数字图像处理 - Ch2 数字图像基础知识与背景

数字图像处理 Ch2 数字图像基础背景

• 1. 视觉感知要素

• • 人眼结构
  • 人眼中图像的形成
  • 亮度适应与辨别

• 2. 光和电磁波谱

• 3. 图像感知与获取

1. 视觉感知要素

人眼结构

掌握人类视觉感知的核心要素；探讨图像形成及人类感知的基本原理；分析对比不同电子成像设备在分辨率与适应光照能力方面的差异性。

在人眼结构中，视网膜是其中的重要组成部分：模式视觉主要由分布于视网膜表面的单独感光单元提供。这些感光单元主要分为锥状体和杆状体两种类型。

Cone cells are mainly located within the macula, specifically in its central region. They are highly sensitive to colors. Eye muscles actively control the rotation of the eye, ensuring that images of regions of interest are projected onto the macula for accurate perception by photoreceptors. This high sensitivity is attributed to each cone cell's direct connection to its own neural cells, enabling efficient signal transmission and detailed visual perception.

数量众多的杆状体在覆盖范围广的同时通过与多个神经末梢建立了联系难以捕捉细节信息而且在较低亮度下更为敏感这些特性决定了它们对整体环境感知的独特性相较于白天中明艳物体的感知更加敏锐的现象被称为暗视觉或微弱光觉

人眼中图像的形成

普通相机镜头焦距固定不变，在不同距离拍摄时需要通过具体操作来实现成像调整效果；与此相反，在人眼结构中成像区域与晶状体的距离始终保持恒定，在此前提下调节聚焦功能主要是通过使其形状发生相应变化来实现

亮度适应与辨别

光线强度的适应范围极为宽广；然而由于生理结构的限制, 视觉系统无法在同一时间段内处理如此广泛的光强变化。为了实现这种变化, 视觉系统会通过调节整体敏感度来进行相应的调整。人眼在同一时间只能辨识出亮度梯度较小的部分, 这个数值低于其最大适应值。对于特定条件下所具有的当前感知阈限, 我们将其定义为感知阈值, 超出该阈值的所有亮度差异均无法被察觉。

两种现象表明 感知亮度不是实际灰度 ：

1. 视觉系统通常会在不同灰度区域的边缘区域显示出亮度跃迁现象。
2. 同时对比 。当背景变亮时，在同样灰度水平下的中心方块会出现亮度递减的现象。

人类感知现象还有一些例子是光学错视。

2. 光和电磁波谱

电磁波谱图示，图片来源于wikipedia。

电磁波谱可由波长、能量和频率代表。\n\n光速除以频率即为波长。\n\n普朗克常数乘以频率即得到能量。\n\n数学公式如下所示：\n\lambda = \frac{c}{v}\nE = h v

纯度为零的光被称为单色光或无色光，其唯一特性是亮度。除了频率之外，用来表征彩色光源的三个关键参数分别是辐射、光通量和亮度。

纯度为零的光被称为单色光或无色光,其唯一特性是亮度.除了频率之外,用来表征彩色光源的三个关键参数分别是辐射、光通量和亮度.

辐射：被定义为光源流出的总能量指标。
光通量：测量这种被光源感知的能量总量的方法称为光通量。
亮度：表现为光被主视觉描绘子所反映的结果。

3. 图像感知与获取

许多图像源自来自光源的各种作用与场景元素如何反射或吸收光能的结果

主要的三种传感器配置包括单一图像传感器、条带式传感器以及阵列式相机（如CCD相机），这些设备分别具备不同的成像特性以满足多种应用需求

以上表达式同样适用于透射成像，用透射系数代替反射函数。