图像形成与盘算机视觉底子

 
1. 图像形成的根本原理

图像形成是物理天下与传感器（如胶片、CCD/CMOS）交互的过程，焦点是光线的传播与记录。
1.1 直接放置胶片模子

•         物理原理：物体外貌反射的光线直接照射到胶片上，但无任何遮挡或聚焦机制。
  
•         题目：全部物体点的光线会覆盖整个胶片，导致完全含糊（如图1）。
  
• 
  
  

1.2 针孔相机模子

•         改进：在物体与胶片间参加针孔屏蔽，仅答应通过小孔的光线到达胶片（图2）。
  
•         关键参数：
  
  
  
  •                 孔径巨细（d）：孔径越小，成像越清晰但亮度越低（需衡量信噪比）。
    
  •                 焦距（f）：针孔到胶片的间隔，决定成像比例。
    
         
  

 
1.3 透镜模子

•         原理：透镜通过折射会合光线，更换针孔以进步亮度（图3）。
  
•         薄透镜公式：
          1/f=1/u+1/v​
  
  
  
  •                 u：物距（物体到透镜的间隔）
    
  •                 v：像距（透镜到成像平面的间隔）
    
         
  
•         景深（Depth of Field）：透镜答应肯定范围内的物体清晰成像，与光圈巨细成反比。
  

2. 投影多少与数学模子

2.1 透视投影（Perspective Projection）

 
2.2 仿射投影（Affine Projection）

2.3 消散点与消散线 

3. 颜色空间与模子

3.1 RGB颜色空间

•         界说：通过红、绿、蓝三原色的叠加体现颜色（图6）。
  
•         缺点：
  
  
  
  •                 通道强相干：调解亮度需同时改变全部通道。
    
  •                 非线性感知：人眼对亮度的相应靠近对数尺度，而RGB是线性的。
    
         
  

3.2 HSV/HSL颜色空间

•         构成：
  
  
  
  •                 H（色相）：颜色范例（0°-360°）。
    
  •                 S（饱和度）：颜色纯度（0%-100%）。
    
  •                 V（明度）/L（亮度）：颜色明暗水平。
    
         
  
•         应用：图像编辑软件（如Photoshop）中的颜色选择器。
  

3.3 YCbCr颜色空间

•         分离亮度与色度：
  
  
  
  •                 Y（亮度）：Y=0.299R+0.587G+0.114B
    
  •                 Cb（蓝色色差）：Cb=0.564(B−Y)+128
    
  •                 Cr（赤色色差）：Cr=0.713(R−Y)+128
    
         
  
•         压缩上风：人眼对亮度更敏感，可对Cb/Cr举行子采样（如4:2:0）。
  

3.4 CIELAB颜色空间

 
4. 数字图像形成技能

4.1 空间采样（Spatial Sampling）

•         奈奎斯特采样定理：采样频率需大于信号最高频率的2倍，克制混叠（图7）。
  
  
  
  •                 示例：若图像最高空间频率为100 cycles/mm，则采样隔断需小于0.005 mm。
    
         
  
•         像素阵列：
          x=j⋅Δx,y=k⋅Δy(j,k 为整数)
  

4.2 量化（Quantization）

•         位深度与灰度级：
  
  
  
  •                 8位：256级（JPEG尺度）。
    
  •                 12位：4096级（医学影像）。
    
  •                 16位：65536级（专业拍照）。
    
         
  
•         量化偏差：
          偏差=动态范围2n(n=位深度)
  

4.3 分辨率与存储衡量

•         空间分辨率：
  
  
  
  •                 人脸辨认：64×64像素（约0.1MP）可满意根本需求。
    
  •                 高清体现：1920×1080像素（2MP）。
    
         
  
•         存储盘算：
          单张图像巨细=宽×高×通道数×位深度单张图像巨细=宽×高×通道数×位深度
  
  
  
  •                 示例：24位彩色图（3通道×8位），1024×768像素：
                    1024×768×3×8=18,874,368 bits=2.36 MB
    
         
  

5. 空间域与变更域操纵

• 
  
  
  
  •                 界说：
    
    
    
    •                         图像处理惩罚：输入图像 → 输出图像，目的是克制失真、加强有效信息（如对比度调解、去噪）。
      
    •                         图像分析：输入图像 → 提取特性/丈量（如边沿检测、目的计数）。
      
    •                         盘算机视觉：输入图像 → 语义明确（如目的辨认、场景重修）。
      
                   
    
         
  
  
  
  •                 空间域操纵：直接在像素值上举行处理惩罚，分为两类：
    
    
    
    •                         点操纵：单个像素独立变更，公式：
                              g(x,y)=T(f(x,y))（如对比度拉伸、反转）g(x,y)=T(f(x,y))（如对比度拉伸、反转）
      
    •                         邻域操纵：基于像素四周地区盘算，公式：
                              g(x,y)=T(f(x,y),f(x+1,y),f(x−1,y),… )（如均值滤波）g(x,y)=T(f(x,y),f(x+1,y),f(x−1,y),…)（如均值滤波）
      
                   
    
         
  

6. 点操纵详解

6.1 对比度拉伸（Contrast Stretching）

 
6.2 阈值处理惩罚（Thresholding） 

 
6.3 强度反转（Intensity Inversion） 

6.4 对数与幂变更 

 
7. 直方图处理惩罚

7.1 直方图均衡化（Histogram Equalization）

7.2 直方图规定（Histogram Matching） 

8. 算术与逻辑操纵

•         算术操纵：
  
  
  
  •                 加法：多幅图像均匀降噪（噪声方差低落 σ2NNσ2​）。
    
  •                 减法：检测厘革地区（如活动目的）。
    
         
  
•         逻辑操纵：
  
  
  
  •                 AND/OR：掩膜操纵（提取特定地区）。
    
  •                 XOR：检测差别（如边沿加强）。
    
         
  

9. 关键题目剖析 

 

 
10.总结 

•         图像形成：从物理模子（针孔、透镜）到数学建模（透视/仿射投影）。
  
•         颜色科学：差别颜色空间顺应差别需求（编辑、压缩、感知）。
  
•         数字化技能：采样与量化需均衡质量与服从，克制信息丧失。
  
•         点操纵：直接修改像素值，得当对比度调解和二值化。
  
•         直方图处理惩罚：通太过布调解优化全局或局部对比度。
  
•         算术操纵：多用于图像融合与噪声克制。
  
•         焦点公式与算法：如Otsu阈值、直方图均衡化需熟练把握推导与应用。
  

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