图像亮度模式及其影响因素

图3.1　术语亮度是一个非正式用语。(a)辐照强度是指：照射到物体表面单位面积上的光的功率。(b)辐射强度是指：单位面积沿着单位立体角所发射出的光的功率。

对于成像，一个更为困难、但同时也更为有趣的问题是：图像中某一点的亮度由什么决定？亮度是一个非正式术语，它至少可以被用来表述下面两个不同的概念：图像亮度和场景亮度。对于图像，亮度和射入像平面的能流（即：射入像平面的光强的功率）有关，我们可以用许多不同的方法来度量亮度。这里，我们引入术语辐照强度，来替代图像亮度这个非正式术语。辐照强度是指：照射到某一个表面上的“辐射能”在单位面积上的功率（单位为：W·m-2，即：瓦特每平方米）。在图3.1(a)中，E表示辐照强度，而δP表示：照射到一个面积为δA的极其微小的曲面“小块”上的“辐照能”的功率。例如，相机中胶片的亮度就是辐照强度的函数（如同我们下一章将要谈到的，对图像亮度的测量，同时还依赖于传感器的光谱灵敏度）。图像中某一点的辐照强度取决于：从该像点所对应的物体表面上的点所射过来的能流（连接图像中的点和小孔并延长，直到这条线“穿过”物体表面。通过这种方式，我们就得到了：图像上的点所对应的物体表面上的点）。

在场景中，亮度和从物体表面发射出的能流有关。位于成像系统前的物体表面上的不同的点，会有不同的亮度，而其亮度取决于：1)光照情况，以及，2)物体表面性质。我们现在引入辐射强度来替代场景亮度这个非正式术语。辐射强度是指：从物体表面的单位透视面积发出的、射到单位立体角中的功率（单位为：W·m-2·sr-1，即：瓦特每平方米每立体弧度），如图3.1(b)所示。在图3.1(b)中，L表示辐射强度，δ2P是指：从一个面积为δA的极其微小的曲面“小块”射入到一个极其微小的立体角δω中的能流大小。从表面上看，辐射强度的定义形式很复杂；因为，从某一微小表面发出的光，会射向各个不同的方向，所有的射出方向将会形成一个半球，沿着这个半球中的不同方向，光线的强度可能不同。因此，只有指定这个半球中的某个的立体角，谈论辐射强度才是有意义的。通常情况下，随着（我们对物体的）观测方向的不同，辐射强度会发生变化。当我们介绍光电转换时，还会详细讨论辐射测量方面的内容。

我们之所以对物体表面的辐射强度感兴趣，是因为：正如我们后面将要展示的：

•我们对图像辐照强度的测量结果与场景辐射强度成正比。

比例系数取决于成像系统的参数。一个三维物体所成的图像取决于：

1.物体的表面形状；(www.xing528.com)

2.物体表面的反射（或辐射）特性；

3.光源的分布。

图3.2展示的是三张Montreal市Ville—Marie地区的风景图，这三张图是在三种不同的光照条件下，从同一个旅馆的窗户中拍摄的。我们很容易看出：对于相同的物体，较之于在太阳直接照射条件下所拍摄的图像，在阴云天所拍摄的图像的亮度模式却大相径庭。例如，在某一张图中对比度很明显的边缘，在另一张图中却根本看不见。光源的位置和分布对图像亮度模式有着重要影响。

三维物体的图像还依赖于：1)物体相对于成像系统的位置，2)物体在空间中的姿态。对于一个旋转对称的物体，其姿态只有两个自由度，因此，我们可以通过：给出旋转对称轴的方向，来定义物体的姿态。图3.3所展示的是：图钉的轮廓如何随着其姿态的改变而变化。更重要的是，注意观察：图钉的轮廓区域中的亮度模式的变化，特别需要注意观察的是：轮廓区域中，那些使得光线直接射向观测者的光滑表面。如果我们考虑的是一般的形状，那么，物体的姿态有三个自由度，物体的成像情况将变得更加复杂。很明显，后面将要讨论的二值图像处理方法并不适用于这种情况。

为了设法复原出物体的固有属性（例如：表面形状和反射率），我们必须先理解图像是如何形成的。但是，要理解图像上某一点的亮度由什么决定，我们必须先讨论辐射。

图3.2　对场景的成像结果依赖于光照条件。我们需要理解：物体的表面形状、物体表面的反射性质、光源的分布这三个因素如何共同决定图像的亮度模式。