數(shù)字圖像處理第2章采樣量化圖像格式課件

第二章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)2.1視覺感知要素2.2光和電磁波譜2.3圖像感知和獲取2.4圖像數(shù)字化技術(shù)2.5數(shù)字圖像類型2.6圖像文件格式2.72.1視覺感知要素

人的直覺和分析在選擇一種技術(shù)時(shí)起到核心作用。這種選擇常常是主觀的視覺判斷。大概了解一下人類的視覺感知應(yīng)作為學(xué)習(xí)數(shù)字圖像的第一步。

1.人眼中形成圖像的機(jī)理與參數(shù)；

2.了解人類視覺的物理限制。2.2光和電磁波譜

原理上，如果可以開發(fā)出一種傳感器，它可檢測由一種電磁波譜發(fā)射的能量，就可以在那一波段上對(duì)感興趣的事件成像。“觀看”一個(gè)物體的電磁波的波長必須小于或等于物體的尺寸。其它還有超聲波圖像，電子顯微鏡的電子束和用于圖形和可視化的合成圖像。

2.3.2用帶狀傳感器獲取圖像例：平板掃描儀航空成像計(jì)算機(jī)斷層掃描。2.3.3用傳感器陣列獲取圖像傳感器陣列圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個(gè)過程。設(shè)連續(xù)圖像f(x,y)經(jīng)數(shù)字化后，可以用一個(gè)離散量組成的矩陣g(i,j)（即二維數(shù)組）來表示。

2．4圖像數(shù)字化技術(shù)

（2）數(shù)字化采樣一般是按正方形點(diǎn)陣取樣的，除此之外還有三角形點(diǎn)陣、正六角形點(diǎn)陣取樣。（3）以上是用g(i,j)的數(shù)值來表示(i,j)位置點(diǎn)上灰度級(jí)值的大小，即只反映了黑白灰度的關(guān)系，如果是一幅彩色圖像，各點(diǎn)的數(shù)值還應(yīng)當(dāng)反映色彩的變化，可用g(i,j,λ)表示，其中λ是波長。如果圖像是運(yùn)動(dòng)的，還應(yīng)是時(shí)間t的函數(shù)，即可表示為g(i,j,λ,t)。2.4.1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)。采樣行采樣列像素行間隔采樣間隔采樣示意圖

采用方法和原則：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(hào)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

量化示意圖（a）量化；(b)量化為8bit

連續(xù)灰度值量化值(整數(shù)值)灰度標(biāo)度灰度量化Zi＋1ZiZi－1qi＋1qi－125525412812710……(a)(b)量化方法和原則：

等間隔量化（均勻量化）——適合像素灰度值在黑白范圍較均勻分布的圖像。

非等間隔量化（非均勻量化）——對(duì)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(duì)那些像素灰度值極少出現(xiàn)的范圍，則量化間隔取大一些。2.4.3采樣與量化參數(shù)的選擇

采樣時(shí)行、列的采樣點(diǎn)與量化時(shí)每個(gè)像素量化的級(jí)數(shù)，既影響數(shù)字圖像的質(zhì)量，也影響該數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的大小。假定圖像取M×N個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)像素量化后的灰度二進(jìn)制位數(shù)為k，一般k總是取為2的整數(shù)冪，則存儲(chǔ)一幅數(shù)字圖像所需的二進(jìn)制位數(shù)b為當(dāng)M=N時(shí)，胡昂[1965]實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)方法選取一組細(xì)節(jié)多少不同的、不同N、k的圖象讓觀察者根據(jù)他們的主觀質(zhì)量感覺給這些圖象排序?qū)嶒?yàn)結(jié)論隨著采樣分辨率和灰度級(jí)的提高，主觀質(zhì)量也提高對(duì)有大量細(xì)節(jié)的圖象，質(zhì)量對(duì)灰度級(jí)需求相應(yīng)降低改變N和k如何影響圖像曲線1：細(xì)節(jié)較少的人臉圖象等同偏愛曲線按主觀質(zhì)量遞增的順序被從左向右排列45k3264128256N質(zhì)量曲線2：細(xì)節(jié)中等多的攝影師圖象45k3264128256N質(zhì)量總結(jié)一般，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時(shí),為了得到質(zhì)量較好的圖像可采用如下原則：（1）對(duì)緩變的圖像，應(yīng)該細(xì)量化，粗采樣，以避免假輪廓。（2）對(duì)細(xì)節(jié)豐富的圖像，應(yīng)細(xì)采樣，粗量化，以避免模糊。對(duì)于彩色圖像，是按照顏色成分——紅、綠、藍(lán)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(jí)別是256，則可以處理2563=16777216種顏色。2.4.4放大和收縮數(shù)字圖像放大和收縮數(shù)字圖像這個(gè)題目關(guān)系到采樣和量化，因?yàn)榉糯罂煽醋鲞^采樣，收縮可看做欠采樣。放大要求執(zhí)行兩步操作：創(chuàng)立新的像素位置和對(duì)這些新位置賦灰度值。最近鄰域內(nèi)插和4個(gè)最鄰近點(diǎn)的雙線性內(nèi)插。圖像收縮可以與放大相類似的方法操作。

最近鄰域內(nèi)插法

雙線性內(nèi)插方法

2.4.5圖像數(shù)字化設(shè)備常見的數(shù)字化設(shè)備有數(shù)字相機(jī)、掃描儀、數(shù)字化儀等。

1.圖像數(shù)字化設(shè)備的組成為完成采樣和量化功能，圖像數(shù)字化設(shè)備必須包含以下五個(gè)部分：

(1)采樣孔(Samplingaperture)：使數(shù)字化設(shè)備能夠單獨(dú)地觀測特定的圖像元素而不受圖像其他部分的影響。

(2)圖像掃描機(jī)構(gòu)：使采樣孔按照預(yù)先確定的方式在圖像上移動(dòng)，從而按順序觀測每一個(gè)像素。

2.圖像數(shù)字化設(shè)備的性能

(1)像素大小采樣孔的大小和相鄰像素的間距是兩個(gè)重要的性能指標(biāo)。如果數(shù)字化設(shè)備是在一個(gè)放大率可變的光學(xué)系統(tǒng)上，那么對(duì)應(yīng)于輸入圖像平面上的采樣點(diǎn)大小和采樣間距也是可變的。

(2)圖像大小圖像大小即數(shù)字化設(shè)備所允許的最大輸入圖像的尺寸。

(3)線性度對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，灰度正比于圖像亮度的實(shí)際精確程度是一個(gè)重要的指標(biāo)。非線性的數(shù)字化設(shè)備會(huì)影響后續(xù)過程的有效性。

(4)噪聲數(shù)字化設(shè)備的噪聲水平也是一個(gè)重要的性能參數(shù)，數(shù)字化設(shè)備中固有的噪聲卻會(huì)使圖像的灰度發(fā)生變化。因此數(shù)字化設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲是圖像質(zhì)量下降的根源之一，應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差點(diǎn)(即對(duì)比度)。

位圖是通過許多像素點(diǎn)表示一幅圖像，每個(gè)像素具有顏色屬性和位置屬性。優(yōu)點(diǎn)：

具有豐富的層次和色彩

。缺點(diǎn)：

缺少靈活性，分辨率固定；文件數(shù)量大。

2.5.1位圖

1.線畫稿（LineArt

）

2.灰度圖像(GrayScale)3.索引圖像(IndexColor)4.真彩色圖像（TrueColor）2.5.2位圖的有關(guān)術(shù)語

1.像素（Pixel）、點(diǎn)（Dot）和樣點(diǎn)（Sample）

在計(jì)算機(jī)中，圖像是由顯示器上許多光點(diǎn)組成的，將顯示在顯示器上的這些點(diǎn)（光的單元）稱為像素。掃描一幅圖像時(shí)，掃描儀將源圖像看成由大量的網(wǎng)格組成，然后在每一個(gè)網(wǎng)格里取出一點(diǎn)，用該點(diǎn)的顏色值來代表這一網(wǎng)格里所有點(diǎn)的顏色值，這些被選中的點(diǎn)就是樣點(diǎn)。

2.分辨率

1）圖像分辨率圖像分辨率是指每英寸圖像含有多少個(gè)點(diǎn)或像素，分辨率的單位為dpi。圖像的尺寸、圖像的分辨率和圖像文件的大小三者之間有著密切的聯(lián)系：圖像的尺寸越大，圖像的分辨率越高，圖像文件也就越大。所以，調(diào)整圖像的大小和分辨率即可改變圖像文件的大小。

2）屏幕分辨率

顯示器上每單位長度顯示的像素或點(diǎn)的數(shù)量稱為屏幕分辨率。通常以每英寸點(diǎn)數(shù)(dpi)來表示。屏幕分辨率取決于顯示器的大小及其像素設(shè)置。屏幕分辨率由計(jì)算機(jī)的顯示卡決定。

3）打印機(jī)分辨率又稱輸出分辨率，是指打印機(jī)輸出圖像時(shí)每英寸的點(diǎn)數(shù)(dpi)。打印機(jī)分辨率也決定了輸出圖像的質(zhì)量，打印機(jī)分辨率越高，可以減少打印的鋸齒邊緣，在灰度的半色調(diào)表現(xiàn)上也會(huì)較為平滑。打印機(jī)的分辨率可達(dá)300－1200dpi。

4）掃描儀分辨率

單位長度上采樣的像素個(gè)數(shù)。臺(tái)式掃描儀的分辨率可以分為光學(xué)分辨率和輸出分辨率。光學(xué)分辨率是掃描儀硬件所真正掃描到的圖像分辨率，可達(dá)800～1200dpi以上。輸出分辨率是通過軟件強(qiáng)化以及內(nèi)插補(bǔ)點(diǎn)之后產(chǎn)生的分辨率，大約為光學(xué)分辨率的3～4倍（4800－6400dip）。1000DPI1600DPI1000象素1600象素1英寸原稿2.6圖像文件格式

要進(jìn)行圖像處理，必須了解圖像文件的格式，即圖像文件的數(shù)據(jù)構(gòu)成。每一種圖像文件均有一個(gè)文件頭，在文件頭之后才是圖像數(shù)據(jù)。文件頭的內(nèi)容由制作該圖像文件的公司決定，一般包括文件類型、文件制作者、制作時(shí)間、版本號(hào)、文件大小等內(nèi)容。各種圖像文件的制作還涉及到圖像文件的壓縮方式和存儲(chǔ)效率等。

2.7色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型2.7.1色度學(xué)基礎(chǔ)

人類感光細(xì)胞的敏感曲線

根據(jù)人眼的結(jié)構(gòu)，所有顏色都可看作是三種基本顏色——示紅（R）、綠（G)和藍(lán)（B)按照不同的比例組合而成。為了建立標(biāo)準(zhǔn)，國際照度委員會(huì)(CIE)早在1931年就規(guī)定三種基本色的波長分別為R：700nm，G：546.1nm，B：435.8nm。

2.7.2顏色模型

為了科學(xué)地定量描述和使用顏色，人們提出了各種顏色模型。目前常用的顏色模型按用途可分為兩類，一類是面向諸如視頻監(jiān)視器、彩色攝像機(jī)或打印機(jī)之類的硬件設(shè)備的RGB模型。另一類面向以彩色處理為目的的HSI模型，另外，在印刷工業(yè)上和電視信號(hào)傳輸中，經(jīng)常使用CMYK和YUV色彩系統(tǒng)。1.RGB模型在RGB模型立方體中，原點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顏色為黑色，它的三個(gè)分量值都為零。距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色為白色，它的三個(gè)分量值都為1。從黑到白的灰度值分布在這兩個(gè)點(diǎn)的連線上，該線稱為灰色線。立方體內(nèi)其余各點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的顏色。彩色立方體中有三個(gè)角對(duì)應(yīng)于三基色——紅、綠、藍(lán)。剩下的三個(gè)角對(duì)應(yīng)于三基色的三個(gè)補(bǔ)色——黃色、青色（藍(lán)綠色）、品紅（紫色）。

RGB模型單位立方體

2.HSI模型

HSI模型是Munseu提出的，它反映了人的視覺系統(tǒng)觀察彩色的方式，在藝術(shù)上經(jīng)常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色調(diào)(Hue)，S表示飽和度(Saturation)，I表示亮度(Intensity，對(duì)應(yīng)成像亮度和圖像灰度)。這個(gè)模型的建立基于兩個(gè)重要的事實(shí)：①I分量與圖像的彩色信息無關(guān)；②

H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相聯(lián)的。這些特點(diǎn)使得HSI模型非常適合借助人的視覺系統(tǒng)來感知彩色特性的圖像處理算法。色相環(huán)柱形彩色空間

3.CMYK表色系統(tǒng)

CMYK表色系統(tǒng)也是一種常用的表示顏色的方式，在印刷工業(yè)上通常用CMYK表色系統(tǒng)，它是通過顏色相減來產(chǎn)生其他顏色的，所以稱這種方式為減色合成法(SubtractiveColorSynthesis)。

4.其他表色系

1）YUV電視信號(hào)彩色坐標(biāo)系統(tǒng)

YUV彩色電視信號(hào)傳輸時(shí)，將R、G、B改組成亮度信號(hào)和色度信號(hào)。PAL制式將R、G、B三色信號(hào)改組成Y、U、V信號(hào)，其中Y信號(hào)表示亮度，U、V信號(hào)是色差信號(hào)。

RGB與Y