數(shù)字圖像處理的概念

數(shù)字圖像處理的概念1.什么是圖像“圖”是物體投射或反射光的分布，“像”是人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖的接受在大腦中形成的印象或反映。是客觀和主觀的結(jié)合。2數(shù)字圖像是指由被稱作象素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。將物理圖象行列劃分后，每個(gè)小塊區(qū)域稱為像素（pixel）。–每個(gè)像素包括兩個(gè)屬性：位置和灰度。對(duì)于單色即灰度圖像而言，每個(gè)象素的亮度用一個(gè)數(shù)值來(lái)表示，通常數(shù)值范圍在0到255之間，即可用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度級(jí)別。物理圖象及對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖象3彩色圖象可以用紅、綠、藍(lán)三元組的二維矩陣來(lái)表示。–通常，三元組的每個(gè)數(shù)值也是在0到255之間，0表示相應(yīng)的基色在該象素中沒(méi)有，而255則代表相應(yīng)的基色在該象素中取得最大值，這種情況下每個(gè)象素可用三個(gè)字節(jié)來(lái)表示。4什么是數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理就是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行各種目的的處理5對(duì)連續(xù)圖像f（x，y）進(jìn)行數(shù)字化:空間上，圖像抽樣;幅度上，灰度級(jí)量化x方向，抽樣M行y方向，每行抽樣N點(diǎn)整個(gè)圖像共抽樣M×N個(gè)像素點(diǎn)一般取M=N=2n=64，128，256，512，1024，20486數(shù)字圖像常用矩陣來(lái)表示：f(i,j)=0~255，灰度級(jí)為256，設(shè)灰度量化為8bit7數(shù)字圖像處理的三個(gè)層次8圖像處理：對(duì)圖像進(jìn)行各種加工，以改善圖像的視覺(jué)效果；強(qiáng)調(diào)圖像之間進(jìn)行的變換；圖像處理是一個(gè)從圖像到圖像的過(guò)程。9圖像分析：對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行提取和分割，獲得目標(biāo)的客觀信息（特點(diǎn)或性質(zhì)），建立對(duì)圖像的描述；以觀察者為中心研究客觀世界；圖像分析是一個(gè)從圖像到數(shù)據(jù)的過(guò)程。10圖像理解：研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系；得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解及原來(lái)客觀場(chǎng)景的解釋；以客觀世界為中心，借助知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)來(lái)推理、認(rèn)識(shí)客觀世界，屬于高層操作（符號(hào)運(yùn)算）11圖像處理、圖像分析和圖像理解是處在三個(gè)抽象程度和數(shù)據(jù)量各有特點(diǎn)的不同層次上。圖像處理是比較低層的操作，它主要在圖像像素級(jí)上進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大。圖像分析則進(jìn)入了中層，分割和特征提取把原來(lái)以像素描述的圖像轉(zhuǎn)變成比較簡(jiǎn)潔的非圖像形式的描述。圖像理解主要是高層操作，基本上是對(duì)從描述抽象出來(lái)的符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，其處理過(guò)程和方法與人類的思維推理有許多類似之處12圖像工程與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系和區(qū)別13數(shù)字圖像處理的歷史與數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)，它必須依靠數(shù)字計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的發(fā)展。14數(shù)字圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域多種多樣。最主要的圖像源是電磁能譜，其他主要的能源包括聲波、超聲波和電子（用于電子顯微鏡）。15伽馬射線成像伽馬射線成像的主要用途包括醫(yī)學(xué)和天文觀測(cè)。16X射線在醫(yī)學(xué)診斷上的應(yīng)用:（a）X光片（b）血管照相術(shù)（c）頭部CAT切片圖像X射線是最早用于成像的電磁輻射源之一X射線在工業(yè)和天文學(xué)上的應(yīng)用（a）電路板（b）天鵝座星環(huán)17紫外光的應(yīng)用多種多樣平板印刷技術(shù)工業(yè)檢測(cè)顯微鏡方法激光生物圖像天文觀測(cè)18可見(jiàn)光及紅外波段成像這一波段的應(yīng)用最為廣泛,電視和多媒體,光顯微鏡;涉及的范圍從藥物到材料特性的檢測(cè)天氣觀測(cè)與預(yù)報(bào)是衛(wèi)星多光譜圖像的主要應(yīng)用領(lǐng)域;圖像識(shí)別19無(wú)線電波段成像主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)和天文學(xué):在醫(yī)學(xué)中，無(wú)線電波用于磁共振成像（MRI)20超聲波圖像產(chǎn)生的步驟：1.超聲波系統(tǒng)向身體傳輸高頻（1～5MHz）聲脈沖。2.聲波傳入體內(nèi)并碰撞組織間的邊緣，聲波的一部分返回到探頭，一部分繼續(xù)傳播直到另一邊界并被反射回來(lái)。3.反射波被探頭收集起來(lái)并傳給計(jì)算機(jī)。4.計(jì)算機(jī)根據(jù)聲波在組織中的傳播速度和每個(gè)回波返回的時(shí)間計(jì)算從探頭到組織或者器官邊界的距離。5.系統(tǒng)在屏幕上顯示回波的距離和亮度形成的二維圖像。21電子顯微鏡成像:過(guò)熱損壞的鎢絲（250倍）;損壞的IC電路（2500倍)22現(xiàn)狀七十年代以來(lái)迅猛發(fā)展。?1：主觀需求：人類從外界獲取得信息60～70％通過(guò)眼睛的圖象信息。?2：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和通信手段的發(fā)展提供客觀可能；以FFT為代表的數(shù)字信號(hào)處理算法和現(xiàn)代信號(hào)處理方法的精確性，靈活性與通用性。?3：數(shù)學(xué)化的特點(diǎn)是該學(xué)科成熟的一個(gè)標(biāo)志。“一種科學(xué)只有在成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時(shí)，才算真正達(dá)到了完美的地步”(分析，代數(shù)，幾何）?總之：是一門(mén)在理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)兩方面獲得極大統(tǒng)一的學(xué)科。23發(fā)展趨勢(shì)1：結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和Internet技術(shù)需求而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，比如網(wǎng)上圖像、視頻的傳輸、點(diǎn)播和新的瀏覽、查詢手段。2：高級(jí)圖像處理技術(shù)，結(jié)合最新的數(shù)學(xué)進(jìn)展，諸如小波、分形、形態(tài)學(xué)等技術(shù)。3：智能化，圖象自動(dòng)分析、識(shí)別與理解。24數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要數(shù)字圖象處理系統(tǒng)由圖象數(shù)字化設(shè)備、圖象處理計(jì)算機(jī)和圖象輸出設(shè)備組成。輸入及數(shù)字化設(shè)備?攝象機(jī)?鼓式掃描器?平臺(tái)式光密度計(jì)?視頻卡?掃描儀?數(shù)碼相機(jī)?DV顯示及記錄設(shè)備?圖象顯示器?鼓式掃描器?圖象拷貝機(jī)?繪圖儀?激光打印機(jī)?噴墨打印機(jī)25數(shù)字圖像處理的主要研究?jī)?nèi)容.圖像變換:傅立葉變換/沃爾什變換/離散余弦變換/小波變換采用各種圖像變換方法對(duì)圖像進(jìn)行間接處理.有利于減少計(jì)算量并進(jìn)一步獲得更有效的處理。圖像壓縮編碼圖像壓縮編碼技術(shù)可以減少描述圖像的數(shù)據(jù)量，以便節(jié)約圖像存儲(chǔ)的空間，減少圖像的傳輸和處理時(shí)間。圖像壓縮有無(wú)損壓縮和有損壓縮兩種方式，編碼是壓縮技術(shù)中最重要的方法，在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早和應(yīng)用最成熟的技術(shù)。主要方法：熵編碼，預(yù)測(cè)編碼，變換編碼，二值圖像編碼、分形編碼……27圖像的增強(qiáng)和復(fù)原圖像增強(qiáng)和復(fù)原的目的是為了改善圖像的視覺(jué)效果，如去除圖像噪聲，提高圖像的清晰度等。圖像增強(qiáng)不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中感興趣的部分。圖像復(fù)原要求對(duì)圖像降質(zhì)的原因有所了解，根據(jù)圖像降質(zhì)過(guò)程建立“退化模型”，然后采用濾波的方法重建或恢復(fù)原來(lái)的圖像。主要方法：灰度修正、平滑、幾何校正、圖像銳化、濾波增強(qiáng)、維納濾波……28圖像分割:圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割將圖像中有意義的特征提取出來(lái)（物體的邊緣、區(qū)域），它是進(jìn)行進(jìn)一步圖像識(shí)別、分析和圖像理解的基礎(chǔ)。雖然目前已研究出了不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒(méi)有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。對(duì)圖像分割的研究還在不斷的深入中，是目前圖像處理研究的熱點(diǎn)方向之一。主要方法：圖像邊緣檢測(cè)、灰度閾值分割、基于紋理分割、區(qū)域增長(zhǎng)……29圖像描述:圖像描述是圖像分析和理解的必要前提。圖像描述是用一組數(shù)量或符號(hào)（描述子）來(lái)表征圖像中被描述物體的某些特征。主要方法：二值圖像的幾何特征、簡(jiǎn)單描述子、形狀數(shù)、傅立葉描述子，紋理描述……30圖像識(shí)別:圖像識(shí)別是人工智能的一個(gè)重要領(lǐng)域，是圖像處理的最高境界。一副完整的圖像經(jīng)預(yù)處理、分割和描述提取有效特征之后，進(jìn)而由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)圖像加以判決分類。31圖像隱藏是指媒體信息的相互隱藏。數(shù)字水印\圖像的信息偽裝32數(shù)字圖像處理應(yīng)用前景:數(shù)字圖像處理除了通信領(lǐng)域的新應(yīng)用外，另一個(gè)重要領(lǐng)域就是生物醫(yī)學(xué)成像與診斷。數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)1人眼的構(gòu)造:鏡頭將光線聚焦，并將物體成像到視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜上有許多光感應(yīng)器叫做圓錐細(xì)胞（6～7百萬(wàn)）和桿細(xì)胞（75～150百萬(wàn)），圓錐細(xì)胞集中在中央凹周圍并對(duì)顏色很敏感，而桿細(xì)胞比較分散，對(duì)低照度比較敏感。光圖像激活視桿體或視錐體時(shí)，發(fā)生光電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生視神經(jīng)脈沖，視覺(jué)系統(tǒng)散布視神經(jīng)中有80萬(wàn)神經(jīng)纖維，視覺(jué)系統(tǒng)傳播視神經(jīng)脈沖。許許多多的視桿體和視錐體相互連接到神經(jīng)纖維上。視覺(jué)系統(tǒng)的可視波長(zhǎng)范圍為=380nm～780nm;視覺(jué)系統(tǒng)的可響應(yīng)的亮度范圍是:1～10個(gè)量級(jí)的幅度范圍。生理學(xué)已證實(shí)，視網(wǎng)膜中有三種視錐體，具有不同的光譜特性，峰值吸收分別在光譜的紅、綠、蘭區(qū)域。吸收曲線有相當(dāng)多的部分是相互重疊的。這是三基色原理的生理基礎(chǔ)。2視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的分布錐狀（cone）視覺(jué)：白晝視覺(jué)，色彩；桿狀（rod）視覺(jué)：夜視覺(jué)，低照度敏感。3人眼的成像:人眼中的肌肉可以用來(lái)改變晶狀體的形狀，并允許我們對(duì)遠(yuǎn)近不同的物體進(jìn)行聚焦。而聚焦到視網(wǎng)膜上圖像會(huì)刺激桿細(xì)胞和圓錐細(xì)胞，最終將信號(hào)發(fā)送到大腦。4物理圖像:我們所感知到的顏色是由光的特性被物體反射而決定的，比如，白光照在綠色物體上，大部分被吸收，而只有綠光被物體反射一般地，圖像是由光照作用于場(chǎng)景并被部分的吸收，同時(shí)被場(chǎng)景中的物體反射

形成的。5人眼的視覺(jué)特性:視覺(jué)是主觀對(duì)客觀的反應(yīng)，是一種主觀感覺(jué)。視覺(jué)包括亮度視覺(jué)和彩色視覺(jué)。6人眼的視覺(jué)特性-視覺(jué)靈敏度何謂視覺(jué)靈敏度呢(視覺(jué)效應(yīng)是由可見(jiàn)光刺激人眼引起的。如果光的輻射功率相同而波長(zhǎng)不同，則引起的視覺(jué)效果也不同，不僅顏色感覺(jué)不同，而且亮度感覺(jué)也不同。為了確定人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感程度，在產(chǎn)生相同亮度感覺(jué)的情況下，測(cè)出各種波長(zhǎng)光的輻射功率Ф(λ)，則：光譜光視效能：K(λ)=1/Ф(λ)用來(lái)衡量視覺(jué)對(duì)波長(zhǎng)為λ的光的敏感程度。)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)λ=555nm時(shí)，有最大的光譜光視效能：Km=K(555)任意波長(zhǎng)光的光譜光視效能K(λ)與Km之比稱為 光譜光視效率（相對(duì)視敏度），用函數(shù)V(λ)表示：V(λ)=K(λ）/KmV(λ)也可用得到相同主觀亮度感覺(jué)時(shí)所需各波長(zhǎng)光的輻射功率Ф(λ）表示： V(λ)=Ф（555）/Ф(λ)人眼的視覺(jué)特性-彩色視覺(jué)彩色三要素亮度是光作用于人眼時(shí)所引起的明亮程度的感覺(jué)。(光功率)色調(diào)是指顏色的類別，是決定色彩本質(zhì)的基本參量。(光波長(zhǎng))色飽和度是指彩色所呈現(xiàn)色彩的深淺程度（或濃度）。色調(diào)與色飽和度合稱為色度。人眼的視覺(jué)特性-人眼分辨力何謂人眼的分辨力呢？人在觀看景物時(shí)人眼對(duì)景物細(xì)節(jié)的分辨能力。人眼對(duì)被觀察物體上剛能分辨的最緊鄰兩黑點(diǎn)或兩白點(diǎn)的視角的倒數(shù)稱為人眼的分辨力或視覺(jué)銳度。人眼的視覺(jué)特性-視覺(jué)對(duì)比度圖像中最大亮度Lmax與最小亮度Lmin的比值C稱為對(duì)比度。C=Lmax/Lmin 例：實(shí)際傳送的景物亮度200-20000cd/m2，電視屏幕亮度2-200cd/m2兩者對(duì)比度都為100重現(xiàn)景物的亮度范圍無(wú)需與實(shí)際景物的相等，只需保持二者的對(duì)比度相同。θdL視亮度——在一定背景亮度環(huán)境下人的主觀亮度感覺(jué)。θdL費(fèi)涅爾系數(shù)（相對(duì)對(duì)比度靈敏度閾）ξ=ΔBmin/B(隨著環(huán)境的不同，在0.005-0.02范圍內(nèi)變化)ΔBmin稱為可見(jiàn)度閾值。人眼的視覺(jué)特性-同時(shí)對(duì)比度感覺(jué)的亮度區(qū)域不是簡(jiǎn)單取決于亮度相同亮度的方塊在不同背景下，感覺(jué)亮度不同；位于中心位置的方塊亮度相同，當(dāng)背景變亮?xí)r，方塊的亮度變暗。一張白紙放在桌子上看上去很白，但用白紙遮蔽眼睛直視明亮的天空時(shí)，紙看起來(lái)總是黑的。7在觀察一個(gè)亮度漸變的邊緣時(shí)，發(fā)現(xiàn)主觀感受在亮度變化部位附近的暗區(qū)和亮區(qū)中分別存在一條更黑和更亮的條帶，稱之為“馬赫帶”。同時(shí)對(duì)比度是面積亮度差引起的現(xiàn)象，馬赫帶是明暗邊界引起的現(xiàn)象。側(cè)抑制效應(yīng)：視覺(jué)信號(hào)并不是單純由一個(gè)視覺(jué)細(xì)胞感覺(jué)產(chǎn)生的，而是由相鄰視覺(jué)細(xì)胞信號(hào)加權(quán)和形成的。Mach帶可用側(cè)抑制機(jī)理來(lái)解釋，可認(rèn)為是局部空間域內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞之間相互作用的結(jié)果。同時(shí)對(duì)比度和馬赫帶效應(yīng)表明，人所感覺(jué)到的亮度并不是強(qiáng)度的簡(jiǎn)單函數(shù)。人眼的視覺(jué)特性-視錯(cuò)覺(jué)人眼的視覺(jué)特性-視覺(jué)惰性視覺(jué)惰性是人眼的重要特性之一，它描述了主觀亮度與光作用時(shí)間的關(guān)系。人眼亮度感覺(jué)變化滯后于實(shí)際亮度變化，以及光線消失后的視覺(jué)殘留現(xiàn)象（稱為視覺(jué)暫留或視覺(jué)殘留），總稱為視覺(jué)惰性。當(dāng)有光脈沖刺激人眼時(shí)，視覺(jué)的建立和消失都需要一定的過(guò)程，光源消失以后，景物影像會(huì)在視覺(jué)中保留一段時(shí)間。視覺(jué)暫留時(shí)間在0.05~0.2秒當(dāng)人眼受周期性的光脈沖照射時(shí)，如果光脈沖頻率不高，則會(huì)產(chǎn)生一明一暗的閃爍感覺(jué)。如果將光脈沖頻率提高到某一定值以上，由于視覺(jué)惰性，眼睛便感覺(jué)不到閃爍，感到是一種均勻的連續(xù)的光刺激。剛好不引起閃爍感覺(jué)的最低頻率，稱為臨界閃爍頻率8人類視覺(jué)感知能力的特點(diǎn)人類視覺(jué)系統(tǒng)在對(duì)物體的識(shí)別上有特殊強(qiáng)大的功能；但在對(duì)灰度、距離和面積的絕對(duì)的估計(jì)上卻有某些欠缺；以傳感器單元的數(shù)目比較：視網(wǎng)膜包含接近1.3億個(gè)光接收器，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CCD片上的傳感器單元數(shù)；和它每次執(zhí)行運(yùn)算的數(shù)目比較：和計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率相比，神經(jīng)處理單元的開(kāi)關(guān)時(shí)間將比之大約慢倍；不論這慢的定時(shí)和大量的接收器，人類的視覺(jué)系統(tǒng)是比計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)要強(qiáng)大得多。它能實(shí)時(shí)分析復(fù)雜的景物以使我們能即時(shí)的反應(yīng)。380nm700nm380nm700nm紫外光紅外光可見(jiàn)光區(qū)546.1nm435.8nm780nm1圖為光譜圖?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)大約在380--780nm之間?？梢?jiàn)光區(qū)之外，還有紅外光區(qū)、紫外光區(qū)。在遙感領(lǐng)域中光譜采樣通常不限于紅外區(qū)、可見(jiàn)光區(qū)、紫外光區(qū)三個(gè)波段，即為多光譜圖像。彩色不僅喜人，且可獲得更多的信息：視覺(jué)僅能感知十余級(jí)灰階,彩色感知但卻能區(qū)分上千種彩色；2彩色可用下面三個(gè)基本屬性描述:色調(diào)（Hue）：色調(diào)表示顏色。飽和度（Saturation）：飽和度是彩色中包含白光的多少。亮度（Brightness或Intensity）：亮度表示感受到的光強(qiáng)度（Luminance）。3顏色紡錘體：顏色紡錘體的垂直軸線上表示列的亮度變化，頂部是白色，沿著灰度過(guò)渡，到底部是黑色。在垂直軸線上越往上亮度越大。水平的圓周表示色調(diào)，圓周上的不同角度的點(diǎn)代表了不同色調(diào)的顏色，如紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等。圓心的色調(diào)是中灰色，它的亮度和該水平圓周上各色調(diào)的亮度相同。從圓心向圓周過(guò)渡表示同一色調(diào)下不同的飽和度。4三基色原理吸收光譜響應(yīng)的峰值分別在光譜的紅(黃綠)、綠、蘭區(qū)域。且吸收曲線有相當(dāng)多的部分是相互重疊的。這是三基色原理的生理基礎(chǔ)。三基色原理三基色相加混色：紅、綠、蘭；（光的三基色）三基色相減混色：青、黃、品紅（顏料的三基色）相減是指吸收或過(guò)濾掉。R,G是黃色Y，R，B是品紅M，G，B是青色C5光和顏料間的差別：光和顏料是對(duì)立的，然而又互輔相成。如果沒(méi)有光的照射，就不能看見(jiàn)物體的顏色，而有色光必須照在不透明的表面上才能看見(jiàn)。RGB發(fā)射光，而CYM反射光。混合所有色彩光形成白色，混合所有顏料形成黑色。同時(shí)觀察這兩種模式，RGB模式是CMY模式的對(duì)立物，就像每一種主體部分都是另一種的從屬部分。利用紅（Red）、藍(lán)（Blue）和綠（Green）三種基本顏色，可以配制出絕大部分肉眼能看到的顏色。像彩色電視機(jī)的顯像管（CRT）以及計(jì)算機(jī)屏幕，都是以這種方式來(lái)混合出各種不同的顏色效果。RGB模式混色原理是以加法來(lái)混合出各種不同彩色。6色彩的描述顏色的描述是通過(guò)建立色彩模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不同的色彩模型對(duì)應(yīng)于不同的處理目的。各種不同的顏色模型之間可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法互相轉(zhuǎn)換7常用的表色系RGB表色系國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定以700nm(紅)、546.1nm(綠)、435.8nm(藍(lán))三個(gè)色光為三基色。又稱為物理三基色。自然界的所有顏色都可以過(guò)選用這三基色按不同比例混合而成。RGB模式的混色原理是以顏色加法來(lái)混合出各種不同的顏色。彩色電視機(jī)的顯像管（CRT）以及計(jì)算機(jī)屏幕，都是以這種方式來(lái)混合出各種不同的顏色效果。如果采用其他色系進(jìn)行了處理，最終一定要轉(zhuǎn)換到RGB色系，才能正常顯示結(jié)果。HSI表色系HSI（HSB）模式是利用色調(diào)（Hue）、色濃度（Saturation）以及亮度（Brightness（Intensity））三種基本向量來(lái)表示一種顏色。Hue：色調(diào)，沿著色調(diào)環(huán)從0度（純紅），120o為綠色，240o為藍(lán)色，再轉(zhuǎn)回360度（純紅）。Saturation：色彩的飽和度。0%時(shí)為灰色，100%時(shí)為純色。Brightness（Intensity）：亮度（強(qiáng)度），0%為黑色，100%時(shí)為白色。所謂的色調(diào)，指的是不同波長(zhǎng)的光譜，例如紅色和綠色便是屬于不同的色調(diào)。色彩的飽和度是指顏色的深淺，例如同樣是紅色，也會(huì)因?yàn)轱柡投鹊牟煌譃樯罴t或淺紅。亮度（強(qiáng)度）則指的是顏色明暗的程度。YUV（電視信號(hào)）表色系：電視信號(hào)發(fā)射時(shí)，轉(zhuǎn)換成YUV形式，接收時(shí)再還原成RGB三基色信號(hào)，由顯像管顯示。目的是為了與黑白電視兼容。在YUV（電視信號(hào)）模式中：Y：亮度；U，V：色差信號(hào)。CMYK表色系白色光也是由三種原色：紅、綠、藍(lán)混合而成的。光譜中原色互補(bǔ)色是淡青色、品紅色和黃色。所以用這三種原色構(gòu)成所有顏色。這三種原色構(gòu)成了CYM色彩模式。在CYM色彩模式中，紅色是品紅色與黃色混合而成，藍(lán)色是淡青色與品紅色混合而成的。CYM色彩模式不流行的原因之一是這些深色的原色是不自然的，而且不容易得到。理論上，利用C、M、Y三種基本色便可以混合為黑色，但是由于考慮到印刷油墨混合的誤差，所以再加進(jìn)一定量的黑色。CMYK是由青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（Yellow）以及黑（Black）四種基本色調(diào)配合成各種不同的顏色，一般應(yīng)用在印刷輸出的分色處理上面。CMYK與RGB所不同的地方，除了組成的基本色不同之外，RGB的合成是采取顏色加法，而CMYK則是采用顏色減法。Lab表色系它的特色是對(duì)色彩的描述完全采用數(shù)學(xué)方式，與系統(tǒng)及設(shè)備無(wú)關(guān)，因此它可以無(wú)偏差地在系統(tǒng)與平臺(tái)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Lab模式是以一個(gè)亮度分量L（Lightness）——范圍是0-100；以及兩個(gè)顏色分量a與b來(lái)表示顏色。a分量是由綠色演變到紅色——范圍是-120-120；而b分量則是由藍(lán)色演變到黃色——范圍是-120-120。人眼所能看見(jiàn)的光、色之范圍較為廣泛，由計(jì)算機(jī)的彩色屏幕按RGB模式或由彩色印刷品按CMYK模式所表示出來(lái)的光與色，只不過(guò)是其中的一部分。而且像RGB、CMYK和Lab三種模式表現(xiàn)的顏色范圍也不相同。YCbCr表色系是常用于彩色圖像壓縮時(shí)的一種彩色模式。Y:代表亮度；Cb、Cr：代表色差。與YUV模式不同的是它充分考慮了色彩組成時(shí)RGB三色的重要因素。YUV考慮的是簡(jiǎn)單，YCbCr考慮的是壓縮時(shí)可以充分取出冗余量。1.簡(jiǎn)述數(shù)字圖像處理的研究?jī)?nèi)容。2.什么是圖像工程？根據(jù)抽象程度和研究方法等的不同，圖像工程可分為哪幾個(gè)層次？每個(gè)層次包含哪些研究?jī)?nèi)容？3.列舉并簡(jiǎn)述常用表色系。8圖像取樣和量化與采樣相關(guān)的概念(分辨率)分辨率傳感器攝像的精確度。通常指要精確測(cè)量和再現(xiàn)一定尺寸的圖像所必需的像素個(gè)數(shù)。單位：像素*像素圖像的量化與數(shù)字圖像的質(zhì)量空間分辨率是圖像中可辨別的最小細(xì)節(jié)。取樣值多少是決定圖像空間分辨率的主要參數(shù)灰度級(jí)別分辨率是指在灰度級(jí)別中可分辨的最小變化。灰度級(jí)數(shù)通常是2的整數(shù)次冪。當(dāng)沒(méi)有必要對(duì)涉及像素的物理分辨率進(jìn)行實(shí)際度量和在原始場(chǎng)景中分析細(xì)節(jié)等級(jí)時(shí)，通常把大小為M×N、灰度為L(zhǎng)級(jí)的數(shù)字圖像稱為空間分辨率為M×N像素、灰度級(jí)分辨率為L(zhǎng)級(jí)的數(shù)字圖像。9圖像數(shù)字化器的功能組件采樣孔：使圖像數(shù)字化器能不受圖像其他部分的影響，而在整幅圖像中掃描特定的獨(dú)立像素單元；掃描器件：使采樣孔以預(yù)先確定的方式在圖像上移動(dòng)，按照順序依次掃描圖像的每一個(gè)像素；光傳感器：測(cè)量每一像素的亮度，將光亮度轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號(hào)；量化器：將傳感器輸出的連續(xù)值轉(zhuǎn)化為整數(shù)值；輸出介質(zhì)：將量化的灰度值以適當(dāng)?shù)母袷酱鎯?chǔ)。 10數(shù)字化器的性能分辨率：?jiǎn)挝怀叽缒軌虿蓸拥南袼財(cái)?shù)，由采樣孔的大小和像素間距的大小決定；灰度級(jí)：量化為多少等級(jí)；圖像大?。涸试S輸入圖像的大小；掃描速度：采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度；11圖像數(shù)字化器的類型主要包括:數(shù)碼相機(jī)膠片掃描儀12常用圖像數(shù)字化設(shè)備：數(shù)字相機(jī)、掃描儀、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)13圖像的文件格式位圖文件有多種格式，常見(jiàn)的文件擴(kuò)展名為BMP、GIF、PCX、PSD、PCD、TIF、JPG等。矢量圖文件的后綴常常是CDR、AI或3DS14數(shù)字圖像通常有兩種表示形式:位圖和矢量圖位圖和矢量圖的比較：A、點(diǎn)位圖由像素構(gòu)成，矢量圖由對(duì)象構(gòu)成

點(diǎn)位圖的基本構(gòu)圖單位是像素，像素包含了色彩信息。包含不同色彩信息的像素的矩陣組合構(gòu)成了千變?nèi)f化的圖像。矢量圖形指由代數(shù)方程定義的線條或曲線構(gòu)成的圖形。矢量圖像由許多矢量圖形元素構(gòu)成，這些圖形元素稱為“對(duì)象”。B、點(diǎn)位圖面向像素繪畫(huà)，矢量圖面向?qū)ο蟆皹?gòu)畫(huà)”

C、點(diǎn)位圖受到像素和分辨率的制約，而矢量圖形不存在這些制約

點(diǎn)位圖是由像素陣列構(gòu)成的圖像，像素的多少和分辨率決定圖像的質(zhì)量。點(diǎn)位圖的縮放也會(huì)影響圖像的質(zhì)量。矢量圖形和設(shè)備無(wú)關(guān)，即和分辨率無(wú)關(guān)。D、點(diǎn)位圖修改麻煩，矢量圖形修改隨心所欲

點(diǎn)位圖是像素的排列，局部移動(dòng)或改變會(huì)影響到其他部分的像素(包括前面講的對(duì)圖像進(jìn)行放大)。在矢量圖形中，一個(gè)圖形對(duì)象的改變，不會(huì)影響其他圖形對(duì)象。E、點(diǎn)位圖難以重復(fù)使用，矢量圖形可以隨意重復(fù)使用

F、點(diǎn)位圖效果豐富，矢量圖形效果單調(diào)機(jī)械3.1圖像增強(qiáng)與圖像復(fù)原概述1圖像增強(qiáng)（Imageenhancement）：運(yùn)用一系列技術(shù)手段改善預(yù)處理圖像的視覺(jué)效果，突出有用的信息，取出或削弱無(wú)用的信息。基于空間域的增強(qiáng)：在圖像像素組成的二維空間里直接對(duì)每一像素的灰度值進(jìn)行處理。基于頻率域的增強(qiáng)：在圖像的變換域?qū)D像進(jìn)行間接處理。2圖像復(fù)原：根據(jù)事先建立起來(lái)的系統(tǒng)退化模型，將降質(zhì)了的圖像以最大的保真度恢復(fù)成真實(shí)的景象。3.2灰度變換1灰度變換是圖像增強(qiáng)的一種重要手段，它可使圖像動(dòng)態(tài)范圍加大，使圖像對(duì)比度擴(kuò)展，圖像更加清晰，特征更加明顯。實(shí)質(zhì)：按一定的規(guī)則修改圖像每一個(gè)像素的灰度，從而改變圖像灰度的動(dòng)態(tài)范圍?？沼蛱幚矸椒ǎ瑢儆邳c(diǎn)運(yùn)算范疇點(diǎn)運(yùn)算：算子的作用域是以單個(gè)像素為單位，實(shí)現(xiàn)的是像素點(diǎn)到像素點(diǎn)的處理。表達(dá)式：r、s——輸入、輸出像素的灰度級(jí)；T——灰度變換函數(shù)的映射關(guān)系;輸出g(x,y)只與位置(x,y)處的輸入f(x,y)有關(guān)。3.2.1灰度線性變換當(dāng)成像時(shí)曝光不足或過(guò)度，或成象設(shè)備的非線性、圖像記錄設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍太窄等因素，都會(huì)產(chǎn)生對(duì)比度不足的弊病，使圖像中的細(xì)節(jié)分辨不清，這時(shí)可將灰度范圍線性擴(kuò)展。圖像反轉(zhuǎn)：將原始圖像的灰度值進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使輸出灰度隨輸入灰度增加而減小。圖像反轉(zhuǎn)變換函數(shù)：當(dāng)k=1，b=L-1時(shí)反轉(zhuǎn)變換適于增強(qiáng)嵌在圖像暗色區(qū)域的白色或灰色細(xì)節(jié)，特別是當(dāng)黑色面積占主導(dǎo)地位時(shí)。線性灰度變換線性變換是對(duì)每個(gè)線性段逐個(gè)像素進(jìn)行處理，可將原圖像灰度值動(dòng)態(tài)范圍按線性關(guān)系式擴(kuò)展到指定范圍或整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍截取式線性灰度變換：3分段線性灰度變換為突出圖像中感興趣的目標(biāo)，將圖像灰度區(qū)間分成多段分別作線性變換。將感興趣圖像細(xì)節(jié)灰度級(jí)拉伸，增強(qiáng)對(duì)比度，將不需要的細(xì)節(jié)灰度級(jí)壓縮。3.2.2灰度非線性變換灰度非線性變換：采用某些非線性函數(shù)（如平方、對(duì)數(shù)、指數(shù)函數(shù)）等作為映射函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)圖像灰度的非線性變換。對(duì)數(shù)變換用于擴(kuò)展低值灰度區(qū)域，壓縮高值灰度區(qū)域，可以使低值灰度的圖像細(xì)節(jié)更容易看清，從而達(dá)到增強(qiáng)效果。指數(shù)變換可用來(lái)壓縮低值灰度區(qū)域，擴(kuò)展高值灰度區(qū)域，但由于與人的視覺(jué)特性不太相同，不常采用。3.3直方圖修正直方圖修正是圖像增強(qiáng)實(shí)用而有效的處理方法。圖像直方圖定義：對(duì)圖像灰度范圍內(nèi)每－灰度值，統(tǒng)計(jì)出具有該灰度值的像素個(gè)數(shù)，并以灰度值為橫坐標(biāo)，像素?cái)?shù)為縱坐標(biāo)繪出像素?cái)?shù)—灰度值圖形直方圖縱坐標(biāo)有時(shí)也用某一灰度值的像素?cái)?shù)占全圖總像素?cái)?shù)的百分比（灰度值出現(xiàn)的頻數(shù)）表示2.直方圖的性質(zhì)（1）直方圖只反映該圖像中不同灰度值出現(xiàn)的次數(shù)（或頻數(shù)），不能反映每一灰度值像素所在位置，即丟失了其所在位置的信息。（2）任一幅圖像，都能算出唯一一幅與它對(duì)應(yīng)的直方圖，但不同的圖像可能有相同的直方圖。即圖像與直方圖之間是一種多對(duì)一的映射關(guān)系。（3）由于直方圖是對(duì)具有相同灰度值的像素統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)得到的，因此，一幅圖像各子區(qū)的直方圖之和就等于該圖全圖的直方圖直方圖的計(jì)算在離散的形式下，用rk代表離散灰度級(jí)，用P(rk)代表其頻數(shù)，計(jì)算公式如下nk——圖像中灰度級(jí)為rk的像素個(gè)數(shù)；n——圖像中像素總數(shù)；l——灰度級(jí)的總數(shù)目在直角坐標(biāo)系中作出rk與P(rk)的關(guān)系圖形，就得到直方圖。例：假設(shè)一幅圖像由4X4的二維數(shù)值矩陣構(gòu)成，畫(huà)出圖像的灰度直方圖3.3.3直方圖均衡化概念：為了改變圖像整體偏暗、整體偏亮、灰度動(dòng)態(tài)范圍偏小情況，可將原圖像的直方圖通過(guò)變換函數(shù)修正為均勻直方圖。目的：通過(guò)對(duì)直方圖進(jìn)行均衡化修正，可使圖像灰度均勻分布，增大反差，使圖像的細(xì)節(jié)變得更清晰，達(dá)到增強(qiáng)的目的。對(duì)于數(shù)字圖像，[0,1]量化成l個(gè)灰度級(jí)rk，k=0,1,2,…,l-1，0≤rk≤1，灰度級(jí)rk出現(xiàn)的頻數(shù)（概率）:pr(rk)=nk/nnk——圖像中灰度級(jí)為rk的像素個(gè)數(shù)；n——圖像中像素總數(shù)計(jì)算rk的累積概率函數(shù)得離散形式變換函數(shù)：幾點(diǎn)結(jié)論：（1）利用累積分布函數(shù)作為灰度變換函數(shù)，經(jīng)變換后得到的新灰度的直方圖比原始圖像的直方圖平坦得多，而且其動(dòng)態(tài)范圍也大大地?cái)U(kuò)展了。因此這種方法對(duì)于對(duì)比度較弱的圖像進(jìn)行處理是很有效的。（2）對(duì)于數(shù)字圖像，因?yàn)橹狈綀D是近似的概率密度函數(shù)，所以用離散灰度級(jí)作變換時(shí)很少能得到完全平坦的結(jié)果，數(shù)字圖像的直方圖均衡只是近似的。（3）變換后的灰度級(jí)減少了，這種現(xiàn)象叫做“簡(jiǎn)并”現(xiàn)象，這是像素灰度有限的必然結(jié)果。3.4圖像平滑一幅圖像可能存在著各種噪聲，這些噪聲可能在傳輸中產(chǎn)生，也可能在量化、處理等過(guò)程中產(chǎn)生。圖像平滑的主要目的是減少圖像噪聲?？沼蚍椒ǎ亨徲蚱骄?、中值濾波法——空域低通濾波頻域方法：低通濾波法——頻域低通濾波較好的圖像平滑處理方法應(yīng)該能夠消除這些噪聲，又不使圖像的邊緣輪廓和線條變模糊。中值濾波的主要步驟：（1）將模板在圖中漫游，當(dāng)模板中心與圖中的某個(gè)像素位置重合；（2）讀取模板下各對(duì)應(yīng)像素的灰度值；（3）將模扳對(duì)應(yīng)的像素灰度值進(jìn)行從小到大排序；（4）選取灰度序列里排在中間的1個(gè)像素的灰度值；（5）將這個(gè)中間值賦值給對(duì)應(yīng)模板中心位置的像素作為像素的灰度值。中值和均值濾波器性能比較：中值濾波比低通濾波消除噪聲更有效。因?yàn)樵肼暥酁榧夥鍫罡蓴_，若用低通濾波雖能去除噪聲但陡峭的邊緣將被模糊，而中值濾波能去除點(diǎn)狀尖峰干擾而邊緣不會(huì)變壞。3.4.2頻域低通濾波1圖像空域特性和頻域特性的關(guān)系：（1）圖像的平均灰度表示直流分量（2）背景區(qū)域和緩慢變化部分則代表圖像的低頻分量（3）邊緣、細(xì)節(jié)、跳躍部分以及顆粒噪聲都代表圖像的高頻分量在頻域中對(duì)圖像采用濾波器函數(shù)衰減高頻信息而使低頻信息暢通無(wú)阻的過(guò)程稱為低通濾波。2圖像頻域低通濾波流程框圖：在頻域?qū)崿F(xiàn)線性低通濾波器輸出的表達(dá)式F(u,v)——含有噪聲圖像的傅里葉變換H(u,v)——頻域?yàn)V波器傳遞函數(shù)G(u,v)——平滑處理后的圖像的傅里葉變換3理想低通濾波器（ILPF)所謂理想低通濾波器，是指以截頻D0為半徑的圓內(nèi)的所有頻率都能無(wú)損地通過(guò)，而在截頻之外的頻率分量完全被衰減。理想低通濾波器可以用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，但卻不能用電子元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。理想低通濾波器在處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的模糊和振鈴現(xiàn)象。Butterworth低通濾波器(BLPF)又稱最大平坦濾波器。它與理想低通濾波器不同，它的通帶與阻帶之間沒(méi)有明顯的不連續(xù)性，在通帶和阻帶之間有一個(gè)平滑的過(guò)渡帶。與理想低通濾波器的處理結(jié)果相比，經(jīng)Butterworth濾波器處理過(guò)的圖像模糊程度會(huì)大大減少。經(jīng)Butterworth低通濾波器處理的圖像將不會(huì)有振鈴現(xiàn)象。這是由于在濾波器的通帶和阻帶之間有一平滑過(guò)渡的緣故指數(shù)低通濾波器(ELPF)由于指數(shù)低通濾波器有更快的衰減率，經(jīng)指數(shù)低通濾波的圖像比Butterworth低通濾波器處理的圖像稍模糊一些。由于指數(shù)低通濾波器的傳遞函數(shù)也有較平滑的過(guò)渡帶，所以圖像中也沒(méi)有振鈴現(xiàn)象。梯形低通濾波器(TLPF)梯形濾波器的性能介于理想低通濾波器和具有平滑過(guò)渡帶濾波器之間，存在一定的模糊和振鈴效應(yīng)。3四種頻域低通濾波器傳遞函數(shù)H(u,v)的剖面圖：3.5圖像銳化1邊緣模糊是圖像中常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，由此造成的輪廓不清晰，線條不鮮明使圖像特征提取、識(shí)別和理解難以進(jìn)行。增強(qiáng)圖像邊緣和線條，使圖像邊緣變得清晰的處理稱為圖像銳化。2圖像銳化的目的是使灰度反差增強(qiáng)，從而增強(qiáng)圖像中邊緣信息，有利于輪廓抽取。輪廓或邊緣就是圖像中灰度變化率最大的地方，為了把輪廓抽取出來(lái)，就是要找一種方法把圖像的最大灰度變化處找出來(lái)。銳化處理可以用空間微分來(lái)完