数字图像处理第2章数字图像处理的基本概念.ppt

　　本章主要介绍图像信息的基本知识和专业术语、图像与视觉之间的关系等，以便于从感性和直观的角度来了解图像。 　　　　由于计算机图像处理的目的之一是帮助人更好地观察和理解图像中的信息，也就是说，最终要通过人眼来判断所处理的结果，因此有必要首先研究人类视觉系统的特点。 2.1.1 人眼的构造　　人眼的主要构造如图2.1.1所示。视觉信号从眼睛的视网膜传入大脑需要通过大约150万个视觉神经的神经元。　　人眼是一个平均半径为20 mm的球状器官。它由三层薄膜包围着，如图2.1.1所示。　　最外层是坚硬的蛋白质膜，其中，位于前方的大约1／6部分为有弹性的透明组织，称为角膜，光线从这里进入眼内。其余5／6为白色不透明组织，称为巩膜，它的作用是巩固和保护整个眼球。 　　 图2.1.1 人眼的结构示意图 　　中间一层由虹膜和脉络膜组成。虹膜的中间有一个圆孔，称为瞳孔。它的大小可以由连接虹膜的环状肌肉组织(睫状肌)来调节(直径大多为2～8 mm)，以控制进入眼睛内部的光通量大小，其作用和照相机的光圈一样。随着种族的不同，虹膜也具有不同的颜色，如黑色、蓝色、褐色等。 　　最内一层为视网膜，它的表面分布有大量光敏细胞。这些光敏细胞按照形状可以分为锥状细胞和杆状细胞两类。锥状细胞集中分布在视轴和视网膜相交点附近的黄斑区内。每个锥状细胞都连接一个神经末梢，因此，黄斑区对光有较高的分辨力，能充分识别图像的细节。锥状细胞既可以分辨光的强弱，也可以辨别色彩，白天的视觉过程主要靠锥体细胞来完成，所以锥状视觉又称白昼视觉。杆状细胞数目更多，然而，由于它广泛分布在整个视网膜表面上，并且有若干个杆状细胞同时连接在一根神经上，因此，这条神经只能感受多个杆状细胞的平均光刺激，使得在这些区域的视觉分辨力显著下降， 所以无法辨别图像中的细微差别，而只能感知视野中景物的总的形象。杆状细胞不能感觉彩色，但它对低照明度的景物往往比较敏感，所以夜晚所观察到的景物只有黑白、浓淡之分，而看不清它们的颜色差别。由于夜晚的视觉过程主要由杆状细胞完成，所以杆状视觉又称夜视觉。 　　除了三层薄膜以外，在瞳孔后面还有一个扁球形的透明体，称为晶体(或称水晶体)。它由许多同心的纤维细胞层组成，由叫做睫状小带的肌肉支撑着。晶体如同一个可变焦距的透镜，它的曲率可以由睫状肌的收缩进行调节，而睫状肌根据锥状细胞感受到景物的聚焦情况改变其张力，从而使景像始终能聚焦于黄斑区。　　角膜和晶体包围的空间称为前室，前室内是对可见光透明的水状液体，它能吸收一部分紫外线。晶体后面是后室，后室内充满的胶质透明体称为玻璃体，它起着保护眼睛的滤光作用。 2.1.2 图像的形成　　人眼在观察景物时，光线通过角膜、前室水状液、水晶体、后室玻璃体，成像在视网膜的黄斑区周围。视网膜上的光敏细胞感受到强弱不同的光刺激，产生强度不同的电脉冲，并经神经纤维传送到视神经小枢，由于不同位置的光敏细胞产生了和该处光的强弱成比例的电脉冲，所以，大脑中阈纬闪艘环拔锏母芯。 2.1.3 视觉范围和分辨力　　视觉范围是指人眼所能感觉到的亮度范围。这一范围非常宽，从百分之几坎每平方米到几百万坎每平方米(坎［德拉］，发光强度的单位，符号为cd)。但是，人眼并不能同时感受这样宽的亮度范围。事实上，在人眼适应了某一个平均的亮度环境以后，它所能感受的亮度范围要小很多。当平均亮度适中时，能分辨的亮度上、下限之比为1000∶1；而当平均亮度较低时，该比值只有10∶1。即使是客观上相同的亮度，当平均亮度不同时，主观感觉的亮度也不相同。人眼的明暗感觉是相对的，但由于人眼能适应的平均亮度范围很宽，所以总的视觉范围很宽。 　　人眼的分辨力是指人眼在一定距离上能区分开相邻两点的能力，如图2.1.2所示，可以用能区分开的最小视角q的倒数来描述，　　 (2.1.1)式中，d表示能区分的两点间的最小距离，l为眼睛和这两点连线的垂直距离。 　　人眼的分辨力和环境照度有关。当照度太低时，只有杆状细胞起作用，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相关。当相对对比度小时，对象和背景亮度很接近，因此分辨力下降。 图2.1.2 人眼分辨力的计算 2.1.4 视觉适应性和对比灵敏度　　当我们从明亮的阳光下走入正在放映电影的影院时，会感到一片漆黑，但过一会儿后，视觉便会逐渐恢复。人眼这种适应暗环境的能力称为暗适应性，通常这个适应过程约需30 s。人眼之所以有暗适应性，一方面是由于瞳孔放大的缘故，更重要的是因为完成视觉过程的视敏细胞发生了变换，由杆状细胞代替锥状细胞工作。由于前者的视敏度约为后者的10000倍，所以，对于微弱的光刺激又恢复了感觉。 　　和暗适应性相比，亮适应性过