第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)

1、第2章 圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)圖像和視覺(jué) 基礎(chǔ)視覺(jué)基礎(chǔ)人眼與亮度視覺(jué)顏色視覺(jué)成像基礎(chǔ)成像模型成像幾何采樣和量化圖像基礎(chǔ)像素間聯(lián)系圖像運(yùn)算圖像坐標(biāo)變換第2章 圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1 圖像數(shù)字化2.2 圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.3 圖像文件格式2.4 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)2.1 圖像數(shù)字化2.1.1 圖像傳感器與數(shù)字成像2.1.2 數(shù)字化原理2.1.1 圖像傳感器與數(shù)字成像1. CCD傳感器 電荷耦合器件（Charged Coupled Device），感應(yīng)可見(jiàn)光的光強(qiáng) 掃描儀的圖像數(shù)字化過(guò)程原理圖 2.1.1 圖像傳感器與數(shù)字成像2. CMOS傳感器 互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-O

2、xide Semiconductor）2.1.2 數(shù)字化原理1數(shù)學(xué)模型,fx yfx yx yfx yAfx y模擬圖像的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)二元函數(shù)，的函數(shù)值是能量的記錄，是非負(fù)有界的實(shí)數(shù)，同時(shí)，一幅實(shí)際圖像的尺寸是有限的，一般定義在某一矩形域中模擬圖像數(shù)字化后得到數(shù)字圖像。數(shù)字圖像的數(shù)學(xué)模型仍用二元函數(shù)來(lái)表示，但此時(shí)的坐標(biāo)值和函數(shù)值是離散的，是整數(shù)值 02采樣和量化 T 采樣：空間上的離散化T 量化：灰度上的離散化(0,0)(0,1)( , )(1,0)(1,1)nTffnf x yf nf nn抽樣T連續(xù)信號(hào)（抽樣、量化）數(shù)字信號(hào)2.1.2 數(shù)字化原理 采樣點(diǎn)陣：正方形、正三角2.1.2 數(shù)字

3、化原理T 圖像矩陣的特點(diǎn)： a） b）數(shù)字化抽樣：正方形點(diǎn)陣、三角形點(diǎn)陣、正六角形點(diǎn)陣等0( , )f x y 2.1.2 數(shù)字化原理3. 采樣定理T 一維采樣定理：惠特克卡切尼柯夫香農(nóng)whittaker-korelnikov-shannon2( )( )2cccwffff tff t（）采樣定理。當(dāng) 或 ，則函數(shù) 的傅立葉變換為0，亦即可由相隔為或更密的樣本正確重構(gòu)2.1.2 數(shù)字化原理T 二維采樣定理：采樣頻率大于圖像信號(hào)最高頻率的2倍00002()11( , )2cos2(34 ),0.2( , )2cos2(34 )ed d(3,4)(3,4)3,3,415220.2jxu yvccx

4、ysxsysxyf x yxyxyF u vxyx yuvuvfffffffff 例： 帶寬 4時(shí)為0， 采樣頻率：或 不滿足采樣定理，有混頻現(xiàn)象0022xyff奈奎斯特頻率：不混疊時(shí)采樣中的最低限，oxyyx( , )(,)( , )( , ) ( , )smns x yxm x yn yf x yf x y s x y 2.1.2 數(shù)字化原理1122ccxyuv采樣間隔滿足條件和，此時(shí)模擬圖像的采樣結(jié)果可以精確地，無(wú)失真地重建原圖像2.1.2 數(shù)字化原理4.采樣誤差T 混疊噪聲 孔徑效應(yīng)：實(shí)際采樣脈沖不是理想沖擊函數(shù)，有一定的寬度，會(huì)產(chǎn)生失真插入噪聲：由采樣圖像信號(hào)恢復(fù)到原圖像，無(wú)理想濾波

5、器（在 內(nèi)頻率特性平坦，相位特性成直線)抖動(dòng)噪聲：采樣周期為 ，但發(fā)射與接受端 存在相位差異，稱相位抖動(dòng)。 TcfT5.量化T 均勻量化T 非均勻量化: a）基于視覺(jué)特性：對(duì)亮度值急劇變化部分無(wú)需過(guò)細(xì)分層，進(jìn)行粗量化,對(duì)亮度值平緩變化部分需過(guò)細(xì)分層，進(jìn)行細(xì)量化 b）先計(jì)算所有可能的亮度值出現(xiàn)的概率分布，對(duì)概率分布大的進(jìn)行細(xì)量化,對(duì)概率分布小的進(jìn)行粗量化,非均勻量化可以減少量化誤差，又能用較少的比特?cái)?shù)實(shí)現(xiàn)量化2.1.2 數(shù)字化原理T量化和采樣是兩個(gè)不同的概念，量化是在每個(gè)采樣 點(diǎn)上進(jìn)行的，所以必須先采樣后量化。T量化和采樣是圖像數(shù)字化的不可或缺的兩個(gè)操作， 二者緊密相關(guān)，同時(shí)完成。2.1.2 數(shù)

6、字化原理6. 采樣和量化的關(guān)系,f x yf x y采樣 空間離散的像素矩陣量化 對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行離散分層的過(guò)程2.1.2 數(shù)字化原理222128 128 698304 (12)512 512 82097152 (256)mnkkMNGMNGNNGGkBMNK 圖像尺寸每個(gè)像素所具有的離散灰度級(jí)數(shù)（不同灰度值的個(gè)數(shù)） =2點(diǎn)采樣，每點(diǎn)灰度級(jí) 級(jí)，占 位。存一幅圖像所需的位數(shù)（bit）、 2.1.2 數(shù)字化原理NNkNkNkkNkNkN總數(shù)據(jù)量位二進(jìn)制數(shù)據(jù)當(dāng)總存儲(chǔ)容量一定時(shí)， 與 怎么分配效果才最佳？解：無(wú)一般方法，取決于具體圖像。當(dāng)紋理細(xì)節(jié)多時(shí) 大， 小。當(dāng)層次要求多時(shí)，則 大， 小。例如：人

7、頭像要照顧層次？ 大， ?。l帶窄平滑，采樣間隔可大）。群眾場(chǎng)面紋理豐富？ 小， 大（頻帶寬，采樣間隔要小，不丟細(xì)節(jié)）。2.1.2 數(shù)字化原理NKNKNKk和 的關(guān)系：1）圖像質(zhì)量一般隨 和 的增加而增加。在極小情況下固定的，減小 能改進(jìn)圖像質(zhì)量，因?yàn)樵黾恿藞D像的反差。2) 對(duì)具有大量細(xì)節(jié)的圖像通常只需要很少的灰度級(jí)數(shù)就可較好地表示3) 為常數(shù)的一系列圖像主觀看起來(lái)可以有較大的差異T非均勻采樣和量化細(xì)節(jié)部分，分配較多的采樣灰度突變部分，可用較少的灰度級(jí)數(shù)2.1.2 數(shù)字化原理 表示灰度級(jí)、bright, 彩色 ,連續(xù)圖像 .如X光圖像反映人體組織吸收特性，紅外圖像 反映溫度輻射特性，CCD反映

8、可見(jiàn)光的特性( , )f x y( ,)f x y( , , )f x ytT在圖像建模中涉及到保真度(fidelity)：衡量處理方法好壞，清晰否？采樣、量化正交序列展開(kāi)，F(xiàn)ourier變換統(tǒng)計(jì)模型：把圖像看成一個(gè)集合的成員如均值、方差。2.1.2 數(shù)字化原理2.2 圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2.1 圖像模式2.2.2 彩色空間2.2.3 圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2.1 圖像模式1灰度圖像 可由黑白照片數(shù)字化得到，或從彩色圖像進(jìn)行去色處理得到（256灰度級(jí)）2二值圖像 灰度圖像經(jīng)過(guò)二值化處理后的結(jié)果，兩個(gè)灰度級(jí)，只需用1bit表示。2.2.1 圖像模式3彩色圖像T 彩色圖像的數(shù)據(jù)不僅包含亮度信息，還要包

9、含顏色信息。彩色的表示方法是多樣化的。T 三基色模型：RGB（Red / Green / Blue，紅綠藍(lán)） RGB三基色可以混合成任意顏色。 2.2.1 圖像模式2.2.2 彩色空間1)RGB彩色空間：面向硬件設(shè)備的彩色模型T 三基色原理三基色指可以用來(lái) 調(diào)配出其它顏色的紅、綠、藍(lán) 三種顏色。T 彩色圖像可由紅、綠、藍(lán) 三基色圖像疊加而成。2.2.2 彩色空間T 在RGB彩色空間中，任意彩色光 的配色方程式為： RGB RGBLrgbrgbL、為其中，彩色光 的三基色分量或百分比。L2)CMY彩色空間 自然界物體顏色光的形成方式將物體劃分為兩類發(fā)光物體和不發(fā)光物體，發(fā)光物體稱為有源物體，不發(fā)

10、光物體稱為無(wú)源物體。無(wú)源物體是不發(fā)出光波的物體，其顏色由該物體吸收或反射哪些光波來(lái)決定，因此采用CMY三基色相減模型和CMY彩色空間描述。2.2.2 彩色空間2.2.2 彩色空間 油墨和顏料的三基色是CMY（Cyan / Magenta / Yellow，青 / 洋紅 / 黃）而不是RGB，CMY三基色的特點(diǎn)是油墨和顏料用的越多，顏色越暗（或越黑），所以將CMY稱為三減色，而RGB稱為三加色。 2.2.2 彩色空間3)HSI彩色空間 區(qū)分顏色常用的3種基本特性量：色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）、強(qiáng)度 （Intensity）。T 色調(diào)Hue：與混合光譜中主要光波長(zhǎng)相聯(lián)系T 飽和度

11、Saturation ：與一定色調(diào)的純度有關(guān)T 強(qiáng)度Intensity：與物體的反射率成正比1. 一維數(shù)組方式: 行 列2.多波段圖像數(shù)據(jù)結(jié)合結(jié)構(gòu)1）按各個(gè)波段存儲(chǔ)N 列 行紅綠藍(lán)2.2.3 圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MMN2）按掃描行存儲(chǔ)紅 綠 藍(lán) 第1行3）按各個(gè)像素存儲(chǔ) 紅 綠 藍(lán) （1，1）（1，2）2.2.3 圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.多波段圖像數(shù)據(jù)結(jié)合結(jié)構(gòu)2.3 圖像文件格式2.3.1 BMP文件格式2.3.2 GIF文件格式2.3.3 TIFF文件格式2.3.4 JPEG文件格式2.3.5 DICOM文件格式2.3 圖像文件格式2.3.1 BMP文件格式 不經(jīng)過(guò)壓縮直接按位存盤的文件格式，稱

12、為位圖（bitmap）。2.3.2 GIF文件格式 GIF（graphic Interchange Format）是由CompuServe公司設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的文件存儲(chǔ)格式，用于存儲(chǔ)圖形，也可以用來(lái)存儲(chǔ)256色圖像。擴(kuò)展名為gif。2.3 圖像文件格式2.3.3 TIFF文件格式 TIFF（Tagged Image File Format）是相對(duì)經(jīng)典、功能很強(qiáng)的圖像文件存儲(chǔ)格式，擴(kuò)展名為tif或tiff。2.3.4 JPEG文件格式 由（國(guó)際）聯(lián)合圖像專家組（Joint Photographic Experts Group）提出的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)文件格式，是面向常規(guī)彩色圖像及其它靜止圖像的一種壓縮標(biāo)

13、準(zhǔn)。擴(kuò)展名為jpg或jpeg。 2.3.5 DICOM文件格式 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 是醫(yī)學(xué)圖像文件存儲(chǔ)格式，為各類醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的存檔、傳輸和共享而起草和頒布的。DICOM格式支持幾乎所有的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像設(shè)備，例如CT、MR、DR、超聲、內(nèi)窺鏡、電子顯微鏡等，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)傳輸技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要組成部分。DICOM文件的常見(jiàn)擴(kuò)展名為DCM。2.3 圖像文件格式2.4 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)2.4.1 圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)2.4.1 圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)T 歸一化方均誤差211211

14、( , )( , ) ( , )JKjkJKjkf j kf j kNMSEf j k1 1 1 11 11 11 1 1 11 22 1( , ) ( , )1 1 1 11 22 11 1 1 11 11 1f j kf j kNMSET 峰值方均誤差T等效信噪比 21121()( , )( , ) JKjkfj kfj kJKPMSEA1010log ()PSNRPMSE 2.4.1 圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)PSNRPMSEf(j,k)被變換的圖像場(chǎng)，Af(j,k )的最大值T 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究是圖像信息工程的基本技術(shù)之一。 光電變換傳輸處理記錄其他變換T圖像增強(qiáng)：就是為了改善圖像的主觀視覺(jué)

15、顯示質(zhì)量 T圖像復(fù)原：是用于補(bǔ)償圖像的降質(zhì)，使復(fù)原后的圖像接近原像 T圖像編碼技術(shù) :在保持被編碼圖像一定質(zhì)量的前提下， 以盡量少的碼字來(lái)表示圖像，以節(jié)省信道和儲(chǔ)存器容量2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)T基本概念圖像逼真度（Fidelity）描述被評(píng)價(jià)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的偏離程度圖像可懂度（Intelligibility) 表示圖像能向 人或機(jī)器提供信息的能力2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)T 外行、內(nèi)行 主觀評(píng)價(jià)：采用目視觀察和主觀感覺(jué)評(píng)價(jià)圖像的質(zhì)量 絕對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)圖像作參考。 “全優(yōu)度尺度”： 非常好圖像 5分 好圖像 4分 中等圖像 3分 差圖像 2分 非常差圖像 1分2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)

16、價(jià)相對(duì)評(píng)價(jià)圖像好到壞分類，比較。 “群優(yōu)度尺度”最好、稍好一批中最好的圖像 7分比該批的平均水平好的圖像 6分稍好于該批的平均水平圖像 5分該批平均水平的圖像 4分稍次于該批的平均水平圖像 3分比該批的平均水平差的圖像 2分一批中最差的圖像 1分2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)Matlab 讀圖舉例 Tclear;clc;Tx=girl.bmp;Tfid=fopen(x);Tm=512; n=256; Ty=fread(fid,m,n); Tfclose(fid);Timagesc(y)2040608010012050100150200250300350400450500Tclear;clc;c

17、lf;Tx=girl.bmp;Tfid=fopen(x);Tm=512; n=131; Ty=fread(fid,m,n); Timagesc(y)Tcolormap(gray)2040608010012050100150200250300350400450500Tclear;clc;clf;Tx=girl.bmp;Tfid=fopen(x);Tm=512; n=256; Ty=fread(fid,m,n); Ty=rot90(y);Timagesc(y)Tcolormap(gray)5010015020025030035040045050020406080100120Tclear;clc;clf;Tx=girl.bmp;Tfid=fopen(x);Tm=512; n=256; Ty=fread(fid,m,n); Ty=rot90(y);Timagesc(y(:,60:310)Tcolormap(gray)5010015020025020406080100120Tclear;clc;clf;Tx=lena.bmp;Tfid=fopen(x);T