第2章 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

第2章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)2.1圖像的質(zhì)量2.2人類的視覺模型2.3圖像的顏色2.4圖像的描述2.5常見圖像文件格式2.6圖像的數(shù)字化2.1圖像的質(zhì)量1.灰度：表示圖像像素明暗程度的數(shù)值。2.灰度級：表明圖像中不同灰度的最大數(shù)量。2.1圖像的質(zhì)量3.對比度：圖像最高和最低灰度級間的灰度差。2.1圖像的質(zhì)量空間分辨率的度量——DPI（dotperinch）DPI：每英寸內(nèi)像素點(diǎn)數(shù)目。分辨率越高，畫面就越精細(xì)，同樣的屏幕區(qū)域內(nèi)能顯示的信息也越多3.空間分辨率：圖像空間中可分辨的最小細(xì)節(jié)2.1圖像的質(zhì)量3.空間分辨率2.1圖像的質(zhì)量3.空間分辨率2.1圖像的質(zhì)量4.圖像質(zhì)量的評價2.1圖像的質(zhì)量2.1圖像的質(zhì)量PSNR的在衡量不同壓縮器時的作用(PSNR值25.56時的效果)(PSNR值29.87時的效果)PSNR的在衡量不同壓縮器時的作用PSNR的局限性PSNR數(shù)值都是27.123，但是單從數(shù)值上，我們并不能判斷哪一幅更好。

盡管客觀保真度準(zhǔn)則提供了一種簡單、方便的評估信息損失的方法，但很多圖最終是供人觀看的。事實(shí)上，具有相同客觀保真度的不同圖像，在人的視覺中可能產(chǎn)生不同的在視覺效果。這種情況下，用主觀的方法來測量圖像的質(zhì)量更為合適。一種常用的方法是對1組（不少于20人）觀察者顯示圖像，并將他們對該圖像的評分取平均，用來評價一幅圖像的主觀質(zhì)量。2.1圖像的質(zhì)量非常好圖像5分好圖像4分中等圖像3分差圖像2分非常差圖像1分2.1圖像的質(zhì)量

主觀評價2.2人類的視覺模型1.人類視覺構(gòu)造

2.2人類的視覺模型2.視網(wǎng)膜的感光細(xì)胞2.2人類的視覺模型2.視網(wǎng)膜的感光細(xì)胞3.人眼的鑒別能力2.2人類的視覺模型3.人眼的鑒別能力

人眼的視覺殘留現(xiàn)象1.注視圖中心四個黑點(diǎn)15—30秒鐘（不看整個圖片）2.然后朝自己身邊的墻壁看（白色的墻）

3.人眼的鑒別能力

人眼的錯視現(xiàn)象：人眼對物體形狀和大小的感覺因物體的布置、遠(yuǎn)近、背景條件的不同而不同。3.人眼的鑒別能力

人眼的錯視現(xiàn)象3.人眼的鑒別能力埃舍爾的錯覺藝術(shù)

莫里茨·科內(nèi)利斯·埃舍爾（MauritsCornelisEscher）（1898年6月17日－1972年3月27日），荷蘭版畫家，因其繪畫中的數(shù)學(xué)性而聞名。《遭遇》3.人眼的鑒別能力埃舍爾的錯覺藝術(shù)

3.人眼的鑒別能力

人眼的同時對比現(xiàn)象

感知區(qū)域的亮度并不簡單取決于其強(qiáng)度。3.人眼的分辨能力3.人眼的分辨能力貝漢轉(zhuǎn)盤

顏色模式（顏色空間）是用來定義或描述顏色的一組規(guī)則。利用不同的規(guī)則，可形成不同的顏色模式。在多媒體計(jì)算機(jī)的圖像處理過程中，通常使用RGB、HSI、CMYK等多種顏色模式。2.3圖像的顏色

2）混色（三基色光按不同比例相加可產(chǎn)生混色光）

各種彩色光，都可由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三種顏色光按不同比例相配而成；紅藍(lán)綠白黃青紫1）三基色原理1、RGB顏色模式紅色+綠色=黃色紅色+藍(lán)色=紫色綠色+藍(lán)色=青色紅色+綠色+藍(lán)色=白色所謂RGB顏色模式，就是用紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三種基本顏色來表示任意彩色。根據(jù)三基色原理，在RGB顏色模式中，任意彩色光F的配色方程可寫成：

F=r[R]+g[G]+b[B]其中r、g、b分別代表對應(yīng)色的比例系數(shù)，[R]、[G]、[B]分別代表F色光的紅綠藍(lán)三色分量。通過三個分量的不同比例，在屏幕上合成所需的任意顏色。1、RGB顏色模式圖RGB顏色模型單位立方體1、RGB顏色模式混色原理屬于“加性”顏色形成方法，顯示器就是采用這種原理產(chǎn)生顏色。在顯示器屏幕的背面涂滿了能發(fā)出不同色光（紅、綠、藍(lán)）的化學(xué)物點(diǎn)，當(dāng)電子束掃描到這些點(diǎn)時，它們就會發(fā)光。1、RGB顏色模式2、CMY顏色模式

CMY顏色模式是采用青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（Yellow）三種基本顏色按一定比例合成顏色的方法，繪畫顏料和染料正是基于此模式。

CMY基于減色原理。它通過顏料能吸收入射光光譜中的某些成分，未吸收部分被反射，從而形成該顏料特有的顏色。當(dāng)不同比例的顏料混合在一起的時候，它們吸收光譜的成分也隨之改變，從而得到不同的彩色。青色顏料：吸收紅光 品紅顏料：吸收綠光 黃色顏料：吸收藍(lán)光

例如：當(dāng)白光照到青色顏料上，紅光被吸收，返回綠光和藍(lán)光，所以呈現(xiàn)青色。2、CMY顏色模式

雖然理論上利用CMY三基色混合可以制作出所需要的各種色彩，但實(shí)際上同量的CMY混合后并不能產(chǎn)生完善的黑色或灰色，因此在印刷時必須加上一個黑色（Black），由于字母B已經(jīng)用來表示藍(lán)色，因此黑色選用單詞Black的最后一個字母“K”來表示，這樣又稱為CMYK顏色模式。2、CMY顏色模式彩色打印和彩色印刷都是采用CMYK彩色模式實(shí)現(xiàn)彩色輸出的。因此，當(dāng)要將顯示器上的顯示圖像通過彩色打印機(jī)輸出時，系統(tǒng)會自動將RGB彩色模式轉(zhuǎn)換為CMYK彩色模式表示。2、CMY顏色模式

CMY與RGB的轉(zhuǎn)換關(guān)系為式中：C、M、Y，R、G、B都?xì)w一化到［0，1］范圍。2、CMY顏色模式3、HSI顏色模式從人的視覺系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)（Hue）、色飽和度（Saturation或Chroma）和亮度（Intensity或Brightness）來描述色彩。它比RGB色彩空間更符合人的視覺特性，適用于圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺，可大大簡化工作量。I：表示光照強(qiáng)度或稱為亮度，它確定了像素的整體亮度，而不管其顏色是什么。3、HSI顏色模式H：表示色度，由角度表示。反映了該顏色最接近什么樣的光譜波長（既彩虹中的那種顏色）0o為紅色，120o為綠色，240o為藍(lán)色。3、HSI顏色模式S：表示飽和度，是指顏色的鮮艷程度或純度，即摻入白光的程度。飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)到彩色點(diǎn)的半徑長度。在環(huán)的外圍圓周是純的或稱飽和的顏色，其飽和度值為1。在中心是中性（灰）影調(diào)，即飽和度為0。3、HSI顏色模式H、S、I可以分開處理而且相互獨(dú)立3、HSI顏色模式

(1)RGB轉(zhuǎn)換到HSI。首先，對取值范圍為［0，255］的R、G、B值按式進(jìn)行歸一化處理，得到3個［0，1］范圍內(nèi)的r、g、b值：

HSI與RGB的轉(zhuǎn)換3、HSI顏色模式則對應(yīng)HSI模型中的H、S、I分量的計(jì)算公式為HSI與RGB的轉(zhuǎn)換式中以上計(jì)算出的h值的范圍為［0，2π］，s值的范圍為［0，1］，i值的范圍為［0，1］，常將其轉(zhuǎn)換為［0°，360°］，［0，100］，［0，255］：HSI與RGB的轉(zhuǎn)換3、HSI顏色模式

(2)HSI轉(zhuǎn)換到RGB3、HSI顏色模式以上計(jì)算出的r、g、b值的范圍為［0，1］，為便于理解與顯示，常將其轉(zhuǎn)換為［0，255］：

(2)HSI轉(zhuǎn)換到RGB例題：有一像素的顏色為(100，150，200)，求其對應(yīng)H、S、I值的步驟如下。

(1)歸一化處理：HSI與RGB的轉(zhuǎn)換

(2)計(jì)算h，由于b>g，故(3)計(jì)算s：HSI與RGB的轉(zhuǎn)換3、HSI顏色模式HSI模型的應(yīng)用——消除紅眼

“紅眼”——閃光燈照相的結(jié)果

在HSI空間可以定義紅眼為2.4圖像的描述

描述圖像常用的基本概念1.矩陣（matrices）黑白、灰度、彩色、……2.鏈表（chains）3.區(qū)域鄰接圖4.像素距離5.像素鄰域6.像素的均值和方差2.4圖像的描述

2.4圖像的描述

灰度圖像像素的灰度級通常為8Bits，即0~255。“0”表示純黑色，“255”表示純白色。若各種顏色成分均按8bit量化，即每種顏色量級別是256，則可以處理？種顏色。

2.4圖像的描述

2.4圖像的描述

2.鏈表——描述目標(biāo)物體的邊界Referencepixel

鏈表編碼（chaincode）2.4圖像的描述

3.區(qū)域鄰接圖——描述一組圖形及其相互關(guān)系regionadjacentgraph2.4圖像的描述

4.像素距離——描述圖像中像素之間的距離兩個象素（i,j）和（h,k）之間的距離定義為：歐幾里得距離（Euclideandistance）：小區(qū)距離（cityblockdistance）：棋盤距離（chessboarddistance）：2.4圖像的描述

5.像素鄰域——描述與像素相鄰的其他像素4鄰域—N4(p)(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)8鄰域—N8(p)(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)(x+1,y+1),(x-1,y+1),(x-1,y+1),(x+1,y-1)2.4圖像的描述

6.像素的均值和鄰域和方差——圖像的統(tǒng)計(jì)特性均值（Mean)方差（VARIANCE）2.5常見圖像文件格式2.5.1BMP文件格式2.5.2GIF文件格式2.5.3TIFF文件格式2.5.4JPEG文件格式2.5.5DICOM文件格式2.5.1JPEG文件格式當(dāng)前最有效和最基本的壓縮格式。使用ADCT技術(shù)壓縮（一種有損壓縮算法），可以設(shè)置壓縮比例。壓縮前和壓縮后文件的體積比可達(dá)到2：1至40：1。擴(kuò)展名為jpg或jpeg。

2.5常見圖像文件格式2.5.2

BMP文件格式

Windows自帶格式，圖像格式非常簡單，最多能存儲224種顏色的位圖，無壓縮，文件體積大。但是由于Windows系統(tǒng)的普及所以該格式應(yīng)用較廣。擴(kuò)展名為bmp。Jpg909KBbmp5.49MB2.5常見圖像文件格式2.5.2

BMP文件格式

位圖：亦稱為點(diǎn)陣圖像或繪制圖像，是由稱作像素（圖片元素）的單個點(diǎn)組成的。2.5常見圖像文件格式2.5.2

BMP文件格式

矢量圖：使用直線和曲線來描述圖形，它們都是通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算獲得的。它具有顏色、形狀、輪廓、大小和屏幕位置等屬性。2.5常見圖像文件格式2.5.2

BMP文件格式

位圖與矢量圖2.5常見圖像文件格式2.5.3GIF文件格式用于網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸。只能保存256種色彩（即每個像素使用一個字節(jié)來表示），且支持像素透明處理和序列動畫保存。擴(kuò)展名為gif。2.5常見圖像文件格式2.5.4TIFF文件格式

TIFF最大色深為32bit，可采用LZW無損壓縮方案存儲。TIFF還可支持多層圖層。2.5常見圖像文件格式2.5.5DICOM文件格式

DICOM是醫(yī)學(xué)圖像文件存儲格式，為各類醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的存檔、傳輸和共享而起草和頒布的。DICOM格式支持幾乎所有的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像設(shè)備，例如CT、MR、DR、超聲、內(nèi)窺鏡、電子顯微鏡等，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像存儲傳輸技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要組成部分。DICOM文件的常見擴(kuò)展名為DCM。2.5常見圖像文件格式

圖像采樣過程就是圖像空間離散化的過程，即將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點(diǎn)的操作。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。對于運(yùn)動圖像（即時間域上的連續(xù)圖像），需先在時間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣由這三個步驟完成。采樣2.6圖像的數(shù)字化圖像的空間分辨率

由空間采樣率決定的分辨圖像細(xì)節(jié)的能力叫圖像的空間分辨率(有些地方簡稱分辨率)，它直接取決于圖像的像素?cái)?shù)。對于采樣來說，采樣間隔越小，空間分辨率越？；采樣間隔越大，空間分辨率越？。在圖像采集時，采樣間隔如何確定

改變空間分辨率后的圖像效果

所以，要使數(shù)字圖像保有一定的空間分辨率，從而不丟失原連續(xù)圖像所表達(dá)的信息，圖像采樣間隔就必須依一定的規(guī)則選取合適的值。這個規(guī)則就是二維采樣定理。

采樣間隔根據(jù)采樣定理確定。設(shè)圖像f(x,y)的傅立葉變換F(u,v)滿足：則當(dāng)采樣間隔△x和△y滿足條件時，可由采樣后的圖像精確重建原圖像f(x,y)。式中：uc和vc分別為在x方向和y方向的頻譜寬度。定義采樣函數(shù)為：

量化

采樣所得的像素值（即灰度值）仍是連續(xù)量。圖像量化過程是圖像灰度幅值的離散化過程。

若連續(xù)灰度值用z來表示，對