數(shù)字圖像處理技術(shù)圖像數(shù)字化和直方圖

數(shù)字圖像處理技術(shù)圖像數(shù)字化和直方圖第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、數(shù)字圖像的概念與描述連續(xù)圖像：空間坐標(biāo)位置和景物明暗程度均連續(xù)變化的圖像數(shù)字圖像：空間坐標(biāo)位置和景物明暗程度均離散數(shù)字量表示的圖像第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、數(shù)字圖像的概念與描述所謂的數(shù)字圖像的描述是指如何用一個數(shù)值方式來表示一個圖像。數(shù)字圖像是圖像的數(shù)字表示，像素是其最小的單位。第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、數(shù)字圖像的概念與描述因為矩陣是二維的，所以可以用矩陣來描述數(shù)字圖像。描述數(shù)字圖像的矩陣目前采用的是整數(shù)陣，即每個像素的亮暗，用一個整數(shù)來表示。第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三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(biāo)系定義上的特殊性。為了編程方便起見，這里以矩陣坐標(biāo)系來定義圖像的坐標(biāo)。行（i）列（j）矩陣A(i,j)矩陣坐標(biāo)系X軸（i）Y軸（j）圖像f(i,j)直角坐標(biāo)系一、數(shù)字圖像的概念與描述第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、數(shù)字圖像的概念與描述1.黑白圖像

是指圖像的每個像素只能是黑或者白，沒有中間的過渡，故又稱為２值圖像。2值圖像的像素值為0、1。第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、數(shù)字圖像的概念與描述2．灰度圖像

灰度圖像是指每個像素的信息由一個量化的灰度級來描述的圖像，沒有彩色信息。第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三灰度圖像描述示例第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三一、數(shù)字圖像的概念與描述3．彩色圖像

彩色圖像是指每個像素的信息由RGB三原色構(gòu)成的圖像，其中RGB是由不同的灰度級來描述的。第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三基色原理大自然中的顏色都可以通過紅、綠、藍(lán)三色按照不同的比例合成產(chǎn)生，同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅綠藍(lán)三種色光。即三基色原理。三種基色是相互獨立的，紅綠藍(lán)三基色按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色：

紅色+綠色=黃色

綠色+藍(lán)色=青色

紅色+藍(lán)色=品紅

紅色+綠色+藍(lán)色=白色

第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三彩色圖像描述第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、圖像的數(shù)字化

所謂的圖像數(shù)字化是指將模擬圖像經(jīng)過離散化之后，得到用數(shù)字表示的圖像。數(shù)字化包括采樣和量化采樣：連續(xù)圖像空間坐標(biāo)的離散化量化：連續(xù)圖像幅值的離散化第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、圖像的數(shù)字化1．采樣是將在空間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換成離散的采樣點（即像素）集的操作。由于圖像是二維分布的信息，所以采樣是在x軸和y軸兩個方向上進(jìn)行。采樣時的注意點是：采樣間隔的選取。采樣間隔太小，則增大數(shù)據(jù)量；太大，則會發(fā)生信息的混疊，導(dǎo)致細(xì)節(jié)無法辨認(rèn)。第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三采樣定理采樣需滿足采樣定理采樣定理的意義：采樣定理指出了要使采樣信號能不失真地描述原信號，其采樣頻率必須大于或等于信號所含有最高截止頻率的2倍第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三采樣指標(biāo)分辨率分辨率是指映射到圖像平面上的單個像素的景物元素的尺寸。單位：像素/英寸，像素/厘米

（如：掃描儀的指標(biāo)300dpi）

分辨率或者是指要精確測量和再現(xiàn)一定尺寸的圖像所必需的像素個數(shù)。

單位：像素*像素

（如：數(shù)碼相機(jī)指標(biāo)30萬像素（640*480））第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、圖像的數(shù)字化2．采樣技術(shù)采樣可分為均勻采樣和非均勻采樣。均勻采樣是簡單地在圖像坐標(biāo)范圍內(nèi)等間隔采樣。非均勻采樣是對圖像灰度變化劇烈的區(qū)域采用密集的采樣，而對灰度變化平緩的區(qū)域采用稀疏的采樣。第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、圖像的數(shù)字化3．量化

是將各個像素所含的明暗信息離散化后，用數(shù)字來表示稱為圖像的量化，一般的量化值用整數(shù)來表示。 充分考慮到人眼的識別能力，目前非特殊用途的圖像均為8bit量化，即用0~255描述“黑~白”。 在3bit以下的量化，會出現(xiàn)偽輪廓現(xiàn)象。

第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三二、圖像的數(shù)字化4．量化技術(shù)量化可分為均勻量化和非均勻量化。均勻量化是簡單地在灰度范圍內(nèi)等間隔量化。非均勻量化是對像素出現(xiàn)頻度少的部分量化間隔取大，而對頻度大的量化間隔取小的量化間隔。一般情況下，對灰度變化比較平緩的部分用比較多的量化級，在灰度變化比較劇烈的地方用比較高的分辨率。第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三量化量化器的功能：用一組有限的實數(shù)集合作為輸出，其中每個數(shù)代表一群最接近于它的取樣值量化級：若實數(shù)集合中含有J個數(shù)，稱為J級量化。集合中的每個數(shù)需要用位二進(jìn)制符號量化誤差與量化失真：量化是以有限個離散值近似地表示無限多個連續(xù)值，由此產(chǎn)生的誤差稱為量化誤差；由此造成的失真稱為量化失真第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三量化一般地，對于均勻量化，量化分層越多，量化誤差越??；但編碼所需的碼字位數(shù)R也越大對數(shù)據(jù)進(jìn)行量化時，通常的設(shè)計方法：給定量化級數(shù)，希望量化失真小給定量化失真要求，希望每個取樣的平均位數(shù)最少合理的設(shè)計是在這兩個方面進(jìn)行均衡第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三量化1、無記憶量化無記憶量化每次只量化一個模擬取樣值，又稱為標(biāo)量量化（1）均勻量化（2）壓擴(kuò)量化第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三壓擴(kuò)量化先用具有對數(shù)特性的函數(shù)對信號進(jìn)行壓縮，使得均勻間隔被壓縮成低電平處間隔密，高電平處間隔疏的不均勻分布。由于高電平信號出現(xiàn)概率大，量化噪聲??；高電平信號雖然量化噪聲變大，但因為出現(xiàn)概率小?？偟牧炕肼曔€是變小，從而提高了量化信噪比。第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三量化2、矢量量化無記憶量化把信號的各個樣值看作是互不相干彼此獨立的，屬于理想情況；但實際上信號各樣值之間存在著相關(guān)性，使用矢量量化比較合理矢量量化是將若干個標(biāo)量數(shù)據(jù)組成一個矢量在多維空間進(jìn)行整體量化第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三矢量量化系統(tǒng)示意圖第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三矢量量化過程把信源分割成一系列矢量，對于每個輸入矢量，在預(yù)先設(shè)計好的碼書中搜索最近的碼字，將該碼字的索引通過信道傳送到解碼端對矢量X進(jìn)行量化時，選擇一個合適的失真測度。根據(jù)最小失真原理，分別計算用各個碼字代替X所帶來的失真。其中失真最小的那個碼字就是X的重構(gòu)矢量解碼端擁有同樣的碼書，根據(jù)接收到的索引，通過查表獲得相應(yīng)的碼字作為輸出矢量來重構(gòu)輸入矢量將這些重構(gòu)矢量重新組合得到整個重構(gòu)信號第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三、灰度直方圖

在數(shù)字圖像處理中，灰度直方圖是最簡單且最有用的工具，可以說，對圖像的分析與觀察直到形成一個有效的處理方法，都離不開直方圖。第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三、灰度直方圖一、灰度直方圖的定義

灰度直方圖是灰度級的函數(shù)，描述的是圖像中該灰度級的像素個數(shù)或概率。即：橫坐標(biāo)表示灰度級，縱坐標(biāo)表示圖像中該灰度級出現(xiàn)的個數(shù)或概率。第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三、灰度直方圖

1234566432211664663456661466231364661234565456214灰度直方圖第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三、灰度直方圖二、直方圖的性質(zhì)１．所有的空間信息全部丟失。２．每一灰度級的像素個數(shù)可直接得到。第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三、灰度直方圖三、直方圖的用途1.數(shù)字化參數(shù)

直方圖給出了一個簡單可見的指示，用來判斷一幅圖像是否合理的利用了全部被允許的灰度級范圍。一般一幅圖應(yīng)該利用全部或幾乎全部可能的灰度級，否則等于增加了量化間隔。丟失的信息將不能恢復(fù)。第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三三、灰度直方圖２.邊界閾值選取

假設(shè)某圖像的灰度直方圖具有二峰性，則表明這個圖像的較亮的區(qū)域和較暗的區(qū)域，可以較好地分離，取這一點為閾值點，可以得到好的２值處理的效果。第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三采樣間隔效果示意圖返回第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三均勻量化效果示意圖返回第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三非均勻量化效果示意圖返回第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三均勻量化與非均勻量化效果的比較返回第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三量化與采樣的效果圖例原圖低灰度級量化低分辨率返回第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三黑白圖像返回第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三灰度圖像返回第三十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三彩色圖像返回第三十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期三彩色圖的灰度直方圖返回第四十頁，共四十五頁，編輯