數(shù)字圖像處理的基本概念

人眼視覺感光細(xì)胞(photoreceptorcells)：桿狀細(xì)胞(rod)：單色夜視錐狀細(xì)胞(cone)：彩色視覺

紅(red)

綠(green)

藍(lán)(blue)PrimaryColor基色當(dāng)前1頁，總共67頁。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)前2頁，總共67頁。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。DarkAdaptation當(dāng)前3頁，總共67頁。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。當(dāng)前4頁，總共67頁。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)。當(dāng)前5頁，總共67頁。紅光只對視錐細(xì)胞起作用，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)。當(dāng)前6頁，總共67頁。3-ColorMixer

當(dāng)前7頁，總共67頁。當(dāng)前8頁，總共67頁。當(dāng)前9頁，總共67頁。當(dāng)前10頁，總共67頁。Newton'sExperiment當(dāng)前11頁，總共67頁。HueSaturationandBrightness當(dāng)前12頁，總共67頁。當(dāng)前13頁，總共67頁。當(dāng)前14頁，總共67頁。眼見為實(shí)？當(dāng)前15頁，總共67頁。馬赫帶效應(yīng)當(dāng)前16頁，總共67頁。Machbands當(dāng)前17頁，總共67頁。ColorInfluencesDistancePerception當(dāng)前18頁，總共67頁。ThisiscalledaKanizsafigureafterthepersonwhoinventedit.Ifyoulookcarefullyyouwillprobablyseetheedgesoftheentiretriangle,eventhoughthetriangleisdefinedonlybythenotchesinthereddisks.KanizsaIllusion當(dāng)前19頁，總共67頁。Whichislonger,theredlineortheblueline?Usearulertofindouttheanswer.Selecttheanswertodoublecheckonyourresult.Mueller-LyerIllusion當(dāng)前20頁，總共67頁。當(dāng)前21頁，總共67頁。當(dāng)前22頁，總共67頁。當(dāng)前23頁，總共67頁。更高層次的視覺 認(rèn)知 心理 文化當(dāng)前24頁，總共67頁。東方歌舞團(tuán)的演員在演出西班牙響板舞《火之戀》。暖色冷色當(dāng)前25頁，總共67頁。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(diǎn)的灰度值代表圖像，這些點(diǎn)稱為采樣點(diǎn)。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。當(dāng)前26頁，總共67頁。

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。當(dāng)前27頁，總共67頁。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M×N個像素。當(dāng)前28頁，總共67頁。在進(jìn)行采樣時，采樣點(diǎn)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(shí)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ω，以T≤1/2ω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)，即式中當(dāng)前29頁，總共67頁。圖2-2采樣示意圖當(dāng)前30頁，總共67頁。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zi≤z≤zi+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。當(dāng)前31頁，總共67頁。一般，像素值量化后用一個字節(jié)8bit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0～255共256級灰度值，灰度值的范圍為0～255，表示亮度從深到淺，對應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。

當(dāng)前32頁，總共67頁。圖2-3量化示意圖（a）量化；(b)量化為8bit當(dāng)前33頁，總共67頁。

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。當(dāng)前34頁，總共67頁。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(shí)用上一般都采用等間隔量化。當(dāng)前35頁，總共67頁。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(diǎn)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M×N個樣點(diǎn)，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）當(dāng)前36頁，總共67頁。對一幅圖像，當(dāng)量化級數(shù)Q一定時，采樣點(diǎn)數(shù)M×N對圖像質(zhì)量有著顯著的影響。如圖2-4所示，采樣點(diǎn)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好；當(dāng)采樣點(diǎn)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(diǎn)數(shù)一定時，采用不同量化級數(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。當(dāng)前37頁，總共67頁。分辨率不同的圖象比較當(dāng)前38頁，總共67頁。分辨率640x480當(dāng)前39頁，總共67頁。分辨率320x240當(dāng)前40頁，總共67頁。分辨率160x120當(dāng)前41頁，總共67頁。分辨率80x60當(dāng)前42頁，總共67頁。圖2-4不同采樣點(diǎn)數(shù)對圖像質(zhì)量的影響（a）原始圖像(256×256)；（b）采樣圖像1(128×128)；（c）采樣圖像2(64×64)；（d）采樣圖像3(32×32)；（e）采樣圖像4(16×16)；（f）采樣圖像5(8×8)當(dāng)前43頁，總共67頁。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(64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)當(dāng)前44頁，總共67頁。1972年1997年當(dāng)前45頁，總共67頁。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8bit量化，即每種顏色量級別是256，則可以處理256×256×256=16777216種顏色。當(dāng)前46頁，總共67頁。數(shù)字圖像類型為了方便地處理數(shù)字圖像，根據(jù)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(jì)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。當(dāng)前47頁，總共67頁。公式化表示圖像使得矢量圖具有兩個優(yōu)點(diǎn)：一是它的文件數(shù)據(jù)量很??；二是圖像質(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。在計(jì)算機(jī)計(jì)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(diǎn)，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CorelDraw和AdobeIllustrator中生成的圖像均為矢量圖當(dāng)前48頁，總共67頁。位圖是通過許多像素點(diǎn)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(diǎn)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(IndexColor)和真彩色圖像（TrueColor）。當(dāng)前49頁，總共67頁。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(diǎn)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。當(dāng)前50頁，總共67頁。

2.灰度圖像在灰度圖像中，像素灰度級用8bit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?；叶葓D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(shí)包含了黑白之間的所有灰度色調(diào)。從技術(shù)上來說，就是具有從黑到白的256種灰度色域（Gamut）的單色圖像。當(dāng)前51頁，總共67頁。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”。當(dāng)前52頁，總共67頁。在真彩色出現(xiàn)之前，由于技術(shù)上的原因，計(jì)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。當(dāng)前53頁，總共67頁。

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8bit，表示0到255之間的不同的亮度值，這三個字節(jié)組合可以產(chǎn)生1670萬種不同的顏色。當(dāng)前54頁，總共67頁。評價(jià)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(pixelsperinch)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(shí)際能夠采集到的象素?cái)?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(diǎn)間補(bǔ)充新的象素點(diǎn)，從而增大圖像分辨率。當(dāng)前55頁，總共67頁。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(jì)算機(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。當(dāng)前56頁，總共67頁。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。當(dāng)前57頁，總共67頁。直方圖直方圖的基本概念如果將圖像中像素亮度（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(jì)特性，這可用ProbabilityDensityFunction(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(jì)特征。當(dāng)前58頁，總共67頁。直方圖的計(jì)算灰度直方圖的計(jì)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?cái)?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M×N的灰度圖像f(x,y)的灰度直方圖pBuffer［0…L-1］可用如下算法得到：當(dāng)前59頁，總共67頁。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［0,1］區(qū)間內(nèi)的灰度級是隨機(jī)的，也就是說r是一個隨機(jī)變量。假定對每一瞬間，它們是連續(xù)的隨機(jī)變量，那么就可以用概率密度函數(shù)pr(r)來表示原始圖像的灰度分布。如果用直角坐標(biāo)系的橫軸代表灰度級r，用縱軸代表灰度級的概率密度函數(shù)pr(r)，這樣就可以針對一幅圖像在這個坐標(biāo)系中作出一條曲線來。這條曲線在概率論中就是概率密度曲線，如圖4-2所示。當(dāng)前60頁，總共67頁。圖4-2圖像灰度分布概率密度函數(shù)當(dāng)前61頁，總共67頁。從圖像灰