圖像處理的基本知識.ppt

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1、第三章圖像處理的基本概念1人眼的視覺原理顏色基礎(chǔ)圖像模型圖像數(shù)字化灰度直方圖圖像處理算法形式圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及特征1人眼的視覺原理1.1人眼的構(gòu)造1.2圖像的形成1.3視覺范圍和分辨力1.4視覺適應(yīng)性和對比靈敏度1.5亮度感覺1.6馬赫帶效應(yīng)1.7視覺模型1.1人眼的構(gòu)造外層由角膜和鞏膜組成。角膜是光線的入口。鞏膜保護(hù)整個(gè)眼球。中間層虹膜和脈絡(luò)膜組成。虹膜中的瞳孔用來控制進(jìn)入眼睛的光通量大小。人種不同，其顏色也各異。瞳孔后面的水晶體如同一個(gè)變焦距透鏡，使景像始終聚焦于黃斑區(qū)。內(nèi)層視網(wǎng)膜。其表面有大量的感光細(xì)胞。這些感光細(xì)胞按照形狀分為

2、可以兩類：錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞。錐狀細(xì)胞每只眼睛中大約有600萬到700萬個(gè)錐狀細(xì)胞，集中分布在視軸和視網(wǎng)膜相交點(diǎn)附近的黃斑區(qū)內(nèi)。每個(gè)錐狀細(xì)胞都連接一個(gè)神經(jīng)末梢，因此，黃斑區(qū)對光有較高的分辨力，能充分識別圖像的細(xì)節(jié)。錐狀細(xì)胞既可以分辨光的強(qiáng)弱，也可以辨別色彩。白天視覺過程主要靠錐狀細(xì)胞來完成，所以錐狀機(jī)覺又稱白晝視覺。按感光化學(xué)特性，錐狀細(xì)胞有三種，它們分別對紅、綠、藍(lán)顏色敏感，因此紅綠藍(lán)稱為人類視覺的三基色。三種錐狀細(xì)胞的光譜敏感曲線如下：桿狀細(xì)胞每只眼睛大約有7600萬個(gè)到15000萬個(gè)桿狀細(xì)胞。它廣泛分布在整個(gè)視網(wǎng)膜表面上，并且

3、有若干個(gè)桿狀細(xì)胞同時(shí)連接在一根神經(jīng)上，因此，這條神經(jīng)只能感受多個(gè)桿狀細(xì)胞的平均光刺激，使得在這些區(qū)域的視覺分辨力顯著下降，無法辨別圖像中的細(xì)微差別，而只能感知視野中景物的總的形象。桿狀細(xì)胞不能感覺彩色，但對低照明度的景物柱往比較敏感，所以，夜晚所觀察到的景物只有黑白、濃淡之分，而看不清它們的顏色差別。由于夜晚的視覺過程主要由桿狀細(xì)胞完成，所以桿狀視覺又稱夜視覺。1.2圖像的形成人眼在觀察景物時(shí)，光線通過角膜、前室水狀液、水晶體、后室玻璃體，成像在視網(wǎng)膜的黃斑區(qū)周圍。視網(wǎng)膜上的光敏細(xì)胞感受到強(qiáng)弱不同的光刺激，產(chǎn)生強(qiáng)度不同的電脈沖，并經(jīng)神經(jīng)

4、纖維傳送到視神經(jīng)中樞，由于不同位置的光敏細(xì)胞產(chǎn)生了和該處光的強(qiáng)弱成比例的電脈沖，所以，大腦中便形成了一幅景物的感覺。1.3視覺范圍和分辨力視覺范圍人眼所能感覺到的亮度范圍，從10-4cd/m2到104cd/m2。注：cd—坎德拉，光通量。人眼并不能同時(shí)感受這樣寬的亮度范圍。事實(shí)上，在人眼適應(yīng)了某一平均的亮度環(huán)境以后，它所能感受的亮度范圍要小得多。當(dāng)平均亮度適中時(shí)，能分辨的亮度上、下限之比為1000：1。而當(dāng)平均亮度較低時(shí)，該比值只有10:1。即使是客觀上相同的亮度，當(dāng)平均亮度不同時(shí)，主觀感覺的亮度也不相同。人眼的明暗感覺是相對的，但由于

5、人眼能適應(yīng)的平均亮度范圍很寬，所以總的視覺范圍很寬。分辨力人眼的分辨力是指人眼在一定距離上能區(qū)分開相鄰兩點(diǎn)的能力，可以用能區(qū)分開的最小視角θ的倒數(shù)來描述，如下圖所示：上圖中，d表示能區(qū)分的兩點(diǎn)間的最小距離，l為眼睛和這兩點(diǎn)連線的垂直距離。人眼分辨力和環(huán)境照度、被觀察對象的相對對比度等因素有關(guān)。1.4視覺適應(yīng)性和對比靈敏度暗適應(yīng)性從亮環(huán)境進(jìn)入暗環(huán)境的適應(yīng)能力，約為30s。人眼之所以有暗適應(yīng)性，原因有二：一是暗環(huán)境中瞳孔放大,進(jìn)入眼睛的光通量增加；二是桿狀細(xì)胞代替了錐狀細(xì)胞工作，桿狀細(xì)胞對低照度景物更為敏感。亮適應(yīng)性只有幾秒鐘。原因在于錐狀

6、細(xì)胞的恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)少于桿狀細(xì)胞。人眼的亮度適應(yīng)性是人眼通過改變其整個(gè)靈敏度來實(shí)現(xiàn)的。圖像對比度C1：圖像中最大亮度Bmax與最小亮度Bmin之比：相對對比度1.5亮度感覺人眼對亮度差別的感覺取決于相對亮度的變化。令ΔS為亮度感覺的變化，ΔB為亮度變化，則：積分后得亮度感覺為：上式表明亮度感覺與亮度的自然對數(shù)成線性關(guān)系。下圖表示了主觀感覺同亮度的關(guān)系曲線。實(shí)線表示人眼能感覺的亮度范圍。人眼黑白亮度感覺的相對性：人眼在適應(yīng)某一平均亮度后，黑、白感覺對應(yīng)的亮度范圍較?。浑S著平均亮度的降低，黑白感覺的亮度范圍變窄。黑白亮度感覺相對性在圖像傳輸與重

7、現(xiàn)方面的意義：①重現(xiàn)圖像的亮度不必等于實(shí)際圖像的亮度，只要保持兩者的對比度不變，就能給人以真實(shí)的感覺；②人眼不能感覺出來的亮度差別在重現(xiàn)圖像時(shí)不必精確地復(fù)制出來。1.6馬赫帶（Mach）效應(yīng)對于一幅亮度階躍變化的豎條灰度梯度圖像，其每一豎條寬度內(nèi)光強(qiáng)均勻分布，且相鄰豎條之間的強(qiáng)度差為常數(shù)。然而，人眼看起來每一豎條內(nèi)右邊要比左邊稍黑一些，這種現(xiàn)象稱為馬赫帶效應(yīng)。馬赫帶上的亮度過沖是眼睛對不同空間頻率產(chǎn)生不同視覺響應(yīng)的結(jié)果。視覺系統(tǒng)對空間高頻和空間低頻的敏感性較差，而對空間中頻則有較高的敏感性，因而在亮度突變處產(chǎn)生亮度過沖現(xiàn)象，這種過沖對人

8、眼所見的景物有增強(qiáng)其輪廓的作用。黑白視覺模型1.7視覺模型光接收器對數(shù)線性系統(tǒng)神經(jīng)信號人眼黑白視覺簡單對數(shù)模型大量實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，眼睛對光強(qiáng)度的非線性響應(yīng)呈對數(shù)型，并且發(fā)生在視覺系統(tǒng)的開始附近（亦就是視