第二章數(shù)字圖像處理的基本概念數(shù)字圖像處理

1、第二章 數(shù)字圖像處理的基本概念 2.3 圖像數(shù)字化圖像數(shù)字化是將一幅畫面轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能處理的形式數(shù)字圖像的過程。模擬圖像 數(shù)字圖像 正方形點(diǎn)陣 具體來說，就是把一幅圖畫分割成如上圖所示的一個(gè)個(gè)小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域灰度用整數(shù)來表示，形成一幅數(shù)字圖像。它包括采樣和量化兩個(gè)過程。小區(qū)域的位置和灰度就是像素的屬性。 單波段、多波段和超波段圖像2.3.1 采樣將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點(diǎn)的操作稱為采樣。采樣間隔和采樣孔徑的大小是兩個(gè)很重要的參數(shù)。當(dāng)對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)際的抽樣時(shí)，怎樣選擇各抽樣點(diǎn)的間隔是個(gè)非常重要的問題。關(guān)于這一點(diǎn)，圖像包含何種程度的細(xì)微的濃淡變化，取決于希望忠實(shí)反映圖像的程度。

2、2.3.2 量化經(jīng)采樣圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續(xù)的，還不能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過程叫量化。一幅數(shù)字圖像中不同灰度值的個(gè)數(shù)稱為灰度級(jí)數(shù)，用G表示。一般來說，G=2g,g就是表示圖像像素灰 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MNg （bit）黑白圖像:是指圖像的每個(gè)像素只能是黑或白，沒有中間的過渡，故又稱為二值圖像。二值圖像的像素值為0或1。例如灰度圖像:灰度圖像是指每個(gè)像素由一個(gè)量化的灰度值來描述的圖像。它不包含彩色信息。 彩色圖像:彩色圖像是指每個(gè)像素由R、G、B三原色像素構(gòu)成的圖像，其中R

3、、B、G是由不同的灰度級(jí)來描述的。2.3.3 量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系數(shù)字化方式可分為均勻采樣、量化和非均勻采樣、量化。所謂“均勻”,指的是采樣、量化為等間隔。圖像數(shù)字化一般采用均勻采樣和均勻量化方式。非均勻采樣是根據(jù)圖象細(xì)節(jié)的豐富程度改變采樣間距。細(xì)節(jié)豐富的地方，采樣間距小，否則間距大。非均勻量化是對(duì)像素出現(xiàn)頻度少的間隔大，而頻度大的間隔小。采用非均勻采樣與量化，會(huì)使問題復(fù)雜化，因此很少采用。一般來說，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

4、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)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。2.3.4 數(shù)字化器數(shù)字化器必須能夠?qū)D像劃分為若干像素并分別給它們地址，能夠度量每一像素的灰度并量化為整數(shù)，能夠?qū)⑦@些整數(shù)寫入存儲(chǔ)設(shè)備。一、數(shù)字化器組成A 采樣孔：保證單獨(dú)觀測(cè)特定的像素而不受其它部分的影響。B 圖像掃描機(jī)構(gòu)：使采樣孔按預(yù)先確定的方式在圖像上移動(dòng)。C 光傳感器：通過采樣孔測(cè)量圖像的每一個(gè)像素的亮度

5、。D 量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。E 輸出存儲(chǔ)體：將像素灰度值存儲(chǔ)起來.它可以是固態(tài)存儲(chǔ)器,或磁盤等。 常用的數(shù)字化器是掃描儀和數(shù)碼相機(jī)。二、掃描儀工作原理掃描儀是圖像輸入設(shè)備。其工作步驟是:1.將欲掃描的原稿正面朝下鋪在掃描儀的玻璃板上;2.啟動(dòng)掃描儀驅(qū)動(dòng)程序后，安裝在掃描儀內(nèi)部的可移動(dòng)光源通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在控制電路的控制下帶動(dòng)裝著光學(xué)系統(tǒng)和CCD的掃描頭與圖稿進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)來完成掃描。3.照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個(gè)很窄的縫隙，形成橫向光帶，又經(jīng)過一組反光鏡，由光學(xué)透鏡聚焦并進(jìn)入分光鏡,經(jīng)過棱鏡和紅綠藍(lán)三色濾色鏡得到的RGB三條彩色光帶,分別照到各自的CCD上,CCD將R

6、GB光帶轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電子信號(hào),該信號(hào)又被A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信號(hào)。4. 將數(shù)字電子信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)起來。掃描儀的類型有很多種，按掃描儀所掃描對(duì)象來劃分，可分為反射式和透射式兩種。根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)，掃描儀可分為手持式、平板式和滾筒式等幾種。手持式掃描儀這種掃描儀誕生于1987年，是當(dāng)年使用比較廣泛的掃描儀品種，最大掃描寬度為105mm,用手推動(dòng),完成掃描工作,也有個(gè)別產(chǎn)品采用電動(dòng)方式在紙面上移動(dòng),稱為自走式掃描儀。手持式掃描儀掃描幅面太窄，難于操作和捕獲精確圖像，掃描效果也很差。1995 1996年，各掃描儀廠家相繼停產(chǎn)了這一產(chǎn)品，使手持式掃描儀退出了歷史的舞臺(tái).鼓式掃描儀又稱為滾筒式掃描

7、儀.鼓式掃描儀是專業(yè)印刷排版領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品.滾筒式掃描儀的結(jié)構(gòu)特殊，它的工作原理是把原圖貼放在一個(gè)有機(jī)玻璃滾筒上，讓滾筒以一定的速率圍繞一個(gè)光電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，探頭中的亮光源發(fā)射出的光線通過細(xì)小的錐形光圈照射在原圖上，一個(gè)像素一個(gè)像素地進(jìn)行采樣。這種掃描儀的光學(xué)分辨率高、色深高、動(dòng)態(tài)范圍寬，而且輸出的圖像普遍具有色彩還原逼真、陰影區(qū)細(xì)節(jié)豐富、放大效果優(yōu)良等特點(diǎn)。但它的體積大，價(jià)格也很高。 平臺(tái)式掃描儀又稱平板式掃描儀、臺(tái)式掃描儀，這種掃描儀誕生于1984年，是目前掃描儀的主流產(chǎn)品。它的掃描區(qū)域?yàn)橐粔K透明的平板玻璃，將原圖放在這塊玻璃平板上，光源系統(tǒng)通過一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作水平移動(dòng)，發(fā)射出的光線照射在

8、原圖上，經(jīng)反射或透射后，由接收系統(tǒng)接收并生成模擬信號(hào)，再通過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，直接傳送到電腦，由電腦進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成掃描過程。平板式掃描儀的掃描速度、精度、質(zhì)量很好，已得到了很好的普及。 2.4 圖像灰度直方圖 2.4.1 概念一、定義灰度直方圖反映的是一幅圖像中各灰度級(jí)像素出現(xiàn)的頻率。以灰度級(jí)為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為灰度級(jí)的頻率，繪制頻率同灰度級(jí)的關(guān)系圖就是灰度直方圖。它是圖像的一個(gè)重要特征，反映了圖像灰度分布的情況。如下圖是一幅圖像的灰度直方圖。頻率的計(jì)算式為 ： 灰度圖像的直方圖彩色圖像的分波段直方圖二、計(jì)算該圖像像元總數(shù)為8*8=64, i=0,7v0=5/64v1=12/64v2=1

9、8/64v3=8/64v4=1/64v5=5/64v6=8/64v7=5/642.4.2 直方圖的性質(zhì)灰度直方圖只能反映圖像的灰度分布情況，而不能反映圖像像素的位置,即丟失了像素的位置信息。 一幅圖像對(duì)應(yīng)唯一的灰度直方圖，反之不成立。不同的圖像可對(duì)應(yīng)相同的直方圖。下圖給出了一個(gè)不同的圖像具有相同直方圖的例子。 一幅圖像分成多個(gè)區(qū)域，多個(gè)區(qū)域的直方圖之和即為原圖像的直方圖。2.4.3 直方圖的應(yīng)用用于判斷圖像量化是否恰當(dāng)(a) 恰當(dāng)量化 (b)未能有效利用 (c)超過了動(dòng)態(tài)范圍用于確定圖像二值化的閾值具有二峰性的灰度圖象當(dāng)物體部分的灰度值比其它部分灰度值大時(shí)，可利用直方圖統(tǒng)計(jì)圖像中物體的面積。

10、計(jì)算圖像信息量H（熵）2.5 圖像處理算法的形式 2.5.1 圖像處理基本功能的形式按圖像處理的輸出形式，圖像處理的基本功能可分為三種形式。1）單幅圖像 單幅圖像 : 2）多幅圖像 單幅圖像: 3）單（或多）幅圖像 數(shù)字或符號(hào)等:2.5.2 圖像處理的幾種具體算法1.局部處理鄰域:對(duì)于任一像素(i，j),集合（i+p,j+q）,p、q取合適的整數(shù) 叫做該像素的鄰域，如圖（a）。常用的鄰域如圖（b） (c),分別表示中心像素的4-鄰域、8-鄰域。局部處理對(duì)輸入圖像IP（i,j）處理時(shí)，某一輸出像素JP(i,j)值由輸入圖像像素（i,j)及其鄰域N(i,j)中的像素值確定。這種處理稱為局部處理。局

11、部處理的計(jì)算表達(dá)式為例如 對(duì)一幅圖象采用33模板進(jìn)行卷積運(yùn)算.點(diǎn)處理在局部處理中,當(dāng)輸出值JP(i,j)僅與IP(i,j)有關(guān),則稱為點(diǎn)處理,如圖點(diǎn)處理的計(jì)算表達(dá)式為：大局處理 在局部處理中，輸出像素JP(i,j)的值取決于輸入圖像大范圍或全部像素的值，這種處理稱為大局處理。如圖其計(jì)算表達(dá)式為：2.迭代處理反復(fù)對(duì)圖像進(jìn)行某種運(yùn)算直至滿足給定的條件，從而得到輸出圖像的處理形式稱為迭代處理。如下圖圖像的細(xì)化處理過程。 3.跟蹤處理 選擇滿足適當(dāng)條件的像素作為起始像素，檢查輸入圖像和已得到的輸出結(jié)果，求出下一步應(yīng)該處理的像素，進(jìn)行規(guī)定的處理，然后決定是繼續(xù)處理下面的像素，還是終止處理。這種處理形式稱

12、為跟蹤處理。 4.位置不變處理和位置可變處理輸出像素JP(i，j)的值的計(jì)算方法與像素的位置(i，j)無關(guān)的處理稱為位置不變處理或位移不變處理。隨位置不同計(jì)算方法也不同的處理稱為位置可變處理或位移可變處理。5.窗口處理和模板處理對(duì)圖像的處理，一般采用對(duì)整個(gè)畫面進(jìn)行處理，但也有只對(duì)畫面中特定的部分進(jìn)行處理的情況。這種處理方式的代表有窗口處理和模板處理。單獨(dú)對(duì)圖像中選定的矩形區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行處理的方式叫做窗口處理 。希望單獨(dú)處理任意形狀的區(qū)域時(shí)，可采用模板處理。模板：任意形狀的區(qū)域； 模板平面：一個(gè)和處理圖像相同大小的二維數(shù)組，用來存儲(chǔ)模板信息。一般是一幅二值圖像；模板處理：邊參照模板平面邊對(duì)圖象

13、進(jìn)行某種操作若模板成矩形區(qū)域，則與窗口處理具有相同的效果，但窗口處理與模板處理不同之處是后者必須設(shè)置一個(gè)模板平面。 2.6 圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與特征 2.6.1 圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.組合方式 組合方式是一個(gè)字長存放多個(gè)像素灰度值的方式。它能起到節(jié)省內(nèi)存的作用，但導(dǎo)致計(jì)算量增加，使處理程序復(fù)雜。2.比特面方式按比特位存取像素，即將所有像素的相同比特位用一個(gè)二維數(shù)組表示，形成比特面。n個(gè)比特位的灰度圖像采用比特面方式存取就有n個(gè)比特面。這種結(jié)構(gòu)能充分利用內(nèi)存空間，但對(duì)灰度圖像處理耗時(shí)多。 3.分層結(jié)構(gòu)由原始圖像開始依次構(gòu)成像素?cái)?shù)愈來愈少的一幅幅圖像，就能使數(shù)據(jù)表示具有分層性，其代表有錐形(金字塔)結(jié)構(gòu)。

14、 錐形結(jié)構(gòu)是對(duì)2k2k個(gè)像素形成的圖像，看成是分辨率(20202k2k,但2020不具有反映輸入圖像二維構(gòu)造的信息)不同的k+1幅圖像的層次集合。如上圖所示，從輸入圖像I0開始，順序產(chǎn)生像素?cái)?shù)縱橫都變?yōu)?/2的一個(gè)一個(gè)的圖像I1，I2，Ik。此時(shí)，作為圖像Ii的各像素的值，就是它前一個(gè)圖像Ii-1的相應(yīng)的22像素的平均值(一般采用平均值，但也可以采用能表示22像素的性質(zhì)的某個(gè)值)。處理具有這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)像素?cái)?shù)少的(分)圖像進(jìn)行處理，然后根據(jù)需要，進(jìn)到下面的像素?cái)?shù)多的圖像的對(duì)應(yīng)位置，使用較細(xì)的信息進(jìn)行處理。同只對(duì)原始圖像進(jìn)行處理的場(chǎng)合相比，這種先對(duì)粗圖像進(jìn)行處理，并限定應(yīng)該仔細(xì)進(jìn)行處理

15、的范圍，再進(jìn)行精處理的方法，可使處理的效率得到提高。 4.樹結(jié)構(gòu)對(duì)于一幅二值圖像的行、列都接連不斷地二等分，如果圖像被分割部分中的全體像素都變成具有相同的特征時(shí)，這一部分則不再分割。用這種方法，可以把圖像用樹結(jié)構(gòu)(4叉樹)表示。這可以用在特征提取和信息壓縮等方面。5.多重圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 在獲取的彩色圖像（紅、綠、蘭）或多波段圖像中，每個(gè)像素包含著多個(gè)圖像的信息。對(duì)這類圖像數(shù)據(jù)的處理，以多譜圖像為例，有下列三種存儲(chǔ)方式： 逐波段存儲(chǔ)，分波段處理時(shí)采用； 逐行存儲(chǔ)，行掃描記錄設(shè)備采用； 逐像素存儲(chǔ)，用于分類。2.6.2 圖像的特征1圖像的特征1）自然特征 光譜特征 幾何特征 時(shí)相特征 2）人工特征 直方圖特征灰度邊緣特征 線、角點(diǎn)、紋理特征圖像的特征有很多，按提取特征的范圍大小又可分為： 點(diǎn)特征僅由各個(gè)像素就能決定的性質(zhì).如單色圖像中的灰度值.彩色圖像中的紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)成分的值。 局部特征在小鄰域內(nèi)所具有的性質(zhì)，如線和邊緣的強(qiáng)度、方向、密度和統(tǒng)計(jì)量(平均值、方差等)等。 區(qū)域特征在圖像內(nèi)的對(duì)象物(一