《图像处理、分析与机器视觉 第四版》图像形成物理——学习笔记
作为随机过程的图像
由于随机变化和噪声的原因，图像在本质上是统计性的，有时将图像的数作为随机过程的实现米看待有其优越性。这时有关图像的信息量和冗余性的问题可以用概率分布来问答，将概率特征简化为均值、离差（dispersion）、相关函数等。
随机过程（stochastic process) （随机场）是随机变量概念的推广。
k阶概率分布函数在实际中通常不用。它们表达的是很多事件间的复杂关系。
图像形成物理
人眼在比较图像中的亮度和色彩时， 其感知是相对意义F的， 而摄像机可以作为测量仪器提供绝对的量测值。如果我们想要理解测量到的量， 则必须考察图像形成的物理原理。
作为辐射测量的图像
可以用来对物体成像的发出能量有三种类型：
- 电磁辐射， 包括Y射线、 X射线， 紫外线， 可见光， 红外线， 微波和无线电波。
- 粒子放射， 例如， 电子或中子。
- 在气体、 液体和固体中传播的声波。
辐射携带了 信息， 借此可以识别所观测的物体， 且有助于对其特性的道测。这类信息的例子有：
- 频率， 由波长描述的辐射频率。
- 幅值， 即辐射的强度。
- 偏振摸， 纵波的偏振棋。
- 相位， 只有在使用相干成像技术时才可获得， 例如在干涉或全息技术中。
图像获取与几何光学
我们从图像获取的简单模型开始讨论， 在该模型中几何光学起关键作用。
镜头将传入光汇集到图像传感器。测量的物理量是辐照度， 常常非正规地称作亮度或强度 我们期塑镜头模仿理想的透视成像， 并使用与针孔模型符合的几何光学。
针孔模型（摄像机的抽象）是不现实的理想， 因为非常小的孔会阻止能量通过。光的波属性引起衍射是另一个偏离针孔模型的原因。
在光学计量中，很难确保被测量的物体位于物体平面k。它离镜头越近看起来就越大，越向后地看起来就越小。有种有用的实际的光学技巧口］以使得计量更容易远心镜头（telecentric lens）。
远心镜头的缺点是镜头的直径必须比所量测的距离大才行。大直径的远心镜头（近似地＞50mm）是昂贵的，因 为它们通常使用菲涅尔透镜原理（Fresnel lens princip）时，从19世纪20年代开始就用在灯塔中了。
如果将孔径光阑放在图像焦点和图像平面之间，则得到超远心镜头（hypercentric lens）。
镜头像差和径向畸变
镜头和其他光学系统 ，比如镜子或棱镜， 仔在会导致模糊、 色彩变化、 偏离 理想光线的几何畸变等现象的缺欠。 这些偏差在光学中常称为像差Caberrations）。 光线必须通过某种介质， 比如空气，这也会引起模糊。 有时，模糊 可以粗略地建模为傅里叶谱中的高频的减弱。 这些现象可以粗略地用高通滤波器来补偿。
在理想的光学系统中，物体上的每点都会聚焦于图像上大小为零的一个点上。
有六种主要的可区分的像差：
(1) 球面像差 ；
球面像差（spherical aberration）阻止光线会于相同图像点。 靠近中心穿过镜头的光线比起从边缘处穿过的光线被聚焦于更远处。
(2） 彗差 ；
彗差是指当轴外物点通过Lens系统成像时，产生的一种非对称的轴外像差。此种像差的分布形状以类似于彗星的拖尾而得名。
(3） 散光 ；
像散是指当位于光轴外的物点通过Lens系统成像时所产生的一种在切向（T）和径向（S）成像品质不同的像差。
(4） 场曲：
(5） 畸变；
畸变是指当一物体通过Lens系统成像时，会产生一种对物体不同部分有不同的放大率的像差，此种像差会导致物像的相似性变坏。但不影响像的清晰度。
(6） 色差 ， 出现在有很多波长的混合光线中。
色差（chromatic aberration）表达镜头不能将所有颜色聚焦于相同平面上的现象。由于折射率在光谱 的红端最小，镜头在空气中的焦距对于红色要比蓝色大。
光学系统的计算机视觉用户通常在除了选择合适的镜头之外对畸变没有任何影响。
从辐射学角度看图像获取
TV摄像机和多数人工视觉传感器测量的单个像素所接受到的光能数量， 是各种物质和光源之间的交互作用的结果：测量的数值非正式地被称为灰阶（或亮度、灰度）。
在实际的应用中，一般避免以辐射学方法来理解灰阶，这是因为其复杂性和数值不稳定性。
光度测定学是与辐射学紧密相关的一个学科，研究人类眼睛对光能辐射的感觉，两个学科使用相似的量描述类似的现象。
表面反射
在很多应用中，像豆豆’灰阶是作为图像制照度的估计来建主的，是从景物反射来的光的结果。