第三章基礎(chǔ)知識

數(shù)字（醫(yī)學）圖像處理Digital(Medical)ImageProcessing羅小剛生物工程學院第三章圖像處理基礎(chǔ)知識第三章圖像處理基礎(chǔ)知識1、圖像處理的視覺基礎(chǔ)2、圖像的數(shù)學模型醫(yī)學圖像處理講義2重慶大學生物工程學院3.1圖像處理的視覺基礎(chǔ)視覺生理/視覺特性/視覺模型視覺基礎(chǔ)/視覺應(yīng)用它們與圖像研究的關(guān)系見圖3-1。

醫(yī)學圖像處理講義3重慶大學生物工程學院圖3-1視覺研究與圖像的關(guān)系視覺研究基礎(chǔ)研究視覺心理現(xiàn)象法則（心理學）視覺信息加工機理（生理學）應(yīng)用研究視環(huán)境的改善和視機能應(yīng)用（照明工程學、人類工程學）圖像改善和評價（圖像工程）模擬視覺機能的信息處理（信息工程、人工智能心理測定模擬技術(shù)醫(yī)學圖像處理講義4重慶大學生物工程學院1、圖像質(zhì)量評價與視覺心理對圖像質(zhì)量的最終評價是由人的感覺器官和心理狀態(tài)來決定的。與圖像內(nèi)容以及觀察者的心理因素有關(guān)。從圖像信息傳輸角度出發(fā)，圖像系統(tǒng)評價的真正尺度應(yīng)該是發(fā)出信息者的意圖為接收信息者所理解的程度，而不是對發(fā)出信息者發(fā)出的圖像像素信息集合的簡單接收。醫(yī)學圖像處理講義5重慶大學生物工程學院圖像質(zhì)量評價方法1.客觀評價信噪比等缺點是不容易取得客觀評價指標的計算，不能反映視覺心理2.主觀評價根據(jù)視覺效果進行評分一般方法醫(yī)學圖像處理講義6重慶大學生物工程學院2、畫面組成和視覺心理“”視野——指眼球不動時所能見到的范圍如果把注視點作為中心，可見的范圍上方約65。，下方約75。，左右視角約為104。，但視力好的部位僅限于中央2。~3。左右。為了適應(yīng)大的畫面和立體景象的機理，眼球必須轉(zhuǎn)動使視線移動。中心視力分辨率強，可以進行圖像細節(jié)的認識。周邊視力分辨率差，可以將視目標特征部分檢出，利用檢出的目標圖像特征去控制眼球運動。另外周邊視可以認識圖像的全貌，而中心視只能認識圖像的一小部分。要產(chǎn)生充分的臨場感，畫面尺寸應(yīng)該產(chǎn)生30。以上視野，如寬銀幕電影。醫(yī)學圖像處理講義7重慶大學生物工程學院3、視覺的時空頻率分析空間分辨力人眼對空間景物細節(jié)的分辨能力有限。時間分辨力對亮度的響應(yīng)有時延和殘留，因而對景物亮度的變化也有分辨力，過快的變化無法分辨“視覺惰性”。當離散畫面的重復(fù)頻率不低于24Hz時，可形成連續(xù)畫面的感覺，即人眼不能分辨相鄰兩幅畫面間的差別，而低于24Hz時，有閃爍感。醫(yī)學圖像處理講義8重慶大學生物工程學院醫(yī)學圖像處理講義9重慶大學生物工程學院3、視覺的時空頻率分析人眼對畫面靜止部分的分辨率高于活動部分，對靜止部分減少時間分辨率，而對活動部分減少空間分辨率，可以達到數(shù)據(jù)壓縮的效果。幅度分辨力人眼對景物亮度層次的分辨力也有限，過小的亮度差別無法分辨。對彩色圖像的色調(diào)和飽和度的分辨力人的視覺對彩色細節(jié)的分辨力要比亮度細節(jié)差，在國際無線電咨詢委員會（ITU-R，原CCIR）601標準中，就利用了這種特性，將色差信號的空間分辨率減半，仍可以得到非常好的圖像質(zhì)量。醫(yī)學圖像處理講義10重慶大學生物工程學院4、視覺生理視覺生理指視覺信息的產(chǎn)生部分——視細胞(圖像信息感受器)和其它神經(jīng)細胞以及大腦高級中樞的神經(jīng)系統(tǒng)的信息產(chǎn)生、傳輸和處理的機理醫(yī)學圖像處理講義11重慶大學生物工程學院3.1.1人類視覺感知過程人眼結(jié)構(gòu)眼睛中圖像的形成視覺特性醫(yī)學圖像處理講義12重慶大學生物工程學院視覺生理特點對圖像處理方法的影響很大1、人眼的結(jié)構(gòu)醫(yī)學圖像處理講義13重慶大學生物工程學院視錐細胞和視桿細胞在視網(wǎng)膜上的分布錐狀（cone）視覺：白晝視覺，色彩；桿狀（rod）視覺：夜視覺，低照度敏感。醫(yī)學圖像處理講義14重慶大學生物工程學院2、眼睛中圖像的形成成像的幾何原理視覺信息的產(chǎn)生視覺信息的傳遞視覺信息的加工處理醫(yī)學圖像處理講義15重慶大學生物工程學院（1）成像的幾何原理用眼睛觀察樹的光學表示法，C點為晶狀體的光學中心當晶狀體的折射能力由最小變到最大時，晶狀體的聚焦中心與視網(wǎng)膜之間的距離由17mm縮小到14mm。當眼睛聚焦到遠于3m的物體時，晶狀體的折射能力最弱，當聚焦到非常近的物體時，其折射能力最強。

醫(yī)學圖像處理講義16重慶大學生物工程學院成像尺寸計算觀測者看一個距離100m，高15m的樹。設(shè)x表示視網(wǎng)膜上形成的圖像的大小，單位mm，有:15/100=x/17,x=2.55mm醫(yī)學圖像處理講義17重慶大學生物工程學院（2）視覺信息的產(chǎn)生光—化—電過程色覺理論主要有兩種三色學三種視色素，對光的影響峰值分別在紅、綠、藍區(qū)，綜合后形成色覺信息。四色學說三對視色素(白-黑，紅-綠，黃-藍)，它們的組合響應(yīng)產(chǎn)生色覺信息醫(yī)學圖像處理講義18重慶大學生物工程學院人類感光細胞的敏感曲線400450500550600650700100806040200藍綠紅波長（nm)光吸收特性%三種不同頻率響應(yīng)的錐，各對紅、綠、藍具有最強的響應(yīng)，彩色的識別功能醫(yī)學圖像處理講義19重慶大學生物工程學院（3）視覺信息的加工處理簡單型細胞檢測圖像的明暗邊界和線條的位置和方向，復(fù)雜型細胞對直線和邊界的運動方向敏感，低級超復(fù)雜型細胞檢測直線和邊界的長度、寬度，而高級超復(fù)雜型細胞可以檢測曲線和邊緣曲度等醫(yī)學圖像處理講義20重慶大學生物工程學院3、視覺特性亮度適應(yīng)與鑒別分辨力對比靈敏度同時對比效應(yīng)閾值效應(yīng)和掩蓋效應(yīng)視覺運動特性視覺空間頻率特性視覺時間頻率特性醫(yī)學圖像處理講義21重慶大學生物工程學院主觀亮度感受特性醫(yī)學圖像處理講義22重慶大學生物工程學院醫(yī)學圖像處理講義23重慶大學生物工程學院醫(yī)學圖像處理講義24重慶大學生物工程學院分辨力在不同的亮度適應(yīng)級，人眼的分辨力不同，如圖所示，I是背景光強，

I是光強的變化，稱為韋伯比，表示光強分辨力

光強分辨力的典型韋伯比醫(yī)學圖像處理講義25重慶大學生物工程學院馬赫帶效應(yīng)醫(yī)學圖像處理講義26重慶大學生物工程學院同時對比效應(yīng)圖醫(yī)學圖像處理講義27重慶大學生物工程學院3.1.2視覺的簡單數(shù)學模型亮度視覺模型彩色視覺模型醫(yī)學圖像處理講義28重慶大學生物工程學院1、亮度視覺模型輸入圖像Ii(x,y)光學系統(tǒng)H(

x,

y)輸出圖像Io(x,y)線性光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF

醫(yī)學圖像處理講義29重慶大學生物工程學院2、彩色視覺模型Thomas—Young三色假說

g3g1g2d3d2d1e3e1e2線性系統(tǒng)-黃綠色視錐感受器藍色視錐感受器綠色視錐感受器LOGLOGLOG+

-+

H2(Wx,Wy)H1(Wx,Wy)H3(Wx,Wy)神經(jīng)信號彩色視覺模型醫(yī)學圖像處理講義30重慶大學生物工程學院彩色響應(yīng)在上圖模型中，e1、e2、e3代表視網(wǎng)膜三個具有S1(

)、S2()、S3()譜靈敏度的感受器，其輸出分別為

C(

)為入射光譜的能量分布函數(shù)

醫(yī)學圖像處理講義31重慶大學生物工程學院彩色信息融合e1、e2、e3經(jīng)對數(shù)傳傳遞后合并為d1、d2、d3輸出：醫(yī)學圖像處理講義32重慶大學生物工程學院3.1.3色度學3個基本顏色——紅（R,red）、綠(G,green)和藍(B,blue)國際照明委員會（CIE），1931年規(guī)定3種基本色的波長為R:700nm,G:546.1nm,B:435.8nm。醫(yī)學圖像處理講義33重慶大學生物工程學院三色系統(tǒng)彩色加法系統(tǒng)（左）與減法系統(tǒng)（右）利用3基色疊加可產(chǎn)生光的3補色：品紅（M,magenta，即紅加藍）、藍綠（C,cyan，即綠加藍）、黃（Y,yellow，即紅加綠）。按一定的比例混合3基色或?qū)?個補色與相對的基色混合就可以產(chǎn)生白色。光的混合滿足加色定理。醫(yī)學圖像處理講義34重慶大學生物工程學院色度圖醫(yī)學圖像處理講義35重慶大學生物工程學院xyz相對三色系數(shù)（色品坐標）x+y+z=1,(x,y)CIE色度圖。對應(yīng)于x=y=0.33的E點，稱等能量點，CIE標準白光。0.800.20.8xy520nm700-770nm紅藍綠NTSCPAL紫色度圖色品坐標系醫(yī)學圖像處理講義36重慶大學生物工程學院顏色特征區(qū)分顏色通常用3種基本特性：亮度色調(diào)飽和度。色調(diào)和飽和度合起來稱為色度。顏色可以用亮度和色度共同表示醫(yī)學圖像處理講義37重慶大學生物工程學院坐標系為組成某種顏色所需的紅、綠、藍的量稱為3個刺激量，分別用R、G、B表示。

顏色還可以用色品值r、g、b（相對色系數(shù)）表示，定義如下

醫(yī)學圖像處理講義38重慶大學生物工程學院主要彩色匹配規(guī)則：任何彩色可以用不多于三個基色配成；混合色的光亮度等于各分量亮度之和；人眼不能分解混合彩色的各個分量；在某一亮度等級上的彩色匹配可適用于較寬的亮度范圍；醫(yī)學圖像處理講義39重慶大學生物工程學院3.2圖像的數(shù)學模型

連續(xù)模型離散模型隨機場模型醫(yī)學圖像處理講義40重慶大學生物工程學院3.2.1圖像的連續(xù)模型基本的連續(xù)模型照明反射模型噪聲模型醫(yī)學圖像處理講義41重慶大學生物工程學院1、基本的連續(xù)模型圖像可以用灰度級G在x，y二維空間的連續(xù)變換來描述，即：

Sg(x,y)f(x,y)圖像處理的基本框圖圖像=g(x,y)， 時間序列圖像的描述為：圖像序列={g1(x,y),g2(x,y),…,gt(x,y)}或：圖像序列=g(x,y,t)。 圖像處理f(x,y)=S[g(x,y)]

其中S可以是有意施加的某種處理方法，也可以是圖像系統(tǒng)中導致圖像退化的原因。G(x,y)=S-1[f(x,y)]

是圖像復(fù)原的基本模型。醫(yī)學圖像處理講義42重慶大學生物工程學院（2）、照明反射模型（3）、彩色模型2、離散模型3、隨機場模型三、圖像的數(shù)字化f(x,y)=i(x,y)r(x,y),其中0i(x,y)Bm,0r(x,y)1,i(x,y)照射分量，r(x,y)反射分量，Bm最大光照強度。gminggmax,gmin=iminrmin,gmax=imaxrmax。[gmin，gmax

]是圖像灰度范圍。該模型常用于同態(tài)濾波，計算機圖形：真實感模型2、照明反射模型醫(yī)學圖像處理講義43重慶大學生物工程學院3、通用的彩色模型RGB模型HSI模型醫(yī)學圖像處理講義44重慶大學生物工程學院（1）RGB模型醫(yī)學圖像處理講義45重慶大學生物工程學院（2）HSI模型視覺生理模型色調(diào)（H，Hue）、色飽和度（S，Saturation）以及亮度（I，Intensity在特定應(yīng)用環(huán)境中，用于圖像分析有特殊的優(yōu)勢在只有光照亮度發(fā)生變化的應(yīng)用中，不考慮亮度，只使用色度進行區(qū)域分割。醫(yī)學圖像處理講義46重慶大學生物工程學院圓錐體模型醫(yī)學圖像處理講義47重慶大學生物工程