數(shù)字圖象處理清華大學(xué)

圖象工程,章毓晉 (TH-EE-IE),第2章 圖象采集,2.1視覺(jué)過(guò)程 2.2成象中的空間關(guān)系 2.3光度學(xué)和亮度視覺(jué) 2.4 采樣和量化,章毓晉 (TH-EE-IE),2.1視覺(jué)過(guò)程,1光學(xué)過(guò)程,15 / 100 = 2.55 / 17,章毓晉 (TH-EE-IE),2.1視覺(jué)過(guò)程,2化學(xué)過(guò)程 錐細(xì)胞和柱細(xì)胞： 錐細(xì)胞：數(shù)量少，對(duì)顏色很敏感 錐細(xì)胞視覺(jué)：明視覺(jué)或亮光視覺(jué) 柱細(xì)胞：數(shù)量多，分辨率比較低 不感受顏色并對(duì)低照度較敏感 柱細(xì)胞視覺(jué)：暗視覺(jué)或微光視覺(jué),章毓晉 (TH-EE-IE),2.1視覺(jué)過(guò)程,3神經(jīng)處理過(guò)程 每個(gè)視網(wǎng)膜接收單元都與一個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞借助突觸（synapse）相連 每個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞借助其它的突觸與其它細(xì)胞連接，從而構(gòu)成光神經(jīng)（optical nerve）網(wǎng)絡(luò) 光神經(jīng)進(jìn)一步與大腦中的側(cè)區(qū)域（side region of the brain）連接，并到達(dá)大腦中的紋狀皮層（striated cortex） 對(duì)光刺激產(chǎn)生的響應(yīng)經(jīng)過(guò)一系列處理最終形成關(guān)于場(chǎng)景的表象，從而將對(duì)光的感覺(jué)轉(zhuǎn)化為對(duì)景物的知覺(jué),章毓晉 (TH-EE-IE),2.1視覺(jué)過(guò)程,整體視覺(jué)過(guò)程 視覺(jué) “視” “覺(jué)”,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2成象中的空間關(guān)系,2.2.1成象幾何 2.2.2觀察距離和角度 2.2.3景深,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.1 成象幾何,1、投影變換 將3-D客觀場(chǎng)景投影到2-D圖象平面 成象過(guò)程 三個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)： 世界坐標(biāo)系統(tǒng) XYZ 攝象機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng) xyz 圖象平面 xy 從 XYZ 到 xyz，從 xyz 到 xy,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.1 成象幾何,三個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng),章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.1 成象幾何,透視變換 3-D點(diǎn)投影后的圖象平面坐標(biāo) 非線性投影等式（分母含變量Z）,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.1 成象幾何,2、齊次坐標(biāo) 可用來(lái)將前述非線性（分母中含變量Z）等式表示成線性矩陣形式 例：直線方程ax + by + c = 0 一條直線也可用矢量l = a, b, cT來(lái)表示 當(dāng)k不為零時(shí)，矢量a, b, cT和矢量ka, b, cT表示同一條直線,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.1 成象幾何,齊次坐標(biāo) 笛卡爾坐標(biāo)： 齊次坐標(biāo)： k 為任意非零常數(shù) 齊次坐標(biāo) 笛卡爾坐標(biāo)： 用第4個(gè)坐標(biāo)量去除前3個(gè)坐標(biāo)量,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.1 成象幾何,齊次坐標(biāo) 用第4項(xiàng)分別去除前3個(gè)項(xiàng),章毓晉 (TH-EE-IE),逆投影變換點(diǎn)(x, y, 0),Z = 0：圖象平面上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)連線上所有共線3-D點(diǎn)的集合,2.2.1 成象幾何,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.1 成象幾何,逆投影變換 要將1個(gè)3-D點(diǎn)的坐標(biāo)從它的圖象中完全恢復(fù)過(guò)來(lái)，需要對(duì)產(chǎn)生圖象點(diǎn)的3-D空間點(diǎn)有一些先驗(yàn)知識(shí)（如知道它的Z坐標(biāo)）,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.2 觀察距離和角度,正常人視力的角區(qū)分能力約為一分 在觀察感興趣場(chǎng)景時(shí)，需要使其中最小的細(xì)節(jié)在眼睛的視場(chǎng)中對(duì)應(yīng)一個(gè)約一分的弧所對(duì)應(yīng)的角 如果一個(gè)點(diǎn)在眼睛的視場(chǎng)中對(duì)應(yīng)不到一分的弧所對(duì)應(yīng)的角，則人觀察不到這個(gè)點(diǎn) 如果兩個(gè)相鄰點(diǎn)與眼睛間連線的夾角不到一分，則人分辨不出這兩個(gè)點(diǎn),章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.2 觀察距離和角度,給定點(diǎn)尺寸：最遠(yuǎn)觀察距離 給定觀察距離：能看見(jiàn)的最小點(diǎn) 最佳觀察距離 = 3400 * 圖象高度 / 顯示線數(shù),章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.3 景深,一定距離內(nèi)目標(biāo)清晰成象的范圍,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.3 景深,引入 f-因數(shù)（焦距 f 與光圈直徑 2r 的比） 景深 Z 作為 D（可允許的不清晰半徑）的函數(shù) 景深 Z 與鏡頭的 f-因數(shù)成正比，而nf 的極限對(duì)應(yīng)具有無(wú)窮景深的小孔相機(jī),章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.3 景深,特殊情況 拍照：目標(biāo)距離很遠(yuǎn)，do f di f 景深與焦距的平方成反比 結(jié)果是小的焦距導(dǎo)致大的景深,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.3 景深,特殊情況 復(fù)制：目標(biāo)-圖象尺寸為1 : 1，do di 2f 景深現(xiàn)在不依賴于焦距，且與可允許的不清晰半徑D有相同的量級(jí) 只有很小的一個(gè)目標(biāo)區(qū)可清晰成象,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.3 景深,特殊情況 顯微成象：目標(biāo)近，焦距小，do f ， di f 目標(biāo)被放大了很多，但景深更小了 例：當(dāng)放大倍數(shù)為50，即di/do = 50且nf = 1，D為5 mm， 得到的景深只有0.2 mm,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3光度學(xué)和亮度視覺(jué),2.3.1 光度學(xué) 2.3.2一個(gè)簡(jiǎn)單的成象模型 2.3.3視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)光的感知特點(diǎn),章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.1 光度學(xué),輻射度量學(xué) 研究各種電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科 光是一種電磁輻射 光度學(xué) 研究光的強(qiáng)弱的學(xué)科 光通量的單位：lm（流明）,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.1 光度學(xué),點(diǎn)光源 線度足夠小，或距離觀察者足夠遠(yuǎn) 發(fā)光強(qiáng)度I：點(diǎn)光源沿某個(gè)方向上單位 立體角d內(nèi)發(fā)出的光通量dF 單位：cd（坎） 1 cd = 1 lm / sr,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.1 光度學(xué),點(diǎn)光源 立體角（solid angle） 是從一點(diǎn)（稱為立體角的頂點(diǎn)）出發(fā)通過(guò)一條閉合曲線上所有點(diǎn)的射線圍成的空間部分，所以立體角表示由頂點(diǎn)看閉合曲線時(shí)的視角。 可以取一立體角在以其頂點(diǎn)為球心所作的球面上截出部分的面積與球面半徑的平方之比作為對(duì)該立體角的度量。立體角的單位是球面度，記為sr。一個(gè)球面度對(duì)應(yīng)在球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長(zhǎng)的正方形面積時(shí)的立體角。,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.1 光度學(xué),擴(kuò)展光源 有一定發(fā)光面積的光源 光度學(xué)亮度B(單位：cd / m2),章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.1 光度學(xué),照度（illumination） 一個(gè)被光線照射的表面上的照度定義為照射在單位面積上的光通量。設(shè)面元dS上的光通量為dF，則此面元上的照度E為： 單位：lx（勒克斯），1 lx = 1 lm / m2 照度：是光源對(duì)物體輻射的一種量度 表2.3.2 亮度：觀察者對(duì)物體表面光強(qiáng)的量度 表2.3.1,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.2 一個(gè)簡(jiǎn)單的成象模型,圖象成象模型 2-D亮度函數(shù)：f (x, y) 亮度是能量的量度，一定不為零且為有限值 (1) 入射到可見(jiàn)場(chǎng)景上的光量 (2) 場(chǎng)景中目標(biāo)對(duì)入射光反射的比率 照度成分 i (x, y)和反射成分 r (x, y),章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.2 一個(gè)簡(jiǎn)單的成象模型,圖象成象模型 f (x, y)與 i (x, y)和 r (x, y)都成正比 i (x, y)的值是由光源決定的 r (x, y)的值是由場(chǎng)景中的目標(biāo)特性所決定的 典型值：P.40,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.3 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)光的感知特點(diǎn),人眼適應(yīng)的亮度范圍 （1）總體范圍大：從暗視覺(jué)門限到眩目極限之間的范圍在1010量級(jí) （2）具體范圍?。阂话惴秶?02量級(jí),暗視覺(jué)門限,眩目極限,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3光度學(xué)和亮度視覺(jué),亮度變化的感知 人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)亮度變化的感知比對(duì)亮度本身要敏感 人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)光強(qiáng)度的響應(yīng)不是線性的，而是對(duì)數(shù)形式的（對(duì)暗光時(shí)亮度的增加比對(duì)亮光時(shí)亮度的增加更敏感）,章毓晉 (TH-EE-IE),2.4采樣和量化,2.4.1空間分辨率和幅度分辨率 2.4.2圖象質(zhì)量與采樣和量化 2.4.3對(duì)采樣和量化的討論,章毓晉 (TH-EE-IE),2.4.1 空間分辨率和幅度分辨率,數(shù)字圖象 圖象（水平）尺寸 M： 圖象（垂直）尺寸 N： 象素灰度級(jí)數(shù) G (k-bit)： 圖象所需的位數(shù) b：,章毓晉 (TH-EE-IE),2.4.1 空間分辨率和幅度分辨率,數(shù)字圖象 存儲(chǔ)1幅32 32，16個(gè)灰度級(jí)的圖 需要 4,096 bit 存儲(chǔ)1幅128 128，64個(gè)灰度級(jí)的圖 需要 98,304 bit 存儲(chǔ)1幅512 512，256個(gè)灰度級(jí)的圖 需要 2,097,152 bit,章毓晉 (TH-EE-IE),2.4.2 圖象質(zhì)量與采樣和量化,圖象空間分辨率變化所產(chǎn)生的效果,章毓晉 (TH-EE-IE),2.4.2 圖象質(zhì)量與采樣和量化,圖象幅度分辨率變化所產(chǎn)生的效果,章毓晉 (TH-EE-IE),2.4.2 圖象質(zhì)量與采樣和量化,空間和幅度分辨率同時(shí)變化所產(chǎn)生的效果,章毓晉 (TH-EE-IE),通信地址：北京清華大學(xué)電子工程系 郵政編碼：100084 辦公地址：清華大學(xué)東主樓，9區(qū)307室 辦公電話：(010)62781430 傳真號(hào)碼：(010)62770317 電子郵件： 個(gè)人主頁(yè)： 實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)：,聯(lián) 系 信 息,