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2009-11-181图像处理与可视化技术彭瑞东图像处理与可视化技术图像与视觉系统图像与视觉系统图像传感器与采集技术图像编码与格式图像变换方法图像运算方法图像增强图像分析图像重建图像与视觉系统z光学基本知识z人类视觉感知过程z色度学知识z机器视觉z图像质量的评价光学基本知识光电磁波可见光无线电波γ射线X射线紫外线红外线微波超短短波中波长波0.01nm1nm0.1μ10μ0.1cm10cm10m1km100km电磁波谱分布可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，人眼可以看见的光的范围受大气层影响。大气层对于大部分的电磁波辐射来讲都是不透明的，只有可见光波段和其他少数如无线电通讯波段等例外。一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间，且对波长约为555纳米的电磁波昀为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。紫蓝青绿黄橙红0.380.430.470.50.560.590.620.76(μm)光学基本知识人的眼睛只能看到可见光部分，但就目前科技水平看，能够成像的并不仅仅是可见光。一般来说可见光的波长为0.38～0.76μm，而迄今为止人类发现可成像的射线已有多种，如：•γ射线：0.003～0.03nm•X射线003～3nm•X射线：0.03～3nm•紫外线：3～300nm•红外线：0.8～300μm•微波：0.3～100cm这些射线均可以成像。利用图像处理技术把这些不可见射线所成图像加以处理并转换成可见图像，实际上大大延伸了人类视觉器官的功能，扩大了人类认识客观世界的能力。雷达•声纳光学基本知识折射、反射、透射光路、成像2009-11-182光学基本知识描述光源辐射产生视觉响应的光度学Photometrics发光强度I：光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。(坎德拉cd)光通量Φ：光源在单位时间内发射出的光量。（流明lm）照度E：被光均匀照射的物体，距离该光源1米处，在1m²面积上得到的光通量是1lm时，它的照度是1lux。（勒克司lux）光亮度L：发光表面在指定方向的发光强度与垂直于指定方向的发光面的面积之比，表示发光面明亮程度的。（尼特1nt＝1cd/m2）强弱的能力ωddIΦ=dAdEΦ=ωθddAdL⋅⋅Φ=cos2人类视觉感知过程z人眼结构特点z眼睛中图像的形成视觉生理特点对图像处理方法的影响很大z视觉特性人眼结构特点杆状视觉：夜视觉，单色；锥状视觉：白昼视觉，彩色。杆状（rod）细胞：较为敏感，在较暗的光线下就能起作用，提供了感光能力强的单色夜视，每只眼睛约700万个锥状（cone）细胞：只有在光线明亮的情况下才起作用，具有分辨光波波长的能力，对颜色十分敏感，提供了较高光学亮度下的彩色视觉，每只眼睛约1亿3千万个眼睛中图像的形成成像的几何原理用眼睛观察树的光学表示法，C点为晶状体的光学中心当晶状体的折射能力由昀小变到昀大时，晶状体的聚焦中心与视网膜之间的距离由17mm缩小到14mm。当眼睛聚焦到远于3m的物体时，晶状体的折射能力昀弱，当聚焦到非常近的物体时，其折射能力昀强。眼睛中图像的形成色觉理论主要有两种•三色学三种视色素，对光的影响峰值分别在红、绿、蓝区，综合后形成色觉信息。视觉信息的产生光—化—电过程•四色学说三对视色素(白-黑，红-绿，黄-蓝)，它们的组合响应产生色觉信息400450500550600650700100806040200蓝绿红波长λ（nm)光吸收特性%三种不同频率响应的锥，各对红、绿、蓝具有昀强的响应，组合形成彩色的识别功能眼睛中图像的形成视觉信息的加工处理视细胞(图像信息感受器)产生视觉信息后，通过眼睛中的其它神经细胞以及大脑高级中枢的神经系统对视觉信息进行传输和处理•简单型细胞•检测图像的明暗边界和线条的位置和方向，•复杂型细胞•对直线和边界的运动方向敏感，•低级超复杂型细胞检测直线和边界的长度、宽度，•而高级超复杂型细胞可以检测曲线和边缘曲度等传输和处理2009-11-183视觉特性•视觉的空间范围•亮度适应与鉴别•分辨力对比灵敏度•对比灵敏度•同时对比效应•阈值效应和掩盖效应•视觉运动特性•视觉空间频率特性•视觉时间频率特性视觉的空间范围•“视野”——指眼球不动时所能见到的范围•如果把注视点作为中心，可见的范围上方约65°，下方约75°，左右视角约为104°(现在的电视画面约占7°~8°)，但视力好的部位仅限于中央2°~3°左右。为适应大的面立体景象的机球须转动使视•为了适应大的画面和立体景象的机理，眼球必须转动使视线移动•中心视力分辨率强，可以进行图像细节的认识。•周边视力分辨率差，可以将视目标特征部分检出，利用检出的目标图像特征去控制眼球运动。•另外周边视可以认识图像的全貌，而中心视只能认识图像的一小部分。•要产生充分的临场感，画面尺寸应该产生30°以上视野，如宽银幕电影。分辨力在不同的亮度适应级，人眼的分辨力不同，如图所示，I是背景光强ΔII是背景光强，ΔI是光强的变化，)I/I(logΔ称为韦伯比，表示光强分辨力光强分辨力的典型韦伯比同时对比效应视觉的时空频率分析•空间分辨力•人眼对空间景物细节的分辨能力有限，对黑白图像约为一度。•人眼对景物亮度层次的分辨力也有限，过小的亮度差别无法分辨。•人的视觉对彩色细节的分辨力要比亮度细节差，在国际无线电咨询委员会的601标准中，就利用了这种特性，将色差信号的空间询委员会的601标准中，就利用了这种特性，将色差信号的空间分辨率减半，仍可以得到非常好的图像质量。•人眼对画面静止部分的分辨率高于活动部分•时间分辨力•对亮度的响应有时延和残留，因而对景物亮度的变化也有分辨力，过快的变化无法分辨•“视觉惰性”。当离散画面的重复频率不低于24Hz时，可形成连续画面的感觉，即人眼不能分辨相邻两幅画面间的差别，而低于24Hz时，有闪烁感。色度学知识z色彩的基本属性z三色原理z彩色模型¾计算彩色模型¾工业彩色模型¾视觉彩色模型RGB、XYZ、LabRGB、YUI、YIQ、Ycrcb、CMYHSI、HSL2009-11-184色彩的基本属性1666年，Newton，光学原理解释的色彩的形成白光通过棱镜，就会折射出颜色的光谱。一般可以分解成红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七色。可见光谱的每部分都有它自己唯一的值，它被称之为颜色，理论上可以选择几百万种颜色，此时从一种颜色转换成另一种颜色实际上很难区别。可见光谱可以由多种颜色构成，但是人们一般只看到一种颜色，它是多种颜色混合后结果。因为人眼有把多种颜色相混合的能力。色彩的基本属性光能本身是无颜色的，颜色是人们眼睛感知光后产生的生理和心理现象。眼睛对光强度的感觉称为光觉光觉，对颜色的感觉称为色觉色觉，这是眼睛的基本特性。z当眼睛接受到的光包含所有可见光信号且其强度大体相近时人z当眼睛接受到的光包含所有可见光信号，且其强度大体相近时，人们感觉到的是没有颜色的白光。z在光源为白光的照射下，若物体能反射80%以上的入射光，则看上去是白色的。若反射光小于3%，物体看上去是黑色的，中间值对应不同程度的灰色。为了表示方便，光强度可以规一化到0～1之间，0对应黑色，1对应白色，中间值对应灰色。z在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感觉到的明暗程度也不同。对于相同的色度，当背景颜色不一样时，感觉到的色度也不一样。这种现象叫做对比现象。对比现象包括亮度对比和颜色对比。色彩的基本属性为了定性和定量地描述颜色，国际上统一规定了鉴别心理颜色的三个特征量即色相、明度和饱和度。心理颜色的三个基本特征，又称为心理三属性，大致能与色度学的颜色三变数---主波长、亮度和纯度相对应。这是颜色的心理感觉与色光的物理刺激之间存在的对应关系每特定的颜觉与色光的物理刺激之间存在的对应关系。每一特定的颜色，都同时具备这三个特征。亮度亮度主波长主波长纯度纯度明度明度色相色相饱和度饱和度色度色度辉度辉度色彩的基本属性亮度亮度主波长主波长纯度纯度明度明度色相色相饱和度饱和度色度色度辉度辉度纯度纯度饱和度饱和度明度，亮度Intensity色相，色调Hue饱和度Saturation三色原理色度学的基础理论是T.Young在1802年提出的，其基本内容是：任何彩色都可以用3种不同的基本颜色按不同的比例混合而得到，即：C=aC1+bC2+cC3其中C1、C2、C3为三原色（又称为三基色），a、b、c为三种原色的权值（三原色的比例或浓度），C为所合成的颜色，可为任意颜色。实践证明，光谱上的大多数颜色都可以用红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三种单色加权混合产生，基于RGB三基色的颜色表示称为RGB颜色模型，该理论一般叫做三原色原理或三基色原理。三色原理三色原理指出：1）自然界的可见颜色都可以用3种原色（基色）按一定的比例混合得到；反之，任意一种颜色都可以分解为3种原色；2）作为原色的3种颜色应该互相独立，即其中任何一种都不能用其他两种混合得到；3）三原色之间的比例直接决定混合色调的饱和度；4）混合色的亮度等于各原色的亮度之和。2009-11-185三色原理•3个基本颜色——红（R,red）、绿(G,green)、蓝(B,blue)，国际照明委员会（CIE），1931年规定3种基本色的波长为R:700nm,G:546.1nm,B:435.8nm。•利用3基色叠加可产生光的3补色：品红（M,magenta，即红加蓝）、蓝绿（C,cyan，即绿加蓝）、黄（Y,yellow，即红加绿）。按一定的比例混合3基色或将1个补色与相对的基色混合就可以产生白色。光的混合满足加（减）色定理。彩色加法系统（左）与减法系统（右）彩色模型为了用计算机来表示和处理颜色，必须采用定量的方法来描述颜色，即建立颜色模型。目前广泛采用的颜色模型有3类，即计算彩色模型、工业彩色模型和视觉彩色模型。¾计算彩色模型（基础理论与计算）：又称为色度学彩色模型，主要应用于纯理论研究和计算推导RGBXYZLAB应用于纯理论研究和计算推导，RGB、XYZ、LAB；¾工业彩色模型（硬件桥梁）：电视传输彩色，重视打印，侧重于实际应用的实现技术，RGB、CMY、YIQ；¾视觉彩色模型（感观目标）：用于与人直接接口的颜色描述和控制，与人的感觉吻合来认识彩色信息HSI（标准方式）、HSL（双六棱锥体）。所有彩色模型的基础都建立在色度学理论之上。各种不同的颜色模型之间可以通过数学方法互相转换。计算彩色模型CIE（国际照明委员会）在进行大量的色彩测试实验的基础上提出了一系列的颜色模型用于对色彩进行描述。产生1lm的白光所需的三基色近似为：1lm(W)=0.30lm(R)+0.59lm(G)+0.11lm(B)RGBCIE颜色匹配实验（1931）尽管这时三基色的亮度值并不等，但CIE却把每一基色的亮度值作为一个单位看待，即：（R）1T单位红光＝0.3流明（G）1T单位绿光＝0.59流明（B）1T单位蓝光＝0.11流明不同的待配色光达到匹配时三基色光亮度不同，可用颜色方程表示为：C=R（R）+G（G）+B（B）计算彩色模型RGB为组成某种颜色C所需的红、绿、蓝的量称为3个刺激量，分别用R、G、B表示，即)B()G()R()C(BGR++=颜色还可以用色品值r、g、b（相对色系数）表示，定义如下1=++===bgrBbGgRr1,,,=++++=++=++=bgrBGRbBGRgBGRr计算彩色模型XYZCIE提出的RGB基色体系并不能产生所有的颜色，在有些情况下，还会产生负值。为了解决这一问题，1931年CIE又提出了XYZ基色体系。X、Y、Z并不代表真实的物理颜色，它们与RCIE、GCIE、BCIE基色存在线性关系：0.011B0.812G0.177RY0.200B0.310G0.490RX++=++=通过该变换，对光谱色或一切自然界的色彩而言，变换后的色度坐标均为0.990B0.010GZ0.011B0.812G0.177RY+=++的色彩而言，变换后的色度坐标均为正值，而且等能白光的色度坐标仍然是（0.33，0.33），没有改变颜