數(shù)字圖像處理第二章圖像數(shù)字化

數(shù)字圖像處理第二章圖像數(shù)字化第一頁，共104頁。主要內(nèi)容人眼的視覺原理圖像數(shù)字化灰度直方圖數(shù)字圖像處理算法的形式圖像文件格式圖像的特征與噪聲第二頁，共104頁。眼睛中圖像的形成2.1視覺原理及現(xiàn)象第三頁，共104頁。黃斑區(qū)盲點一、人眼構(gòu)造第四頁，共104頁。人眼構(gòu)造錐狀細胞負責彩色視覺辨別細節(jié)和顏色（明視覺/白晝視覺）數(shù)量600~700萬桿狀細胞負責黑白視覺對低亮度敏感，辨別總體形象（暗視覺/夜視覺）數(shù)量7600萬~1.5億第五頁，共104頁。視網(wǎng)膜上桿狀體和錐狀體的分布盲點如何判斷？第六頁，共104頁。二、影響成像質(zhì)量的視覺因素視覺范圍—人眼能感知的亮度范圍（夜視~強閃光）百分之幾~幾百萬cd/m2人眼適應某平均亮度環(huán)境后，能夠感受的亮度范圍<<視覺范圍亮度感覺—相對亮度的變化亮度感覺和亮度對數(shù)成線性關(guān)系S=K’lnB+K0重現(xiàn)圖像的亮度只需保持實際圖像亮度對比重現(xiàn)圖像時不必精確復制人眼感覺不到的亮度差別圖像對比度最大亮度/最小亮度圖像相對對比度（最大亮度-最小亮度）/最小亮度第七頁，共104頁。人的主觀亮度感覺與亮度對數(shù)成線性關(guān)系BACDblackwhite人眼適應某平均亮度后，感受的亮度范圍《視覺范圍第八頁，共104頁。亮度感覺（1）1.平均亮度

2.對比度第九頁，共104頁。亮度感覺（2）圖A圖B圖C亮度感覺取決于亮度的對比第十頁，共104頁。亮度的適應與鑒別視覺適應性—人眼適應明/暗環(huán)境的能力暗適應性——從亮光處到暗處20~30s桿狀細胞明適應性——從暗處到亮光處1~2s錐狀細胞人眼的分辨力—人眼區(qū)分開相鄰兩點的能力（視力）用最小視角倒數(shù)描述?=d/l

d兩點間最小距離，l為人眼到兩點連線的距離如E非固定不變，與環(huán)境亮度和相對對比度有關(guān)人眼能感知最高能達到700萬像素分辨率的圖像第十一頁，共104頁。2、色彩的鑒別日光--由各種顏色混合而成第十二頁，共104頁。視覺三基色假說任何顏色都可以由相互獨立的三基色得到假如三基色的混合比相當，則色調(diào)和飽和度也相同混合光的亮度是原分量光亮度之和任何兩種顏色混合成的新顏色與合成原顏色的三基色混合成的顏色相同第十三頁，共104頁。錐狀細胞對不同光波的感光靈敏度第十四頁，共104頁。三基色的選擇1931年國際照明委員會CIE規(guī)定了物理三原色的波長。第十五頁，共104頁。兩種基色系統(tǒng)加法系統(tǒng)RGB減法系統(tǒng)CMYK第十六頁，共104頁。RGB模型RGB模型（相加混色模型）有色光照射到消色物體產(chǎn)生加法效應主動產(chǎn)生顏色光源，如顯示器第十七頁，共104頁。CMYK模型青色Cyan，洋紅Magenta，黃色Yellow，K為真正黑色。采用CMYK模式的原因：有色光照射到有色物體上產(chǎn)生減法效應用于印刷、繪畫。白光入射第十八頁，共104頁。CMYK與RGB對應關(guān)系第十九頁，共104頁。HSI模型HSI模型基于人類對顏色的感覺，描述顏色的三個基本特征。用于調(diào)整顏色分量。色相（或色度Hue）是從物體反射或透過物體傳播的顏色。在0到360度的標準色輪上按位置度量的。由顏色名稱標識，如紅、橙或綠。飽和度（Saturation）也稱色品，是指顏色的強度或純度。飽和度表示色相中灰成分所占的比例，用從0%（灰色）到100%（完全飽和）的百分比來度量。在標準色輪上，飽和度從中心向邊緣遞增。亮度（Intensity）是顏色的相對明暗程度，通常用從0%（黑）到100%（白）的百分比來度量。第二十頁，共104頁。常見彩色模型第二十一頁，共104頁。彩色分量第二十二頁，共104頁。三、視覺現(xiàn)象馬赫帶：由幾個亮度逐漸減弱且連著一起的窄帶組成的圖像，每個窄帶內(nèi)的亮度是均勻分布的。

第二十三頁，共104頁。亮度過沖馬赫帶效應：由于人眼視覺系統(tǒng)有邊緣增強的作用，在亮度突變出會出現(xiàn)亮度過沖現(xiàn)象，即明暗邊界處亮的更亮，暗的更暗。第二十四頁，共104頁。視覺殘留人眼對亮度的感覺不會隨亮度消失而立即消失第二十五頁，共104頁。兩線段一樣長？錯視現(xiàn)象人眼對物體的形狀、大小感覺隨背景、布置條件不同而不同，會產(chǎn)生不存在的信息或錯誤的物體幾何特性。第二十六頁，共104頁。兩線段一樣長？第二十七頁，共104頁。圓圈一樣大？第二十八頁，共104頁。平行or不平行？第二十九頁，共104頁。一樣的月亮？第三十頁，共104頁。會動的轉(zhuǎn)盤第三十一頁，共104頁。會動的轉(zhuǎn)盤第三十二頁，共104頁。波動第三十三頁，共104頁。下不完的階梯第三十四頁，共104頁。數(shù)數(shù)有幾根柱子？第三十五頁，共104頁。酒杯？人像？第三十六頁，共104頁。數(shù)數(shù)多少個人像？第三十七頁，共104頁。兩畫并存第三十八頁，共104頁。畫中畫第三十九頁，共104頁。2.2圖像的表示函數(shù)描述二維平面靜止灰度圖像二維平面靜止彩色圖像第四十頁，共104頁。函數(shù)描述在坐標點（x，y）處像素的亮度在圖像中用灰度表示，其數(shù)值表示像素亮度明暗程度，亮度范圍【Lmin,Lmax】，一般情況下【0，L-1】0—黑，L-1—白,一般為255。圖像f（x，y）由照射分量i（x，y）和反射分量r（x，y）兩個光分量構(gòu)成，可表示為兩者之積。第四十一頁，共104頁。矩陣表示一幅圖像若每行（即橫向）像素為N個，每列（即縱向）像素為M個，則圖像大小為M×N個像素，從而f(x,y)構(gòu)成一個M×N實數(shù)矩陣：

xy第四十二頁，共104頁。圖像坐標矩陣是按照行列的順序來定位數(shù)據(jù)的，但是圖像是在平面上定位數(shù)據(jù)的，所以有一個坐標系定義上的特殊性。為了編程方便起見，我們這里以矩陣坐標系來定義圖像的坐標。行（i）列（j）矩陣

A(i,j)矩陣坐標系X軸（i）Y軸（j）圖像f(i,j)直角坐標系第四十三頁，共104頁。

數(shù)字圖像根據(jù)灰度級數(shù)的差異可分為：黑白圖像、灰度圖像和彩色圖像。黑白圖像圖像的每個像素只能是黑或白，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。例如不同種類圖像的矩陣表示第四十四頁，共104頁?；叶葓D像灰度圖像是指灰度級數(shù)大于2的圖像。但它不包含彩色信息。第四十五頁，共104頁。彩色圖像

彩色圖像是指每個像素由R、G、B分量構(gòu)成的圖像，其中R、B、G是由不同的灰度級來描述。第四十六頁，共104頁?；叶葓D像矩陣表示示例灰度圖象(128x128)及其對應的數(shù)值矩陣（僅列出一部分(26x31)）第四十七頁，共104頁。彩色圖像矩陣表示示例第四十八頁，共104頁。2.3圖像數(shù)字化第四十九頁，共104頁。圖像數(shù)字化第五十頁，共104頁。圖像數(shù)字化過程采樣空間數(shù)字化，將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點的操作量化函數(shù)值（像素灰度）數(shù)字化，將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過程第五十一頁，共104頁。圖像采樣采樣是對圖像空間坐標的離散化。用一個網(wǎng)格把待處理的圖像覆蓋，然后把每一小格上模擬圖像的各個亮度取平均值，作為該小方格中點的值。兩個重要參數(shù)采樣間隔根據(jù)采樣定理確定，反映細節(jié)的變化采樣孔徑大小

形狀：

采樣方式：有縫、無縫、重疊采樣第五十二頁，共104頁。圖像采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量采樣對圖像的空間分辨率有較大影響?？臻g分辨率指圖像單位范圍里像素的個數(shù)，影象清晰度的度量標準。單位ppi像素/英寸和dpi點/英寸可簡化成橫向和縱向像素的數(shù)量，表示成水平點數(shù)×垂直點數(shù)的形式。圖片640×480，分辨率307，200即30萬像素采樣間隔過大可導致像素塊狀的棋盤效應

第五十三頁，共104頁。圖像采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量相同清晰度下，圖像采樣間隔不同，圖片大小也會變化。采樣間隔越小，采樣像素越多，圖像越大。第五十四頁，共104頁。圖像采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量圖片大小一樣，圖像采樣間隔不同，圖片清晰度也會變化。采樣間隔越小，采樣像素越多，圖像越清晰。第五十五頁，共104頁。圖像采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量265x180133x9066x4533x22第五十六頁，共104頁。采樣間隔與圖像質(zhì)量的關(guān)系

第五十七頁，共104頁。圖像量化把采樣后所得的各像素灰度值轉(zhuǎn)換成離散整數(shù)量的過程稱為量化。主要參數(shù)灰度級（或灰度值）--像素明暗程度的整數(shù)。灰度級數(shù)（或灰度級分辨率）--一幅數(shù)字圖像中不同灰度級的個數(shù)，用G表示。位深g是表示存儲圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)，G=2g。256級灰度級數(shù)（8位）64級灰度級數(shù)（6位）第五十八頁，共104頁。圖像量化對圖像質(zhì)量的影響灰度級數(shù)代表數(shù)字圖像的層次,層次越多視覺效果越好一般取大于6bit的量化灰度級別，若小于3bit會出現(xiàn)偽輪廓現(xiàn)象灰度級數(shù)對數(shù)據(jù)量成正比。一幅大小為M×N、灰度級數(shù)為G的圖像所需的存儲空間，即圖像的數(shù)據(jù)量，大小為M×N×g（bit）第五十九頁，共104頁。與數(shù)字圖像的質(zhì)量第六十頁，共104頁。

圖（a）~（c）極少數(shù)情況下對固定圖像大小時，減少灰度級能改善質(zhì)量，產(chǎn)生這種情況的最可能原因是減少灰度級一般會增加圖像的對比度。例如對細節(jié)比較豐富的圖像數(shù)字化。故量化級別不易過多，也不能過少

量化級別與圖像質(zhì)量的關(guān)系

第六十一頁，共104頁。采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系

采樣采樣間隔越大，圖像像素數(shù)越少，空間分辨率越低，圖像質(zhì)量越差，但數(shù)據(jù)量??；反之亦然。細節(jié)豐富的圖像應采用較小的采樣間隔。量化量化等級越多，得到圖像層次越豐富，灰度分辨率越高，圖像質(zhì)量越好，但數(shù)據(jù)量大；反之亦然?；叶葘哟呜S富的圖像應采用較大的量化等級。第六十二頁，共104頁。思考：1）對于人臉圖像（有大面積灰度變化緩慢的平滑區(qū)域），對于采樣間隔與灰度級數(shù)兩個參數(shù)，數(shù)字化時應側(cè)重于哪個參數(shù)的選擇呢？粗采樣，細量化側(cè)重灰度級數(shù)的增加第六十三頁，共104頁。思考：2）一幅圖像反映足球場上觀眾，將其數(shù)字化時又應該側(cè)重于哪個參數(shù)的選擇？細節(jié)繁多側(cè)重采樣間隔的減少第六十四頁，共104頁。2.3.5圖像數(shù)字化設(shè)備的組成與性能數(shù)字化設(shè)備的雙重功能：圖像輸入和數(shù)字化組成部分：采樣孔圖像掃描機構(gòu)光傳感器CCD（光電耦合感應器）CMOS（互補金屬氧化物半導體）量化器輸出存儲體第六十五頁，共104頁。圖像數(shù)字化器的性能指標空間分辨率：每英寸能采樣的像素數(shù)，主流2400dpi位深/色深：顏色數(shù)真彩色24位，主流48位圖像大小：A3，A4等掃描速度:采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度第六十六頁，共104頁。2.4圖像灰度直方圖反映了圖像灰度分布的情況，圖像的基本統(tǒng)計特征之一。某灰度級頻率=某灰度級像素個數(shù)/像素總數(shù)【0，1】第六十七頁，共104頁。灰度直方圖的兩種表示方法歸一化的直方圖簡化形式：縱坐標直接表示為圖像中灰度級為i的像素個數(shù)，灰度級范圍【0，L-1】第六十八頁，共104頁。0132132105762567160635122675365032272416225627601232121231231221v0=5/64v1=12/64v2=18/64v3=8/64已知某圖像矩陣表示，試畫出其灰度直方圖。1、圖像像素總數(shù)為8*8=64灰度級范圍為i=[0,7]2、統(tǒng)計每個灰度級別的像素數(shù)量，分別計算每個灰度級別的頻率灰度直方圖的畫法v4=1/64v5=5/64v6=8/64v7=5/64第六十九頁，共104頁。練習：畫出以下圖像矩陣直方圖解：圖像像素總數(shù)為4*4=16灰度級范圍為i=[0,3]統(tǒng)計每個灰度級的數(shù)量，計算出現(xiàn)頻率

v0=7/16,

v1=4/16,

v2=3/16,

v4=2/16v第七十頁，共104頁。灰度圖像的直方圖直方圖與圖像亮度有何關(guān)系與圖像對比度又有何關(guān)系第七十一頁，共104頁?；叶戎狈綀D的性質(zhì)1、灰度直方圖反映圖像特征明、暗、對比度不同PS示例暗：左明：右對比度低：中對比度高：平均分布第七十二頁，共104頁?；叶戎狈綀D的性質(zhì)圖（a）（b）（c）（d）直方圖第七十三頁，共104頁。2、丟失了像素的空間信息。3、一幅圖像對應唯一的灰度直方圖，但一副直方圖可對應不同的圖像。4、一幅圖像分成多個區(qū)域，多個區(qū)域的直方圖之和為原圖像的直方圖。灰度直方圖的性質(zhì)ab直方圖b

a第七十四頁，共104頁。用于判斷圖像量化是否恰當直方圖應該利用全部灰度級范圍，否則相當于增加了量化級別。超出處理范圍丟失的信息無法復原。

(a)恰當量化(b)未能有效利用(c)超過了動態(tài)范圍直方圖的應用第七十五頁，共104頁。用于確定圖像二值化的閾值

直方圖具有二峰性，表明圖像較明與較暗區(qū)域可以很好的分離，取谷值作為閾值，可以得到很好的二值效果。直方圖的應用第七十六頁，共104頁。具有二峰性的灰度圖象第七十七頁，共104頁。選擇146為閾值具有二峰性的灰度圖象第七十八頁，共104頁。當影像上目標的灰度區(qū)間已知時，可利用直方圖統(tǒng)計圖像中物體的面積。

A=計算圖像平均信息量H（熵）

直方圖的應用n為圖像像素總數(shù)vi為灰度級i的像素出現(xiàn)頻率圖像的灰度范圍為【0,L-1】Pi表示各灰度像素出現(xiàn)的概率各像素信息量為-log2Pi第七十九頁，共104頁。MATLAB命令I(lǐng)mread函數(shù)讀寫圖像文件用于讀入各種圖像文件如：a=imread('e:\w01.tif')第八十頁，共104頁。MATLAB命令imshow函數(shù)用于圖像文件的顯示如：

i=imread('e:\w01.tif');imshow(i);第八十一頁，共104頁。MATLAB命令

imhist函數(shù)直方圖計算及顯示imhist(I,

n)計算和顯示圖像I的直方圖，n為指定的灰度級數(shù)目，默認為256。如果I是二值圖像，那么n僅有兩個值。[counts,x]

=

imhist(...)返回直方圖數(shù)據(jù)向量counts，相應的灰度級向量x。如：

i=imread('e:\w01.tif');imhist(i);第八十二頁，共104頁。2.5圖像處理算法的形式

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,如圖(a)。

2）多幅圖像→單幅圖像,如圖(b)。3）單（或多）幅圖像→數(shù)字或符號等，如圖(c)。第八十三頁，共104頁。1.局部處理鄰域的概念：對于任一像素（i，j），該像素周圍的像素構(gòu)成的集合{（i+p,j+q），p、q取合適的整數(shù)}，叫做該像素的鄰域。常用的去心鄰域有4-鄰域、8-鄰域、D-領(lǐng)域。局部處理：對輸入圖像IP（i,j）處理時，某一輸出像素JP(i,j)值由輸入圖像像素（i,j)及其鄰域N(IP(i,j))中的像素值確定。如圖像平滑、濾波

圖像處理的具體算法第八十四頁，共104頁。相鄰像素——4鄰域4鄰域：像素p(x,y)的4鄰域是： (x+1,y)；(x-1,y)；(x,y+1)；(x,y-1)用N4(p)表示像素p的4鄰域（x+1，y）（x-1，y）（x，y+1）（x，y-1）第八十五頁，共104頁。相鄰像素——D鄰域D鄰域定義：像素p(x,y)的D鄰域是： 對角上的點(x+1,y+1)；(x+1,y-1)；(x-1,y+1)；(x-1,y-1)用ND(p)表示像素p的D鄰域（x-1，y+1）（x+1，y+1）（x-1，y-1）（x+1，y-1）（x，y）第八十六頁，共104頁。相鄰像素——8鄰域8鄰域定義：4鄰域的點＋D鄰域的點用N8(p)表示像素p的8鄰域（x-1，y-1）（x-1，y）（x-1，y+1）（x+1，y-1）（x+1，y）（x+1，y+1）（x，y-1）（x，y+1）第八十七頁，共104頁。點處理輸出值JP(i,j)僅與IP(i,j)有關(guān)。如圖像二值化

大局處理輸出像素JP(i,j)的值取決于輸入圖像大范圍或全部像素的值如傅里葉變換局部處理分類第八十八頁，共104頁。2.迭代處理反復對圖像進行某種運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。如圖的細化處理過程。

圖像處理的具體算法第八十九頁，共104頁。3.跟蹤處理

選擇滿足適當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，求出下一步應該處理的像素，進行規(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。這種處理形式稱為跟蹤處理。如邊界線、等高線等的跟蹤。圖像處理的具體算法第九十頁，共104頁。4.窗口處理和模板處理對圖像的處理，一般采用對整個畫面進行處理，但也有只對畫面中特定的部分進行處理的情況。這種處理方式的代表有窗口處理和模板處理。圖像處理的具體算法單獨對圖像中選定的矩形區(qū)域內(nèi)的像素進行處理的方式叫做窗口處理

第九十一頁，共104頁。模板：任意形狀的區(qū)域模板平面：一個和處理圖像相同大小的二維數(shù)組，用來存儲模板信息。一般是一幅二值圖像

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)置一個模板平面。圖像處理的具體算法模板處理：對圖像中任意形狀區(qū)域進行處理第九十二頁，共104頁。5、串行處理和并行處理串行處理：輸出像素的值的計算依賴于之前像素的結(jié)果，且只能依次處理而不能同時對所有像素同樣處理。

輸入領(lǐng)域+以前輸出像素---輸出像素值。順序進行并行處理：對圖像內(nèi)各像素同時進行相同運算的處理方式。輸入領(lǐng)域----輸出像素各輸出值獨立計算

圖像處理的具體算法第九十三頁，共104頁。圖像文件一般包括文件大小，圖像長、寬、大小等物理特征彩色定義色深、色平面數(shù)或調(diào)色板描述圖像的位圖數(shù)據(jù)體矩陣常見的圖像文件格式按擴展名分為：RAW格式最簡單的文件格式，無文件頭BMP格式WINDOWS綁定文件格式PCX格式適用時間最長GIF格式多個位圖數(shù)據(jù)區(qū)，LZW壓縮算法，適用動畫TIFF格式文件頭包含標志信息，可以存儲多幅圖像，多種壓縮方法JEPG格式聯(lián)合圖像專家小組壓縮算法2.6圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與特征

第九十四頁，共104頁。BMP（bitmap）格式位圖文件頭14字節(jié)

類型、大小、存放位置2.位圖信息信息頭40字節(jié)尺寸、分辨率等彩色表每種顏色8字節(jié)3.位圖數(shù)據(jù)第九十五頁，共104頁。BMP格式:位圖文件頭14字節(jié)typedefstructtagBITMAP{WORDbfType;//文件類型，必須是字符串”BM”DWORDbfSize;//指定文件大小WORDbfReserved1;//保留字，不考慮WORDbfReserved2;//保留字，不考慮DWORDbfOffBits;//從文件頭到位圖數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù)}BITMAP;第九十六頁，共104頁。BMP格式:位圖信息頭

40個字節(jié)typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORDbiSize;//該結(jié)構(gòu)的長度LONGbiWidth;//圖像的寬度，單位是像素LONGbiHeight;//圖像的高度，單位是像素WORDbiPlanes;//位平面，必須是1WORDbiBitCount//像素位數(shù)，如1，4，8，24真彩色DWORDbiCompression;//壓縮類型0/1/2，如BI_RLE4DWORDbiSizeImage;//實際位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)LONGbiXPelsPerMeter;//水平分辨率LONGb