在数字图像处理中,提到的 “测不准原理” ,和量子力学里由海森堡提出的 “不确定性原理”
(Heisenberg uncertainty principle,也叫海森堡测不准原理)有一定的类比关系,但本质上并不是同一个概念。以下为详细介绍:
量子力学中的海森堡测不准原理
海森堡测不准原理(Heisenberg Uncertainty Principle)是量子力学的核心原理之一,由德国物理学家维尔纳・海森堡(Werner Heisenberg)于 1927 年提出。它揭示了微观粒子的基本特性:无法同时精确测量粒子的某些成对物理量(如位置与动量),其测量精度存在本质上的限制,这种限制并非由测量仪器的精度不足导致,而是微观世界的固有属性。
核心内容:成对物理量的测量限制
测不准原理最经典的表述针对位置(x)和动量(p):
这一公式的含义是:位置测量越精确(Δx 越小),动量的测量就越不精确(Δp 越大),反之亦然,二者的乘积永远不小于某个常数。这意味着,当我们试图更精确地测量粒子的位置时,其动量的不确定性就会增大;反之,当我们想更精确地确定粒子的动量时,位置的不确定性就会增加。这是微观世界中粒子的固有属性,反映了量子系统的一种内在的不确定性。
数字图像处理中的 “测不准原理” 类比
在数字图像处理领域,“测不准原理” 更多是一种基于信号处理理论的类似概念,通常体现在空间域和频率域之间的关系上,最典型的是在傅里叶变换相关的内容中。
在图像处理里,图像既可以从空间域(也就是直观看到的像素分布)去理解,也可以从频率域(把图像看成不同频率成分的组合)去分析。类似于量子力学中不能同时精确确定位置和动量:
- 在数字图像处理中,我们无法同时在空间域和频率域获得无限精确的信息。比如,当我们想要在空间域上更精确地定位图像中的某个特征(像边缘、细节等)时,在频率域上对其频率成分的描述就会变得不那么精确;反过来,如果我们想在频率域上精确分析图像的频率成分,那么在空间域上对特征的精确定位能力就会下降 。
从数学角度看,以傅里叶变换为例,一个函数(图像可以看作二维函数)在空间域的宽度(可以理解为特征的定位精度)和在频率域的带宽(频率成分的范围)之间存在一种制约关系。如果一个函数在空间域上非常集中(能精确定位),那么它在频率域上就会比较宽泛(频率成分分散,频率描述不够精确);反之亦然。
二者对比总结
对比项 | 量子力学海森堡测不准原理 | 数字图像处理 “测不准原理” |
研究对象 | 微观世界的粒子的物理量 | 图像在空间域和频率域的信息 |
本质 | 微观粒子的固有属性,体现量子系统内在不确定性 | 基于信号处理理论,是空间域和频率域信息之间的制约关系 |
表现形式 | 位置和动量的不确定性关系 | 空间域定位精度与频率域频率成分精确描述的制约 |
所以,虽然名称类似,但数字图像处理中的 “测不准原理” 是从信号处理角度出发的一种类比性概念,主要用于帮助理解图像在不同表示域之间信息的平衡和制约关系,和量子力学中的不确定性原理有着不同的内涵和应用场景。