第二講+數(shù)字圖像處理中的一些基本概念

1、數(shù)字圖像處理中的一些基本概念本講提要n1、人眼視覺原理：介紹景物形成原理以及觀察圖像時的一些客觀現(xiàn)象。n2、圖像數(shù)字化：如何從模擬圖像獲得數(shù)字圖像，以及數(shù)字圖像的表達(dá)方式n3、圖像灰度直方圖：介紹圖像灰度直方圖計算方法及作用n4、數(shù)字圖像處理中的比較通用的算法形式和一些基本概念n5、圖像文件的組織方式n6、圖像特征與噪聲1 人眼的視覺原理人類的視覺模型n錐狀細(xì)胞：負(fù)責(zé)彩色視覺q有三種類型：紅色、綠色、藍(lán)色感光細(xì)胞q可感受67百萬種顏色q數(shù)量：約67百萬q一根視神經(jīng)連接一個錐狀細(xì)胞n人眼的最內(nèi)層是視網(wǎng)膜，表面分布有大量光敏細(xì)胞n桿狀細(xì)胞廣泛分布在視網(wǎng)膜上q一根視神經(jīng)連接若干桿狀細(xì)胞q數(shù)量：750

2、0萬1.5億q對低照度景物敏感q負(fù)責(zé)黑白視覺人類的視覺模型n三種錐狀感光細(xì)胞對不同光波的感光靈敏度人眼對亮度的適應(yīng)能力n人眼是具有視覺適應(yīng)性的q亮適應(yīng)性：人從黑暗處到明亮處的視覺行為過程q暗適應(yīng)性：人從明亮處到黑暗處的視覺行為過程n感光靈敏度：桿狀細(xì)胞與錐狀細(xì)胞不同n錐狀細(xì)胞：明視覺n桿狀細(xì)胞：暗視覺暗適應(yīng)性：從亮光處到暗光處的適應(yīng)能力，一般2030s亮適應(yīng)性：從暗處到亮處的適應(yīng)能力，一般12s景物的形成n光線經(jīng)過眼球到達(dá)視網(wǎng)膜，形成電脈沖，傳導(dǎo)到視神經(jīng)中樞，不同位置的光敏細(xì)胞可產(chǎn)生與接受光線強(qiáng)弱成比例的電脈沖，便在大腦中形成景物的感覺。人眼的視覺亮度范圍n視覺亮度范圍是指人眼能夠感知的亮度范

3、圍。人眼能夠感知的亮度范圍是非常寬的。從百分之幾cd/m2到幾百萬cd/m2；n人眼適應(yīng)了某一平均亮度的環(huán)境后，人眼所能感受的亮度范圍要小得多。當(dāng)平均亮度適中，能分辨的亮度上下限之比可為1000:1，當(dāng)平均亮度較低時，該比值約只有10:1。n人眼對亮度差別的感覺取決于相對亮度的變化，有s=k*B/B，經(jīng)積分有s=klnB+k0qk為常數(shù)，表明亮度感覺與亮度的自然對數(shù)成線性關(guān)系人眼的分辨率n人眼的分辨率是指人眼在一定距離上能區(qū)分開相鄰兩點(diǎn)的能力?？捎媚軈^(qū)分開的最小視角的倒數(shù)來描述。n人眼的分辨率還與環(huán)境照度、被觀測對象的相對對比度有關(guān)人眼分辨不同顏色的能力n色覺，能辨別不同的顏色。q視神經(jīng)對不同

4、波長光的感受特性是不同的q人眼能感受的光譜范圍由400nm到760nm。n色覺有三種性質(zhì)：色調(diào)（色別）、亮度、飽和度q色調(diào)：不同的色q亮度：色彩的明暗、深淺程度q色彩度（飽和度）色彩的純度，以陽光的光譜色為標(biāo)準(zhǔn)，越接近光譜色，色彩飽和度越高物體顏色n物體的色是人的視覺器官受光后在大腦的一種反映n物體的色取決于物體對各種光線的吸收、反射和透視能力，分為有色物體和消色物體q消色物體指黑色、白色、灰色物體，對照明光線具有非選擇性吸收能力，根據(jù)入射光的反射率的大小區(qū)分為不同的顏色q75% 10%r75% r10%q有色物體對照明光線具有選擇性吸收的能力，入射光中的色光不是等量的被吸收，入射光被反射或透

5、射后，改變了光譜成分和亮度，所以物體呈現(xiàn)不同的顏色n光源的光譜成分對物體顏色的影響q有色光照射到消色物體時，物體反射色與入射光顏色相同，兩種以上有色光同時照射到消色物體上，呈加色法效應(yīng)q有色光照射到有色物體時，物體的顏色呈減色法效應(yīng)加色法原理n加色法原理是利用三基色色光相加獲得彩色的方法?；羌t、綠、藍(lán)；不同比例的三基色光相加合成其他彩色紅+綠=黃紅+藍(lán)=紫（品紅）藍(lán)+綠=青紅+綠+藍(lán)=白減色法原理n減色法：利用白光減去補(bǔ)色獲得彩色的方法。其基色是黃、青、品紅（或紫）馬赫帶n馬赫帶效應(yīng)是指有一定反差的圖像臨界部位在視覺上給人以特別白或特別黑的感覺。n馬赫帶上的亮度過沖是不同空間頻率產(chǎn)生不同視

6、覺響應(yīng)的結(jié)果。視覺系統(tǒng)對空間高頻和空間低頻的敏感性較差，對空間中頻具有較高的敏感性，因而在亮度突變處亮度過沖現(xiàn)象，人眼感受到的是對比度的增強(qiáng)，這種現(xiàn)象有助于增強(qiáng)對圖像輪廓的識別能力。馬赫帶效應(yīng)示意圖2.3 圖像數(shù)字化數(shù)字圖像的生成n將模擬圖像數(shù)字化成數(shù)字圖像q數(shù)字化儀是將圖像（膠片或像片）和圖形（包括各種地圖）的連續(xù)模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量的裝置）n應(yīng)用各種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備獲取數(shù)字圖像q數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備，具有光敏感器件和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置n應(yīng)用二維離散數(shù)學(xué)函數(shù)生成數(shù)字圖像q矩陣表示數(shù)字圖像圖像數(shù)字化n圖像數(shù)字化是將一幅畫面轉(zhuǎn)化成計算機(jī)能處理的數(shù)字圖像的過程n兩個步驟q把模擬圖像分割成同樣形狀的小單元，進(jìn)行

7、空間離散化處理叫采樣采樣q以各個小單元的平均亮度值或中心部分的亮度值作為該單元的亮度值，為亮度值的離散化處理，量化量化模擬圖像數(shù)字圖像正方形點(diǎn)陣采樣n采樣間隔和采樣孔徑的大小是兩個很重要的參數(shù)。n不同形狀的采樣孔徑有縫無縫重迭n采樣方式:有縫、無縫和重迭Nyquist定理n在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息。量化n采樣后得到的空間上離散的像素，灰度是連續(xù)的，還不能用計算機(jī)進(jìn)行處理。需將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值，即量化。量化后得到的表示像素明暗程度的整數(shù)稱為像素的灰度級或灰度值或灰度。n一幅數(shù)字圖像中不同灰度級

8、的個數(shù)稱為灰度級數(shù)，用G表示?；叶燃墧?shù)n灰度級數(shù)就代表一幅數(shù)字圖像的層次。圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際層次越多視覺效果就越好。n一般來說，G=2g，g就是表示存儲圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)。n若一幅數(shù)字圖像的量化灰度級數(shù)G=256=28級，灰度取值范圍一般是0255的整數(shù)，由于用8bit就能表示灰度圖像像素的灰度值，因此常稱8 bit 量化。圖像數(shù)字化方式與圖像質(zhì)量的關(guān)系n圖像數(shù)字化方式一般采用均勻采樣、均勻量化方式。n一般說，采樣間隔越大，圖像像素數(shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時出現(xiàn)像素呈塊狀的國際棋盤效應(yīng)；采樣間隔越小，圖像像素數(shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，數(shù)據(jù)量大。量化等級多，圖像層次豐富，

9、灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，數(shù)據(jù)量大；量化等級少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，數(shù)據(jù)量小。n從視覺效果來看，采用大于或等于6比特位量化的灰度圖像，視覺上就能令人滿意。采樣間隔與圖像視覺效果示例量化級數(shù)與圖像視覺效果示例量化級數(shù)與圖像的視覺效果示例數(shù)字圖像的矩陣表示n數(shù)字圖像的坐標(biāo)系及坐標(biāo)原點(diǎn)數(shù)字圖像的矩陣表示n黑白圖像：像素只能是黑或白，像素值一般取0或1，又稱為二值圖像。011100001In灰度圖像：灰度級數(shù)大于2的圖像，不包含彩色信息。100220250180501202001500I數(shù)字圖像的矩陣表示n彩色圖像的像素由R、G、B三分量構(gòu)成，其中R、B、G是

10、由不同的灰度級來描述00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B2.4 圖像灰度直方圖灰度直方圖n灰度直方圖反映的是一幅圖像中各灰度級像素出現(xiàn)的頻率，是圖像的一個重要特征一幅圖像的灰度直方圖nnvii頻率的計算式為：0132132105762567160635122675365032272416225627601232121231231221v0=5/64v1=12/64v2=18/64v3=8/64v4=1/64v5=5/64v6=8/64v7=5/64計算：該圖像像元總數(shù)為8*8=64, i=0,7圖像直方圖

11、計算灰度圖像及其直方圖示例直方圖的性質(zhì)n灰度直方圖只能反映圖像的灰度分布情況，而不能反映圖像像素的位置,即丟失了像素的位置信息。n一幅圖像對應(yīng)唯一的灰度直方圖，反之不成立。不同的圖像可對應(yīng)相同的直方圖。 不同的圖像具有相同直方圖直方圖應(yīng)用：用于判斷圖像量化是否恰當(dāng)直方圖用于判斷量化是否恰當(dāng)(a) 恰當(dāng)量化(b)未能有效利用(c)超過了動態(tài)范圍直方圖應(yīng)用：用于確定圖像二值化閾值TyxfTyxfyxg),(1),(0),(直方圖應(yīng)用：統(tǒng)計圖像中物體的面積。n當(dāng)影像上目標(biāo)的灰度值比其它部分灰度值大或者灰度區(qū)間已知時，可利用直方圖統(tǒng)計圖像中物體的面積。TiivnAn是圖像像素總數(shù)，vi是灰度級i出現(xiàn)的

12、概率直方圖應(yīng)用：計算圖像信息量(熵)n熵是用來反映圖像信息豐富和復(fù)雜程度的量值。n如果一幅圖像各灰度級出現(xiàn)的概率是p0,p1,p2,pn-1,根據(jù)信息論，各灰度級像素具有的信息量分別為：-log2p0,-log2p1,-log2p2,-log2pn-1,則該圖像的平均信息熵（量）為：102logniiippH2.5 數(shù)字圖像處理算法的形式圖像處理的幾種具體算法n局部處理q鄰域:對于任一像素(i,j),該像素周圍的像素構(gòu)成的集合(i+p,j+q),p,q取合適的整數(shù)，叫做該像素的鄰域。q常用的鄰域如圖(b),(c)分別表示中心像素的4-鄰域、8-鄰域。局部處理n對輸入圖像IP(i,j)處理時，某

13、一輸出像素JP(i,j)值由輸入圖像像素(i,j)及其鄰域N(IP(i,j)中的像素值確定。這種處理稱為局部處理。),(),(jiIPNjiJPN（一）（二）例子n例如 對一幅圖象采用33模板進(jìn)行卷積運(yùn)算。點(diǎn)處理n局部處理的一個特例，在局部處理中，當(dāng)輸出值JP(i,j)僅與IP(i,j)有關(guān)，則稱為點(diǎn)處理),(),(jiIPjiJPp迭代處理n反復(fù)對圖像進(jìn)行某種運(yùn)算直至滿足給定的條件，從而得到輸出圖像的處理形式稱為迭代處理。跟蹤處理n選擇滿足適當(dāng)條件的像素作為起始像素，檢查輸入圖像和已得到的輸出結(jié)果，求出下一步應(yīng)該處理的像素，進(jìn)行規(guī)定的處理，然后決定是繼續(xù)處理下面的像素，還是終止處理。這種處理

14、形式稱為跟蹤處理。 q光柵行掃描窗口處理窗口處理與模板處理n圖像處理時，有時需要每次處理圖像的某個部分。進(jìn)一步分為窗口處理和模板處理。n單獨(dú)對圖像中選定的矩形區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行處理的方式叫做窗口處理窗口處理與模板處理模板處理n圖像處理時，有時希望能單獨(dú)處理特定形狀的區(qū)域時，會預(yù)先準(zhǔn)備一個具有特定形狀的模板（模板平面實(shí)際上一個二維數(shù)組，數(shù)組中存儲模板信息，進(jìn)行模板處理時，參照模板平面對圖像進(jìn)行某種操作。n若模板成矩形區(qū)域，與窗口處理效果相同；窗口處理與模板處理的區(qū)別是模板處理要求設(shè)置一個模板平面。2.6 圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與文件格式圖像數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)n圖像數(shù)據(jù)存儲時常采用一維或二維數(shù)組的形式。n其他特殊方

15、式：q組合方式：一個字長存放多個像素灰度值的方式。q比特面方式按比特位存取像素，形成比特面。n個比特位的灰度圖像采用比特面方式存取就有n個比特面。q分層結(jié)構(gòu)(金字塔方式)：從原始圖像出發(fā)形成多層圖像數(shù)據(jù)q樹結(jié)構(gòu)：利用二叉樹、四叉樹等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲圖像多重圖像數(shù)據(jù)存儲n彩色圖像或多波段(多光譜)圖像，存儲方式有：q逐波段存儲（BSQ)q逐行存儲 (BIL)q逐像素存儲(BIP)圖像文件格式n按不同的方式進(jìn)行存儲數(shù)字圖像，就得到不同格式的圖像文件，圖像文件按其格式的不同具有相應(yīng)的擴(kuò)展名。常見的圖像文件格式按擴(kuò)展名分為：RAW格式、BMP格式、JPG格式、TIFF格式等。q圖像文件格式一般具有以下特征

16、：n1、描述圖像的特征n2、存儲實(shí)際圖像數(shù)據(jù)BMP格式nBMP格式由以下四個部分組成q1）14字節(jié)的文件頭；q2）40字節(jié)的信息頭；q3）4字節(jié)的顏色定義；q4）位圖數(shù)據(jù)。BMP格式:位圖文件頭結(jié)構(gòu)typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; /*指定文件類型，必須是0 x424D， 即字符串“BM” */ DWORD bfSize; /*指定文件大小 */ WORD bfReserved1; 為/*保留字 */ WORD bfReserved2; /*保留字 */ DWORD bfOffBits; 為/*文件頭到實(shí)際的位圖 數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù)

17、* / BITMAPFILEHEADER, FAR *LPBITMAPFILEHEADER;該結(jié)構(gòu)的長度是固定的，為14個字節(jié) 。BMP格式:位圖信息頭typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD bfSize; /* 指定這個結(jié)構(gòu)的大小，為40個字節(jié) LONG biWidth; /*指定圖像的寬度，單位是像素 LONG biHeight; /*指定圖像的高度，單位是像素； WORD biPlanes; /*必須是1 WORD biBitCount; /*指定表示顏色位數(shù),1(黑白)8(256色)24(真彩色) DWORD biCompression; /*

18、指定是否壓縮,分別為BI_RGB、BI_RLE4、 BI_RLE8 DWORD biSizeImage; /*指定實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)。 LONG biXPelsPerMeter; /*指定目標(biāo)設(shè)備的水平分辨率 LONG biYPersPerMeter; /*指定目標(biāo)設(shè)備的垂直分辨率 DWORD biClrUsed; /*指定本圖像實(shí)際用到的顏色數(shù) DWORD biClrImportant; /*指定本圖像中重要的顏色數(shù) BITMAPINFOHEADER, FAR *LPBITMAPINFOHEADER;結(jié)構(gòu)的長度為40個字節(jié)BMP格式:調(diào)色板n調(diào)色板實(shí)際上是一個數(shù)組 ,數(shù)組中每個元素的類型為一個RGBQUAD結(jié)構(gòu)，占4個字節(jié)。typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; BYTE rgbGreen; BYTE rgbRed; BYTE rgbReserved;RGBQUAD;n有些位圖，比如真彩色圖，沒有調(diào)色板。他們的位圖信息頭后直接是位圖數(shù)據(jù)。BMP格式:位圖數(shù)據(jù)n它分兩種情況：q對于用到調(diào)色板的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調(diào)色板中的索引值；q對于真彩色圖，圖像數(shù)據(jù)就是實(shí)際的R、G、B值。2.7 圖像特征與噪聲圖像特征n圖像特征：描述圖像對象的參數(shù)，是視覺能分辨的自然特征，或者人為定義的某些參數(shù)，圖