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1、会计学1数字图像处理基础数字图像处理基础(jch)介绍介绍第一页，共112页。提要提要(tyo)n n1.1 1.1 人眼的视觉人眼的视觉n n1.2 1.2 图像图像(t xin(t xin)数字化数字化n n1.3 1.3 数字图像数字图像(t xin(t xin)表达表达n n1.4 1.4 数字图像数字图像(t xin(t xin)质量质量2 2第2页/共112页第二页，共112页。3导论导论(do ln)n n什么是数字图像处理?n n数字图像处理(Digital Image Processing)是一个(y)迅速发展的专业领域。它的主要目的是将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其
2、进行处理和加工，以便提取图像中的信息。第3页/共112页第三页，共112页。4这是什么(shn me)图像?第4页/共112页第四页，共112页。5什么什么(shn me)是图像？是图像？n n图像？图像？n n卡斯尔曼：一幅图像就是指某卡斯尔曼：一幅图像就是指某些事物的表示，并包含关于目些事物的表示，并包含关于目标的描述性信息标的描述性信息(xnx)。n n你会如何定义？你会如何定义？众所周知的事情(sh qing)正因为众所周知而不为人所知第5页/共112页第五页，共112页。6什么什么(shn me)是图像？是图像？n n图像的类型图像的类型n n图像以各种不同的形式出现图像以各种不同的
3、形式出现:n n数学上数学上n n连续的、离散的连续的、离散的n n是一种二维函数是一种二维函数 f(x,y),其中其中 x,y是空间是空间(平面平面)坐标坐标,幅度幅度f 称为称为(chn wi)亮度或灰度亮度或灰度n n物理上物理上:某种物质或能量的分某种物质或能量的分布布n n可见的、不可见的可见的、不可见的第6页/共112页第六页，共112页。7什么什么(shn me)是数字图是数字图像处理像处理n n处理处理n n连续的、离散的连续的、离散的n n数字图像数字图像n n一个一个2D数字化采样值的方数字化采样值的方形阵列，只有数字图像才能用形阵列，只有数字图像才能用计算机处理计算机处理
4、n n以相等间隔采样的方形格以相等间隔采样的方形格栅模式栅模式(msh)(光栅光栅n n以等幅度间隔量化以等幅度间隔量化第7页/共112页第七页，共112页。8为什么要数字图像处理为什么要数字图像处理？n n应用需求n n图像是人们(rn men)获取和交换信息的主要来源，因此数字图像处理的应用领域必然涉及人类生活和工作的方方面面。n n技术进步n n计算机:不断增长的性能和不断降低的价格n n图像数字化与显示设备的不断出现n n 数字相机,扫描仪,视频捕获设备,n n CRT,LCD,打印机,第8页/共112页第八页，共112页。9为什么要数字图像处理？为什么要数字图像处理？n n具有的独特
5、优势n n图像数字化，以便于图像的传输、打印和存储n n图像的增强和复原，改善图像质量n n图像的分割和描述，获得图像的信息n n大量图像的高速处理n n三维及更高维图像数据(shj)的测量和显示（如遥感图像和各种内脏器官及血管形状的测量与显示）第9页/共112页第九页，共112页。2023/2/7为什么要数字图像处理历史(lsh)the 1950s:NASA,ICthe 1960s:大型主机,CCD 相机the 1970s:CT(Computerized Tomography),LSIthe 1980s:PC,VLSI,计算机视觉(Computer Vision)the 1990s:一系列图
6、像压缩国际标准10第10页/共112页第十页，共112页。11应用应用(yngyng)举例举例n n医学和生物学成像医学和生物学成像:CT,B超超,磁共振磁共振n n工业工业:机器视觉机器视觉,自动控制自动控制,n n空间空间:航空航空,导航导航,遥感遥感(森林森林,环境环境,资源资源),n n监控监控(jin kn):视频监控视频监控(jin kn),牌照识别牌照识别,人脸人脸识别识别,n n军事军事:侦察侦察,导航导航,声纳成像声纳成像,n n艺术艺术n n 第11页/共112页第十一页，共112页。2023/2/7成像的能量成像的能量成像的能量成像的能量(nngling)(nngling
7、)源源源源n n电磁能量谱电磁能量谱电磁能量谱电磁能量谱:n nGamma-Gamma-射线射线射线射线,X-,X-射线射线射线射线,紫外紫外紫外紫外,可见光可见光可见光可见光,红外红外红外红外,微波微波微波微波(wib),(wib),无线电波；无线电波；无线电波；无线电波；CT,MRI,EIT,PETCT,MRI,EIT,PETn n声波与超声波声波与超声波声波与超声波声波与超声波:B:B超超超超,声纳声纳声纳声纳n n电子电子电子电子:电子显微镜电子显微镜电子显微镜电子显微镜n n计算机图形学计算机图形学计算机图形学计算机图形学12第12页/共112页第十二页，共112页。13GammaG
8、amma射线射线射线射线(shxin)(shxin)成像成像成像成像PET(positron emission tomography):正电子射线(shxin)层析术Cygnus:天鹅座第13页/共112页第十三页，共112页。14X X射线成像射线成像射线成像射线成像Aortic angiogram:大动脉血管造影(zoyng)Anatomical:解剖的,解剖学的14第14页/共112页第十四页，共112页。15显微显微显微显微(xi(xi n wi)n wi)成像成像成像成像Taxol 红豆杉醇cholesterol 胆固醇Nickel oxide镍氧化物organic supercon
9、ducting 有机(yuj)超导第15页/共112页第十五页，共112页。16多频谱成像多频谱成像多频谱成像多频谱成像第16页/共112页第十六页，共112页。17光学光学光学光学(gungxu)(gungxu)成像成像成像成像Intraocular implant:眼内植入第17页/共112页第十七页，共112页。18光学光学光学光学(gungxu)(gungxu)成像成像成像成像第18页/共112页第十八页，共112页。19红外成像红外成像红外成像红外成像第19页/共112页第十九页，共112页。20磁共振成像，磁共振成像，磁共振成像，磁共振成像，MRIMRI第20页/共112页第二十页
10、，共112页。21超声波成像超声波成像超声波成像超声波成像Thyroid:甲状腺,甲状软骨(jizhungrung)第21页/共112页第二十一页，共112页。22计算机图形学计算机图形学计算机图形学计算机图形学Fractal:分维第22页/共112页第二十二页，共112页。23图像处理图像处理图像处理图像处理(t xin(t xin ch ch l l)系统的基本步骤系统的基本步骤系统的基本步骤系统的基本步骤第23页/共112页第二十三页，共112页。2023/2/7一个典型的通用图像处理一个典型的通用图像处理一个典型的通用图像处理一个典型的通用图像处理(t xin(t xin ch ch
11、l l)系统系统系统系统 输入Input 存储(cn ch)Storage 处理器Processor 输出Output24第24页/共112页第二十四页，共112页。广义图像非光学图像高维图像(包括多频谱图像)非标准采样的图像非标准量化的图像图像处理 与 图像分析图像处理是指为了能更好地观察图像或其他目的而产生一个修改了的图像图像分析把图像转换成某种非图像的形式，诸如目标的数量、类型、尺寸等计算机图形学:关于用计算机产生图像的学科计算机视觉(shju):对景物进行解释2023/2/7某些相关某些相关(xinggun)术术语语25第25页/共112页第二十五页，共112页。26如何如何(rh)学
12、习？学习？n n阅读阅读n n教科书教科书n n参考文献参考文献n n讨论讨论(t(t oln)oln)n n课堂、小组课堂、小组n n实验实验n nC,C+,JavaC,C+,Javan n自己自己(zj(zj)动手！动手！第26页/共112页第二十六页，共112页。参考书参考书n nGonzalez RC and Woods RE.Digital Image Processing,Gonzalez RC and Woods RE.Digital Image Processing,2ed.2ed.北京北京,电子工业出版社电子工业出版社.2002.2002n nK.R.CastlemanK.R
13、.Castleman，Digital Image ProcessingDigital Image Processing，清华大学出，清华大学出版社版社 n n何东健，数字图像处理，西安电子科技大学何东健，数字图像处理，西安电子科技大学n n陈桂明陈桂明,张明照张明照,戚红雨编戚红雨编.应用应用(yngyng)MATLAB(yngyng)MATLAB语言语言处理数字信号与数字图像处理数字信号与数字图像.北京北京,科学出版社科学出版社.2000.200027第27页/共112页第二十七页，共112页。第第2章章 数字图像处理基础数字图像处理基础(j ch)第28页/共112页第二十八页，共112页
14、。2023/2/72.1 2.1 人眼人眼人眼人眼(rn y(rn y n)n)的视觉的视觉的视觉的视觉n n为什么要讨论人类视觉系统为什么要讨论人类视觉系统(Human Vision System,HVS)(Human Vision System,HVS)？n n图像的信息来源于观察。数字图像处理的目的在于提供与观图像的信息来源于观察。数字图像处理的目的在于提供与观察者的视觉能力相匹配的图像输出，以便于观察者理解和解察者的视觉能力相匹配的图像输出，以便于观察者理解和解释图像的内容，提取图像信息。释图像的内容，提取图像信息。n n人们从外界所获取的信息中有人们从外界所获取的信息中有80%80%
15、是通过视觉获得的。通过是通过视觉获得的。通过HVSHVS，人们能感知外界物体的大小、形状、颜色、明暗、动，人们能感知外界物体的大小、形状、颜色、明暗、动静和远近等。数字图像处理是从模拟人类的视觉开始的。尽静和远近等。数字图像处理是从模拟人类的视觉开始的。尽管管(j(j n gun gu n)n)数字图像处理系统已可以完成相当多的工作，但数字图像处理系统已可以完成相当多的工作，但其性能比起其性能比起HVSHVS来说还差得很远。来说还差得很远。n n理解人类视觉特性，有助于开发模拟人眼视觉过程的模型，理解人类视觉特性，有助于开发模拟人眼视觉过程的模型，并对图像处理系统的设计具有重要的指导作用。并对
16、图像处理系统的设计具有重要的指导作用。29第29页/共112页第二十九页，共112页。2023/2/7视觉生理视觉生理视觉生理视觉生理(shngl(shngl)和视觉心理和视觉心理和视觉心理和视觉心理n n通过人眼所形成的图像包括物理范畴的像和心理范畴的像：即来通过人眼所形成的图像包括物理范畴的像和心理范畴的像：即来自外界自外界(wiji)(wiji)物体的光线，通过人眼的折光系统在视网膜上所物体的光线，通过人眼的折光系统在视网膜上所形成的物象，它与外界形成的物象，它与外界(wiji)(wiji)物体通过照相机中的透镜组在底物体通过照相机中的透镜组在底片上成像并无原则上的区别；而来自视网膜的神
17、经信息，则通过片上成像并无原则上的区别；而来自视网膜的神经信息，则通过人脑的神经信息处理在视觉中枢内形成主观意识上的映像。人脑的神经信息处理在视觉中枢内形成主观意识上的映像。n n以下分别从视觉生理和心理两个方面来讨论人眼的视觉特性。以下分别从视觉生理和心理两个方面来讨论人眼的视觉特性。30第30页/共112页第三十页，共112页。2023/2/7人眼视觉人眼视觉人眼视觉人眼视觉(shju)(shju)系统（视觉系统（视觉系统（视觉系统（视觉(shju)(shju)生理）生理）生理）生理）左图是人的右眼水平切面结构图。眼内与产生视觉直接有关的结构是眼睛的折光系统和感光系统。折光系统由角膜、房水
18、、晶状体和玻璃体组成。视网膜含有对光刺激高度敏感的视杆细胞(xbo)和视锥细胞(xbo)，能将外界光刺激所包含的视觉信息转变成电信号，并在视网膜内进行编码、加工，再由视神经传向视觉中枢作进一步分析，最后形成视觉。31第31页/共112页第三十一页，共112页。2023/2/7亮度亮度亮度亮度(lingd)(lingd)与颜色视觉与颜色视觉与颜色视觉与颜色视觉n n视杆细胞视杆细胞视杆细胞视杆细胞(Rod Cell)(Rod Cell)在光线较暗时活动，有较高的光敏度，但不能作精细的空在光线较暗时活动，有较高的光敏度，但不能作精细的空在光线较暗时活动，有较高的光敏度，但不能作精细的空在光线较暗时
19、活动，有较高的光敏度，但不能作精细的空间分辨，且不参与色觉。在较明亮的环境中以视锥细胞间分辨，且不参与色觉。在较明亮的环境中以视锥细胞间分辨，且不参与色觉。在较明亮的环境中以视锥细胞间分辨，且不参与色觉。在较明亮的环境中以视锥细胞(Cone Cell)(Cone Cell)为主，它能为主，它能为主，它能为主，它能提供色觉以及精细视觉。（亮视觉和暗视觉）提供色觉以及精细视觉。（亮视觉和暗视觉）提供色觉以及精细视觉。（亮视觉和暗视觉）提供色觉以及精细视觉。（亮视觉和暗视觉）n n颜色视觉是指对不同颜色视觉是指对不同颜色视觉是指对不同颜色视觉是指对不同(b tn(b tn)颜色的识别，即不同颜色的识
20、别，即不同颜色的识别，即不同颜色的识别，即不同(b tn(b tn)波长的光线作用波长的光线作用波长的光线作用波长的光线作用于视网膜后在人脑引起不同于视网膜后在人脑引起不同于视网膜后在人脑引起不同于视网膜后在人脑引起不同(b tn(b tn)的主观映像。的主观映像。的主观映像。的主观映像。n n正常视网膜可分辨波长正常视网膜可分辨波长正常视网膜可分辨波长正常视网膜可分辨波长380-760nm380-760nm之间的上百种不同之间的上百种不同之间的上百种不同之间的上百种不同(b tn(b tn)的颜色，每种颜的颜色，每种颜的颜色，每种颜的颜色，每种颜色都与一定波长的光线相对应。视网膜中并不存在上
21、百种对不同色都与一定波长的光线相对应。视网膜中并不存在上百种对不同色都与一定波长的光线相对应。视网膜中并不存在上百种对不同色都与一定波长的光线相对应。视网膜中并不存在上百种对不同(b tn(b tn)波波波波长起反应的视锥细胞。长起反应的视锥细胞。长起反应的视锥细胞。长起反应的视锥细胞。n n早在早在早在早在1919世纪初期，世纪初期，世纪初期，世纪初期，YoungYoung和和和和HelmholtzHelmholtz就提出了三原色理论。该理论认为在视就提出了三原色理论。该理论认为在视就提出了三原色理论。该理论认为在视就提出了三原色理论。该理论认为在视网膜上分布着三种不同网膜上分布着三种不同网
22、膜上分布着三种不同网膜上分布着三种不同(b tn(b tn)的视锥细胞，分别含有对红、绿、蓝三种光的视锥细胞，分别含有对红、绿、蓝三种光的视锥细胞，分别含有对红、绿、蓝三种光的视锥细胞，分别含有对红、绿、蓝三种光敏感的视色素。当某一波长的光线作用于视网膜时，可以一定的比例使三种敏感的视色素。当某一波长的光线作用于视网膜时，可以一定的比例使三种敏感的视色素。当某一波长的光线作用于视网膜时，可以一定的比例使三种敏感的视色素。当某一波长的光线作用于视网膜时，可以一定的比例使三种视锥细胞分别产生不同视锥细胞分别产生不同视锥细胞分别产生不同视锥细胞分别产生不同(b tn(b tn)程度的兴奋，这样的信息
23、传至中枢，就产生程度的兴奋，这样的信息传至中枢，就产生程度的兴奋，这样的信息传至中枢，就产生程度的兴奋，这样的信息传至中枢，就产生某一种颜色的感受。某一种颜色的感受。某一种颜色的感受。某一种颜色的感受。32第32页/共112页第三十二页，共112页。2023/2/7亮度亮度亮度亮度(lingd)(lingd)与颜色视觉与颜色视觉与颜色视觉与颜色视觉n n近年来，通过实验确定，在视网膜中存在三种基本类型的视锥细胞。这些视锥近年来，通过实验确定，在视网膜中存在三种基本类型的视锥细胞。这些视锥细胞具有不同的吸收特征，该特征是波长的函数，在光谱的红、绿和蓝区域具细胞具有不同的吸收特征，该特征是波长的函
24、数，在光谱的红、绿和蓝区域具有峰值吸收。存在三种视锥细胞，这为彩色视觉的三原色理论提供了生理机能有峰值吸收。存在三种视锥细胞，这为彩色视觉的三原色理论提供了生理机能的基础。的基础。n n当光刺激激活一个视杆细胞或视锥细胞，就发生一个感光换能反应，产生一个当光刺激激活一个视杆细胞或视锥细胞，就发生一个感光换能反应，产生一个神经脉冲神经脉冲(michng)(michng)。神经脉冲。神经脉冲(michng)(michng)通过视觉系统传播的方式至今还不通过视觉系统传播的方式至今还不是十分清楚。知道的是视神经束包含是十分清楚。知道的是视神经束包含800000800000量级的神经纤维。量级的神经纤维
25、。三种锥状细胞的相对视敏函数(hnsh)曲线相对视敏函数曲线33第33页/共112页第三十三页，共112页。2023/2/7视觉视觉视觉视觉(shju)(shju)心理心理心理心理n n视觉心理是指外界视觉刺激带来的感觉、知觉、认知等人内心的各种情感形式。n n外界的各种事情经由视觉系统接受后，其反应在很多情形下与外界的物理特性不一定相同。n n对于图像、风景的主观视觉反应，由于经过(jnggu)高层次复杂反应的合成，因而变得非常复杂。以下介绍几种效应或效果。34第34页/共112页第三十四页，共112页。主观主观主观主观(zh(zh gun)gun)亮度亮度亮度亮度2023/2/7Scoto
26、pic:暗视的，rods视杆细胞(xbo)；Photopic:明视觉的,cones视锥细胞(xbo)35第35页/共112页第三十五页，共112页。亮度亮度亮度亮度(lingd)(lingd)辨别力辨别力辨别力辨别力2023/2/7韦伯比（Web ratio）B/B:大约(dyu)为 2%，但在暗和亮的区域该值升高。调节(tioji)B的大小，使B+B刚好能被察觉与B有所不同36第36页/共112页第三十六页，共112页。2023/2/7马赫马赫马赫马赫(m(m h)h)效应效应效应效应在亮度突变处，视觉的主观感受出现虚幻的亮或暗的条纹。因Mach效应而对人眼所见景物有增强其轮廓的作用。37第
27、37页/共112页第三十七页，共112页。2023/2/738第38页/共112页第三十八页，共112页。n n记录神经纤维记录神经纤维(shn jn(shn jn xin wi)xin wi)接受器接受器A A信号信号.n n单独照射单独照射A A引起较大的响应引起较大的响应.n n对对B B附近的附近的3 3个接受器加照射引起个接受器加照射引起A A上的响应减少上的响应减少.n n增加对增加对B B的照射进一步降低的照射进一步降低A A的响应的响应.n n因此对邻近接受器的照射抑制了接受器因此对邻近接受器的照射抑制了接受器A A的光刺激的光刺激.n n这种抑制称为侧抑制，因为是越过视网膜，
28、以侧抑制这种抑制称为侧抑制，因为是越过视网膜，以侧抑制的神经丛结构由侧面传送的的神经丛结构由侧面传送的.39侧抑制侧抑制(yzh)(yzh)与侧激励与侧激励第39页/共112页第三十九页，共112页。2023/2/7侧抑制侧抑制(yzh)(yzh)与侧激励与侧激励40第40页/共112页第四十页，共112页。2023/2/7临界临界(ln ji)(ln ji)闪烁融合频率闪烁融合频率CFFCFF(Critical Flicker Fusion Frequency)(Critical Flicker Fusion Frequency)对于闪烁的光源，当闪烁频率增大到某一数值的时候，就能感觉到它是
29、连续光源，这种现象叫闪烁融合，这时的频率叫闪烁融合频率（简称闪频值）。由于(yuy)帧率大于CFF，运动图像看起来就是连续的讨论(toln):TV(PAL,NTSC),HDTV、电影等的帧率?人眼视觉暂留效应（0.05-0.2秒）41第41页/共112页第四十一页，共112页。2023/2/7同心圆错觉同心圆错觉同心圆错觉同心圆错觉(cuju)(cuju)42第42页/共112页第四十二页，共112页。2023/2/7Jastrow Jastrow 错觉错觉错觉错觉(cuju)(cuju)43第43页/共112页第四十三页，共112页。2023/2/7Muler-Lyer Muler-Lyer
30、 错觉错觉错觉错觉(cuju)(cuju)44第44页/共112页第四十四页，共112页。2023/2/745第45页/共112页第四十五页，共112页。2023/2/7n n对比效应，一方使另一方向自己对比效应，一方使另一方向自己相反性质或程度方向变化的效果。相反性质或程度方向变化的效果。n n诱导效应，有多个对象时，一方诱导效应，有多个对象时，一方对另一方、量多者对量少者（或对另一方、量多者对量少者（或者相反）施加影响而产生的知觉。者相反）施加影响而产生的知觉。n n在图像显示中如何利用？也可以在图像显示中如何利用？也可以考虑作为补充考虑作为补充(bchng)或强调或强调等特殊手段来使用。
31、等特殊手段来使用。46第46页/共112页第四十六页，共112页。2023/2/7同时对比同时对比同时对比同时对比n n相同亮度的目标物（方块）放在不同亮度的背景相同亮度的目标物（方块）放在不同亮度的背景上，给人眼上，给人眼(rn y(rn y n)n)的亮度感觉是不同的。这种的亮度感觉是不同的。这种效应是由背景的不同引起的。效应是由背景的不同引起的。n n在照明光源中的应用？白平衡？在照明光源中的应用？白平衡？47第47页/共112页第四十七页，共112页。2023/2/7同时对比同时对比色度(s d)同时对比效应48第48页/共112页第四十八页，共112页。视觉暂留现象视觉暂留现象视觉暂
32、留现象视觉暂留现象(xinxing)(xinxing)n n1.1.注视右图中心注视右图中心红点红点1515秒秒-30-30秒钟秒钟!(不要看整个图片不要看整个图片,而是只看那中间而是只看那中间的红点的红点)n n2.2.然后然后(rnhu)(rnhu)朝朝自己身边的墙壁自己身边的墙壁看看(白色的墙或白白色的墙或白色的背景色的背景)n n3.3.看的同时快速看的同时快速眨几下眼睛，看眨几下眼睛，看看您能看到什么看您能看到什么？2023/2/749第49页/共112页第四十九页，共112页。视觉暂留现象视觉暂留现象视觉暂留现象视觉暂留现象(xinxing)(xinxing)2023/2/750第
33、50页/共112页第五十页，共112页。颜色颜色颜色颜色(yns)(yns)恒常性恒常性恒常性恒常性n n在视觉心理学上是指人眼普通存在的一种(y zhn)知觉常性，即不因外界环境变换而保存对客观色彩知觉不变的一种(y zhn)心理倾向。n n从计算机视觉的角度来说就是消除光照的影响，得到场景的本质色彩。2023/2/751第51页/共112页第五十一页，共112页。颜色颜色颜色颜色(yns)(yns)恒常性恒常性恒常性恒常性2023/2/752第52页/共112页第五十二页，共112页。2023/2/7HVSHVS模型模型模型模型(mxng)(mxng)波长敏感接收器的输出馈入到一种代表人眼
34、光学部分的低通线性系统H1，后面(hu mian)跟随着一个表示视杆或视锥细胞的非线性强度响应的一个单调非线性系统，接着横向抑制过程通过一个具有带通响应的线性系统H2来描述，而人眼神经暂存响应限制引起的延迟和滞后则由一个线性时间传递函数H3来模型化。53第53页/共112页第五十三页，共112页。1.2 图像图像(t xin)获取获取 n n根据成像原理和方法的不同，可分成数字图像(t xin)（例如数码照片、CT图像(t xin)）和模拟图像(t xin)（例如TV图像(t xin)和X光片）；本节主要讨论模拟图像(t xin)输入到计算机中的图像(t xin)获取技术。n n图像(t xi
35、n)获取装置按其有无机械扫描、有无透镜和滤色镜等光学系统、摄像器件种类等要素进行组合，有多种方式。常用的图像(t xin)获取方式有利用扫描仪和利用摄像机的两种。2023/2/7第54页/共112页第五十四页，共112页。扫描仪扫描仪 n n扫描仪就是能够把照片、图画以及写在纸上的原稿等二维扫描仪就是能够把照片、图画以及写在纸上的原稿等二维图像分解成一维像素串，并将像素的光信号转换为电信号图像分解成一维像素串，并将像素的光信号转换为电信号的装置。每个像素由光信号变换为电信号的过程称为光电的装置。每个像素由光信号变换为电信号的过程称为光电变换。传真机和电子式复印机的输入变换。传真机和电子式复印机
36、的输入(shr)(shr)，与图形扫，与图形扫描仪同样，都利用扫描和光电变换。描仪同样，都利用扫描和光电变换。n n扫描在历史上有过各种各样的方法，大体上可分为机械式扫描在历史上有过各种各样的方法，大体上可分为机械式和电子式两类。机械式的一个实用化例子是下图所示的平和电子式两类。机械式的一个实用化例子是下图所示的平台扫描方式和圆筒扫描方式。台扫描方式和圆筒扫描方式。2023/2/7 第55页/共112页第五十五页，共112页。相机相机(xingj)n n相机是目前应用领域和应用范围最广的图像获取手段。相机的主要成像相机是目前应用领域和应用范围最广的图像获取手段。相机的主要成像器件有器件有CCD
37、CCD和和CMOSCMOS两种图像传感器。基本成像过程都包括光电转换、电两种图像传感器。基本成像过程都包括光电转换、电荷收集、信号转换与输出等步骤。现在的数码相机通常都可拍摄静止图荷收集、信号转换与输出等步骤。现在的数码相机通常都可拍摄静止图片和运动视频。片和运动视频。n n集成有成像芯片和集成有成像芯片和DSPDSP板卡的数码相机和摄影机能够直接输出数字信号，板卡的数码相机和摄影机能够直接输出数字信号，只要只要(zh(zh yo)yo)选用合适（计算机支持）的数字接口（例如网络、选用合适（计算机支持）的数字接口（例如网络、USBUSB、IEEE1394IEEE1394等），就可以输入到计算机
38、中。等），就可以输入到计算机中。n n在某些需要实时完成高速、大数据量的视频图像采集的应用中，往往需在某些需要实时完成高速、大数据量的视频图像采集的应用中，往往需要借助视频要借助视频/图像采集卡将摄像机输出的图像信号采集到计算机中。图像采集卡将摄像机输出的图像信号采集到计算机中。n n基于相机和采集卡的方式，不像扫描仪中有固定的照明，摄取对象大多基于相机和采集卡的方式，不像扫描仪中有固定的照明，摄取对象大多是实际景物，光照条件易发生变化。是实际景物，光照条件易发生变化。2023/2/7 第56页/共112页第五十六页，共112页。572.2 图像图像(t xin)数字化数字化n n一个量化采样
39、值的 2D方形阵列n n什么是数字化?n n如何数字化?n n性能(xngnng)与指标n n数字化以及其组成第57页/共112页第五十七页，共112页。58什么什么(shn me)是数字化是数字化?n n把图像把图像(t xin(t xin)从其原来的形式转换成数字形式从其原来的形式转换成数字形式n n什么是图像什么是图像(t xin(t xin)的数字形式的数字形式?第58页/共112页第五十八页，共112页。59第59页/共112页第五十九页，共112页。60图像的数字图像的数字(shz)形式形式:0-D5第60页/共112页第六十页，共112页。61图像图像(t xin)的数字形式的数
40、字形式:1-D5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1第61页/共112页第六十一页，共112页。62图像的数字图像的数字(shz)形式形式:2-D5 6 6 6 5 6 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 5 4 4 3 2 1 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1 5 6 6 6 6 5 4 4 3 2 1f f(1,5)=6(1,5)=6Raster scanningRaster scanning光栅扫
41、描光栅扫描第62页/共112页第六十二页，共112页。63如何如何(rh)数字化数字化?第63页/共112页第六十三页，共112页。64如何如何(rh)数字化？数字化？假设模拟图像f(x,y)的f表示灰度，其数值称作灰度值。采样：是从连续空间(x,y)中获取灰度值f的样本的操作。量化：将样本的灰度由实数(shsh)向整数进行变换表达的操作（模数转换）扫描：实际进行采样、量化的顺序和方法。（图像内像素位置的寻址）第64页/共112页第六十四页，共112页。65采样采样(ci yn)n n采样格子间隔越小，图像就越清晰；n n缩小采样间隔，图像尺寸(ch cun)在变大的同时数据量也将迅速增加。第
42、65页/共112页第六十五页，共112页。66采样采样(ci yn)定理定理模拟信号模拟信号f(x)f(x)不含有比不含有比maxmax更高的频率成分更高的频率成分时，与时，与x x相关的间隔为相关的间隔为（1/(2max)1/(2max)）的）的f(x)f(x)样样本值序列可以完全本值序列可以完全(wnqun)(wnqun)决定决定f(x)f(x)。第66页/共112页第六十六页，共112页。2023/2/7关于采样(ci yn)的进一步讨论u采样(ci yn)函数u x=mx,y=ny u(m,n=0,1,2,)u采样(ci yn)函数定义：67第67页/共112页第六十七页，共112页。
43、2023/2/7关于采样(ci yn)的进一步讨论设 f(x,y)原图像；fs(x,y)采样(ci yn)后图像则：fs(x,y)f(x,y)s(x,y)分别作傅立叶变换，令：f(x,y)F(u,v)；s(x,y)S(u,v)；fs(x,y)Fs(u,v)有：Fs(u,v)=F(u,v)*S(u,v)68第68页/共112页第六十八页，共112页。2023/2/7关于(guny)采样的进一步讨论根据(gnj)卷积定理，及 u=1/x；v=1/y有：说明：采样图像的频谱是原始连续图像频谱在空间域上的无限重复，周期(zhuq)为：1/x（u方向），1/y（v方向）69第69页/共112页第六十九页
44、，共112页。2023/2/7关于(guny)采样的进一步讨论设原始图像是有限(yuxin)带宽的，即：适当选取x，y，可Fs(u,v)相邻周期(zhuq)频谱互不重叠.70第70页/共112页第七十页，共112页。71采样采样(ci yn)图像失真图像失真n n图像(t xin)失真当采样间隔大于奈奎斯特间隔（x（1/(2max)）时，由于比1/2采样频率高的频率成分折返混入低频域，所以称作折叠噪声(folding noise)。由于在与原本存在的频率不同(b tn)的频率中混叠产生该信号(alias)，该现象称为图像失真或混叠现象。对于具有周期性构造的图像，在用与该周期性构造具有一定几何关
45、系的采样格子进行采样时，将会产生波纹图案(moire pattern,moire fringes)。如图所示的图例中，可以看到原本图像中不存在的墙壁面的周期性条纹。波纹图案第71页/共112页第七十一页，共112页。72量化量化第72页/共112页第七十二页，共112页。73量化误差量化误差量化误差量化误差(wch)(wch)n n量化误差：原灰度与量化灰度级之间的差。n n由于在灰度由实数向整数进行变换操作中会产生舍入误差，所以得出与原灰度值有出入的数值。n n改变量化级数的效果n n在模拟图像上灰度变化平滑处，如果量化级数不充分，相邻灰度级区域所对应的量化误差将增大，这两个相邻区域的界线就
46、可能呈现在图像上。该界线原本是不存在于原图像中，因此称它为虚轮廓(lnku)或虚边缘。第73页/共112页第七十三页，共112页。74改变改变(g(g ibin)ibin)量化级数的效果量化级数的效果虚（伪）轮廓(lnku)第74页/共112页第七十四页，共112页。75量化误差量化误差量化误差量化误差(wch)(wch)n n量化对象的灰度范围（量化对象的灰度范围（dynamic range,dynamic range,动态量程）确定的动态量程）确定的条件下，随着量化级数增加，量化级间隔变小，使得量条件下，随着量化级数增加，量化级间隔变小，使得量化误差减小。如何决定量化级数？化误差减小。如何
47、决定量化级数？n n定量分析伴随量化误差而产生的信噪比（定量分析伴随量化误差而产生的信噪比（S/NS/N）。）。n n设信号功率的峰设信号功率的峰-峰值为峰值为Sp-pSp-p、噪声、噪声(zoshng)(zoshng)功率的功率的均方根值（均方根值（RMSRMS）为）为NrmsNrms。不失一般性，假设动态量。不失一般性，假设动态量程是在将图像进行均等分级量化时产生的。将灰度设为程是在将图像进行均等分级量化时产生的。将灰度设为f f，一个量化级的幅度为，一个量化级的幅度为qq。如果假定。如果假定qq中的量化误差中的量化误差是一致的，则分级量化噪声是一致的，则分级量化噪声(zoshng)(zo
48、shng)功率功率NqNq为为第75页/共112页第七十五页，共112页。76如何决定如何决定如何决定如何决定(judng)(judng)量化级数？量化级数？量化级数？量化级数？因为分级量化噪声的平均值为因为分级量化噪声的平均值为0 0，所以，所以NqNq就是量化噪声就是量化噪声的方差。同样，的方差。同样，NrmsNrms为量化噪声的标准差，所以可表为量化噪声的标准差，所以可表示为：示为：另一方面，比特量化级数另一方面，比特量化级数(j sh)(j sh)为为n n，灰度级数，灰度级数(j(j sh)sh)设为设为QQ，则有，则有因此，因此，S/NS/N为为据此，为使得据此，为使得S/NS/N
49、在在s s以上对图像进行量化时，至少要以上对图像进行量化时，至少要达到满足以下要求的量化级数达到满足以下要求的量化级数(j sh)(j sh)第76页/共112页第七十六页，共112页。2023/2/7扫描扫描(somio)n n采样、量化只是一个概念性流程，实际进行的采样、采样、量化只是一个概念性流程，实际进行的采样、量化顺序和方法，根据图像输入仪器结构和方式的量化顺序和方法，根据图像输入仪器结构和方式的不同也有所不同。不同也有所不同。n n顺序移动读取图像上的点一般称作扫描。扫描是将顺序移动读取图像上的点一般称作扫描。扫描是将二维或三维表达的拍摄对象的灰度变换为一维时间二维或三维表达的拍摄
50、对象的灰度变换为一维时间信号的过程。由于声音原本是一维时间信号，所以信号的过程。由于声音原本是一维时间信号，所以在数字化中不存在扫描的概念，即扫描是图像数字在数字化中不存在扫描的概念，即扫描是图像数字化所特有的。化所特有的。n n扫描不仅用在图像数字化上，电视摄像机等的模拟扫描不仅用在图像数字化上，电视摄像机等的模拟图像摄像系统图像摄像系统(xt(xt ng)ng)向一维时间信号的变换需要向一维时间信号的变换需要扫描。相反，由一维时间信号再生图像，显示在平扫描。相反，由一维时间信号再生图像，显示在平面面CRTCRT显示器和液晶显示器上也要进行扫描。显示器和液晶显示器上也要进行扫描。77第77页