數(shù)字圖像處理-讀書(shū)報(bào)告3.doc

數(shù)字圖像處理讀書(shū)報(bào)告3錢(qián)增磊摘要：本周的主要任務(wù)是接著上周所看的數(shù)字圖像的基礎(chǔ)部分。上一周主要對(duì)人眼視覺(jué)系統(tǒng)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的概括，并對(duì)人眼視覺(jué)系統(tǒng)的成像原理以及應(yīng)用了做了比較深入的探討，對(duì)后期圖像處理做了一個(gè)理論基礎(chǔ)。本周主要是將人眼視覺(jué)系統(tǒng)過(guò)渡到數(shù)字圖像處理系統(tǒng)上來(lái)，通過(guò)對(duì)電磁光譜、圖像的感知和獲取、圖像的取樣和量化以及像素間的一些基本關(guān)系來(lái)闡述數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)。一、討論光和電磁能譜的元素以及它們的圖像特性在1666年時(shí)，牛頓最先發(fā)現(xiàn)了光的奇異現(xiàn)象，當(dāng)太陽(yáng)光透過(guò)玻璃棱鏡時(shí)，光由一系列不同顏色的光譜組成，一端是紫色，另一端是紅色，然而這些可見(jiàn)光之石電磁光譜中很小的一部分。電磁波是一系列無(wú)質(zhì)量的粒子以光的速度作正弦運(yùn)動(dòng)形成的傳播，每個(gè)粒子由一定的能量，而電磁光譜是由波長(zhǎng)、頻率和能量來(lái)描述的，他們的關(guān)系可以表示為：。每一個(gè)頻段的能量由公式給出，其中h為普朗克常數(shù)。我們可以看到當(dāng)頻段越高的波段，所攜帶的能量就越大。以下是不同波段攜帶的能量大小關(guān)系：無(wú)線波 微波 紅外波 可見(jiàn)光 紫外光 X射線 射線所以在核輻射中，射線才是對(duì)人體傷害最嚴(yán)重的射線。其中在可見(jiàn)光中可分為六個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的能量關(guān)系也不同：紫光 藍(lán)光 綠光 黃光 橙色光 紅光 人在不同情況下可以看到不同顏色的光，其本質(zhì)的這些光是由于這些物體的反射，根據(jù)物體在不同可見(jiàn)光譜內(nèi)呈現(xiàn)不同顏色，對(duì)其他顏色光譜會(huì)進(jìn)行吸收，那么其他顏色就看不見(jiàn)了。上述就是其中一個(gè)圖像特性，不同波段的光譜與攜帶能量以及波長(zhǎng)的關(guān)系。另一個(gè)特性分為兩類(lèi)：（1）一類(lèi)是針對(duì)單色光，用灰度級(jí)來(lái)描述單色光強(qiáng)度。（2）一類(lèi)是針對(duì)彩色光，彩色光共有3個(gè)特性： A、發(fā)光強(qiáng)度：從光源流出能量的總量，用W表示單位； B、光通量：觀察者從光源感受到的能量，用lm表示單位； C、亮度：是光感受的主觀指繪子，是描述色彩感覺(jué)的參數(shù)之一。盡管電磁波能量的發(fā)射是成像的主要基礎(chǔ)，但并不是唯一成像的方法，比如有反射聲來(lái)生成紫外線圖像，其他數(shù)字圖像的來(lái)源主要是電子流，用于電子顯微鏡和合成圖像中。二、數(shù)字圖像的產(chǎn)生原理如今的兩種主要成像光源：一是光照源的組合；二是能量的吸收和反射成像。對(duì)于成像的光源非常普遍，有傳統(tǒng)的光源和非傳統(tǒng)的光源，根據(jù)光源的性質(zhì)可以分為反射和透射光源兩種。根據(jù)光源的特性，我們創(chuàng)造了圖像傳感器，其基本原理是將輸入的光，根據(jù)輸入的電子能量與感知器材料相結(jié)合的特性，轉(zhuǎn)換成一個(gè)響應(yīng)電壓，然后將其轉(zhuǎn)化成可測(cè)量的能量形式。對(duì)于單個(gè)傳感器，最為熟悉的是光電二極管，由硅構(gòu)成，輸出的波形與光成正比，然后安裝在傳感器前的過(guò)濾器提升了選擇能力，可以選擇自己想要的光源。其原理是：將負(fù)片裝在鼓上，該鼓轉(zhuǎn)動(dòng)提供一個(gè)一維的位移，單傳感器安裝在引導(dǎo)螺桿上，并提供垂直方向上的移動(dòng)，并用一個(gè)鏡子來(lái)控制發(fā)射光束到掃描圖形上。其主要有兩類(lèi);1、帶狀傳感器它通過(guò)頻繁地使用幾何結(jié)構(gòu)，在一個(gè)方向上提供成像單元，但隨著帶子的運(yùn)動(dòng)，提供了其他方向的成像（如平板掃描儀的應(yīng)用），其主要應(yīng)用于空中成像上，比如醫(yī)療、工業(yè)成像、3D成像等。對(duì)于3D圖像，其實(shí)是由一系列經(jīng)某一方向上的運(yùn)動(dòng)而堆疊城的很多圖像，再經(jīng)過(guò)重建算法進(jìn)行3D建模成像。2、陣列傳感器CCD陣列在照相機(jī)中應(yīng)用很廣泛，該種陣列可用寬帶且具有敏感特性的元件制造并封裝為4000*4000或者更多的穩(wěn)定陣列。每個(gè)傳感器的相應(yīng)與投射到傳感器表面的光能成正比，可是這一些應(yīng)用要求在低噪聲的圖像中。優(yōu)點(diǎn)：把圖形能量聚集到陣列表面得到完整的圖像；缺點(diǎn)：對(duì)這些圖像要先進(jìn)行減噪，減噪需要累積輸入的光信號(hào)超過(guò)幾分鐘甚至幾小時(shí)，比較費(fèi)時(shí)。針對(duì)上述兩種傳感器的原理介紹，現(xiàn)在來(lái)建模一個(gè)簡(jiǎn)單的圖像形成模型。對(duì)于一個(gè)圖像，我們定義為該圖像的函數(shù)，其物理意義由圖像源來(lái)決定。其中，該函數(shù)是正比于成像光源所發(fā)射的能量。該模型可由兩個(gè)分量來(lái)表征：（1）入射分量，是入射到觀察場(chǎng)景的光源總量和，取決于照射源；（2）反射分量，是場(chǎng)景中反射光的總量和，其中0表示全部吸收，1表示全部反射。所以有上述可組成：。三、圖像的取樣和量化1、概念化的取樣與量化對(duì)于把連續(xù)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，那么我們就需要取樣與量化。在二維坐標(biāo)軸上，對(duì)于橫坐標(biāo)的數(shù)字化就是取樣，對(duì)于縱坐標(biāo)的數(shù)字化便是量化，這些數(shù)字化操作都是通過(guò)選擇各個(gè)機(jī)械增量的數(shù)值來(lái)完成取樣，再取樣處激活傳感器收集數(shù)據(jù)，但由于傳感器上聚焦光照點(diǎn)的光學(xué)設(shè)備的不完善，光點(diǎn)與機(jī)械位移所能達(dá)到的精細(xì)分辨率是不一致的。由上述兩類(lèi)的傳感器，自此也有兩類(lèi)不同的獲取圖像的方法：一類(lèi)是感知帶獲取圖像，數(shù)目由在一個(gè)方向上的取樣限制決定；二類(lèi)是感知陣列獲取圖像，其數(shù)目由在兩個(gè)方向上的取樣限制共同決定。2、圖像的矩陣表示經(jīng)過(guò)取樣和量化后，其結(jié)果是一個(gè)實(shí)際的矩陣，其表示方法為：被取樣，共M行，N列，那么可表示為：其中每個(gè)元素就是圖像單元或者像素，其建立的坐標(biāo)是形成間距為一個(gè)單位的網(wǎng)格狀坐標(biāo)，每個(gè)網(wǎng)格中心是笛卡爾積的一對(duì)元素，是所有元素對(duì)的集合，若灰度也是整數(shù)，那么數(shù)字圖像將變成一個(gè)二維的整數(shù)函數(shù)。離散灰度級(jí)數(shù)應(yīng)取值為2的整數(shù)次冪：；假設(shè)是等間隔的并且是區(qū)間0,L-1內(nèi)的整數(shù)，當(dāng)相當(dāng)可觀數(shù)目的像素呈現(xiàn)該特性時(shí)，圖像具有較高的對(duì)比度，當(dāng)一幅圖像有灰度級(jí)時(shí)，實(shí)際上稱該圖像是k比特圖像。3、空間和灰度級(jí)分辨率的關(guān)系取樣值是決定圖像空間分辨率的主要參數(shù)，灰度級(jí)分辨率是指在灰度級(jí)別中可分辨的最小變化。他們之間的關(guān)系判定需要根據(jù)圖像按主觀判定質(zhì)量排序，由N為橫坐標(biāo)，k為縱坐標(biāo)的等偏愛(ài)曲線形式總結(jié)這一結(jié)果。從書(shū)上可以看出，在坐標(biāo)的向上向右部分，N和k增大，圖像質(zhì)量越好。此刻的判斷需要注意兩個(gè)現(xiàn)象：（1）曲線現(xiàn)象：當(dāng)圖像的細(xì)節(jié)增加時(shí)，等偏愛(ài)曲線變得垂直，說(shuō)明有大量細(xì)節(jié)的圖只可能需要少數(shù)的灰度級(jí)；（2）k的減少導(dǎo)致圖對(duì)比度的明顯增加，產(chǎn)生圖像質(zhì)量改進(jìn)后人通常感受到的視覺(jué)效果，這說(shuō)明質(zhì)量在空間分辨率增加的情況下，于某一段間隔內(nèi)保持相同，灰度級(jí)數(shù)目在減少。4、混淆的水紋圖樣對(duì)于曲線之下的區(qū)域是可以用頻率可變的正弦或余弦函數(shù)來(lái)表示，根據(jù)香農(nóng)取樣定理：以等于或者大于其最高頻率的2倍取樣，那么就能從取樣中完全復(fù)原原函數(shù)，若被亞取樣，則出現(xiàn)混淆現(xiàn)象。由于只能用時(shí)間有限的取樣數(shù)據(jù)去工作，所以可以選擇一個(gè)選通函數(shù)去乘無(wú)限函數(shù)，這樣可以把無(wú)限時(shí)間轉(zhuǎn)化為時(shí)間有限函數(shù)，但其選通函數(shù)本身也有無(wú)限擴(kuò)展的頻率分量。所以其主要方法就是要消除混淆，可以在取樣前通過(guò)模糊圖像，降低引起混淆的高頻分量，以此達(dá)到消除混淆的目的。5、放大和收縮數(shù)字圖像放大的實(shí)質(zhì)就是過(guò)采樣，收縮便是欠采樣，放大主要有兩種方法。（1）最近領(lǐng)域內(nèi)插法對(duì)于500*500放大為750*750，既在原始圖像上放一個(gè)虛構(gòu)的750*750的柵格，間隔小于1個(gè)像素，在原圖像上尋找最靠近的像素，并把它的灰度值賦給柵格上的新像素，這樣就完成了放大。如果對(duì)于放大整數(shù)倍，可以直接用像素復(fù)制的方法完成。優(yōu)點(diǎn)：算法快；缺點(diǎn)：棋盤(pán)格效應(yīng)，在高放大倍數(shù)時(shí)效應(yīng)特別明顯。（2）改進(jìn)法雙線性內(nèi)插法對(duì)上述算法的改進(jìn)，采用4個(gè)最鄰近點(diǎn)的雙線性內(nèi)插，即通過(guò)方程來(lái)決定灰度值，代表放大圖像中一點(diǎn)坐標(biāo)所賦的灰度值。對(duì)于收縮，與放大的方法類(lèi)似，采用的是行列刪除的方法，用放大柵格模擬用非整數(shù)參數(shù)收縮，做灰度級(jí)最近鄰域成雙線性內(nèi)插，然后把柵格收縮到原來(lái)規(guī)定大小，在收縮之前進(jìn)行模糊處理，減小混淆效應(yīng)的可能。四、圖像像素間的一些基本關(guān)系1、相鄰像素，對(duì)于像素P的像素坐標(biāo)的相鄰像素有， 記對(duì)角相鄰像素，有，將上述兩個(gè)共稱為。2、基本性質(zhì)連通性：判斷準(zhǔn)則是否滿足特定的相似性準(zhǔn)則，如灰度值是否相等，來(lái)表示連通。鄰接性：定義鄰接灰度值的集合，具有4鄰接、8鄰接、混合鄰接三類(lèi)，其中混合鄰接是8鄰接的改進(jìn)，為了消除采用8鄰接常常發(fā)生的二義性。區(qū)域：圖像中的一個(gè)像素子集，若為連通集，則為區(qū)域。3、距離度量對(duì)于其距離的度量主要有三種：歐氏距離：，中心在半徑為r的原平面；城市街區(qū)距離： ，中心在的菱形；棋盤(pán)距離：，中心在的方形。4、線性與非線性操