第1章-數(shù)字圖像基礎(chǔ)20160907

1、第一章第一章 數(shù)字圖像基礎(chǔ)數(shù)字圖像基礎(chǔ)Chapter 1 Digital Image Fundamentals “One picture is worth more than ten thousand words”Anonymous3教材數(shù)字圖像處理, 禹晶, 孫衛(wèi)東, 肖創(chuàng)柏. 機械工業(yè)出版社, 2015.Office: 信北402Mail: WeChat: LIONXIAO4參考書“Digital Image Processing”, Rafael C. Gonzalez & Richard E. Woods, Addison-Wesley, 2002.數(shù)字圖像處理, R.C.Go

2、nzalez , Richard E.Woods著, 阮秋琦, 阮宇智等譯, 電子工業(yè)出版社.數(shù)字圖像處理的MATLAB實現(xiàn)(第2版), Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods, Steven L. Eddins, 阮秋琦譯,清華大學(xué)出版社.圖像工程(第2版), 章毓晉(著), 清華大學(xué)出版社5Journals & Conferences in Image Processing Journals: IEEE T IMAGE PROCESSING IEEE T PATTERN ANALYSIS MACHINE INTELLIGENCE INTL J CO

3、MP. VISION PATTERN RECOGNITION Conferences: CVPR: Comp. Vision and Pattern Recognition ICCV:IntlConfonComputerVision ACM Multimedia ICIP: IntlConfon Image Processing ECCV:EuropeanConfonComputerVision ICASSP:IntlConfon Acoustics, Speech and Signal Processing6Grading Policy Assignments: 20% Quiz: 10%

4、Final Exam: 70% Total: 100% 7Class Web Page http:/ Class lectures posted Assignments distributed8Teaching Assistant 汪海龍 Mail at: Mobile: 188108158209章節(jié)安排第1章 數(shù)字圖像基礎(chǔ)第2章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)第3章 空域圖像增強第4章 頻域變換第5章 頻域圖像增強第6章 圖像復(fù)原第7章 彩色圖像處理第8章 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)圖像處理第9章 圖像分割第10章 小波變換與多分辨率分析第11章 圖像壓縮編碼第12章 表示與描述Contents數(shù)字圖像的概念數(shù)字圖像的多

5、樣性圖像數(shù)據(jù)量圖像數(shù)字化數(shù)字圖像的常見失真類型11什么是數(shù)字圖像？ 數(shù)字圖像定義為二維的亮度函數(shù) ， 和 表示空間坐標(biāo)， 是關(guān)于坐標(biāo) 的函數(shù)值，與成像于該點的光強成正比。 空間坐標(biāo)和亮度函數(shù)的值都是有限的、離散的數(shù)值。數(shù)字圖像的成像過程12什么是數(shù)字圖像？數(shù)字化的空間位置稱為像素（Pixel），數(shù)字化的亮度值稱為灰度值。1 pixel13圖像獲取Images are typically generated by illuminating a scene and absorbing the energy reflected by the objects in that sceneIncoming

6、 energy lands on a sensor material responsive to that type of energy and this generates a voltageCollections of sensors are arranged to capture imagesImaging SensorLine of Image SensorsArray of Image Sensors14圖像獲取 數(shù)字圖像的儲存方式以像素為單位，傳感器陣列上每一個感光元對應(yīng)數(shù)字圖像中的一個像素，每一個像素值反映了自然場景中相應(yīng)成像點的亮度。自然場景及其對應(yīng)的數(shù)字圖像15數(shù)字圖像表示

7、用二維函數(shù) 表示一幅數(shù)字圖像， 表示像素的空間坐標(biāo)。設(shè)其空間分辨率為 MN， 用矩陣表示為，數(shù)字圖像的坐標(biāo)約定16空間分辨率The spatial resolution of an image is determined by how sampling was carried outSpatial resolution simply refers to the smallest discernable detail in an image Vision specialists will often talk about pixel size Graphic designers will tal

8、k about dots per inch (DPI)5.1 Megapixels17數(shù)字圖像的多樣性 成像多樣化 將電磁波的各個波段按照波長或頻率的遞增或遞減順序依次排列形成電磁波譜。 電子成像可以通過幾乎任何一種電磁波輻射轉(zhuǎn)換成電信號形成數(shù)字圖像。依據(jù)波長排列的電磁波譜18成像多樣性發(fā)光物體不透明物體透明/半透明物體放射源放射線光線反射線透射線成像傳感器 成像方式分類： 反射成像是由物體表面反射的電磁波到達(dá)成像傳感器而成像； 發(fā)光成像是物體本身輻射的電磁波到達(dá)成像傳感器而成像； 吸收成像是由于一部分透過物體的電磁波到達(dá)成像傳感器而成像。三種成像方式示意圖 (a) 清華大學(xué)禮堂可見光圖像 (

9、b) 紅外成像 (e) 頸椎CR圖像 (d)多光譜衛(wèi)星遙感圖像 (c) 日光成像 (f) 主動脈造影成像三種成像方式的典型例子20尺度多樣性圖像的尺度多樣性表現(xiàn)在，從圖像反映的實體尺寸看，可以小到電子顯微鏡圖像，大到航空、航天遙感圖像，甚至天文望遠(yuǎn)鏡圖像。 日常觀察物體或場景 天文望遠(yuǎn)鏡 電子顯微鏡(a) 普通數(shù)碼相機拍攝的自然場景圖像(b) 遠(yuǎn)距離拍攝的地球和星系圖像不同尺度實體的圖像(c)顯微鏡下拍攝的胎兒和細(xì)胞圖像22圖像數(shù)據(jù)量 根據(jù)圖像的數(shù)據(jù)量，將圖像主要分為4類： 二值圖像 灰度圖像 索引圖像 真彩色圖像23二值圖像的數(shù)據(jù)表示圖像數(shù)據(jù)量 二值圖像二值圖像中每一個像素僅占用1位，灰度值

10、為0或1，其中，0表示黑色，1表示白色，因而俗稱黑白圖像。24灰度圖像的數(shù)據(jù)表示圖像數(shù)據(jù)量 灰度圖像灰度圖像在黑與白之間有多級灰色深度。在常用的成像和顯示設(shè)備中，灰度圖像中每一個像素的灰度級通常采用8 位表示，具有 個灰度級，每一個灰度像素占用1個字節(jié)。25索引圖像的數(shù)據(jù)表示圖像數(shù)據(jù)量 索引圖像索引圖像包含顏色查找表，通過查找映射的方法表示彩色圖像的顏色。 顏色查找表通常用一個維數(shù)為 的數(shù)組來表示， 為索引圖像的像素值總數(shù)，每一行的3維向量為R、G、B顏色分量。26真彩色圖像的數(shù)據(jù)表示圖像數(shù)據(jù)量 真彩色圖像真彩色圖像中每一個彩色像素用一個3維向量來表示，由R、G、B顏色分量組成。 R、G、B顏

11、色分量各占用8 位表示相應(yīng)顏色分量的亮度，每一個顏色分量各有256個灰度級，這3個字節(jié)組合可以產(chǎn)生 萬種不同的顏色。27圖像數(shù)字化 圖像數(shù)字化的過程包括采樣和量化兩個步驟，對空間坐標(biāo) 離散化稱為采樣采樣，對亮度值 離散化稱為量化量化。 采樣是對水平方向和垂直方向的空間位置進行光柵化；量化是對亮度進行離散化?；译A灰度0127255黑灰白采樣量化28圖像數(shù)字化 采樣是圖像在空間上的離散化，常用的采樣網(wǎng)格有正方形點陣和正六邊形點陣結(jié)構(gòu)。 視網(wǎng)膜上分布的視神經(jīng)細(xì)胞的排列方式為正六邊形結(jié)構(gòu)，且這些細(xì)胞在水平方向和垂直方向上相比在對角方向上對高頻信號有更高的光敏感度。因此，正六邊形采樣網(wǎng)格更符合人眼的視覺

12、特性。正方形點陣結(jié)構(gòu)正六邊形點陣結(jié)構(gòu)采樣與量化的圖釋(a) 高分辨率圖像 (b) 低采樣率重采樣圖像 (c) 低灰階重量化圖像 (d)重新光柵化的低分辨率圖像30ISO12233標(biāo)準(zhǔn)分辨率測試卡空間分辨率 空間分辨率由采樣決定，反映了圖像數(shù)字化的像素密度，反映了圖像的有效像素。31空間分辨率為 256256、128128 、6464 、3232的圖像 (a) 256256 (b) 128128 (c) 6464 (d) 3232空間分辨率對圖像質(zhì)量的影響 在保持圖像灰度級分辨率不變的條件下，對圖像逐級下采樣?？臻g分辨率越低，可辨細(xì)節(jié)越差。32雙線性插值圖像對比，尺寸均為256256空間分辨率對

13、圖像質(zhì)量的影響 由于欠采樣過程中的細(xì)節(jié)損失，低分辨率插值圖像趨于邊緣模糊。 簡單的插值放大僅能增加圖像的像素數(shù)，并不能提高圖像的空間分辨率。33Intensity Level Resolution 灰度級分辨率由量化決定，指可分辨的最小灰階變化。 The more intensity levels used, the finer the level of detail discernable in an image Intensity level resolution is usually given in terms of the number of bits used to store e

14、ach intensity levelNumber of BitsNumber of Intensity Levels122441682561665,53634 (a) 8位（256個灰度級） (b) 4位（64個灰度級） (c) 2位（4個灰度級） (d) 1位（2個灰度級）灰度級分辨率對圖像質(zhì)量的影響灰度級分辨率對數(shù)字圖像質(zhì)量的影響35顏色深度對數(shù)字圖像質(zhì)量的影響 (a) 24位，1670萬色 (b) 8位，256色灰度級分辨率對圖像質(zhì)量的影響36Resolution: How Much Is Enough?The big question with resolution is alway

15、s how much is enough? This all depends on what is in the image and what you would like to do with it Key questions include Does the image look aesthetically pleasing? Can you see what you need to see within the image?37Resolution: How Much Is Enough? The picture on the right is fine for counting the

16、 number of cars, but not for reading the number plate38Resolution: How Much Is Enough?Low DetailMedium DetailHigh Detail39 (a) 8位灰度圖像 (b) 因子8的下采樣圖像 (c) 重量化的4位深度圖像Resolution: How Much Is Enough?對于細(xì)節(jié)相對豐富的圖像來說，空間分辨率對圖像質(zhì)量影響較大，而灰度級分辨率對圖像質(zhì)量影響較小。細(xì)節(jié)對分辨率的要求40Resolution: How Much Is Enough?對于灰度相對平坦的圖像，灰度級分辨率對

17、圖像質(zhì)量影響較大，而空間分辨率對圖像質(zhì)量影響較小。細(xì)節(jié)對分辨率的要求 (a) 8位灰度圖像 (b) 因子8的下采樣圖像 (c) 重量化的4位深度圖像41數(shù)字圖像的常見失真類型 混疊效應(yīng) 香農(nóng)采樣定理表明，若信號是帶限的，并且采樣頻率高于信號最大頻率的2倍奈奎斯特頻率，則可以無失真地從采樣信號中完全重建出原來的連續(xù)信號。 當(dāng)采樣間隔過大時，由于采樣頻率小于奈奎斯特頻率，而引起頻譜的高頻成分發(fā)生相互交疊，頻譜重疊導(dǎo)致失真。圖像混疊示意圖42數(shù)字圖像的常見失真類型混疊效應(yīng)圖例 (a)無混疊圖像 (b) 混疊圖像43模糊效應(yīng)圖例 (a) 無模糊圖像 (b) 運動模糊圖像 (c) 散焦模糊圖像數(shù)字圖像的

18、常見失真類型 模糊效應(yīng) 長時間曝光過程中成像設(shè)備與成像場景的相對運動而造成的運動模糊； 光學(xué)鏡頭散焦、大氣湍流、短時間曝光而造成的散焦模糊。44塊效應(yīng)圖例(a) 高質(zhì)量的無塊效應(yīng)圖像 (b) 中等質(zhì)量的塊效應(yīng)圖像 (c) 質(zhì)量差的塊效應(yīng)圖像數(shù)字圖像的常見失真類型 塊效應(yīng) 在相鄰塊之間引入的非連續(xù)性，視覺上看似馬賽克的效果。 塊效應(yīng)主要是由于對圖像分塊處理而引起的塊狀失真。 在圖像壓縮編碼中，分塊離散余弦變換編碼和分塊運動補償是造成塊效應(yīng)的兩個主要原因。45噪聲圖例 (a) 無噪聲圖像 (b) 泊松噪聲圖像 (c) 高斯噪聲圖像 (d) 脈沖噪聲圖像數(shù)字圖像的常見失真類型 噪聲 成像傳感器是相機系統(tǒng)的感光器件，噪聲是指感光器件接收光信號并輸出的過程中產(chǎn)生的異常像素。 根據(jù)噪聲的分布和統(tǒng)計特征，成像系統(tǒng)的噪聲源可以分為光電散粒噪聲、讀出噪聲和脈沖噪聲