樣、量化）――數(shù)字信號(hào)第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五4.圖像矩陣的特點(diǎn)：a）b）數(shù)字化抽樣：正方形點(diǎn)陣、正三角形點(diǎn)陣、正六角形點(diǎn)陣正方形點(diǎn)陣正三角形點(diǎn)陣正六角形點(diǎn)陣象素象素象素第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.采樣:所謂采樣就是把位置空間上連續(xù)的模擬圖像變換成離散點(diǎn)的集合的一種操作。這些點(diǎn)稱為采樣點(diǎn)2.二維采樣：先沿垂直方向采樣（得到行線），再沿水平方向采樣3.三維采樣：先沿時(shí)間采樣，再垂直方向采樣，再沿水平方向采樣4.采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)采樣所得的數(shù)字圖像的像元。5.模擬圖像f(x,y)=>離散點(diǎn)陣f(X,Y)得到M（行），N（列）矩陣，M×N個(gè)象素6.采樣點(diǎn)陣：正方形、正三角形、正六角形7.采樣定理：

一維采樣定理：惠特克－卡切尼柯夫－香農(nóng)（whittaker-korelnikov-shannon）采樣定理。當(dāng)時(shí)，則函數(shù)f（t）的傅立葉變換為0，亦即f(t)可由相隔為fc/2或更密的樣本正確重構(gòu)。(頻譜寬度2fc，對(duì)應(yīng)采樣頻率2fc）

2.4.1采樣(Sampling)第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二維采樣定理：采樣頻率大于圖像信號(hào)最高頻率的2倍采樣頻率：

例：

奈奎斯特頻率：不混疊時(shí)采樣中的最低限采樣間隔△x,△y越小,采樣圖像的分辨率就越高,所占用的存儲(chǔ)容量也越大

第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五混疊噪聲孔徑效應(yīng)：實(shí)際采樣脈沖不是理想沖擊函數(shù)，有一定的寬度，會(huì)產(chǎn)生失真插入噪聲：由采樣圖像信號(hào)恢復(fù)到原圖像，無理想濾波器（在fc內(nèi)頻率特性平坦，相位特性成直線）抖動(dòng)噪聲：采樣周期為T，但發(fā)射與接受端T存在相位差異，稱相位抖動(dòng)。

8、采樣誤差第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.4.2量化離散點(diǎn)陣i(X,Y)=>數(shù)字圖像I(X,Y)Quantizationf(x,y)采樣空間離散的像素矩陣f(x,y)量化對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行離散分層的過程數(shù)字圖像量化[量化]所謂量化就是把亮度空間上連續(xù)的亮度變換成離散值或整數(shù)值的一種操作。量化和采樣是兩個(gè)不同的概念，量化是在每個(gè)采樣點(diǎn)上進(jìn)行的，所以必須先采樣后量化。量化和采樣是圖像數(shù)字化的不可或缺的兩個(gè)操作，所以二者又緊密相關(guān)，同時(shí)完成。分層量化；量化誤差；均勻量化，非均勻量化

第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.均勻量化2.非均勻量化：a）

基于視覺特性：對(duì)亮度值急劇變化部分無需過細(xì)分層，進(jìn)行粗量化；對(duì)亮度值平緩變化部分需過細(xì)分層，進(jìn)行細(xì)量化。b）基于亮度分布:先計(jì)算所有可能的亮度值出現(xiàn)的概率分布對(duì)概率分布大的進(jìn)行細(xì)量化對(duì)概率分布小的進(jìn)行粗量化c)非均勻量化可以減少量化誤差，又能用較少的比特?cái)?shù)實(shí)現(xiàn)量化3.壓擴(kuò)法量化非線性變換——均勻量化第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五M、N—圖像尺寸G---每個(gè)像素所具有的離散灰度級(jí)數(shù)（不同灰度值的個(gè)數(shù)）1.存一幅圖像所需的位數(shù)（bit）B=M×N×k128×128×6＝98304（12kbyte）512×512×8＝2097152（256kbyte）2.4.3采樣與量化參數(shù)的選擇M×N點(diǎn)采樣，每點(diǎn)灰級(jí)G級(jí)，G=2k，占k位。第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五

2.提問：總數(shù)據(jù)量M×N×k位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。當(dāng)總存貯容量一定時(shí)，M、N與k怎么分配效果才最佳？解：無一般方法，取決于具體圖像性質(zhì)與處理的目的。①對(duì)于緩變的圖像，層次要求多時(shí)，應(yīng)該粗采樣（M，N?。?、細(xì)量化(k大)，以避免假輪廓②對(duì)于細(xì)節(jié)豐富的圖像，如：當(dāng)紋理細(xì)節(jié)多時(shí)應(yīng)該細(xì)采樣（M，N大）、粗量化(k小)，以避免模糊（混疊）

例如：人頭像——要照顧層次.b（頻帶窄平滑，采樣間隔可大）。群眾場(chǎng)面——紋理豐富.（頻帶寬，采樣間隔要小，不丟細(xì)節(jié)）第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五3.M、N和k的關(guān)系：

（1）圖像質(zhì)量一般隨M、N和k的增加而增加。在極少情況下對(duì)固定的M、N，減少k能改進(jìn)圖像質(zhì)量，因?yàn)樵黾恿藞D像的反差，但k太小會(huì)出現(xiàn)“假輪廓”，k至少為6，目前一般取為8（2）對(duì)具有大量細(xì)節(jié)的圖像常只需要很少的灰度級(jí)數(shù)就可較好地表示（3）k為常數(shù)的一系列圖像主觀看起來可以有較大的差異4.非均勻采樣和量化

細(xì)節(jié)部分，分配較多的采樣灰度突變部分，可用較少的灰度級(jí)數(shù)第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五圖2－11不同采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響(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)

第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五圖2－12不同量化級(jí)別對(duì)圖像質(zhì)量的影響(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）

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五圖2－13圖像空間分辨率和幅度分辨率同時(shí)變化產(chǎn)生的效果（a)256×256,128;(b)181×181,64;(c)128×128,32;(d)90×90,16;(e)64×64,8;(f)45×45,4;

第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.二值圖像:只有黑白兩個(gè)灰度級(jí)，即象素灰度級(jí)非0即1，每個(gè)象素占1bit,適合文字圖片，可采用矩陣表示2.為了減少運(yùn)算量,常將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像處理3.二值圖像的鏈碼（Freeman碼）表示法。適合描述直線、和曲線組成的二值圖像。在規(guī)定了鏈的起點(diǎn)坐標(biāo)和鏈的斜率后，就可完全描述直線和曲線。2.4.4二值圖像表示法0（00）1（450）2（900）3（1350）4（1800）5（2250）6（2700）7（3150）八向、六向、四向鏈碼第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五鏈碼的一種不等長(zhǎng)碼表示方向不等長(zhǎng)碼表示00045001-4500119000111-900011111350011111-13500111111180001111111鏈碼的自然碼表示方向十進(jìn)制表示二進(jìn)制自然碼000000450100190020101350301118004100225051012700611031507111若八向碼采用不等長(zhǎng)碼（按其概率大小分配），常出現(xiàn)的00，用短碼表示，不常出現(xiàn)的用長(zhǎng)碼，可節(jié)約bit數(shù)。例：對(duì)由字母和數(shù)字混合組成的符號(hào)每個(gè)方向平均占1.8～1.9bit，而對(duì)一副由一個(gè)飲料杯和一個(gè)瓶子輪廓構(gòu)成的圖像，平均每個(gè)方向占1.5～1.9bit.第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五

32111例：如圖的4×4圖像1.用矩陣表示4×4＝16bit2.用二進(jìn)制自然碼表示32111（011，010，001，001，001＝15bit）3.用不等長(zhǎng)碼表示135，90，45，45，45（011111，0111，01，01，01＝16bit）第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.4.5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

1、

一維數(shù)組方式:M行×N列2、

多波段圖像數(shù)據(jù)組合結(jié)構(gòu)

1）按各個(gè)波段存儲(chǔ)N列M行紅綠藍(lán)2）按掃描行存儲(chǔ)紅綠藍(lán)。。。。。。。第1行3）按各個(gè)像素存儲(chǔ)

紅綠藍(lán)。。。。。。。（1，1）（1，2）第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.5像素之間的關(guān)系2.5.1鄰域與鄰接2.5.2

距離第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.5.1鄰域與鄰接[鄰域]對(duì)于任意像素(X,Y)，像素集合{(x+m,y+n);其中m、n取適當(dāng)?shù)恼麛?shù)}稱為該像素的鄰域（neighbor）。1.4-鄰域{(x-1,y),(x+1,y),(x,y-1),(x,y+1)}(x-1,y)(x,y-1)p(x,y)(x,y+1)(x+1,y)記為第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.8-鄰域{(x-1,y),(x+1,y),(x,y-1),(x,y+1),(x-1,y-1),(x+1,y-1),(x-1,y+1),(x+1,y+1)}srsrprsrs3.鄰接:如果任意兩個(gè)像素相互存在于對(duì)方的4-/8-鄰域中，則稱這兩個(gè)像素相互4-/8-鄰接。Adjacent4-鄰接（4-adjacent）8-鄰接（8-adjacent）010111010101010101第51頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.5.2距離[距離定義]設(shè)p、q、r是某個(gè)集合S的元素，滿足下列性質(zhì)（距離的三定理）的函數(shù)d稱為距離函數(shù)：d(p,q)≥0(當(dāng)且僅當(dāng)p=q時(shí)，d(p,q)=0)d(p,q)=d(q,p)d(p,r)d(p,q)+d(q,r