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)2.1 顏色的基本知識(shí)2.2 圖像數(shù)字化2.3 常見(jiàn)圖像文件格式2.4 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 顏色模式顏色模式（顏色空間）是用來(lái)定義或描述顏色（顏色空間）是用來(lái)定義或描述顏色的一組規(guī)則。利用不同的規(guī)則，可形成不同的顏色的一組規(guī)則。利用不同的規(guī)則，可形成不同的顏色模式。在多媒體計(jì)算機(jī)的圖像處理過(guò)程中，通常使模式。在多媒體計(jì)算機(jī)的圖像處理過(guò)程中，通常使用用RGBRGB、HSIHSI、CMYKCMYK等多種顏色模式。等多種顏色模式。2.1 顏色的基本知識(shí)顏色的基本知識(shí)2）混色（三基色光按不同比例相加可產(chǎn)生混色光）（三基色光按不同比例相加可產(chǎn)生混色光） T各種彩色光，都可由紅（各種彩色

2、光，都可由紅（R）、綠（）、綠（G）、藍(lán)（）、藍(lán)（B）三種顏色光按不同比例相配而成；三種顏色光按不同比例相配而成；紅藍(lán)綠白黃青紫1）三基色原理）三基色原理1、RGB顏色模式 紅色紅色+綠色綠色=黃色黃色 紅色紅色+藍(lán)色藍(lán)色=紫色紫色 綠色綠色+藍(lán)色藍(lán)色=青色青色 紅色紅色+綠色綠色+藍(lán)色藍(lán)色=白色白色 所謂所謂RGBRGB顏色模式，就是用紅（顏色模式，就是用紅（R R）、綠（）、綠（G G）、藍(lán)（）、藍(lán)（B B）三種基本顏色來(lái)表示任意彩色。根據(jù)三基色原理，在三種基本顏色來(lái)表示任意彩色。根據(jù)三基色原理，在RGBRGB顏色顏色模式中，任意彩色光模式中，任意彩色光F F的配色方程可寫成：的配色方程可

3、寫成： F= rR+gG+bBF= rR+gG+bB 其中其中r r、g g、b b分別代表對(duì)應(yīng)色的分別代表對(duì)應(yīng)色的比例系數(shù)，比例系數(shù)， R R、 G G、 B B分別分別代表代表F F色光的紅綠藍(lán)三色分量。色光的紅綠藍(lán)三色分量。通過(guò)三個(gè)分量的不同比例，在屏幕上合成所需的任意顏色。通過(guò)三個(gè)分量的不同比例，在屏幕上合成所需的任意顏色。 混色原理屬于混色原理屬于“加性加性”顏色形成方法，計(jì)算機(jī)顯示器顏色形成方法，計(jì)算機(jī)顯示器就是采用這種原理產(chǎn)生顏色的。就是采用這種原理產(chǎn)生顏色的。在顯示器屏幕的背面涂滿在顯示器屏幕的背面涂滿了能發(fā)出不同色光（紅、綠、藍(lán)）的化學(xué)物點(diǎn)，當(dāng)電子束了能發(fā)出不同色光（紅、綠、

4、藍(lán)）的化學(xué)物點(diǎn)，當(dāng)電子束掃描到這些點(diǎn)時(shí)，它們就會(huì)發(fā)光。電子束按逐行掃描方式掃描到這些點(diǎn)時(shí)，它們就會(huì)發(fā)光。電子束按逐行掃描方式對(duì)屏幕上的所有點(diǎn)進(jìn)行掃描，掃描一遍就會(huì)形成一幀彩色對(duì)屏幕上的所有點(diǎn)進(jìn)行掃描，掃描一遍就會(huì)形成一幀彩色圖像。圖像。 特別提示：特別提示：T 這種彩色系統(tǒng)格式的設(shè)計(jì)反映了這種彩色系統(tǒng)格式的設(shè)計(jì)反映了人類觀察人類觀察彩色的方式。如：紅色又分為淺紅和深紅色彩色的方式。如：紅色又分為淺紅和深紅色等等。等等。T HSI顏色模式是從人的視覺(jué)系統(tǒng)出發(fā)，用顏色模式是從人的視覺(jué)系統(tǒng)出發(fā)，用色度（色度（Hue）、）、飽和度（飽和度（Saturation）和亮和亮度（度（Intensity）來(lái)描

5、述色彩。來(lái)描述色彩。2、HSI顏色模式 T I： 表示光照強(qiáng)度或稱為表示光照強(qiáng)度或稱為亮度亮度，它確定了像素的整，它確定了像素的整體亮度，而不管其顏色是什么。體亮度，而不管其顏色是什么。2、HSI顏色模式 TH：表示表示色度色度，由角度表示。反映了該顏色，由角度表示。反映了該顏色最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)（既彩虹中的那種最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)（既彩虹中的那種顏色）顏色）0o為紅色，為紅色，120o為綠色，為綠色，240o為藍(lán)色為藍(lán)色。2、HSI顏色模式 TS：表示飽和度，表示飽和度，是指顏色的鮮艷程度或純是指顏色的鮮艷程度或純度，即摻入白光的程度。度，即摻入白光的程度。T飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)到彩

6、色點(diǎn)的半徑長(zhǎng)飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)到彩色點(diǎn)的半徑長(zhǎng)度。度。在環(huán)的外圍圓周是純的或稱飽和的顏色在環(huán)的外圍圓周是純的或稱飽和的顏色，其飽和度值為，其飽和度值為1。在中心是中性（灰）影。在中心是中性（灰）影調(diào)，即飽和度為調(diào)，即飽和度為0。2、HSI顏色模式 人的視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)常采用人的視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)常采用HSI色彩空間，它比色彩空間，它比RGB色彩空間更符合人的視覺(jué)特性。在圖像色彩空間更符合人的視覺(jué)特性。在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中大量使用處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中大量使用HSI顏色模式顏色模式。特別提示：特別提示：3、CMY顏色模式 CMYCMY顏色模式是采用青（顏色模式是采用青（CyanCyan）、品紅（）、品紅（

7、MagentaMagenta）、）、黃（黃（YellowYellow）三種基本顏色按一定比例合成顏色的方法）三種基本顏色按一定比例合成顏色的方法。它。它通過(guò)顏料未吸收而反射出來(lái)的光線來(lái)判斷顏色的，其原理稱通過(guò)顏料未吸收而反射出來(lái)的光線來(lái)判斷顏色的，其原理稱為為“減色減色”原理原理。 青色顏料：吸收紅光青色顏料：吸收紅光品紅顏料：吸收綠光品紅顏料：吸收綠光黃色顏料：吸收藍(lán)光黃色顏料：吸收藍(lán)光例如：當(dāng)白光照到青色顏料上，紅光被吸收，返例如：當(dāng)白光照到青色顏料上，紅光被吸收，返回綠光和藍(lán)光，所以呈現(xiàn)青色?；鼐G光和藍(lán)光，所以呈現(xiàn)青色。3、CMY顏色模式 雖然理論上利用雖然理論上利用CMYCMY三基色混

8、合可以制作出所需要的各種三基色混合可以制作出所需要的各種色彩，但實(shí)際上色彩，但實(shí)際上同量的同量的CMY CMY 混合后并不能產(chǎn)生完善的黑色或混合后并不能產(chǎn)生完善的黑色或灰色灰色，因此在，因此在印刷時(shí)必須加上一個(gè)黑色（印刷時(shí)必須加上一個(gè)黑色（BlackBlack），），由于字由于字母母B B已經(jīng)用來(lái)表示藍(lán)色，因此黑色選用單詞已經(jīng)用來(lái)表示藍(lán)色，因此黑色選用單詞BlackBlack的最后一個(gè)的最后一個(gè)字母字母“K K”來(lái)表示，這樣來(lái)表示，這樣又稱為又稱為CMYKCMYK顏色模式顏色模式。3、CMY顏色模式 彩色打印和彩色印刷都是采用彩色打印和彩色印刷都是采用CMYKCMYK彩色模式實(shí)現(xiàn)彩彩色模式實(shí)現(xiàn)

9、彩色輸出的色輸出的。因此，當(dāng)要。因此，當(dāng)要將將MPCMPC上的顯示圖像通過(guò)彩色打上的顯示圖像通過(guò)彩色打印機(jī)輸出時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將印機(jī)輸出時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將RGBRGB彩色模式轉(zhuǎn)換為彩色模式轉(zhuǎn)換為CMYKCMYK彩彩色模式表示色模式表示。從理論上講，。從理論上講，RGBRGB與與CMYCMY彩色模式是互補(bǔ)的，彩色模式是互補(bǔ)的，可以互相轉(zhuǎn)換，但實(shí)際上因?yàn)榘l(fā)射光與反射光的性質(zhì)完可以互相轉(zhuǎn)換，但實(shí)際上因?yàn)榘l(fā)射光與反射光的性質(zhì)完全不同，顯示器上看到的顏色不可能精確地在打印機(jī)上全不同，顯示器上看到的顏色不可能精確地在打印機(jī)上復(fù)制出來(lái)，因此復(fù)制出來(lái)，因此同一彩色圖像的顯示與打印顏色會(huì)有細(xì)同一彩色圖像的顯示與打印

10、顏色會(huì)有細(xì)微差別。微差別。 特別提示： 圖像數(shù)字化是將一幅圖像轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能處理的形圖像數(shù)字化是將一幅圖像轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能處理的形式式數(shù)字圖像的過(guò)程。數(shù)字圖像的過(guò)程。2.2 數(shù)字化原理 圖像采樣過(guò)程就是圖像空間離散化的過(guò)程，即將空間上連續(xù)圖像采樣過(guò)程就是圖像空間離散化的過(guò)程，即將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點(diǎn)的操作。的圖像變換成離散點(diǎn)的操作。 先沿垂直方向采樣，先沿垂直方向采樣， 再沿水平方向采樣這兩個(gè)步驟完成采再沿水平方向采樣這兩個(gè)步驟完成采樣操作。對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像（即時(shí)間域上的連續(xù)圖像），需先在時(shí)樣操作。對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像（即時(shí)間域上的連續(xù)圖像），需先在時(shí)間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣

11、由這三間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣由這三個(gè)步驟完成。個(gè)步驟完成。 采樣采樣2.2 數(shù)字化原理采樣間隔根據(jù)采樣定理確定。設(shè)圖像采樣間隔根據(jù)采樣定理確定。設(shè)圖像f(x,y)的傅立葉變換的傅立葉變換F(u,v)滿足：滿足：則當(dāng)采樣間隔則當(dāng)采樣間隔x和和y滿足條件滿足條件 時(shí)，可由采樣后的圖像精確時(shí)，可由采樣后的圖像精確重建原圖像重建原圖像f(x,y)。式中：式中：uc和和vc分別為在分別為在x方向和方向和y方向的頻譜寬度。方向的頻譜寬度。 otherwisevvuuvuFvuFcc0,),(),(ccvyux2121定義采樣函數(shù)為： mnynyxmxyxs),(),( 量化量化

12、采樣所得的像素值（即灰度值）仍是連續(xù)量。采樣所得的像素值（即灰度值）仍是連續(xù)量。圖像量化過(guò)程圖像量化過(guò)程是圖像灰度幅值的離散化過(guò)程是圖像灰度幅值的離散化過(guò)程。 若連續(xù)灰度值用若連續(xù)灰度值用z來(lái)表示，對(duì)于滿足來(lái)表示，對(duì)于滿足zizzi+1的的z值，都量值，都量化為整數(shù)化為整數(shù)qi。qi稱為像素的灰度值，稱為像素的灰度值，z與與qi的差稱為量化誤差。的差稱為量化誤差。連 續(xù) 灰 度 值 量 化 值 (整 數(shù) 值 )灰 度 標(biāo) 度 灰 度 量 化Zi1ZiZi1qi1qi125525412812710(a)(b)量化示意圖（a） 量化； (b) 量化為8 bit 表示像素明暗程度的整數(shù)稱為像素的灰度

13、級(jí)（或灰度值或灰度）。 一幅數(shù)字圖像中不同灰度級(jí)的個(gè)數(shù)稱為灰度級(jí)數(shù)，用G表示。一般來(lái)說(shuō)， ，g就是表示存儲(chǔ)圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)。一幅大小為MN、灰度級(jí)數(shù)為G的圖像所需的存儲(chǔ)空間，即圖像的數(shù)據(jù)量，大小為gG2MNg （bit）灰度量化示意圖灰度量化示意圖若各種顏色成分均按若各種顏色成分均按8bit量化，量化，即每種顏色量級(jí)別是即每種顏色量級(jí)別是256， 則可以處理？種顏色。則可以處理？種顏色。 不同量化級(jí)別對(duì)圖像質(zhì)量的影響不同量化級(jí)別對(duì)圖像質(zhì)量的影響 量化級(jí)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當(dāng)量化級(jí)數(shù)越少時(shí)，圖像質(zhì)量量化級(jí)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當(dāng)量化級(jí)數(shù)越少時(shí)，圖像質(zhì)量越差，圖像出現(xiàn)假輪廓。越差，圖

14、像出現(xiàn)假輪廓。2.4 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2.3.1 JPEG文件格式文件格式 當(dāng)前最有效和最基本的壓縮格式。使用當(dāng)前最有效和最基本的壓縮格式。使用ADCT技術(shù)壓技術(shù)壓縮（一種有損壓縮算法），可以設(shè)置壓縮比例。壓縮前和縮（一種有損壓縮算法），可以設(shè)置壓縮比例。壓縮前和壓縮后文件的體積比可達(dá)到壓縮后文件的體積比可達(dá)到2：1至至40：1。擴(kuò)展名為。擴(kuò)展名為jpg或或jpeg。 2.3 圖像文件格式2.3 圖像文件格式2.3.2 BMPBMP文件格式文件格式 Window

15、s自帶格式，圖像格式非常簡(jiǎn)單，最多能存儲(chǔ)自帶格式，圖像格式非常簡(jiǎn)單，最多能存儲(chǔ)224種顏色的位圖，無(wú)壓縮，文件體積大。但是由于種顏色的位圖，無(wú)壓縮，文件體積大。但是由于Windows系統(tǒng)的普及所以該格式應(yīng)用較廣。擴(kuò)展名為系統(tǒng)的普及所以該格式應(yīng)用較廣。擴(kuò)展名為bmp。Jpg 909 KBbmp 5.49 MB2.3 圖像文件格式2.3.2 BMPBMP文件格式文件格式 位圖：位圖：亦稱為點(diǎn)陣圖像或繪制圖像，是由稱作像素（圖片元素）的單個(gè)點(diǎn)組成的。2.3.2 BMPBMP文件格式文件格式 2.3 圖像文件格式矢量圖：矢量圖：使用直線和曲線來(lái)描述圖形，它們都是通過(guò)數(shù)學(xué)公式計(jì)算獲得的。例如一幅花的矢量

16、圖形實(shí)際上是由線段形成外框輪廓，由外框的顏色以及外框所封閉的顏色決定花顯示出的顏色 。2.3 圖像文件格式2.3.2 BMPBMP文件格式文件格式 位圖與矢量圖位圖與矢量圖2.3.3 GIF文件格式文件格式用于網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸。只能保存用于網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸。只能保存256種色彩（即每個(gè)像素使用一種色彩（即每個(gè)像素使用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示），且支持像素透明處理和序列動(dòng)畫(huà)保存。個(gè)字節(jié)來(lái)表示），且支持像素透明處理和序列動(dòng)畫(huà)保存。擴(kuò)展名為擴(kuò)展名為gif。2.3 圖像文件格式2.3 圖像文件格式2.3.3 TIFFTIFF文件格式文件格式 TIFF最大色深為最大色深為32bit，可采用，可采用LZW無(wú)損壓縮方案存儲(chǔ)無(wú)

17、損壓縮方案存儲(chǔ)。TIFF還可支持多層圖層。還可支持多層圖層。2.3.5 DICOM文件格式文件格式 DICOM 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)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。據(jù)的存檔、傳輸和共享而起草和頒布的。DICOM格式格式支持幾乎所有的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像設(shè)備，例如支持幾乎所有的醫(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、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。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)展名為文件的常見(jiàn)擴(kuò)展名為DCM。2.

18、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)T 對(duì)于數(shù)字圖像保真度，常用峰值均方誤差PMSE 對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)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)PSNRf(j,k)被變換的圖像場(chǎng)，Af(j,k )的最大值PSNR的在衡量不同壓縮器時(shí)的作用 (PSNR值25.56時(shí)的效果)(PSNR值29.87時(shí)的效果)PSNR的局限性 T PSNR數(shù)值都是數(shù)值都是27.123，但是單從數(shù)值上，我們并，但是單從數(shù)值上，我們并不能判斷哪一幅更好。不能判斷哪一幅更好。 2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià) 盡管客觀保真度準(zhǔn)則提供了一種簡(jiǎn)單、方便的評(píng)估信盡管客觀保真度準(zhǔn)則提供了一種簡(jiǎn)單、方便的評(píng)估信息損失的方法，但很多圖最終是供人觀看的。事實(shí)上，具息損失的方法，但很多圖最終是供人觀看的。事實(shí)上，具有相同客觀保真度的不同圖像，在人的視覺(jué)中可能產(chǎn)生不有相同客觀保真度的不同圖像，在人的視覺(jué)中可能產(chǎn)生不同的在視覺(jué)效果。這種情況下，用主觀的方法來(lái)測(cè)量圖像同的在視覺(jué)效果。這種情況下，用主觀的方