实时获取ccd图像_图像处理基础

1、图像的视觉感知

1.1人眼的视觉感知

人类通过眼、耳、鼻、舌、身接收信息，感知世界。约有75%的信息是通过人眼（视觉系统）获取的。

人眼的视觉特性与错觉：

视觉的空间特性：人眼的空间分辨能力为1’(1/60度)；灰度分辨能力大约64级。
视觉的时间特性：活动图像的帧频至少是15帧/s的时候，人眼才有图像连贯的感觉。
亮度(Brightness) 区分：

视觉错觉：

2、图像的获取和显示

2.1 光与电磁波谱（Electromagnetic Spectrum）

可见光：0.38~0.75um；红外线：0.75~1000um (>10个倍频)。

可见光谱：

可见波段：0.38-0.75um；
子波段: 紫、蓝、绿、黄、橘黄、红色；
物体颜色：物体反射光的性质决定；
彩色光源质量：

发光强度（Radiance）
光通量（luminance）
光亮度（Brightness）

不可见光谱：

Gamma-ray 和X-ray：医学和天文学
红外成像（Infrared imaging）：近、中、远、极远红外；
微波成像（Microwave imaging）；
紫外成像；
THz波（太赫兹波）

THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长约0.03~3mm范围，介于微波与红外之间。

THZ波辐射的特点：

THz 波带很宽: 0.1~10THz, 而且单个THz 脉冲就包含非常宽的带宽。
THz波频率很高, 是微波的1000 倍以上, 所以空间分辨率很高.
由于THz 通常由相干电流驱动的偶极子振荡或由相干的激光脉冲通过非线性光学参量、差频过程产生。因此, THz 波具有很高的时间和空间相干性。
THz 波能量低，当频率恰好为1THz 时, 光子能量只有大约4meV, 因此它不会对被检测的生物组织产生有害的电离, 在医学成像方面有很好的应用前景。
穿透性强，除了金属和水对THz 有较强吸收, THz 对其他物质都有很好的穿透性, 因此, THz 波在安全检查, 反恐领域的应用前景被人们普遍看好。

红外热成像：

核磁共振(MRI)成像：

X-RAY成像：

Gamma-rays成像：

2.2 图想获取与采集

CCD与CMOS图像传感器：

（1）CCD：电荷耦合器件（Charge Couple Device）

特点：灵敏度高，噪音小，信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。

线阵CCD：

阵列传感器成像：

面阵CCD ：

（2）CMOS：互补金属氧化物半导体（Complementary metal oxide semiconductor）

特点：集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。

（3）采样与量化——数字化器

图像数字化器必须能够把一幅图像分为图像元素（像素）并确定每个像素的位置，测量每个像素的灰度级，将连续数据量化以产生一个整数集合。数字化器件具备以下五个部分：

采样孔：使图像数字化器能够在整幅图像中取出独立的像素。
扫描器件：以预定的方式在图像上移动采样孔，按照顺序一一传输像素。
光传感器：通过采样孔采集每个像素的亮度，将光信号转换为电信号。
转换器：将转换器的连续输出转换为正数值，数字化部件由A/D转换电路组成。
输出介质：固态存储器，磁盘或其他的设备。

（4）摄像机工作原理

（5）模拟彩色视频扫描显像

利用人眼的“缺陷”，把2D信号转换为1D时基信号进行显示。研究表明，人眼视网膜上的“印象”保留40ms左右才能消失。因此只要景象在40ms内重新出现，那么，人眼感觉就象景象没有消失一样，感觉到的是连续变化的景象。电影每秒更新24幅，每幅图播放2次，相当于48帧/S。

由于荧光粉有“余辉效应”，信号消失后，荧光会持续一段时间后才消失，同时加上人眼的暂留作用，因此，实际要在荧光消失前再次接通信号，2D图像的每个点就象同时显示一样。这就是CRT扫描显示原理。

（5）图像的颜色与彩色系统

颜色的三种表观特征：

明度(Luminance)
色调(Hue)
饱和度(Saturation)：

颜色的定量描述：

LHS/IHS/HIS
RGB

（6）颜色的表观特征

明度（Luminance）：颜色明亮的程度；一幅灰度图像只有明度特征，而彩色图像还具有色调和饱和度两个色度特征；
色调（Hue）：反映颜色的类别
饱和度（Saturation）：表示颜色接近光谱色的程度。任何一种颜色都可以看着是某种光谱色与白色混合的结果，光谱色所占的比例越大，颜色接近光谱色的程度就越高，颜色的饱和度就愈高。饱和度高，颜色就深而艳。

RGB和CMY（ Cyan青Magenta紫Yellow黄）色彩系统

RGB色度空间可以比较准确的描述图像的亮度特性。但是，RGB在数值和技术实现上有一些不利的特点，不利于物理记录和传输。

为了便于计算，数字图像处理中，彩色图像的定量描述一般采用RGB/IHS。

（7）RGB与HIS的相互转换

（8）彩色图像的分类

黑白图像：图像只有明暗程度的变化而没有色彩的变化，最简单的是二值图象，只有两种灰度，如（0 or 1）或（0 or 255）。
伪彩色图像：是指经过伪彩色处理而形成的彩色图象。其像素值是所谓的索引值，是按照灰度值进行彩色指定的结果，其色彩并不一定忠实于外界景物的真实色彩。
假彩色图像：是指遥感多波段图象合成的彩色图象。
真彩色图像：是忠实于外界景色的色彩的图象，其像素一般是颜色的真实值。

3、图像的表示及其简单运算

3.1 空间表示

3.2 数学描述

连续模型： f 表示图像的灰度，(x,y)二维空间的连续变化。
离散模型：经过采样和量化后的数字图像就是一个M×N矩阵。
随机场模型：把每一个像素都看成一个随机过程。

3.3 矩阵表示

3.4 邻域

在一定意义下，与该像素相邻的像素的集合。

距离：

3.5. 基本术语

(1) 像素(pixel) Pixel（Picture element），图像的最小信息单位，通常是一个整数，其大小称为像素值。

(2) 灰度级(Gray-level) 表示像素明暗程度的整数量称为灰度级。

(3) 图像分辨率(Resolution) 指组成一幅图像的像素密度，也就是图幅参数。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。

(4) 显示分辨率，指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为640×480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。

(5) 图像深度（Bpp，Bit per pixel) 指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的灰度分辨率。

(6) 灰度级与图像深度的关系

1 bit(位) —— 2级
2 bit(位) —— 4级
8 bit(位) —— 256级
24 bit(位) —— 256×256×256（真彩色图像）

例如：8bit灰度图的颜色数。 28=256色。 24bit计算机真彩色表示的颜色数目为： 224= 256×256×256 = 16777216色。

3. 6. 图像质量评价

层次(Level or Detail)
对比度(Contrast)
清晰度(Definition )

灰度级：表示像素明暗程度的整数量。例如：像素的取值范围为0-255，就称该图像为256个灰度级的图像。

层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量。例如：具有32种不同取值的图像，可称该图像具有32个层次。图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好。

对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小

对比度= 最大亮度/ 最小亮度

与清晰度相关的主要因素：

亮度(Luminance , Intensity )
对比度(Contrast)
尺寸大小(Size)
细微层次(Fine detail )
颜色饱和度(Color Saturation )

3.7 代数运算 (Algebraic operations)

若A(x,y),B(x,y)分别为两幅原始图像，C(x,y)为经过代数运算后的图像，则存在：

（1）加运算

多幅图像求平均值，降低加性噪声。

（2）减运算

图像相减即在两幅图像之间对应像素做减法运算。

（3）乘运算

图像相乘即在两幅图像之间对应像素做乘法运算。

（4）除运算

图像相除即在两幅图像之间对应像素做除法运算。

4、数字图像的文件格式

略。

（1）矢量图形(Vectorgraph)

图形学是计算机学院里面的范畴，主要应用有游戏等方面。与分辨率无关。

绘图软件创作的矢量图形，是由叫作矢量的数学对象所定义的直线和曲线组成的。矢量根据图形的几何特性来对其进行描述。

例如，矢量图形中的自行车轮胎是由数学定义的圆形组成，这个圆形按某一半径画出，放在特定位置并填充有特定的颜色。移动、缩放轮胎或更改轮胎颜色不会降低图形的品质。

矢量图形与分辨率无关，即可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上打印出来，都不会遗漏细节或清晰度。因此，矢量图形是文字（尤其是小字）和粗图形的最佳选择，这些图形（比如徽标）在缩放到不同大小时必须保持清晰的线条。

（2）图像Image

位图图像与分辨率有关，即它包含固定数量的像素，代表图像数据。因此，如果在屏幕上以较大的倍数放大显示，或以过低的分辨率打印，位图图像会出现锯齿边缘，且会遗漏细节。在表现阴影和色彩（如在照片或绘画图象中）的细微变化方面，位图图像是最佳选择。