漫谈《数字图像处理》之测不准原理

       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。

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