漫談《數字圖像處理》之測不準原理

? ? ? ?在數字圖像處理中,提到的 “測不準原理” ,和量子力學里由海森堡提出的 “不確定性原理”
(Heisenberg uncertainty principle,也叫海森堡測不準原理)有一定的類比關系,但本質上并不是同一個概念。以下為詳細介紹:

量子力學中的海森堡測不準原理

? ? ? ?海森堡測不準原理(Heisenberg Uncertainty Principle)是量子力學的核心原理之一,由德國物理學家維爾納?海森堡(Werner Heisenberg)于 1927 年提出。它揭示了微觀粒子的基本特性:無法同時精確測量粒子的某些成對物理量(如位置與動量),其測量精度存在本質上的限制,這種限制并非由測量儀器的精度不足導致,而是微觀世界的固有屬性。

? ? 核心內容:成對物理量的測量限制

? ? 測不準原理最經典的表述針對位置(x)和動量(p)

? ? ? 這一公式的含義是:位置測量越精確(Δx 越小),動量的測量就越不精確(Δp 越大),反之亦然,二者的乘積永遠不小于某個常數。這意味著,當我們試圖更精確地測量粒子的位置時,其動量的不確定性就會增大;反之,當我們想更精確地確定粒子的動量時,位置的不確定性就會增加。這是微觀世界中粒子的固有屬性,反映了量子系統的一種內在的不確定性。

數字圖像處理中的 “測不準原理” 類比

? ? ? ?在數字圖像處理領域,“測不準原理” 更多是一種基于信號處理理論的類似概念,通常體現在空間域和頻率域之間的關系上,最典型的是在傅里葉變換相關的內容中。
在圖像處理里,圖像既可以從空間域(也就是直觀看到的像素分布)去理解,也可以從頻率域(把圖像看成不同頻率成分的組合)去分析。類似于量子力學中不能同時精確確定位置和動量:

  • 在數字圖像處理中,我們無法同時在空間域和頻率域獲得無限精確的信息。比如,當我們想要在空間域上更精確地定位圖像中的某個特征(像邊緣、細節等)時,在頻率域上對其頻率成分的描述就會變得不那么精確;反過來,如果我們想在頻率域上精確分析圖像的頻率成分,那么在空間域上對特征的精確定位能力就會下降 。

? ? ? ?從數學角度看,以傅里葉變換為例,一個函數(圖像可以看作二維函數)在空間域的寬度(可以理解為特征的定位精度)和在頻率域的帶寬(頻率成分的范圍)之間存在一種制約關系。如果一個函數在空間域上非常集中(能精確定位),那么它在頻率域上就會比較寬泛(頻率成分分散,頻率描述不夠精確);反之亦然。

二者對比總結

對比項量子力學海森堡測不準原理數字圖像處理 “測不準原理”
研究對象微觀世界的粒子的物理量圖像在空間域和頻率域的信息
本質微觀粒子的固有屬性,體現量子系統內在不確定性基于信號處理理論,是空間域和頻率域信息之間的制約關系
表現形式位置和動量的不確定性關系空間域定位精度與頻率域頻率成分精確描述的制約

? ? ? ?所以,雖然名稱類似,但數字圖像處理中的 “測不準原理” 是從信號處理角度出發的一種類比性概念,主要用于幫助理解圖像在不同表示域之間信息的平衡和制約關系,和量子力學中的不確定性原理有著不同的內涵和應用場景。

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