数字图像处理——冈萨雷斯第四版 第二章 数字图像基础

2.1视觉感知要素

人眼的结构

眼球近似为一个直径为20mm的球体，由三层膜包裹：外覆的角膜与巩膜；脉络膜；视网膜；

• 角膜：是坚硬并且透明的组织，它覆盖人眼的前表面；
• 巩膜：位于角膜后面，是包围眼球其他部分的不透明膜
• 脉络膜：位于巩膜的正下方，含有血管网，是眼睛的营养主要来源。颜色深，能减少进入人眼的入射光量和眼球内反向散射的光量。脉络膜在最前端又分为了睫状体和虹膜。虹膜的收缩和扩张控制进入人眼的光量，中间的开口（瞳孔）直接可变，范围为2-8mm,虹膜前含有可见色素，后面含有黑色色素。
• 晶状体：由同心的纤维细胞层组成，被附着在睫状体上的纤维挂起，含有60%-70%的水、6%的脂肪及蛋白质，含有少量黄色色素，随年龄增长色素加深。当晶状体过于浑浊（白内障）时降低人眼彩色分辨能力及视力。
• 视网膜：布满整个后部的内壁，眼睛聚焦时，来自物体的光在视网膜上成像。模式视觉由分布在视网膜表面上的各分立光感受器提供：锥体细胞和杆体细胞。锥状体大概有600-700万个，主要分布在视网膜中的中央凹位置，对颜色高度敏感。人之所欲能充分分辨图像细节，就是因为每个锥状体连接到了自身的神经末梢。肌肉控制眼球转动，使感兴趣区域的图像落在中央凹上。椎体视觉又称为明视觉或亮视觉。杆状体有7500-15000万个，由于分布面积达且几个杆状体连接到一个神经末梢，因此降低了这些感受器感知细节的能力。它捕获视野内整个图像，没有色觉，对低光照度敏感。称为暗视觉或微光视觉。没有感受器的地方形成了盲点。中心凹锥状体的锥状体数目最多。

人眼中图像的形成

 

普通照相机中，镜头的焦距是固定的，不同距离的焦距是通过改变镜头和成像平面之间的距离来实现的。人眼中晶状体和成像区域（视网膜）之间的距离是固定的，正确聚焦的焦距是通过改变晶状体的形状得到的，。在远离或接近目标时，睫状体中的纤维通过分别压扁和加厚晶状体来实现聚焦。晶状体中心和沿视轴的视网膜之间的距离约为17mm。焦距的范围为14-17mm，眼睛放松并注视的距离大于3m时，焦距约为17mm。视网膜图像主要聚焦在中央凹区域，光感受器的相对激励作用产生感知，把辐射能量转换为最终由大脑解码的电脉冲。

凹区域，光感受器的相对激励作用产生感知，把辐射能量转换为最终由大脑解码的电脉冲。

数字图像是作为离散灰度值来显示的，因此眼睛对不同灰度级的辨别能力在展示图像处理结果时非常重要。人类视觉系统能够适应的光强等级的范围很宽——从暗域值到强闪光约有10¹⁰级。主观亮度（人类视觉系统感知的亮度）是进入人眼的光强的对数函数（a^x=N,a为底数，x为对数，N为真数，记作X=log a^N）,长实线代表视觉系统能够适应的光强范围，在明视觉中这一范围约为10⁶级，由暗视觉渐变为明视觉的近视范围为0.001-0.1mL,对数坐标中为-3 ~ -1mL。视觉系统不能同时在这样一个范围内工作，视觉系统通过改变其整体灵敏度（亮度适应现象）来完成该变化。眼睛能同时辨别不同亮度级的总范围小于整个适应范围。对于给定的一组条件，视觉系统的当前灵敏度水平称为亮度适应水平。对应亮度Ba,短交线表示适应这一亮度水平时人眼所能感知的主观亮度范围。低于Bb的刺激都感知为不可分辨的黑色。

2.2光和电磁波谱

波长λ和频率v的关系为：λ=c/v，c=2.998x10⁸m/s，电磁波谱各分量的能量为E=hv。感知的物体颜色由物体反射的光的性质决定，如果相对平衡地以所有可见光波长反射光的物体看起来就是白色。当物体以有限范围可见光谱反射光时，会呈现多种颜色。绿色物体主要反射波长范围为500-570nm的光，并吸收其他波长的大部分能量。

辐射：从光源流出的总能量，通常用瓦特W来度量。

光通量：观察者从光源感知的能量，通常用流明lm来度量，这样看来只有可见光才具有这样的概念。

亮度：光感知的主观描绘，不能度量，体现的时强度的无色概念，是描述色彩感觉的关键因素之一。

图像感知与获取

大部分图像都由“照射源”和形成图像的“场景”元素对光能的反射或吸收产生，照射可来自雷达、红外线或X射线系统等电磁能量源、超声波、计算机生成。场景元素可能是普通物体、分子、人脑。照射能量可被物体反射，也可以透过物体。反射或透射的能量被聚焦到一个光转换器上，可将能量转换为可见光。

常见的光传感器是光电二极管，由硅材料构成，输出是与光强成正比的电压，在传感器前面，使用一个滤光器改善其选择性，如用绿色光透射滤光器让彩色光谱中的绿色波段的光通过，因此传感器输出的绿色光要比可见光谱中的其他分量强。

2.3一个简单的成像模型

用形如f(x,y)的二维函数来表示图像，在空间坐标(x,y)处f的值是一个标量，其物理意义由图像源决定，其值与物理源(如电磁波)辐射的能量成正比。因此f(x,y)一定是非负与有限的：0≤f(x,y)≤∞，函数f(x,y)由两个分量表征：（1）入射到被观察场景的光源照射量；（2）被场景中物体反射的照射量。分别被称为入射分量和反射分量，分别用i(x,y)和r(x,y)表示，这两个函数的乘积形成f(x,y),即：f(x,y)=i(x,y)r(x,y),其中0≤i(x,y)≤∞,0≤r(x,y)≤1,反射分量限制在0（全吸收）和1（全反射）之间。i(x,y)的性质取决于照射源，r(x,y)的性质取决于被成像物体的特性。

对于可见光，在晴朗的白天，太阳在地面上可以产生超过90000lm/m²的照度，多云的白天下降到90000lm/m²，在晴朗的夜晚，满月时的照度约为0.1lm/m²，商用办公室的典型照度为1000lm/m²，r(x,y)的典型值：黑天鹅绒为0.01，不锈钢为0.65，白色墙为0.80，镀银金属为0.90，雪为0.93。

2.4图像取样和量化