1、二，图象采集,2.1 视觉过程 2.2 成像中的空间关系 2.3 光度学和亮度视觉 2.4 采样和量化,2.1 视觉过程 人眼结构,视觉和视知觉 ：视觉是从分子的观点来理解我们对光反应的基本性质。视知觉理论论述如何通过视觉形成关于外在世界的空间表象，所以兼有心理因素。知觉是在大脑中枢进行的一组整合的活动。,物体图像是可见光刺激人的视网膜引起的视觉感受； 人眼结构：视网膜表面分布着许多光接受细胞；分为锥细胞和柱细胞两大类。 锥细胞：约700万个，对颜色很敏感，锥细胞视觉称为明视觉或亮光视觉； 柱细胞：约1亿4000万个，分辨率比较低，对低照度较敏感，它们不感受颜色，主要提供视野的整体视像，柱细胞
2、视觉称为暗视觉或微光视觉；,锥状体和杆状体的分布,视网膜上杆状体和锥状体的分布：是沿视线关于中央凹对称的中央凹作为大小为1.5mmx1.5mm的方形传感器阵列，锥状体数量约为337000个，恰好是一个电荷耦合元件(CCD)中等分辨率的成像芯片可能有这个数量的元素，且接收器阵列不大于5mmx5mm。 锥细胞视觉称为明视觉或亮光视觉。,眼睛中图像的形成光学过程,观测者看一个距离100m，高15m的树。设x表示视网膜上形成的图像的大小，单位mm，有:15/100=x/17, x=2.55mm(毫米),视觉过程神经处理过程,神经处理过程即为大脑感知成像的过程。,光 刺 激,视网膜接收,视网膜 神经处理
3、,视网膜接收,视网膜 神经处理,视觉通道,大脑皮层处理 1.存储参考图像 2.信息处理 3.特征提取 4.决策 5.描述,2.2 成像中的空间关系 2.2.1 成像几何齐次坐标/逆投影变换,对应的齐次坐标可表示,定义透视变换P 这里，ch的元素是齐次形式的摄象机坐标。,点的笛卡尔坐标,由3-D客观场景映射到图象平面是多对一的变换。 利用逆透视变换将3-D空间点从其图象中恢复出来需要知道该点的至少1个世界坐标。,2.2 成像中的空间关系 2.2.1 成像几何投影变换,图象采集中需要将3-D客观场景投影到2-D图象平面。这个投影可用几何透视变换(也称为成像变换)描述。,2.2.2 观察距离和角度,
4、正常人视力的角区分能力约为一分在观察感兴趣场景时，需要使其中最小的细 节在眼睛的视场中对应一个约一分的弧所对 应的角如果一个点在眼睛的视场中对应不到一分的 弧所对应的角，则人观察不到这个点如果两个相邻点与眼睛间连线的夹角不到一 分，则人分辨不出这两个点,2.2.2 观察距离和角度,给定点尺寸：最远观察距离给定观察距离：能看见的最小点 最佳观察距离 = 3438 * 图象高度 / 显示线数,2.2.3 景深,一定距离内目标清晰成象的范围,2.2.3 景深,引入 f-因数（焦距 f 与光圈直径 2r 的比）景深 Z 作为 D（可允许的不清晰半径）的函数 景深 Z 与镜头的 f-因数成正比，而nf
5、的极限对应具有无穷景深的小孔相机,2.2.3 景深,特殊情况 拍照：目标距离很远，do fdi f景深与焦距的平方成反比结果是小的焦距导致大的景深,2.2.3 景深,特殊情况 复制：目标-图象尺寸为1 : 1，do di 2f 景深现在不依赖于焦距，且与可允许的不清晰半径D有相同的量级只有很小的一个目标区可清晰成象,2.2.3 景深,特殊情况 显微成象：目标近，焦距小，do f ， di f目标被放大了很多，但景深更小了例：当放大倍数为50，即di/do = 50且nf = 1，D为5 mm， 得到的景深只有0.2 mm,2.3 光度学和亮度视觉,电磁波谱可用波长、频率或能量来描述。波长()和
6、频率()的 关系可用下式描述:c/ 电磁波谱的各种分量由下式给出Eh 电磁波可看成是以波长传播的正弦波，或者看做 没有质量的粒子流，该流以波那样的光速传播，每个粒子包含 一定(一束)能量，每束能量称为光子。能量与频率成正比。 研究各种电磁辐射强弱的学科称辐射度学。 研究光的强弱的学科称光度学，其使用光通量表示光辐射的功率或光辐射量（单位：流明）。量度光通量需要将辐射量用反 映人眼光谱响应的特性进行加权以得到对眼睛有效的数量。,2.3 光度学和亮度视觉 点光源和扩展光源,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。（单位：cd）,照度E照射在单位面积上的光通量。(l
7、x勒克斯),亮度B是在r方向上单位投影面积在单位立体角内发出的光通量。（cd/m2）,光通量，发光强度，亮度，照度,亮度和照度的关系,照度是对具有一定强度的光源照射场景的辐射量的亮度。 亮度是在有照度基础上对观察者所感受到的光强的亮度。,我们感兴趣的各类图像都是由“照射”源和形成图像的“场景”元素 对光能的反射或吸收相结合而产生的。照射可能由电磁能源引 起，如雷达、红外线或x射线给特定物体的处理。照射能量可从物 体反射或从物体透射。设照度成分i(x，y)和反射成分r(x，y)。 则：,一般将单色图像f(.)在坐标(x,y)处的亮度值称作图像在该点的灰度值（可用g表示）。,简单的图象成象模型,2
8、.3.3 视觉系统对光的感知特点,人眼适应的亮度范围（1）总体范围大：从暗视觉门限到眩目极限之 间的范围在1010量级（2）具体范围小：一般范围在102量级,暗视觉门限,眩目极限,视觉现象,一、视觉范围和分辨力 人眼的分辨力和环境照度有关。当照度太低时，只有柱状细胞起作用，则分辨力下降；但照度太高也无助于分辨力的提高，因为可能引起“眩目”现象。 人眼分辨力还和被观察对象的相对对比度有关。 二、视觉适应性 暗适应，亮适应 三、对比灵敏度韦伯比,视觉现象对比灵敏度 韦伯比,Ic/I值较小意味着可辨别强度较小的百分比变化，这表示亮度辨别能力好。反之，Ic/I较大意味着要求有较大百分比的强度变化，这表
9、示亮度辨别能力较差。一般的观察者可以观察到有1020级亮度的变化。低照明级，亮度分辨差（杆细胞）；高照明级，亮度分辨好（锥细胞）。,测试亮度分辨率的试验 在最优的明视条件下韦伯率可以 接近0.01。,在均匀照度背景 I 上，有一照度为 I+I的光斑，称眼睛刚好能分辨出的照度差I与 I 的比（I/ I）为对比灵敏度，也称为韦伯比。,由于背景亮度 I 增大， I 也需要增大，因此在相当宽的强度范围内，对比灵敏度是一个常数，约等于0.02。,视觉现象同时对比度,在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同,人眼所感受到的主观亮度不同，这种效应称为同时对比度。 由于同时对比是由亮度差别引起的，故也称为亮度对比
10、。 相对应的还有色度对比；红色背景下的灰色物体显绿色；,视觉现象马赫带,证明感觉亮度不是简单的强度函数 ： 马赫带过高或过低估计不同亮度区域边界值的现象。 同时对比现象感觉到的亮度并不仅仅依赖于它的强度。,视觉现象视觉错觉,在错觉中，眼睛填充上了不存在的信息或者错误地感知物体的几何特点。视觉错觉是人类视觉系统的一个特性，这一特性尚未完全了解。,视觉现象视觉错觉（2）,2.4 采样和量化,2.4.1 空间分辨率和幅度分辨率2.4.2 图象质量与采样和量化2.4.3 对采样和量化的讨论,x,y,O,z=f(x,y) x=0,1, , N-1; y=0,1, , M-1; z=0,1, , L-1,
11、空间坐标的离散化； 性质空间（灰度）的离散化；采样和量化主要在图像输入设备中处理。,数字化图像,2.4.1 空间分辨率和幅度分辨率,数字图像图象（水平）尺寸 M：图象（垂直）尺寸 N：象素灰度级数 G (k-bit)：图象所需的位数 b：,灰度图象,二值图象,2.4.1 空间分辨率和幅度分辨率,数字图象存储1幅32 32，16个灰度级的图需要 4,096 bit存储1幅128 128，64个灰度级的图需要 98,304 bit存储1幅512 512，256个灰度级的图需要 2,097,152 bit,2.4.2 图象质量与采样和量化,图象空间分辨率变化所产生的效果,2.4.2 图象质量与采样和
12、量化,图象幅度分辨率变化所产生的效果,空间 分辨率,结论1：,一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现像素呈块状的棋盘效应； 采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。,幅度分辨率灰度级值变化的典型效果,结论2：,量化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率高，图像质量好，但数据量大；量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓现象，图像质量变差，但数据量小。 但在极少数情况下对固定图像大小时，减少灰度级能改善质量，产生这种情况的最可能原因是减少灰度级一般会增加图像的对比度。例如对细节比较丰富的图像数字化。,综合影响
13、改变N和k如何影响图像,图像的质量 （1）图像质量一般随N和k的增加而增加； （2）对于有大量细节的图像常只需要很少的灰度级数就可较好地表示； （3）b为常数的一系列图像主观看起来可以有较大的差异。,2.4.2 图象质量与采样和量化,空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果,图像的质量,256个层次的图像64个层次的图像16个层次的图像,图像的质量,对比度：指图像中灰度反差的大小。 对比度=最大亮度/最小亮度,降低对比度,图像的质量,清晰度: 与清晰度相关的主要因素： 亮度、对比度、主题内容的大小、细微层次、颜色饱和度,降低亮度,小结,视觉成像过程与成像中的空间关系 光通量，发光强度，亮度，照度之间的关系 几种不同视觉现象 采样和量化的原理和对图像质量的影响,
