第02章-图像与视觉系统

西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进1第2章图像与视觉系统本章将介绍视觉过程、光度学基本原理、采样和量化、图像类型和图像文件格式。西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进2本章目录（1）2.1视觉过程2.1.1光学过程2.1.2化学过程2.1.3神经处理过程2.2光度学基本原理2.2.1点光源2.2.2扩展光源2.2.3亮度2.2.3.1亮度的适应范围2.2.3.2主观亮度2.2.4照度2.3采样和量化2.3.1存储和处理2.3.2质量和效果西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进3本章目录（2）2.4图像类型2.4.1二值图像2.4.2灰度图像2.4.3伪彩色图像2.4.4真彩色图像2.5图像文件格式2.5.1BMP格式2.5.2TIFF格式2.5.3JPEG格式2.5.4GIF格式2.5.5PCX格式作业西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进42.1视觉过程（1）视觉过程包括“视”过程和“觉”过程。“视”过程是一个图像采集的过程。“觉”过程是一个图像感知的过程。视觉过程流程如下：（1）视觉过程从光源发光开始。（2）光的模式通过场景中的物体反射进入作为视觉感受器官的左右眼睛并同时作用在视网膜上引起视感觉。视感觉主要是从分子的观点来理解对光反应的基本性质（如亮度、颜色）。（3）光刺激在视网膜上经神经处理产生的神经冲动沿视神经纤维传出眼睛，通过视觉通道传到大脑皮层进行处理并最终引起视知觉。视知觉主要论述从客观世界接受视觉刺激后如何反应及反应所采用的方式。西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进52.1视觉过程（2）视觉过程流图如图2.1.1所示。视觉过程由以下三个顺序的过程构成：（1）光学过程（2）化学过程（3）神经处理过程图2.1.1视觉过程流图西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进62.1.1光学过程（1）图2.1.2是人眼水平横截面示意图，这可看作一个光学系统的光路图。眼睛是一个平均直径约为20mm的球体。晶状体（lens）对应于照相机的镜头。晶状体前的瞳孔（pupil）对应于照相机的光圈。视网膜（retina）对应于照相机的胶片。视网膜是含有光感受器和神经组织网络的薄膜。图2.1.2人眼水平横截面示意图西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进72.1.1光学过程（2）物体在视网膜上成像尺寸的计算。原理：晶状体的屈光能力从最小变到最大时，晶状体聚焦中心和视网膜间的距离可以从约17mm变到约14mm。当眼睛聚焦在一个3m以外的物体时，晶状体具有最小的屈光能力，即晶状体聚焦中心和视网膜间的距离为约17mm。方法：设：x表示以mm为单位的视网膜上的成像尺寸则：15/100=x/17西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进82.1.2化学过程人眼球的断面图如同2.1.3。化学过程基本确定了成像的亮度和颜色。视网膜表面分布有光接受细胞，分为两类：锥细胞：数量少，分辨率较高，对颜色很敏感。锥细胞视觉称为适亮视觉。柱细胞：数量多，分辨率较低，不感受颜色。柱细胞视觉称为适暗视觉。现象：在日光下鲜艳的彩色物体在月光下变得像无色的。因为，日光下由锥细胞感受颜色，月光下只有柱细胞在工作。图2.1.3人眼球的断面图西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进92.1.3神经处理过程视网膜结构模型如图2.1.4。神经处理过程是一个在大脑神经系统里进行转换的过程。（1）每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触(synapse)相连。（2）每个神经元细胞借助其他的突触再与其他细胞相连，从而构成光神经网络。（3）光神经进一步与大脑中的侧区域（sideregionofthebrain）连接，并到达大脑中的纹状皮层（striatedcortex）。（4）在纹状皮层处，对光刺激产生的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光的感觉转化为对景物的知觉。图2.1.4视网膜结构模型西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进102.2光度学基本原理研究光的强弱的学科称为光度学。研究各种电磁辐射强弱的学科称为辐射度量学。本节内容包括：2.2.1点光源2.2.2扩展光源2.2.3亮度2.2.4照度西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进112.2.1点光源（1）点光源的概念：当光源的强度足够小，或距离观察者足够远，以至于眼睛无法分辨其形状时，可称为点光源。光通量（）在光度学中，光通量（luminousflux）用来表示光辐射的功率或光辐射量，单位是lm（流明）。立体角（1）定义：从一点（称为立体角的顶点）出发通过一条闭合曲线上所有点的射线围成的空间部分，表示由顶点看闭合曲线时的视角。（2）度量：以立体角的顶点为球心所作的球面上截出的部分面积与球面半径的平方之比，单位是sr（球面度）。西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进122.2.1点光源（2）（3）立体角的定义可由将弧度表示平面角度大小的定义（弧长除以半径）推广到三维空间中得到。如图2.2.1。图2.2.1(a)平面角（单位:弧度rad），(b)立体角（单位:球面度sr）西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进132.2.1点光源（3）点光源的发光强度（luminousintensity）点光源Q沿某个方向r的发光强度I定义为沿此方向上单位立体角内发出的光通量。如图2.2.2。如果以r为轴取一个立体角元d，设d内的光通量为d，则点光源在沿r方向的发光强度I为：I=d/d发光强度I的单位：cd(坎[德拉])，1cd=1lm/sr。rdrd扩展光源点光源(a)(b)NSS'ddQ图2.2.2点光源西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进142.2.1点光源（4）1cd的物理意义：“全辐射体”加温到铂的熔点（2024K）时从1平方厘米表面面积上发出的光的1/60。所谓“全辐射体”就是某一物质加热到某一温度时，它发出的能量分布在整个可见光范围内。理论上的“全辐射体”就是一个完全黑体，当冷却后，它将吸收所有入射到它上面的光。据此，光通量（）也可以理解为是每秒钟内光流量的度量。1lm表示与1cd的光源相距单位距离，并与入射光相垂直的单位面积上每秒钟流经的光流量。西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进152.2.2扩展光源扩展光源的概念：实际中的光源总有一定的发光面积，称为扩展光源。扩展光源的发光强度扩展光源表面的每块面元dS沿某个方向r有一定的发光强度I，扩展光源在沿r方向的总发光强度为各个面元沿r方向的发光强度之和。如图2.2.3。rdrd扩展光源点光源(a)(b)NSS'ddQ图2.2.3扩展光源西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进162.2.3亮度（1）亮度的定义：设：方向r与面元dS的法线N的夹角为，则：迎着r的方向观察时，其投影面积为dS’=dScos。则：面元dS沿r方向的（光度学）亮度（brightness）B定义为在r方向上单位投影面积的发光强度，或者说在r方向上的单位投影面积在单位立体角内发出的光通量：亮度B的单位：cd/m2(坎[德拉]每平方米)cosdddcosddddSSIS'IB（2.2.1）西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进172.2.3亮度（2）例子：若一个光源的输出光通量为3000lm，求在距离它50m处的亮度是多少？解：在这样的距离范围内，可将光源看作点光源。设：以点光源为球心，r=50为半径作一球面，在距离点光源50m处的亮度即为则：发光强度I=/=/(4r2/r2)=/(4)则：亮度B=I/S=I/(4r2)=/(4)/(4r2)=/(4r)2故：亮度B=3000/(4×3.14×50)2=7.607×10-3(cd/m2)西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进182.2.3亮度（3）常见光源和景物的亮度数值和它们所处的视觉区域如表2.2.1所示。表2.2.1一些日常所见光源和景物的亮度（单位：cd/m2）西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进192.2.3.1亮度的适应范围人的视觉系统能适应的总体亮度范围是很大的，从暗视觉门限到眩目极限之间的范围达1010量级。如图2.2.4。但是，人的视觉系统在同一时刻所能区分亮度的具体范围比总的适应范围要小得多。在一定的条件下，一个视觉系统当前的敏感度叫做亮度适应级。人眼在某一时刻所能感受到的具体范围是以亮度适应级为中心的一个小范围。一般范围在102量级，可以观察到10~20个亮度级的变化。图2.2.4视觉系统的亮度范围西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进202.2.3.2主观亮度（1）人的视觉系统感受到的物体的亮度称为主观亮度。主观亮度受到物体表面与周围环境亮度之间相对关系的影响。同样的物体（反射相同亮度）放在较暗的背景里会显得比较亮，放在较亮的背景里会显得比较暗。同时对比度表明人眼对某个区域感觉到的主观亮度并不仅仅依赖于该区域本身的亮度。如图2.2.5。所有位于中心的小正方形都有完全相同的亮度。但是，当小正方形处在暗背景时看起来要亮些，处在亮背景时看起来要暗些。图2.2.5同时对比度示例西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进212.2.3.2主观亮度（2）人类视觉系统有趋向于过高或过低估计不同亮度区域边界值的现象。马赫带效应是一个典型的例子。如图2.2.6。各条带内部的亮度是常数（如“亮度折线”所示）。观察到的条带有强烈的边缘效应，特别是在条带的边界区域（如“主观亮度曲线”所示）。图2.2.6马赫带效应示意图西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进222.2.4照度照度（illumination）的定义：照射在物体单位面积上的光通量。从辐射学的角度也称辐照度（irradiance），表示单位面积的入射功率。设：面元dS上的光通量为d，则：此面元上的照度E为：照度E的单位：lx(勒[克斯])，1lx=1lm/m2。一些实际情况下景物的照度数值如表2.2.2。ddSE表2.2.2一些实际情况下的照度（单位：lx-lm/m2）西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进232.3采样和量化（1）一副连续图像f(x,y)必须在空间和幅度上都离散化后才能被计算机处理。如图2.3.1。空间坐标的离散化叫做空间采样（简称采样），它确定了图像的空间分辨率。灰度值的离散化叫做灰度量化（简称量化），它确定了图像的幅度分辨率。图2.3.1(a)连续图像投影到传感器阵列，(b)图像采样和量化的结果西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进242.3采样和量化（2）采样和量化的数学语言描述。设：F，X和Y均为实整数集。采样过程可看作将图像平面划分成规则网格，每个网格中心点的位置由一对笛卡尔坐标(x,y)决定。其中，x是X中的整数，y是Y中的整数。f(·)是给点对(x,y)赋予灰度值的函数。f是F中的整数。那么：f(x,y)就是一副数字图像，这个赋值过程就是量化过程。西南交通大学《数字图像处理》—第2章图像与视觉系统—黄进252.3.1存储和处理（1）如果一副图像的尺寸（空间分辨率）为M×N，则表明：在成像时采了M×N个样，图像包含M×N个像素。如果对每个象素都用G个灰度值中的一个来赋值，则表明：在成像时量化成了G个灰度级（幅度分辨率）。数字图像像素示意图如图2.3.2。图2.3.