數(shù)字圖像處理的基本概念(ppt)課件

1、數(shù)字圖像處理的基本概念(ppt)（優(yōu)選）數(shù)字圖像處理的基本概念對于正常的人來說，眼睛在沒有調(diào)節(jié)的自然狀態(tài)時，無限遠(yuǎn)物體正好成像在視網(wǎng)膜上。而觀察近處物體時，晶狀體通過收縮使前面的曲率半徑變小、焦距縮短，使物體成像在視網(wǎng)膜上。正常人眼在適度照度下，觀看250mm距離的物體最清楚而且最省力，不易疲勞。人們把這一距離稱為“明視距離”。當(dāng)你第一次進(jìn)入一個比較亮的環(huán)境時, 例如, 當(dāng)從一個電影院進(jìn)入到一個很亮的環(huán)境時，人眼會產(chǎn)生明適應(yīng)過程（可能出現(xiàn)閃光盲）。 明適應(yīng)比暗適應(yīng)要快得多，一般只需要1分鐘左右便可基本完成.起初會感到強(qiáng)光刺眼，眼睛睜不開，但很快便能看清楚周圍的景物。Dark Adaptatio

2、n暗適應(yīng)暗適應(yīng)包括兩種生理過程：瞳孔大小的變化和視網(wǎng)膜感光化學(xué)物質(zhì)的變化。從光亮處進(jìn)入黑暗環(huán)境，瞳孔的直徑可以從2mm擴(kuò)大到8mm，使進(jìn)入人眼的光線增強(qiáng)16倍，但是這一適應(yīng)范圍是有限的。在黑暗中，視網(wǎng)膜邊緣部分的視桿細(xì)胞的感受性逐漸提高，視覺能力也逐漸提高。在視桿細(xì)胞內(nèi)有一種為視紫紅質(zhì)的感光化學(xué)物質(zhì)，收到光的刺激時被“漂白”。當(dāng)進(jìn)入黑暗的環(huán)境中，視紫紅質(zhì)重新合成。視覺的暗適應(yīng)是由視紫紅質(zhì)重新合成的程度相應(yīng)的。在黑暗中停留的初期，暗適應(yīng)進(jìn)行的比較快，眼睛的感受性迅速提高。而在后期，暗適應(yīng)進(jìn)行的比較慢。在黑暗中停留半小時，視覺感受性提高約十萬倍。經(jīng)過45分鐘以后則達(dá)到完全暗適應(yīng)。紅光只對視錐細(xì)胞起

3、作用，而對視桿細(xì)胞不起作用。故視桿細(xì)胞的視紫紅質(zhì)不為紅色所“漂白”，所以紅色光不阻礙細(xì)胞的暗適應(yīng)過程。在暗室工作的人們，例如從事X光檢查的醫(yī)生，在進(jìn)入光亮環(huán)境之前戴上墨鏡（或紅色眼睛），當(dāng)再次回到暗室工作時，他的視覺感受性仍能保持原來的狀態(tài)，不需要再重新暗適應(yīng)。重要的信號燈，車輛的尾燈采用紅燈也是有利于暗適應(yīng)。夜間飛機(jī)駕駛艙的儀表采用紅光照明，這既能保證飛行員看清儀表，有能保證視覺的暗適應(yīng)狀態(tài)。3-Color Mixer Newtons ExperimentHue Saturation and Brightness眼見為實？馬赫帶效應(yīng)Mach bandsColor Influences Dis

4、tance PerceptionThis is called a Kanizsa figure after the person who invented it. If you look carefully you will probably see the edges of the entire triangle, even though the triangle is defined only by the notches in the red disks.Kanizsa IllusionWhich is longer, the red line or the blue line? Use

5、 a ruler to find out the answer. Select the answer to double check on your result.Mueller-Lyer Illusion更高層次的視覺認(rèn)知心理文化東方歌舞團(tuán)的演員在演出西班牙響板舞火之戀。暖色 冷色2.1.1 采樣 圖像在空間上的離散化稱為采樣。也就是用空間上部分點的灰度值代表圖像，這些點稱為采樣點。由于圖像是一種二維分布的信息，為了對它進(jìn)行采樣操作，需要先將二維信號變?yōu)橐痪S信號，再對一維信號完成采樣。 具體做法是，先沿垂直方向按一定間隔從上到下順序地沿水平方向直線掃描，取出各水平線上灰度值的一維掃描。而后再

6、對一維掃描線信號按一定間隔采樣得到離散信號，即先沿垂直方向采樣， 再沿水平方向采樣這兩個步驟完成采樣操作。 類比一維信號電壓流量txy二維圖象對一幅圖像采樣時，若每行（即橫向）像素為M個，每列（即縱向）像素為N個，則圖像大小為MN個像素。 在進(jìn)行采樣時，采樣點間隔的選取是一個非常重要的問題， 它決定了采樣后圖像的質(zhì)量，即忠實于原圖像的程度。采樣間隔的大小選取要依據(jù)原圖像中包含的細(xì)微濃淡變化來決定。一般， 圖像中細(xì)節(jié)越多，采樣間隔應(yīng)越小。根據(jù)一維采樣定理，若一維信號g(t)的最大頻率為， 以T1/2為間隔進(jìn)行采樣，則能夠根據(jù)采樣結(jié)果g(iT) (i=, -1, 0, 1， )完全恢復(fù)g(t)，

7、即 式中 圖2-2 采樣示意圖 2.1.2 量化 模擬圖像經(jīng)過采樣后，在時間和空間上離散化為像素。但采樣所得的像素值（即灰度值）仍是連續(xù)量。把采樣后所得的各像素的灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱為圖像灰度的量化。圖2-3（a）說明了量化過程。若連續(xù)灰度值用z來表示，對于滿足zizzi+1的z值，都量化為整數(shù)qi。qi稱為像素的灰度值，z與qi的差稱為量化誤差。 一般，像素值量化后用一個字節(jié)8 bit來表示。如圖2-3（b）所示，把由黑灰白的連續(xù)變化的灰度值， 量化為0255共256級灰度值，灰度值的范圍為0255，表示亮度從深到淺， 對應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。 圖2-3 量化示意圖（a） 量化

8、； (b) 量化為8 bit 連續(xù)灰度值量化為灰度級的方法有兩種，一種是等間隔量化， 另一種是非等間隔量化。等間隔量化就是簡單地把采樣值的灰度范圍等間隔地分割并進(jìn)行量化。對于像素灰度值在黑白范圍較均勻分布的圖像，這種量化方法可以得到較小的量化誤差。該方法也稱為均勻量化或線性量化。 為了減小量化誤差，引入了非均勻量化的方法。非均勻量化是依據(jù)一幅圖像具體的灰度值分布的概率密度函數(shù)，按總的量化誤差最小的原則來進(jìn)行量化。具體做法是對圖像中像素灰度值頻繁出現(xiàn)的灰度值范圍，量化間隔取小一些，而對那些像素灰度值極少出現(xiàn)的范圍，則量化間隔取大一些。由于圖像灰度值的概率分布密度函數(shù)因圖像不同而異， 所以不可能找

9、到一個適用于各種不同圖像的最佳非等間隔量化方案。因此， 實用上一般都采用等間隔量化。 2.1.3 采樣與量化參數(shù)的選擇 一幅圖像在采樣時，行、列的采樣點與量化時每個像素量化的級數(shù)，既影響數(shù)字圖像的質(zhì)量，也影響到該數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的大小。假定圖像取MN個樣點，每個像素量化后的灰度二進(jìn)制位數(shù)為Q，一般Q總是取為2的整數(shù)冪，即Q=2k, 則存儲一幅數(shù)字圖像所需的二進(jìn)制位數(shù)b為 （2-2）字節(jié)數(shù)B為 （2-3） 對一幅圖像，當(dāng)量化級數(shù)Q一定時，采樣點數(shù)MN對圖像質(zhì)量有著顯著的影響。如圖2-4所示，采樣點數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好； 當(dāng)采樣點數(shù)減少時，圖上的塊狀效應(yīng)就逐漸明顯。同理， 當(dāng)圖像的采樣點數(shù)一定時，采

10、用不同量化級數(shù)的圖像質(zhì)量也不一樣。如圖2-5所示，量化級數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當(dāng)量化級數(shù)越少時，圖像質(zhì)量越差，量化級數(shù)最小的極端情況就是二值圖像， 圖像出現(xiàn)假輪廓。 分辨率不同 的圖象比較分辨率 640 x480分辨率 320 x240分辨率 160 x120分辨率 80 x60圖2-4 不同采樣點數(shù)對圖像質(zhì)量的影響（a）原始圖像(256256)；（b）采樣圖像1(128128)；（c） 采樣圖像2(6464)； （d）采樣圖像3(3232)； （e）采樣圖像4(1616)；（f） 采樣圖像5(88) 圖2-5 不同量化級別對圖像質(zhì)量的影響（a） 原始圖像(256色)； （b） 量化圖像1(6

11、4色)； （c） 量化圖像2(32色)； （d） 量化圖像3(16色)； （e） 量化圖像4(4色)； （f） 量化圖像5(2色) 1972年1997年 一般，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時, 為了得到質(zhì)量較好的圖像可采用如下原則： （1） 對緩變的圖像， 應(yīng)該細(xì)量化， 粗采樣， 以避免假輪廓。 （2） 對細(xì)節(jié)豐富的圖像， 應(yīng)細(xì)采樣， 粗量化， 以避免模糊（混疊）。 對于彩色圖像，是按照顏色成分紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8 bit量化，即每種顏色量級別是256， 則可以處理256256256=16 777 216種顏色。 數(shù)字圖像類型 為了方便地處理數(shù)字圖像，根據(jù)

12、數(shù)字圖像的特性將其分成不同的類型。靜態(tài)圖像可分為矢量(Vector)圖和位圖（Bitmap）， 位圖也稱為柵格圖像。 矢量圖是用一系列繪圖指令來表示一幅圖，如AutoCAD中的繪圖語句。這種方法的本質(zhì)是用數(shù)學(xué)(更準(zhǔn)確地說是幾何學(xué))公式描述一幅圖像。圖像中每一個形狀都是一個完整的公式，稱為一個對象。對象是一個封閉的整體，所以定義圖像上對象的變化和對象與其他對象的關(guān)系對計算機(jī)來說是簡單的， 所有這些變化都不會影響到圖像中的其他對象。 公式化表示圖像使得矢量圖具有兩個優(yōu)點：一是它的文件數(shù)據(jù)量很?。欢菆D像質(zhì)量與分辨率無關(guān)，這意味著無論將圖像放大或縮小了多少次，圖像總是以顯示設(shè)備允許的最大清晰度顯示。

13、在計算機(jī)計算與顯示一幅圖像時，也往往能看到畫圖的過程。但是，矢量圖有一個明顯的缺點，就是不易制作色調(diào)豐富或色彩變化太多的圖像，而且繪出來的圖像不是很逼真，同時也不易在不同的軟件間交換文件。在Corel Draw和Adobe Illustrator中生成的圖像均為矢量圖 位圖是通過許多像素點表示一幅圖像，每個像素具有顏色屬性和位置屬性。位圖可以從傳統(tǒng)的相片、幻燈片上制作出來或使用數(shù)字相機(jī)得到， 也可以利用Windows的畫筆(Painbrush)用顏色點填充網(wǎng)格單元來創(chuàng)建位圖。位圖又可以分成如下四種： 線畫稿LineArt)、灰度圖像(GrayScale)、索引顏色圖像(Index Color)

14、和真彩色圖像（True Color）。 2.2.1 位圖 1. 線畫稿 線畫稿只有黑白兩種顏色，這種形式通常也稱為“黑白藝術(shù)”、 “位圖藝術(shù)”、 “一位元藝術(shù)”。用掃描儀掃描圖像，當(dāng)設(shè)置成LineArt格式時， 掃描儀以一位顏色模式來看待圖像。若樣點顏色為黑，則掃描儀將相應(yīng)的像素位元置為0， 否則置為1。線畫稿適合于由黑白兩色構(gòu)成而沒有灰度陰影的圖像。 2. 灰度圖像 在灰度圖像中，像素灰度級用8 bit表示，所以每個像素都是介于黑色和白色之間的256（28=256）種灰度中的一種。灰度圖像只有灰度顏色而沒有彩色。我們通常所說的黑白照片，其實包含了黑白之間的所有灰度色調(diào)。從技術(shù)上來說，就是具有

15、從黑到白的256種灰度色域（Gamut）的單色圖像。 3 . 索引圖像 在介紹索引圖像之前，我們首先了解PC機(jī)是如何處理顏色的。大多數(shù)掃描儀都是以24位模式對圖像進(jìn)行采樣，即可以從圖像中采樣出1670萬種不同的顏色。用這種方式獲得的顏色通常稱為RGB顏色。顏色深度為每像素24位的數(shù)字圖像是目前所能獲取、瀏覽和保存的顏色信息最豐富的彩色圖像，由于它所表達(dá)的顏色遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人眼所能辨別的范圍，故將其稱為“真彩色”。 在真彩色出現(xiàn)之前， 由于技術(shù)上的原因，計算機(jī)在處理時并沒有達(dá)到每像素24位的真彩色水平，為此人們創(chuàng)造了索引顏色。索引顏色通常也稱為映射顏色， 在這種模式下，顏色都是預(yù)先定義的，并且可供選

16、用的一組顏色也很有限， 索引顏色的圖像最多只能顯示256種顏色。一幅索引顏色圖像在圖像文件里定義，當(dāng)打開該文件時，構(gòu)成該圖像具體顏色的索引值就被讀入程序里，然后根據(jù)索引值找到最終的顏色。 4. 真彩色圖像 真彩色圖像將像素的色彩能力推向了頂峰?！罢娌噬笔荝GB顏色的另一種流行的叫法。從技術(shù)角度考慮， 真彩色是指寫到磁盤上的圖像類型， 而RGB顏色是指顯示器的顯示模式。RGB圖像的顏色是非映射的，它可以從系統(tǒng)的“顏色表”里自由獲取所需的顏色，這種圖像文件里的顏色直接與PC機(jī)上的顯示顏色相對應(yīng)。在真彩色圖像中，每一個像素由紅、綠和藍(lán)三個字節(jié)組成， 每個字節(jié)為8 bit，表示0到255之間的不同的

17、亮度值，這三個字節(jié)組合可以產(chǎn)生1670萬種不同的顏色。 評價掃描儀的幾個技術(shù)參數(shù) 每單位長度內(nèi)所包含的象素定義為掃描分辨率，通常以ppi(pixels per inch)表示。用來衡量掃描儀所能提供的細(xì)節(jié)的細(xì)微程度。目前市場上通常以兩個參數(shù)來定義掃描儀的分辨率：光學(xué)分辨率、最大插值分辨率。光學(xué)分辨率是指由掃描儀的光學(xué)系統(tǒng)在每英寸內(nèi)實際能夠采集到的象素數(shù)，包括垂直方向和水平方向兩個數(shù)值。插值分辨率是一個人為增大的分辨率。掃描儀運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算，通過預(yù)掃來預(yù)測每相鄰兩象素之間的顏色，在有差異的象素點間補(bǔ)充新的象素點，從而增大圖像分辨率。分辨率的設(shè)定1.如果掃描圖像僅用來作屏幕顯示或網(wǎng)絡(luò)上使用，考慮計算

18、機(jī)分辨率一般為72ppi，只需將掃描分辨率設(shè)定為72ppi就可以了。2.如果最終圖像輸出在激光打印機(jī)上，要考慮打印的加網(wǎng)線數(shù)（lpi），通常加網(wǎng)線高于133線時，掃描分辨率為輸出設(shè)備網(wǎng)線數(shù)的2倍，例如，當(dāng)打印機(jī)的加網(wǎng)線數(shù)為150線時，掃描分辨率可設(shè)為300ppi；加網(wǎng)線數(shù)低于133線時，掃描分辨率為輸出設(shè)備網(wǎng)線的1.5倍，如打印機(jī)的加網(wǎng)線數(shù)為133線時，掃描分辨率可設(shè)為200ppi。3.如果使用噴墨打印機(jī)進(jìn)行輸出，通常將掃描分辨率設(shè)定在125-200ppi就已經(jīng)足夠了。4.掃描后的圖像如果進(jìn)行放大縮小，掃描分辨率=掃描原大圖像時采用的分辨率*縮放倍率。直 方 圖 直方圖的基本概念 如果將圖像中

19、像素亮度（灰度級別）看成是一個隨機(jī)變量， 則其分布情況就反映了圖像的統(tǒng)計特性，這可用Probability Density Function (PDF)來刻畫和描述，表現(xiàn)為灰度直方圖（Histogram）?；叶戎狈綀D是灰度級的函數(shù)，它表示圖像中具有某種灰度級的像素的個數(shù)，反映了圖像中每種灰度出現(xiàn)的頻率， 如圖4-1所示?；叶戎狈綀D的橫坐標(biāo)是灰度級，縱坐標(biāo)是該灰度級出現(xiàn)的頻度，它是圖像最基本的統(tǒng)計特征。 直方圖的計算 灰度直方圖的計算非常簡單，依據(jù)定義，在離散形式下， 用rk代表離散灰度級，用pr(rk)代表pr(r)，并且有下式成立： 式中：nk為圖像中出現(xiàn)rk級灰度的像素數(shù)，n是圖像像素總數(shù)，而nk/n即為頻數(shù)。在直角坐標(biāo)系中做出rk與pr(rk)的關(guān)系圖形，即稱為該圖像的直方圖。設(shè)若圖像具有L級灰度（通常L=256，即8位灰度級），則大小為MN的灰度圖像f(x, y) 的灰度直方圖pBuffer0L-1可用如下算法得到： 設(shè)r代表圖像中像素灰度級，作歸一化處理后，r將被限定在0, 1之內(nèi)。在灰度級中，r=0代表黑，r=1代表白。對于一幅給定的圖像來說，每一個像素取得