《數(shù)字圖像基礎(chǔ)》PPT課件.pptVIP

數(shù)字圖像基礎(chǔ),什么是圖像,“圖”是物體投射或反射光的分布， “像”是人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖的接受在大腦中形成的印象或反映。是客觀和主觀的結(jié)合。 圖像是人們最主要的信息源！,百聞不如一見(jiàn),百聞不如一見(jiàn) One picture is worth more than ten thousand words. Anonymous,數(shù)字圖像,圖像的類別,可見(jiàn)光成像和不可見(jiàn)光成像,彩色與非彩色圖像,模擬圖像和數(shù)字圖像,1模擬圖像 模擬圖像可用連續(xù)函數(shù)來(lái)描述。 特點(diǎn)：光照位置和光照強(qiáng)度均為連續(xù)變化的。 2數(shù)字圖像image 可用矩陣或數(shù)組來(lái)描述 像素pixel(2-D)屬性：空間位置和灰度。,數(shù)字圖象坐標(biāo)系,圖像處理的概念,圖像處理：它是研究圖像的獲取、傳輸、存儲(chǔ)，變換、顯示、理解與綜合利用的一門(mén)嶄新學(xué)科。 圖像的數(shù)字化 圖像變換 圖像變換目的在于：處理問(wèn)題簡(jiǎn)化、有利 于特征提取、加強(qiáng)對(duì)圖像信息的理解,圖像處理的內(nèi)容,圖像處理的內(nèi)容,圖像增強(qiáng) 介紹各種增強(qiáng)方法及其應(yīng)用，增強(qiáng)圖像的有用信息，消弱噪聲的干擾。 圖像的恢復(fù)與重建 把退化、模糊了的圖像復(fù)原，包括圖像輻射和幾何校正等內(nèi)容；由斷層掃描重建二、三維圖像。,圖像編碼提高圖象傳輸和存儲(chǔ)效率簡(jiǎn)化圖像的表示，以壓縮圖像的數(shù)據(jù)，便于存儲(chǔ)和傳輸。 圖像分割 提取出感興趣的對(duì)象。為進(jìn)一步的理解和識(shí)別做準(zhǔn)備。重點(diǎn)介紹圖像分割的方法及其應(yīng)用。,二值圖像處理與形狀分析 介紹二值圖像的幾何概念、二值圖像連接成分的各種變形算法和二值圖像特征提取與分析的各種方法。 紋理分析 主要介紹影像紋理的概念及其特征提取與分析的一些方法與應(yīng)用。,圖像識(shí)別 對(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分類、描述和解釋。,數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概述,圖像采集模塊,獲取數(shù)字圖像的設(shè)備即采集裝置 掃描儀 數(shù)碼照相機(jī) 數(shù)碼攝像機(jī) 圖像采集模塊 采集裝置都包括下面兩個(gè)部件： 光敏感器件 模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置,存儲(chǔ)模塊,圖像顯示的主要形式： 常用硬盤(pán)、軟盤(pán)、U盤(pán)、活動(dòng)硬盤(pán)、 光盤(pán)、磁帶等 在海量圖像存儲(chǔ)備份系統(tǒng)中，采用 磁盤(pán)陣列、磁帶庫(kù)、光盤(pán)塔等存儲(chǔ)設(shè)備。,圖像通信模塊,圖像通信就是把圖像傳送到遠(yuǎn)方終端。 按傳輸圖像種類分為 靜止圖像通信，如電報(bào)、傳真和圖文電視等 活動(dòng)圖像通信，如電視、可視電話等。,數(shù)字圖像處理的特點(diǎn),精度高 對(duì)于一幅圖像而言，數(shù)字化時(shí)不管是用多少比特表示，只需改變計(jì)算機(jī)中程序的參數(shù)，處理方法不變。所以從原理上講不管對(duì)多高精度的數(shù)字圖像進(jìn)行理都是可能的。而在模擬圖像處理中，要想使精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，就必須對(duì)裝置進(jìn)行大幅度改進(jìn)。,數(shù)字圖像處理的特點(diǎn),再現(xiàn)性好 不管是什么數(shù)字圖像，均用數(shù)組或數(shù)組集合表示。在傳送和復(fù)制圖像時(shí)，只在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，這樣數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失或遭破壞，保持了完好的再現(xiàn)性。而在模擬圖像處理過(guò)程中，就會(huì)因?yàn)楦鞣N干擾因素而無(wú)法保持圖像的再現(xiàn)性。,數(shù)字圖像處理的特點(diǎn),通用性、靈活性強(qiáng) 不管是可視圖像還是X光圖像、熱紅外圖像、超聲波圖像等不可見(jiàn)光圖像，盡管這些圖像生成體系中的設(shè)備規(guī)模和精度各不相同，但當(dāng)把這些圖像數(shù)字化后，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，都可同樣進(jìn)行處理，這就是計(jì)算機(jī)處理圖像的通用性。另外，改變處理圖像的計(jì)算機(jī)程序，可對(duì)圖像進(jìn)行各種各樣的處理，如上下滾動(dòng)、漫游、拼接、合成、變換、放大、縮小和各種邏輯運(yùn)算等，所以靈活性很高 便于集成化 不需復(fù)雜的阻抗匹配 抗噪聲干擾能力強(qiáng),圖象處理存在缺點(diǎn),圖象信號(hào)的數(shù)字化處理也存在一些缺點(diǎn)：比如處理速度較慢、系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜、信號(hào)量化過(guò)程中可能引入噪聲、量化時(shí)損失的信息無(wú)法恢復(fù)。,人類視覺(jué)模型,人類視覺(jué)系統(tǒng) 人類視覺(jué)是人眼對(duì)場(chǎng)景可見(jiàn)光能量在視網(wǎng)膜上形成的一種刺激，通過(guò)人腦對(duì)刺激信號(hào)的處理，獲取場(chǎng)景的描述和感知。 重要性 圖象系統(tǒng)的輸出是給人們觀看的，了解可視圖象被人眼接收過(guò)程，對(duì)于測(cè)度圖象逼真度是重要的，它有助于評(píng)價(jià)圖象處理算法。,眼的構(gòu)造,光學(xué)系統(tǒng)： Lens(鏡頭)、Pupil（瞳孔）、iris(虹膜) 視網(wǎng)膜(Retina)：有錐狀和桿狀光電接收器 錐狀細(xì)胞(cone)：白晝視覺(jué)，感光、感色 桿狀細(xì)胞(rod)：夜間視覺(jué)，不感色 視神經(jīng)：視神經(jīng)脈沖傳入大腦進(jìn)行圖象處理,視覺(jué)影像,視覺(jué)分辨率,人眼在某一距離能區(qū)分相鄰兩點(diǎn)的能力。 用最小視角表示： = d / l d:剛好能分辨的兩點(diǎn)間的最小距離; l:眼睛到兩點(diǎn)連線的垂距.,人類視覺(jué)的弱點(diǎn):,1. 人只能感覺(jué)可見(jiàn)光波段能量，對(duì)其它波段不敏感； 2. 人眼視場(chǎng)角固定，空間分辨率和灰度分辨率有限； 3. 人眼有積分效應(yīng)，對(duì)單次圖象瞬間變化、快速運(yùn)動(dòng)圖象分析存儲(chǔ)困難； 4. 準(zhǔn)確測(cè)量圖象參數(shù)能力較差； 5受知識(shí)水平差異的影響，人對(duì)同一圖象的響應(yīng)不同； 6人是有思想的生物體，視覺(jué)受情緒和疲勞程度的影響。,圖像的表示,圖像的像素,數(shù)學(xué)表示,二維離散亮度函數(shù)f(x,y) 1 x y說(shuō)明圖像像素的坐標(biāo) 2 函數(shù)值f 代表了在點(diǎn)(x,y)處像素的亮度值 二維矩陣Am,n 1 m , n說(shuō)明圖像的寬和高 2 矩陣元素a(i j)的值表示圖像在第i 行，第j 列的像素的灰度值,計(jì)算機(jī)表示,圖像描述信息 一般以結(jié)構(gòu)或類來(lái)描述 主要包括寬高等 圖像數(shù)據(jù) 數(shù)組 順序存放的連續(xù)數(shù)據(jù) BMP格式,圖像質(zhì)量：層次,表示象素明暗程度的整 數(shù)量稱為灰度級(jí) 層次表示灰度級(jí)的數(shù)量 圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際層次越多視覺(jué)效果就越好,層次,對(duì)比度,清晰度,降低飽和度,減少細(xì)微層次,圖像的像素:鄰域,圖像的像素：像素的連通性,連通性是描述區(qū)域和邊界的重要概念 兩個(gè)像素連通的兩個(gè)必要條件是： 兩個(gè)像素的位置在某種情況下是否相鄰 兩個(gè)像素的值是否滿足某種相似性 4-連通8-連通,色彩屬性,色彩具有基本的三屬性： 色相（Hue）就是色彩的顏色，如紅，橙，黃，綠，藍(lán)，紫等各代表一種色相，而黑，白以及各種灰色則屬于無(wú)色系； 色調(diào)（Brightness）是指色彩的明暗程度; 飽和度（Saturation）則是指色彩的純度，又稱為彩度。 對(duì)比度是指不同顏色之間的差異。,HSI模型(基于人眼感知心理),HSI模型,HSI模型 H色度：取值0-360 S飽和度: 取值0-1 I亮度：取值0-1,HSI模型,加色模式,色光三原色 (R.G.B) 屏幕顯示的色彩是由 RGB（紅，綠，藍(lán)）三種色光所合成的?？梢杂眉由▉?lái)計(jì)算混合后的色彩，色光越多越接近白色。,加色原色,原色包括加色原色和減色原色 加色原色是指三種色光（紅色、綠色和藍(lán)色），當(dāng)按照不同的組合將這三種色光添加在一起時(shí)，可以生成可見(jiàn)色譜中的所有顏色。添加等量的紅色、藍(lán)色和綠色光可以生成白色。完全缺少紅色、藍(lán)色和綠色光將導(dǎo)致生成黑色。計(jì)算機(jī)的顯示器是使用加色原色來(lái)創(chuàng)建顏色的設(shè)備。,R+G+B 白光 顏色空間 256*256*256 RGB(255,255,255)白色，RGB(0,0,0)黑色 R=G=B，灰色,RGB模型(加色模式),RGB模型 楊赫姆霍爾茲視覺(jué)三基色假說(shuō)： C=R+G+B RGB分別取值0-1 或0-255,24位色立方體,每幅彩色圖包括3個(gè)獨(dú)立的基色平面,即可分解到3個(gè)平面上。反過(guò)來(lái)如果圖象可被表示為3個(gè)平面，用這個(gè)模型比較方便。,減色原色,減色原色是指一些顏料，當(dāng)按照不同的組合將這些顏料添加在一起時(shí)，可以創(chuàng)建一個(gè)色譜。與顯示器不同，打印機(jī)使用減色原色（青色、洋紅色、黃色和黑色顏料）并通過(guò)減色混合來(lái)生成顏色。使用“減色”這個(gè)術(shù)語(yǔ)是因?yàn)椋@些原色都是純色，將它們混合在一起后生成的顏色都是原色的不純版本。例如，橙色是通過(guò)將洋紅色和黃色進(jìn)行減色混合創(chuàng)建的。,CMYK模型(減色模式),C,M,Y三個(gè)密度值表示一個(gè)顏色 網(wǎng)點(diǎn)(Screen)的概念及成色原理: 網(wǎng)格上的最小墨點(diǎn) 調(diào)幅網(wǎng)點(diǎn)：通過(guò)改變網(wǎng)點(diǎn)的大小 調(diào)頻網(wǎng)點(diǎn)：通過(guò)改變單位面積中，相同大小網(wǎng)點(diǎn)的出現(xiàn)次數(shù),例：書(shū)在暗房看不見(jiàn)，不會(huì)發(fā)光，光線不同顯示顏色不同 CMY數(shù)值，1-100% 光-吸收-反射 白紙，不印，MCY(0,0,0)白色 白紙，CMY（100，100，100）黑色 理論 提高黑色純度，黑色油墨K,CIE(國(guó)際照明委員會(huì))色度圖,周圍是光的波長(zhǎng)從380到700納米，采用歸一化表示方法，X，Y分別是紅綠的比例，藍(lán)光的比例為1-X-Y，白光的坐標(biāo)（0.33，033）,CIE模型,歸一化顏色空間,Lab顏色空間,Lab模式,Lab模式通過(guò)兩個(gè)色調(diào)參數(shù)（a、b）和一個(gè)光強(qiáng)度參數(shù)（L）來(lái)控制色彩。 Lab顏色是Photoshop在不同顏色模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)使用的中間顏色模式。如當(dāng)RGB和CMYK兩種模式互換時(shí)，都需要先轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ab模式，這樣才能減少轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗,色輪,如果您是第一次調(diào)整顏色分量，在處理色彩平衡時(shí)手頭有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色輪圖表會(huì)很有幫助?？梢允褂蒙唩?lái)預(yù)測(cè)一個(gè)顏色分量中的更改如何影響其它顏色，并了解這些更改如何在 RGB 和 CMYK 顏色模型之間轉(zhuǎn)換。,藍(lán)+綠=青 紅+綠=黃 紅+藍(lán)=品紅 兩個(gè)加色得到一個(gè)減色 青色墻面照紅光 黑色 青色是紅色的補(bǔ)色，青色吸收紅光， 綠色的樹(shù)，照品紅，黑色 互補(bǔ)原色 吸收對(duì)方,偽彩色模型,定義: 通過(guò)顏色映射表描述色彩 實(shí)際上是RGB顏色模型的變體。 用偽彩色描述顏色的方法: 建立顏色映射表, 一般表的長(zhǎng)度16-256。 像素值用其RGB值在映射表中的位置代替 通過(guò)抖動(dòng)技術(shù)緩解顏色種類不足的問(wèn)題 如何找出16-256種關(guān)鍵顏色是成敗的關(guān)鍵。,圖像顏色的表示,亮度和顏色感覺(jué)的視覺(jué)特征,1 刺激強(qiáng)度與感覺(jué)的關(guān)系,2亮度適應(yīng)和顏色適應(yīng),3亮度對(duì)比和顏色對(duì)比,在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感覺(jué)到的明暗程度也不同。,4顏色感覺(jué)與刺激面積的關(guān)系,對(duì)一個(gè)色覺(jué)正常的人來(lái)說(shuō)，顏色刺激面積非常小時(shí)就不能識(shí)別顏色了第三色盲。 這個(gè)原理被用到彩色電視機(jī)原理中，對(duì)減少傳送頻帶作出了貢獻(xiàn)。,視覺(jué)的空間性質(zhì),馬赫帶效應(yīng)輪廓增強(qiáng)現(xiàn)象: 視覺(jué)的主觀感受在亮度有變化的地方出現(xiàn)虛幻的明亮或黑暗的條紋，馬赫帶效應(yīng)的出現(xiàn)是人類的視覺(jué)系統(tǒng)造成的。生理學(xué)對(duì)馬赫帶效應(yīng)的解釋是：人類的視覺(jué)系統(tǒng)有增強(qiáng)邊緣對(duì)比度的機(jī)制。 馬赫帶現(xiàn)象是1868年由奧地利物理學(xué)家 E.馬赫發(fā)現(xiàn)的一種明度對(duì)比現(xiàn)象，即是指人們?cè)诿靼到唤缣幐械搅撂幐?，暗處更暗的現(xiàn)象。它是一種主觀的邊緣對(duì)比效應(yīng)。當(dāng)觀察兩塊亮度不同的區(qū)域時(shí)，邊界處亮度對(duì)比加強(qiáng)，使輪廓表現(xiàn)得特別明顯。,視覺(jué)的時(shí)間特性,指對(duì)光刺激的過(guò)渡反應(yīng)特性。如對(duì)閃爍的靈敏度特性、適應(yīng)性、殘像、對(duì)運(yùn)動(dòng)的感覺(jué)及眼球運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)的關(guān)系等性質(zhì)。 視覺(jué)暫留: 這種主觀感覺(jué)是由于視覺(jué)暫留效應(yīng)和大腦內(nèi)插功能形成的。視覺(jué)暫留效應(yīng)是電影、電視、動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)。,形狀感覺(jué)與錯(cuò),視覺(jué)系統(tǒng)所感覺(jué)到的物體的形狀并是簡(jiǎn)單的投影到視網(wǎng)膜上的形狀。對(duì)形狀的感覺(jué)受到物體自身形狀及周圍背景的影響，也有心理因素的作用。 錯(cuò)視是視覺(jué)對(duì)圖形感覺(jué)的一個(gè)重要現(xiàn)象。,顏色同化,當(dāng)某一色被其他色所包圍時(shí)，如果被包圍的色在色相、明度方面與包圍色非常接近，或者兩者面積對(duì)比十分懸殊，被包圍之色面積很小，那么，被包圍之色就會(huì)被包圍之色“吃掉”，這種色彩現(xiàn)象稱之為“色彩同化 ”。,All the red squares in both diagonals are exactly the same red color. Yet, when the pattern is seen as a whole, the two red diagonals appear different from each other。,圖像數(shù)字化,圖像數(shù)字化是將一幅畫(huà)面轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能處理的形式數(shù)字圖像的過(guò)程。 連續(xù)圖象經(jīng)采樣、分層、量化、編碼等步驟變成數(shù)字圖象。 1 采樣： 將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點(diǎn)（象素）集的操作稱為采樣。由于圖象是二維分布的信息，所以采樣是在x和y軸兩個(gè)方向上進(jìn)行。若在模擬圖象的x方向采M個(gè)點(diǎn)，y方向采N個(gè)點(diǎn)，就得到M*N個(gè)點(diǎn)的數(shù)字化圖象的形式。,圖像數(shù)字化,采樣定理,圖像的采樣與數(shù)字圖象的質(zhì)量,一般來(lái)說(shuō)，采樣間隔越大，所得圖像像素?cái)?shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)像素呈塊狀的國(guó)際棋盤(pán)效應(yīng)；采樣間隔越小，所得圖像像素?cái)?shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。,圖像數(shù)字化,2 量化 經(jīng)采樣圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續(xù)的，還不能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 量化：將測(cè)量的灰度值用整數(shù)表示。 一般圖象均量化為8bit, 即用0255描述“黑白”（稱灰度級(jí)Grey level為256級(jí)） 灰度分辨率：指值的單位幅度上包含的灰度級(jí)數(shù)。,圖像的量化與數(shù)字圖象的質(zhì)量,量化等級(jí)越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大； 量化等級(jí)越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會(huì)出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量小。但在極少數(shù)情況下對(duì)固定圖像大小時(shí)，減少灰度級(jí)能改善質(zhì)量，產(chǎn)生這種情況的最可能原因是減少灰度級(jí)一般會(huì)增加圖像的對(duì)比度。例如對(duì)細(xì)節(jié)比較豐富的圖像數(shù)字化。,數(shù)字化器,數(shù)字化器,數(shù)字化器必須能夠?qū)D像劃分為若干像素并分別給它們地址，能夠度量每一像素的灰度并量化為整數(shù)，能夠?qū)⑦@些整數(shù)寫(xiě)入存儲(chǔ)設(shè)備。 數(shù)字化器組成 A采樣孔：保證單獨(dú)觀測(cè)特定的像素而不受其它部分的影響。 B圖像掃描機(jī)構(gòu)：使采樣孔按預(yù)先確定的方式在圖像上移動(dòng)。 C光傳感器：通過(guò)采樣孔測(cè)量圖像的每一個(gè)像素的亮度。 D量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。 E輸出存儲(chǔ)體：將像素灰度值存儲(chǔ)起來(lái)。它可以是固態(tài)存儲(chǔ)器，或磁盤(pán)等。 常用的數(shù)字化器是掃描儀和數(shù)碼相機(jī)。,數(shù)字圖像的種類,1黑白圖像：指圖像的每個(gè)像素只能是黑或白，沒(méi)有中間過(guò)渡，又稱二值圖像。像素值為0或1。,數(shù)字圖像的種類,2灰度圖像 指每個(gè)像素的信息有一個(gè)量化的灰度級(jí)來(lái)描述的圖像，沒(méi)有彩色信息。,數(shù)字圖像的種類,3彩色圖像 指每個(gè)像素的信息由RGB三原色構(gòu)成的圖像，其中RGB是由不同的灰度級(jí)來(lái)描述的。,圖像文件格式,BMP(Bit-mapped format) BMP文件是最普遍的點(diǎn)陣圖格式之一，是WINDOWS系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)格式，我們利用WINDOWS的“畫(huà)圖”程序繪圖，就是存成BMP文件BMP格式支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式，不支持Alpha通道. JPEG聯(lián)合圖象專家組(Joint Photographics Experts Group) JPEG是一種高效率的壓縮文件，在存文件時(shí)能夠?qū)⑷搜蹮o(wú)法分辨的資料刪除，以節(jié)省儲(chǔ)存空間，但這些被刪除的資料無(wú)法在解壓時(shí)還原，所以JPEG文件并不適合放大觀看，輸出成印刷品時(shí)品質(zhì)也會(huì)受到影響，這種類型的壓縮文件，稱為失真（Loosy）壓縮或破壞性壓縮,圖像文件格式,TIF(Tagged image file format)和EPS TIFF和EPS格式都包含兩個(gè)