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第二章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

• 人眼視覺(jué)特性
• 圖像感知和獲取
• 圖像數(shù)字化
• 像素間的基本關(guān)系
• 圖像文件格式

人眼視覺(jué)特效

1.光與電磁波譜

可見(jiàn)光譜：380nm～780nm

波長(zhǎng)越小，呈色越冷讲冠，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，呈色越暖洞难”纫蓿可見(jiàn)光譜區(qū)間之外，下區(qū)間為紫外線，上區(qū)間為紅外線莫秆，這些區(qū)間內(nèi)的光譜成像需要特殊的硬件設(shè)備。

2.人類視覺(jué)基礎(chǔ)

人眼生理結(jié)構(gòu)：視網(wǎng)膜中三種椎體細(xì)胞對(duì)三種波長(zhǎng)的光最敏感悔详，也就是RGB镊屎，一個(gè)顏色進(jìn)入人眼，實(shí)際就是這三種細(xì)胞的感受茄螃。當(dāng)RGB以某種比例進(jìn)入人眼杯道，顏色感會(huì)消失，只剩下亮度感责蝠。

3.人眼視覺(jué)特性

小孔成像模型党巾，倒置成像。

視覺(jué)的空間特性

• 視覺(jué)的空間分辨能力為1‘（一分）
• 灰度分辨能力大約64級(jí)

視覺(jué)的時(shí)間特性

• > 15幀每妙霜医，具有連貫的感覺(jué)齿拂。

亮度適應(yīng)能力：人眼能通過(guò)改變靈敏度來(lái)適應(yīng)非常大的光強(qiáng)度變動(dòng)范圍。

主觀亮度：視覺(jué)系統(tǒng)感受到的亮度肴敛，是進(jìn)入人眼的光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)函數(shù)署海，并不是光強(qiáng)度本身。

對(duì)比靈敏度：人能分辨的強(qiáng)度差△I医男，是I的函數(shù)砸狞，韋伯分?jǐn)?shù)=△I/I，韋伯分?jǐn)?shù)約等于0.02镀梭，就是說(shuō)刀森，強(qiáng)度相差2%的時(shí)候才能感受到光強(qiáng)度的不同，這個(gè)值和背景光強(qiáng)度也有關(guān)报账。target1和target2光強(qiáng)度相差大約2%研底，能感受兩個(gè)目標(biāo)不同，但是這個(gè)2%的閾值隨著整個(gè)背景的不同而有所不同透罢。

馬赫帶效應(yīng)榜晦，Mach Band，人的視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)過(guò)高或過(guò)低估計(jì)不同亮度區(qū)域邊界值（簡(jiǎn)單理解為對(duì)不同強(qiáng)度具體天然分割功能羽圃，一種濾波處理）乾胶。

同時(shí)對(duì)比度：人的眼睛無(wú)法判斷出視場(chǎng)中目標(biāo)物的絕對(duì)亮度，因?yàn)槿祟愐曈X(jué)對(duì)亮度的主觀響應(yīng)與背景亮度有密切關(guān)系。

空間錯(cuò)覺(jué)和假輪廓：人對(duì)物體形狀的感知中另一個(gè)重要現(xiàn)象是錯(cuò)覺(jué)识窿。

圖像感知與獲取

1.傳感器

• 膠片（化學(xué)反應(yīng)）斩郎，模擬圖像，需要數(shù)字化
• 電荷耦合器件CCD腕扶，charge coupled device孽拷，將光轉(zhuǎn)為電荷，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電荷半抱。
• CMOS金屬-氧化物-半導(dǎo)體脓恕，metal-oxide-semiconductor。

CCD靈敏度窿侈、解析度炼幔、分辨率噪聲控制、成像等方面都優(yōu)于CMOS史简，但CMOS成本低乃秀、功耗低，整合度高的優(yōu)點(diǎn)圆兵。

2.成像方式

單個(gè)傳感器跺讯、帶狀傳感器、整列傳感器

圖像數(shù)字化

1.數(shù)字化殉农，digitizing-scanning/sampling and quantization刀脏。

將模擬圖像經(jīng)過(guò)離散化之后，得到數(shù)字表示的圖像超凳。

• 采樣：空間xy的離散化愈污，即像素。二維采樣定理（xy上離散的程度轮傍，通俗說(shuō)就是劃分多少格合適）暂雹。根據(jù)一維的香濃采樣定理推導(dǎo)二維上的采樣定理。二維采樣定理创夜，Nyguist準(zhǔn)則：

  1/△x杭跪，1/△y ≥ 2倍的圖像函數(shù)上限頻帶

  目前的數(shù)字圖像采樣通常都滿足，無(wú)需額外考慮采樣定理的限制挥下。

• 量化：強(qiáng)度Z的離散化揍魂。采樣后的各像素的灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱為圖像灰度的量化。若只取2級(jí)量化棚瘟，只有0和1，則為二值圖像喜最。

• 編碼：對(duì)離散的Z進(jìn)行編碼偎蘸，如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行PCM編碼（脈碼調(diào)制）。

2.數(shù)字圖像的性質(zhì)

分辨率

• 圖像分辨率，組成圖像的像素密度迷雪，單位為：像素*像素
• 顯示分辨率限书，顯示器上能顯示出的像素?cái)?shù)目。
• 其他的分辨率章咧，dpi倦西，display pixels/ inch。單位長(zhǎng)度顯示的像素?cái)?shù)量赁严。

像素深度：存儲(chǔ)每個(gè)像素所用的位數(shù)扰柠，也用來(lái)度量圖像的分辨率

位面層數(shù)：區(qū)分灰度圖和彩色圖的√墼迹灰度圖只有一個(gè)位面卤档，彩色圖有三個(gè)位面——紅色分量、綠色分量程剥、藍(lán)色分量

像素之間的基本關(guān)系

1.像素的領(lǐng)域和鄰接

鄰域：與某一像素相鄰的像素的集合劝枣，反映像素間的空間關(guān)系。

• 4鄰域：$N_4(p)$织鲸，像素p的上下左右4個(gè)相鄰像素舔腾。它們到p點(diǎn)的距離都為1.
• 對(duì)角鄰域：$N_D(p)$.像素p的對(duì)角相鄰的4個(gè)像素。到p點(diǎn)的距離都為$\sqrt2$.
• 8-鄰域：4鄰域+對(duì)角鄰域搂擦，正好組成一個(gè)3*3矩陣稳诚。

當(dāng)P位于圖像邊界，認(rèn)為某些鄰域的點(diǎn)落在圖像外盾饮。

像素鄰接采桃，connectivity，空間上相鄰丘损，且像素灰度值相似普办。

• 鄰接判斷：1）是否存在鄰域關(guān)系？2）灰度值是否滿足某個(gè)特定的相似準(zhǔn)則v（相似的一種度量徘钥，如相等衔蹲、同處一個(gè)灰度值集合中）
• 三種鄰接：假設(shè)V為灰度值集合
  1. 4-鄰接：1）p和q都在v中取值（同處一個(gè)灰度值集合中）。2）q在p的4-鄰域中呈础。
  2. 8-鄰接：與上面4-鄰接相似舆驶，條件2改為q在p的8-鄰域中。
  3. m-鄰接（混合鄰接）：兩個(gè)條件滿足一個(gè)即可而钞。

2.連通性

反應(yīng)兩個(gè)像素間的空間關(guān)系沙廉。

• 通路：像素p到q的一條通路，由一系列具有坐標(biāo)的獨(dú)立像素組成臼节，且路徑中的前后路徑點(diǎn)相鄰接撬陵。
• 連通：通路上所有像素灰度值滿足相似準(zhǔn)則珊皿。

3.距離度量

距離：對(duì)于像素p(x,y)和q(s,t)及z(u,v)，若：

• D大于等于0巨税，且當(dāng)且僅當(dāng)p=q時(shí)蟋定，D=0
• D(p,q) = D(q,p)
• D(p,z)<=D(p,q)+D(q,z)

則，D可以作為距離的度量或D是距離函數(shù)

• 歐式距離：De草添，平面兩點(diǎn)距離公式驶兜。歐氏距離為半徑形成一個(gè)圓平面。
• 城市距離：D4远寸，兩個(gè)像素坐標(biāo)的絕對(duì)差值之和抄淑，等于△x+△y，城市距離為半徑而晒，形成一個(gè)菱形蝇狼。

圖像的文件格式

1.數(shù)字圖像類型

靜態(tài)圖像可分為矢量圖Vector和位圖Bitmap。

• 矢量圖：數(shù)學(xué)公式描述的圖像倡怎，可用一系列繪圖指令表示圖像迅耘。

  優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)量小监署；質(zhì)量與分辨率無(wú)關(guān)颤专；無(wú)論圖像放大縮小多少倍，總是以顯示設(shè)備允許的最大清晰度顯示钠乏。

  缺點(diǎn)：色調(diào)栖秕、色彩不夠豐富；不夠逼真晓避；不易在不同軟件間交換使用簇捍。

• 位圖：用過(guò)像素點(diǎn)表示圖像，每個(gè)像素具有顏色屬性和位置屬性俏拱。

  優(yōu)點(diǎn)：顯示速度快暑塑；真實(shí)世界圖像可通過(guò)設(shè)備轉(zhuǎn)換為點(diǎn)位圖。

  缺點(diǎn)：存儲(chǔ)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)量大锅必；縮放事格、旋轉(zhuǎn)時(shí)算法復(fù)雜且容易失真。

  分類：

  • 線畫(huà)稿LineArt搞隐，只有黑白兩種顏色驹愚，二值圖
  • 灰度圖GrayScale，從黑到白的若干種灰度的單色圖像劣纲，常說(shuō)的黑白照片實(shí)際是灰度圖逢捺。
  • 索引顏色位圖Index Color，映射顏色癞季，顏色是一組預(yù)先定義的蒸甜、有限的顏色棠耕，圖像最多只能顯示256種顏色余佛。
  • 真彩色圖True Color柠新，24位圖，由RGB三個(gè)通道辉巡，每個(gè)通道8bit表示0到255之間的不同亮度值恨憎，共表示256*256*256=約為1670萬(wàn)中顏色。

2.圖像文件格式

圖像文件的格式即圖像文件的數(shù)據(jù)構(gòu)成郊楣，通常是一個(gè)文件頭憔恳，之后是圖像數(shù)據(jù)。

文件頭一般包括了文件類型净蚤、作者钥组、時(shí)間、版本號(hào)今瀑、文件大小等內(nèi)容程梦。

圖像數(shù)據(jù)包含圖像的壓縮方式和存儲(chǔ)效率等。

例如橘荠，BMP圖像文件格式

• 位圖文件頭屿附，bitmap fileheader
• 位圖信息頭，bitmap infoheader
• 調(diào)色板哥童，palette挺份，用于索引色，真彩色圖像不用調(diào)色板贮懈，infoheader之后就是實(shí)際位圖數(shù)據(jù)匀泊。
• 實(shí)際位圖數(shù)據(jù)，image data朵你，真彩色下就是RGB的實(shí)際值各聘，索引圖像（用到調(diào)色板）下就是該店顏色在調(diào)色板中的顏色索引。