数字图像处理-视觉系统

计算机学院马殿富[e-mail]2002.9.12数字图像处理图像与视觉系统计算机学院2第二章图像与视觉系统•视觉系统基本构造•视觉现象•视觉模型•色彩与灰度计算机学院3人类视觉•人类视觉的研究是许多学者所关注的课题。•视觉是人的主要感觉功能，人的视觉系统能完美的完成起许多多复杂的信息处理功能。•视觉研究所涉及的学科–物理学、心理学、生理学、解剖学、计算机科学等•研究视觉系统如何获得外界丰富的信息如何压缩编码如何在大脑里表示这些信息如何作出决策和行动计算机学院4视觉系统基本构造(1)•眼球结构–平均直径：20mm–虹膜：2mm~8mm控制入光量–视网膜：图像视觉–视锥体：中央凹颜色和细节识别600万~700万–视杆体：亮度7500万~15000万–夜视和昼视计算机学院5视觉系统基本构造(2)•视网膜结构模型计算机学院6视觉系统基本构造(3)•眼睛观察树的光学表示方法•晶状体的聚焦中心与视网膜(14mm-17mm)•由睫状体的韧带张力控制晶状体的扁厚计算机学院7眼睛中图像的形成外界光线射进眼球角膜对入射光具有聚光作用瞳孔起了照相机的光圈作用晶状体悬挂在睫状体上睫状体的的收紧和松弛使晶状体改变凸度，起着光学变焦透镜的作用晶状体的后面是玻璃体光线最后落在眼底的视网膜上计算机学院8计算机学院9视觉现象•眼•见•为•实•？计算机学院10视觉现象-1亮度适应能力(1)•明亮较暗现象？–逐渐能够看清物体暗光适应(20~30s)•较暗明亮现象？–逐渐能够看清物体亮光适应(1~2s)计算机学院11视觉现象-1亮度适应能力(3)•人能适应亮度的范围从暗视阀值到强闪光之间的光强度差别约为1010级。•实验证据表明主观亮度是进入眼内的光强度的对数函数。•在交点以上，主观感觉亮度是更亮，而在交点以下，主观感觉是更暗计算机学院12视觉现象-2同时对比度(1)•背景灰度：从明亮到黑暗•小方块那个暗？？？–灰度相同计算机学院13视觉现象-2同时对比度(2)•同时对比度–亮度对比–色度对比•亮度对比–背景亮度不同，人眼所感受的主观亮度值也不一样。–同时对比效应随着背景面积增大而显著•色度对比物体背景视觉计算机学院14视觉现象-3对比灵敏度(1)•无环境照度–背景均匀照度I–光斑照度为I+I.,眼睛刚能分辨出的照度差是I的函数–当背景照度I增大时，分辨出的光斑I也增大–韦伯比为0.02•在中间强度范围内I/I的数值为一常数。•在亮度很强或很弱时，这个数值就不再保持为常数。计算机学院15视觉现象-3对比灵敏度(2)•有环境照度–眼睛的对比灵敏度还与周围环境有关。–周围环境的照明强度为I0–设有两个相邻的光斑，一个强度为I，另一强度为I+I。–I/I比值为常数的范围要大大减小，而且是环境照明强度I0的函数–图中曲线谷点的包络线与无环境照度曲线相同。计算机学院16视觉现象-3对比灵敏度(2)•对数强度的微分–d(logI)=I/I–主观感觉亮度的变化是对数–适应人的视觉特性，先对输入图像进行对数运算的处理计算机学院17视觉现象-4Mach带(1)•每级阶梯的右边比左边更暗计算机学院18视觉现象-4Mach带(2)•Mach在1865年讨论了“Mach带”现象•“Mach带”–一条有均匀黑的区域和均匀白的区域–每级阶跃的灰度差相同•“Mach带”，人们在观察现象：–每个条带内灰度是不均匀的–每级阶梯的右边比左边更暗计算机学院19视觉现象-4Mach带(3)计算机学院20视觉现象-5主观轮廓•主观轮廓–主观上感知的轮廓，实际上这个边界并不存在计算机学院21视觉现象6空间错觉计算机学院22视觉现象6空间错觉计算机学院23视觉现象6空间错觉计算机学院24视觉现象6空间错觉•古代希腊艺术家意识到空间错觉，在建筑设计中引入补偿校正技术以保持对物体及感觉的对称性。•产生错觉的解释尚需对大脑功能进一步的认识后才能得到满意的解释。计算机学院25视觉模型-单色视觉模型•一种最简单的模型时由一个低通滤波器后接一个高通滤波器组成。–低通滤波器模拟人眼的光学系统。由于晶状体的光学像差以及瞳孔尺寸、感光细胞尺寸和密度的有限性限制了系统的上限频率。–高通滤波器则反映了侧抑制引起引起的马赫带效应。计算机学院261810141012101010810610410210410三棱镜•1666年，牛顿红外线紫外线白光三棱镜宇宙射线X射线紫外线红外线雷达无线淡薄交流电可见光：390nm-770nm计算机学院27视觉模型-彩色视觉模型(1)•经典的三色理论自英国医学家兼物理学家及T.Young提出的，他认为人的眼睛中有三类感光组织，分别对蓝光、红光、绿光灵敏。在白光照明下三类感光体都受到激励。三原色计算机学院28视觉模型-彩色视觉模型(2)•由德国生理学家E.Hering提出对立色学说–在视觉正常人中全部色调，只有四种色调，即红、绿、黄、蓝四原色–不能用混合方式获得–四种颜色分别形成二二对立色，每对中的两种原色有着相反的性质。•蓝色同黄色形成一队•红色与绿色形成一对•亮度感觉是有黑色和白色是形成的各级灰度。计算机学院29色彩匹配-CIE•红-•绿-•蓝-•三原色•变换X,Y,Z•Y=R+G+B)(r)(g)(b计算机学院30彩色的数学描述•色彩计算机学院31彩色模型•RGB计算机学院32视觉模型-彩色视觉模型计算机学院33色彩与灰度•NTSC彩色制式Y，I，Q–Y=0.298R+0.587G+0.114B–I=0.596R-0.274G-0.322B–Q=0.211R+0.523G+0.312B•PAL制式–Y=0.22R+0.70G+0.07B•Y等价于颜色的亮度计算机学院34