數(shù)字圖象處理清華大學

圖象工程,章毓晉 (TH-EE-IE),第2章 圖象采集,2.1視覺過程 2.2成象中的空間關系 2.3光度學和亮度視覺 2.4 采樣和量化,章毓晉 (TH-EE-IE),2.1視覺過程,1光學過程,15 / 100 = 2.55 / 17,章毓晉 (TH-EE-IE),2.1視覺過程,2化學過程 錐細胞和柱細胞： 錐細胞：數(shù)量少，對顏色很敏感 錐細胞視覺：明視覺或亮光視覺 柱細胞：數(shù)量多，分辨率比較低 不感受顏色并對低照度較敏感 柱細胞視覺：暗視覺或微光視覺,章毓晉 (TH-EE-IE),2.1視覺過程,3神經(jīng)處理過程 每個視網(wǎng)膜接收單元都與一個神經(jīng)元細胞借助突觸（synapse）相連 每個神經(jīng)元細胞借助其它的突觸與其它細胞連接，從而構(gòu)成光神經(jīng)（optical nerve）網(wǎng)絡 光神經(jīng)進一步與大腦中的側(cè)區(qū)域（side region of the brain）連接，并到達大腦中的紋狀皮層（striated cortex） 對光刺激產(chǎn)生的響應經(jīng)過一系列處理最終形成關于場景的表象，從而將對光的感覺轉(zhuǎn)化為對景物的知覺,章毓晉 (TH-EE-IE),2.1視覺過程,整體視覺過程 視覺 “視” “覺”,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2成象中的空間關系,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客觀場景投影到2-D圖象平面 成象過程 三個坐標系統(tǒng)： 世界坐標系統(tǒng) XYZ 攝象機坐標系統(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,三個坐標系統(tǒng),章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.1 成象幾何,透視變換 3-D點投影后的圖象平面坐標 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 可用來將前述非線性（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來表示 當k不為零時，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 笛卡爾坐標： 齊次坐標： k 為任意非零常數(shù) 齊次坐標 笛卡爾坐標： 用第4個坐標量去除前3個坐標量,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.1 成象幾何,齊次坐標 用第4項分別去除前3個項,章毓晉 (TH-EE-IE),逆投影變換點(x, y, 0),Z = 0：圖象平面上一點對應連線上所有共線3-D點的集合,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3-D點的坐標從它的圖象中完全恢復過來，需要對產(chǎn)生圖象點的3-D空間點有一些先驗知識（如知道它的Z坐標）,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 在觀察感興趣場景時，需要使其中最小的細節(jié)在眼睛的視場中對應一個約一分的弧所對應的角 如果一個點在眼睛的視場中對應不到一分的弧所對應的角，則人觀察不到這個點 如果兩個相鄰點與眼睛間連線的夾角不到一分，則人分辨不出這兩個點,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.2 觀察距離和角度,給定點尺寸：最遠觀察距離 給定觀察距離：能看見的最小點 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 的極限對應具有無窮景深的小孔相機,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.3 景深,特殊情況 拍照：目標距離很遠，do f di f 景深與焦距的平方成反比 結(jié)果是小的焦距導致大的景深,章毓晉 (TH-EE-IE),2.2.3 景深,特殊情況 復制：目標-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 只有很小的一個目標區(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：目標近，焦距小，do f ， di f 目標被放大了很多，但景深更小了 例：當放大倍數(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光度學和亮度視覺,2.3.1 光度學 2.3.2一個簡單的成象模型 2.3.3視覺系統(tǒng)對光的感知特點,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.1 光度學,輻射度量學 研究各種電磁輻射強弱的學科 光是一種電磁輻射 光度學 研究光的強弱的學科 光通量的單位：lm（流明）,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.1 光度學,點光源 線度足夠小，或距離觀察者足夠遠 發(fā)光強度I：點光源沿某個方向上單位 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,點光源 立體角（solid angle） 是從一點（稱為立體角的頂點）出發(fā)通過一條閉合曲線上所有點的射線圍成的空間部分，所以立體角表示由頂點看閉合曲線時的視角。 可以取一立體角在以其頂點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該立體角的度量。立體角的單位是球面度，記為sr。一個球面度對應在球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長的正方形面積時的立體角。,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.1 光度學,擴展光源 有一定發(fā)光面積的光源 光度學亮度B(單位：cd / m2),章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.1 光度學,照度（illumination） 一個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：是光源對物體輻射的一種量度 表2.3.2 亮度：觀察者對物體表面光強的量度 表2.3.1,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.2 一個簡單的成象模型,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) 入射到可見場景上的光量 (2) 場景中目標對入射光反射的比率 照度成分 i (x, y)和反射成分 r (x, y),章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.2 一個簡單的成象模型,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)的值是由場景中的目標特性所決定的 典型值：P.40,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3.3 視覺系統(tǒng)對光的感知特點,人眼適應的亮度范圍 （1）總體范圍大：從暗視覺門限到眩目極限之間的范圍在1010量級 （2）具體范圍小：一般范圍在102量級,暗視覺門限,眩目極限,章毓晉 (TH-EE-IE),2.3光度學和亮度視覺,亮度變化的感知 人類視覺系統(tǒng)對亮度變化的感知比對亮度本身要敏感 人類視覺系統(tǒng)對光強度的響應不是線性的，而是對數(shù)形式的（對暗光時亮度的增加比對亮光時亮度的增加更敏感）,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1幅32 32，16個灰度級的圖 需要 4,096 bit 存儲1幅128 128，64個灰度級的圖 需要 98,304 bit 存儲1幅512 512，256個灰度級的圖 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：北京清華大學電子工程系 郵政編碼：100084 辦公地址：清華大學東主樓，9區(qū)307室 辦公電話：(010)62781430 傳真號碼：(010)62770317 電子郵件： 個人主頁： 實驗室網(wǎng)：,聯(lián) 系 信 息,