數(shù)字圖像處理PPT 第2章圖像獲取

1、1Digital Image Processing 數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理2第二章第二章 圖像獲取圖像獲取34圖像圖像景物景物采樣采樣圖像圖像數(shù)字?jǐn)?shù)字圖像圖像),(yxf),( yxgs),( yxgd),(yxp圖圖2.1 圖像采集系統(tǒng)圖像采集系統(tǒng) ),(*),(),(yxpyxhyxf52.2 2.2 連續(xù)圖像模型連續(xù)圖像模型 6連續(xù)圖像的表達(dá)式連續(xù)圖像的表達(dá)式 代表像源的空間輻射能量分布代表像源的空間輻射能量分布 ),(tyxC標(biāo)準(zhǔn)觀察者對(duì)圖像光函數(shù)的亮度響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)觀察者對(duì)圖像光函數(shù)的亮度響應(yīng)光場(chǎng)的瞬時(shí)光亮度計(jì)量光場(chǎng)的瞬時(shí)光亮度計(jì)量0)(),(),(dVtyxCtyxYs相對(duì)光效函數(shù)，即

2、人視覺(jué)的光譜響應(yīng)相對(duì)光效函數(shù)，即人視覺(jué)的光譜響應(yīng) )(sV7連續(xù)圖像的表達(dá)式連續(xù)圖像的表達(dá)式 0)(),(),(dRtyxCtyxRs0)(),(),(dGtyxCtyxGs0)(),(),(dBtyxCtyxBs標(biāo)準(zhǔn)觀察者對(duì)圖像的色響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)觀察者對(duì)圖像的色響應(yīng)82.4 2.4 圖像數(shù)字化圖像數(shù)字化 9n采樣采樣n量化量化n數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像的表示n采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像的關(guān)系采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像的關(guān)系n數(shù)字化設(shè)備數(shù)字化設(shè)備圖像數(shù)字化的兩個(gè)具體過(guò)程：圖像數(shù)字化的兩個(gè)具體過(guò)程：n采樣：空間上的離散化采樣：空間上的離散化n量化：灰度上的離散化量化：灰度上的離散化10)()()(xsx

3、fxfs)()()(xnTxxsTnnsnTxxfxf)()()(Ts11112 mnynyxmxyxs),(),(iyxjjviuyxvuS),(1),(yxyx1,11314 mnsynyxmxynxmfyxsyxfyxg),(),(),(),(),(),(),(),(vuSvuFvuGs iyxjsjviuFyxvuG),(1),(152.4 圖像數(shù)字化 一一. .圖像的采樣圖像的采樣 定義：空間坐標(biāo)定義：空間坐標(biāo)(x,y)(x,y)的數(shù)字化被稱為圖像采樣的數(shù)字化被稱為圖像采樣 結(jié)果：確定水平和垂直方向上的像素個(gè)數(shù)結(jié)果：確定水平和垂直方向上的像素個(gè)數(shù)M M 、N N 位圖圖像位圖圖像圖像

4、分辨率圖像分辨率2.4 圖像數(shù)字化 二二. .圖像的量化圖像的量化 定義：將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過(guò)程定義：將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過(guò)程 結(jié)果：將結(jié)果：將f f 映射到映射到Z Z的處理的處理Z Z的最大取值，確定像素的灰度級(jí)數(shù)的最大取值，確定像素的灰度級(jí)數(shù)G = 2G = 2m m， 如如256256T連續(xù)信號(hào)（采樣、量化）連續(xù)信號(hào)（采樣、量化）數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)2.4 圖像數(shù)字化 三三. .數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像中的每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)于矩陣中相應(yīng)的元素?cái)?shù)字圖像中的每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)于矩陣中相應(yīng)的元素圖像運(yùn)算矩陣運(yùn)算圖像運(yùn)算矩陣運(yùn)算) 1, 1() 1 , 1()0 , 1(

5、) 1, 1 () 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0() 1 , 0()0 , 0(nmfmfmfnfffnfffF2.4 圖像數(shù)字化 2.4 圖像數(shù)字化 四四. .采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系數(shù)字化方式：均勻采樣、量化數(shù)字化方式：均勻采樣、量化 非均勻采樣、量化非均勻采樣、量化所謂所謂“均勻均勻”，指的是采樣、量化為等間隔。，指的是采樣、量化為等間隔。所謂所謂“非均勻非均勻”，指的是采樣、量化為非等間隔，指的是采樣、量化為非等間隔2.4 圖像數(shù)字化 四四. .采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系n非均勻的圖像采

6、樣非均勻的圖像采樣n在灰度級(jí)變化尖銳的區(qū)域，用細(xì)膩的采樣，在灰度級(jí)在灰度級(jí)變化尖銳的區(qū)域，用細(xì)膩的采樣，在灰度級(jí)比較平滑的區(qū)域，用粗糙的采樣比較平滑的區(qū)域，用粗糙的采樣2.4 圖像數(shù)字化 四四. .采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系n非均勻的圖像量化非均勻的圖像量化n在邊界附近使用較少的灰度級(jí)。剩余的灰度級(jí)可用于在邊界附近使用較少的灰度級(jí)。剩余的灰度級(jí)可用于灰度級(jí)變化比較平滑的區(qū)域灰度級(jí)變化比較平滑的區(qū)域n避免或減少由于量化的太粗糙，在灰度級(jí)變化比較平避免或減少由于量化的太粗糙，在灰度級(jí)變化比較平滑的區(qū)域出現(xiàn)假輪廓的現(xiàn)象滑的區(qū)域出現(xiàn)假輪廓的現(xiàn)象圖像數(shù)字化一般采

7、用均勻采樣和均勻量化方式圖像數(shù)字化一般采用均勻采樣和均勻量化方式25即上述討論的等間隔采樣。當(dāng)對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)目有所即上述討論的等間隔采樣。當(dāng)對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)目有所限制時(shí)，比如說(shuō)限制時(shí)，比如說(shuō)NN個(gè)采樣點(diǎn)，此時(shí)可以根據(jù)圖像的特性采用自個(gè)采樣點(diǎn)，此時(shí)可以根據(jù)圖像的特性采用自適應(yīng)采樣方案，有可能獲得更好的效果。適應(yīng)采樣方案，有可能獲得更好的效果。 的基本思想是：在圖像函數(shù)值變化較大的區(qū)的基本思想是：在圖像函數(shù)值變化較大的區(qū)域采用精細(xì)的采樣，在相對(duì)平滑的區(qū)域采用粗糙的采樣。這種自適域采用精細(xì)的采樣，在相對(duì)平滑的區(qū)域采用粗糙的采樣。這種自適應(yīng)采樣方案又稱為非均勻采樣。應(yīng)采樣方案又稱為非均勻采樣。 ，一幅在均勻背景

8、上疊加了一幢房屋的圖像。顯然，該圖，一幅在均勻背景上疊加了一幢房屋的圖像。顯然，該圖像的背景只有極少的細(xì)節(jié)信息，用粗糙的采樣來(lái)表示已經(jīng)足夠。另像的背景只有極少的細(xì)節(jié)信息，用粗糙的采樣來(lái)表示已經(jīng)足夠。另一方面，圖像上的房屋含有大量的細(xì)節(jié)信息，在該區(qū)域增加采樣點(diǎn)一方面，圖像上的房屋含有大量的細(xì)節(jié)信息，在該區(qū)域增加采樣點(diǎn)就可以改善整體效果，特別是當(dāng)就可以改善整體效果，特別是當(dāng)N較小時(shí)尤其如此。較小時(shí)尤其如此。2.4 圖像數(shù)字化 四四. .采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系2.4 圖像數(shù)字化 四四. .采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)

9、系2.4 圖像數(shù)字化 四四. .采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系2.4 圖像數(shù)字化 四四. .采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系 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。 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)

10、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。32 256 256 128 128 64 64 32 3233 L=16 L=8 L=4 L=2圖像的質(zhì)量圖像的質(zhì)量1.1.平均亮度平均亮度 2.2.對(duì)比度對(duì)比度 是是指指一一幅幅圖象中灰度圖象中灰度反差反差的大的大小。小。 對(duì)比度對(duì)比度= =最最大亮度大亮度/ /最小最小亮度亮度3.3.清晰度清晰度 由圖像邊緣灰度由圖像邊緣灰度變化的速度來(lái)描述。變化的速度來(lái)描述。4.4.分解力或分辨率分解力或分辨率2.4 圖像數(shù)字化 五五. .數(shù)字化設(shè)備數(shù)字化設(shè)備n采樣孔（采樣孔（Sampling aperture）

11、n圖像掃描機(jī)構(gòu)圖像掃描機(jī)構(gòu)n光傳感器光傳感器n量化器量化器n輸出存儲(chǔ)體輸出存儲(chǔ)體數(shù)字化器的類型很多，目前用得較多的圖像數(shù)字化設(shè)備數(shù)字化器的類型很多，目前用得較多的圖像數(shù)字化設(shè)備有掃描儀、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)。有掃描儀、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)。2.4 圖像數(shù)字化 數(shù)字照相機(jī)數(shù)字照相機(jī)鏡頭、感光器件（鏡頭、感光器件（CCD或或CMOS）、）、MPU（微處理（微處理器）、內(nèi)置存儲(chǔ)器、器）、內(nèi)置存儲(chǔ)器、LCD（液晶顯示器）、（液晶顯示器）、PC卡（可卡（可移動(dòng)存儲(chǔ)器）和接口（計(jì)算移動(dòng)存儲(chǔ)器）和接口（計(jì)算機(jī)接口、電視機(jī)接口）等部機(jī)接口、電視機(jī)接口）等部分組成分組成 2.4 圖像數(shù)字化 數(shù)字照相機(jī)數(shù)字照相機(jī)

12、CompactFlash存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)卡MemoryStick PCMCIA存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備 2.4 圖像數(shù)字化 掃描儀掃描儀常見(jiàn)分辨率常見(jiàn)分辨率2.4 圖像數(shù)字化 數(shù)字化設(shè)備的性能評(píng)價(jià)數(shù)字化設(shè)備的性能評(píng)價(jià)項(xiàng)項(xiàng) 目目?jī)?nèi)內(nèi) 容容空間分辨率空間分辨率單位尺寸能夠采樣的像素?cái)?shù)。由采樣孔徑與間距的大小和單位尺寸能夠采樣的像素?cái)?shù)。由采樣孔徑與間距的大小和可變范圍決定可變范圍決定灰（色）度分灰（色）度分辨率辨率量化為多少等級(jí)（位深度），顏色數(shù)（色深度）量化為多少等級(jí)（位深度），顏色數(shù)（色深度）圖像大小圖像大小儀器允許掃描的最大圖幅儀器允許掃描的最大圖幅量測(cè)特征量測(cè)特征數(shù)字化器所測(cè)量和量化的實(shí)際物理參數(shù)及精度數(shù)

13、字化器所測(cè)量和量化的實(shí)際物理參數(shù)及精度掃描速度掃描速度采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度噪聲噪聲數(shù)字化器的噪聲水平（應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差）數(shù)字化器的噪聲水平（應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差）其他其他黑白黑白/彩色，價(jià)格，操作性能等彩色，價(jià)格，操作性能等422.2.5 5 數(shù)字圖像的基本概念數(shù)字圖像的基本概念 43) 1, 1() 1 , 1()0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0() 1 , 0()0 , 0(NMfMfMfNfffNfffM和和N為正整數(shù)為正整數(shù)矩陣中的每個(gè)元素稱為圖像單元，又稱為圖像元素，或簡(jiǎn)稱矩陣中的每個(gè)元素稱為圖像單元，又稱為圖

14、像元素，或簡(jiǎn)稱 44在一幅二進(jìn)制圖像中，每一個(gè)像素將取兩個(gè)離散數(shù)值（在一幅二進(jìn)制圖像中，每一個(gè)像素將取兩個(gè)離散數(shù)值（0或或1）中的一個(gè)。二進(jìn)制圖像使用中的一個(gè)。二進(jìn)制圖像使用uint8或雙精度類型的數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)?；螂p精度類型的數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)。索引圖像是一種把像素直接作為索引圖像是一種把像素直接作為RGB調(diào)色板下標(biāo)的圖像。在調(diào)色板下標(biāo)的圖像。在MATLAB中，索引圖像包含一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣中，索引圖像包含一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣X和一個(gè)顏色映射（調(diào)和一個(gè)顏色映射（調(diào)色板）矩陣色板）矩陣map。數(shù)據(jù)矩陣可以是數(shù)據(jù)矩陣可以是unit8、unit16或雙精度類型的或雙精度類型的。顏色映射矩陣。顏色映射矩陣map是一個(gè)是一個(gè)m

15、 3的數(shù)據(jù)陣列，其中每個(gè)元素的值的數(shù)據(jù)陣列，其中每個(gè)元素的值均為均為0,1之間的雙精度浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，之間的雙精度浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，map矩陣中的每一行分別表矩陣中的每一行分別表示紅色、綠色和藍(lán)色的顏色值。索引圖像可把像素的值直接映射示紅色、綠色和藍(lán)色的顏色值。索引圖像可把像素的值直接映射為調(diào)色板數(shù)值，每個(gè)像素的顏色通過(guò)使用為調(diào)色板數(shù)值，每個(gè)像素的顏色通過(guò)使用X的像素值作為的像素值作為map的的下標(biāo)來(lái)獲得，如值下標(biāo)來(lái)獲得，如值1指向指向map的第一行，值的第一行，值2指向第二行，以此類指向第二行，以此類推。推。45灰度圖像通常由一個(gè)灰度圖像通常由一個(gè)unit8、unit16或雙精度類型的數(shù)組來(lái)描述或雙精

16、度類型的數(shù)組來(lái)描述，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣I，如式如式(2.6.1)。該矩陣中的數(shù)據(jù)均代表。該矩陣中的數(shù)據(jù)均代表了在一定范圍內(nèi)的灰度級(jí)，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于圖像的一個(gè)像素點(diǎn)，了在一定范圍內(nèi)的灰度級(jí)，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于圖像的一個(gè)像素點(diǎn)，通常通常0代表黑色，代表黑色，1、255或或65535（針對(duì)不同的存儲(chǔ)類型）代表白（針對(duì)不同的存儲(chǔ)類型）代表白色。色。多幀圖像是一種包含多幅圖像或幀的圖像文件，又稱為多頁(yè)圖像多幀圖像是一種包含多幅圖像或幀的圖像文件，又稱為多頁(yè)圖像或圖像序列，主要用于需要對(duì)時(shí)間或場(chǎng)景上相關(guān)圖像集合進(jìn)行操作或圖像序列，主要用于需要對(duì)時(shí)間或場(chǎng)景上相關(guān)圖像集合進(jìn)行操作的場(chǎng)合

17、。例如，磁諧振圖像切片或電影幀等。在的場(chǎng)合。例如，磁諧振圖像切片或電影幀等。在MATLAB中，它是中，它是一個(gè)四維數(shù)組，其中第四維用來(lái)指定幀的序號(hào)。一個(gè)四維數(shù)組，其中第四維用來(lái)指定幀的序號(hào)。46RGB圖像又稱為真彩圖像，它是利用圖像又稱為真彩圖像，它是利用R、G、B三個(gè)分量表示一個(gè)三個(gè)分量表示一個(gè)像素的顏色，像素的顏色，R、G、B分別代表紅、綠、藍(lán)三種不同的基本顏色，分別代表紅、綠、藍(lán)三種不同的基本顏色，通過(guò)三基色可以合成出任意顏色。所以對(duì)一個(gè)尺寸為通過(guò)三基色可以合成出任意顏色。所以對(duì)一個(gè)尺寸為M N的真彩圖的真彩圖像來(lái)說(shuō)，在像來(lái)說(shuō)，在MATLAB中則存儲(chǔ)為一個(gè)中則存儲(chǔ)為一個(gè)M N 3的多維數(shù)

18、據(jù)矩陣。的多維數(shù)據(jù)矩陣。RGB圖像不使用調(diào)色板，每一個(gè)像素的顏色直接由存儲(chǔ)在相應(yīng)位置圖像不使用調(diào)色板，每一個(gè)像素的顏色直接由存儲(chǔ)在相應(yīng)位置的紅、綠、藍(lán)顏色分量的組合來(lái)確定。每個(gè)像素的三個(gè)顏色分量都的紅、綠、藍(lán)顏色分量的組合來(lái)確定。每個(gè)像素的三個(gè)顏色分量都存儲(chǔ)在矩陣的第三維中，如坐標(biāo)存儲(chǔ)在矩陣的第三維中，如坐標(biāo)(16, 36)處的紅、綠、藍(lán)顏色值分處的紅、綠、藍(lán)顏色值分別保存在元素別保存在元素(16, 36, 2)、(16, 36, 4)和和(16, 36, 6)中。中。4748V是用于定義連接性的灰度值集合是用于定義連接性的灰度值集合在二值圖像中，如果把在二值圖像中，如果把 具有具有1值的像素歸入連接的，則值的像素歸入連接的，則V=1 4連接連接：2個(gè)像素個(gè)像素p和和r在在V中取值，且中取值，且r在在N4(p)中，則它們?yōu)橹校瑒t它們?yōu)?連接；連接；8連接連接：2個(gè)像素個(gè)像素p和和r在在V中取值，且中取值，且r在在N8(p)中，則它們?yōu)橹?，則它們?yōu)?連接；連接；49從具有坐標(biāo)從具有坐標(biāo)(x,