第一章图像处理基础概念（人眼和光）

系列文章目录

第一章 图像处理基础概念

第二章 常见算法处理

第三章 灰度变化

第四章 空间滤波

第五章 频域滤波

第六章 色彩基础

第七章 小波和多分辨率

第八章 图像表示和描述

第九章 形态学图像处理

第十章 图像分割与目标识别

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前言

随时记录，随时学习，学习笔记

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一、什么是数字图像处理

这里常用输入和输出都是图像作为数字图像处理的范围，对应的是图像处理的低级处理。是建立在数学和概率公式表示的基础上的。数字图像是离散的灰度级显示，因此眼睛对不同亮度级别之间的辨别能力在显示图像处理结果中是一个重要的考虑因素。

二、成像传感器及数字图像的产生（图像的感知和获取）

图像是由”照射“源和形成图像的“场景”元素对光能的反射或吸收而产生的。

照射：可能是电磁能源（雷达，红外线，X 射线等），也可能由非传统光源（超声波）或计算机产生的照射模式产生。

场景：可能是熟悉的物体，也可能是分子，沉积岩或人类的大脑

将输入的电能和对特殊类型检测能源敏感的传感器材料相组合，将输入电能转变为电压，输出电压波形是传感器的响应，通过把传感器响应数字化，从每一个传感器得到一个数字量，最终形成一幅图像。

传感器的输出必须由重建算法处理，重建算法的目的是把感知数据转换为有意义的剖面图像，即图像不可能单靠传感器运动直接得到，需要进一步处理，由图像堆叠组成的三维数字物体与传感器环在相垂直方向的运动产生的。基于CAT原理的其他成像模式包括核磁共振成像（MRI）和正电子发射断层（PET）成像。照射源，传感器和图像的类型是不同的，但是概念上成像方法基本类似。

大量的电磁波和一些超声波传感装置常以阵列形式排列。eg：CCD，CMOS；这种阵列可制造为具有很宽范围的传感特性，并能封装具有4000*4000个单元或更多单元的稳定阵列。每个传感器的响应正比于投射到传感器表面的光能总量，通过让传感器累积输入光信号超过几分钟甚至几小时的方法，可达到减少噪声的目的。

三、成像系统

 照射的是光，成像系统前端是一个光学透镜，透镜把观察的场景投影到透镜的聚焦平面上，与焦平面重合的传感器阵列产生与每个传感器接收到的光的总量成正比输出，数字或模拟电路扫描这些输出并把他们转换成模拟信号，然后由成像系统的其他部分数字化，输出的就是一幅数字图像。

光，电磁波谱和其他分量的成像特点

光：可见光谱是电磁波普中很小的一部分，光波段的阔约范围是0.43微米（紫色）--0.79微米（红色），彩色谱分为6个主要区域（没有青色）：紫色，蓝色，绿色，黄色，橘黄色和红色。每种颜色（电磁波普的其他分量）不是突然终止的，而是混合平滑的过渡到另一种颜色。

人感受物体的颜色是由物体反射光的性质决定的，所有可见波长相对平衡反射的物体是白色（全反射，不吸收任何波长的能量）。一个物体在可见光谱的有限范围内反射时会呈现各种颜色色调。

eg:绿色物体反射波长范围为500-570微米的光，而吸收其他波长的大部分能量

单色光：没有颜色的光称为单色光或无色光。单色光的唯一属性是它的强度。单色光的强度从黑色到灰色到白色，灰度级用来表示单色光的强度，单色图像常成为灰度图像。

彩色光：发光强度（瓦特W度量）（从光源流出能量的总和），光通量（流明数lm来表示），亮度(光感知的主观描绘子，但实际上不能度量，体现了强度的无色概念，是描述彩色感觉的参数之一)

电磁波谱：波长越长能量越低（红外光能量低，波长长，频率低）。电磁波普可用波长，频率，或能量来描述。红外波段会辐射热，使得它在依靠热特性成像的应用中非常有用。红外波段靠近可见光谱的部分称为近红外区域，而该波段的另一端称为远红外区域。

波长（入单位是m,常用微米um或nm纳米,1m=10^-9nm=10^-6um），

频率（v，单位hz,1hz表示1秒一个完整的正弦波周期）

可用：入=c/v 其中c是定值光速（2.998*10^8m/s）;

能量用E（常用单位是电子伏特）表示，E=hv;

伽马射线能量最高，这就是伽马射线对活体组织危害很大的原因（波长短，频率高）

其他分量：

物体反射的声波也可用于形成超声波图像，电子显微镜的电子束和用于图形与可视化的合成图像

相机成像及人眼成像

成像原理：相似三角形，物高/物距=像高/像距，

注：可以默认为相机有固定的像高，人眼有固定的像距

相机成像：镜头有固定的焦距，各种距离的聚焦通过改变镜头和成像平面间的距离实现的，胶片放置在成像平面上（数码相机是成像芯片）

人眼成像：与相机相反，晶状体和成像区域距离是固定的，正确聚焦是通过改变晶状体形状来得到的，远离会扁接近会变后的晶状体，人眼晶状体中心和视网膜沿视轴的具体大约是17mm,焦距约为14-17mm，

人眼对亮度的适应和鉴别能力

人眼从暗阈值到强闪光约有10^10个量级,但视觉系统（暗域，亮域）不同同时在一个范围内工作，

主观亮度（由人的视觉系统感知的亮度）是进入人眼的光强的对数函数。

在亮视觉，该范围是10^6,由暗视觉逐渐过度到亮视觉的范围约为0.001~0.1ml(朗伯)（在对数坐标中为-3~-1ml）

亮度适应现象：通过改变整个灵敏度来改变对不同亮度的感受

亮度Ba,较短的交叉线表示当眼睛适应这一强度级别时人眼所能感受的亮度范围，这一范围有一定的限制，级别Bb或低于Bb的刺激都被感知为不可辨别的黑色。

上冲下冲的马赫带现象，视觉错觉即人眼感知的亮度会受周围环境的影响。

韦伯比（人对刺激的响应）：德尔塔I/I ，使用强度I可变光源从后面照向漫反射体，在该视野中增加一个照射分量德尔塔I，形成一个持续时间很短的闪烁，该闪烁以均匀光场中央的圆形方式出现，韦伯比>=0.5,则清晰可变，亮度辨别能力越差，越小，越不可辨，亮度辨别能力较好

四、图像表示

图像表示：一幅图像可以定义为一个二维函数f(x,y),其中(x,y)是平面（空间）坐标，对任一坐标都有幅值f为该点的强度或灰度，当（x,y）和灰度值f是有限的离散数值时，称该图像为数字图像。用f(x,y)的二维函数来表示图像，在空间坐标（x,y）处，f的值或幅度是一个正的标量。

物理意义由图象源决定，当一幅图像由物理过程产生时，其亮度值正比于物理源（如电磁波）所辐射的能量。因此，f(x,y)一定是非零的，有限的，即0

在处理过程中，图像可以为负值，（例如雷达成像，向雷达移动的物体通常解释为速度为负，远离雷达的物体速度为正），这样一幅图像就又有负值又有正值，在存储和显示图像时，通常会进行标定灰度，以便最小的负值变为0。

函数f(x,y)由两个分量来表征（不考虑传感器等后续因子的影响）：

1）入射到被观察场景的光源照射总量，入射分量i(x,y)，理论范围是（0，正无穷），性质取决于照射源，

典型数据：晴朗白天，90000lm/m^2;有云白天 10000lm/m^2;晴朗的夜晚，满月的照度0.1lm/m^2;商用办公室照度1000lm/,^2

2）场景中物反射的光照总量,反射分量r(x,y),理论范围是（0，1），0代表全吸收，1代表全反射，性质取决于成像物体的特性,如果是X射线透射的话，则反射系数替换为透射系数。

典型数据：黑天鹅绒0.01，不锈钢0.65，白色墙0.80，镀银金属0.90，雪0.93

因此：f(x,y)=i(x,y)r(x,y)

eg:单色图像在任何坐标（x0,y0）处的强度（灰度）表示为 l=f(x0,y0),则l的取值范围是 Lmin<=l<=Lmax;理论上Lmin为正，Lmax为有限值，实际上，Lmin= i min r min 和Lmax=i max r max。

参照办公室的平均照度和反射值范围 ,需要L min 约等于10 ，L max约等于1000作为没有附加照明的室内值的典型限制，

区间【l min,l max】称为灰度级（强度级）。实际情况下令该区间为[0,L -1]其中l=0为黑色，l=L -1在灰度级中为白色。所有中间值是从黑色到白色之间变化的灰度色调

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总结