第2章-圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)-圖像處理課件

第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)圖像和視覺基礎(chǔ)視覺基礎(chǔ)人眼與亮度視覺顏色視覺成像基礎(chǔ)成像模型成像幾何采樣和量化圖像基礎(chǔ)像素間聯(lián)系圖像運(yùn)算圖像坐標(biāo)變換第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1圖像數(shù)字化2.2圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.3圖像文件格式2.4圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)2.1

圖像數(shù)字化2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.1.2數(shù)字化原理2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像1.CCD傳感器

電荷耦合器件（ChargedCoupledDevice），感應(yīng)可見光的光強(qiáng)

掃描儀的圖像數(shù)字化過程原理圖

2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.CMOS傳感器

互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）2.1.2數(shù)字化原理1．?dāng)?shù)學(xué)模型圖像的數(shù)字化

一般的圖像（即模擬圖像）是不能直接用數(shù)字計(jì)算機(jī)來處理的。為使圖像能在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，首先必須將各類圖像（如照片，圖形，X光照片等等）轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像。所謂將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像或圖像數(shù)字化，就是把圖像分割成如圖所示的稱為象素的小區(qū)域．每個(gè)象素的亮度或灰度值用一個(gè)整數(shù)來表示。把圖像分割成象素的方法可以是多種多樣的，如圖所示。即每個(gè)象素所占小區(qū)域可以是正方形的，六角形的或三角形的。與之相對應(yīng)的象素所構(gòu)成的點(diǎn)陣則分別為正方形網(wǎng)格點(diǎn)陣、正三角形網(wǎng)格與正六角形點(diǎn)陣。上述各象素分割方案中，正方形網(wǎng)格點(diǎn)陣是實(shí)際常用的。對一個(gè)正方形點(diǎn)陣，若任一象素沿水平與垂直方向上與相鄰象素間距為1，則該象素沿斜線方向上的間距為1.414.圖像數(shù)字化2．采樣和量化

采樣：空間上的離散化量化：灰度上的離散化連續(xù)信號(hào)（抽樣、量化）——數(shù)字信號(hào)2.1.2數(shù)字化原理xy(0,0)

采樣點(diǎn)陣：正方形、正三角2.1.2數(shù)字化原理圖像矩陣的特點(diǎn)：

a）

b）數(shù)字化抽樣：正方形點(diǎn)陣、三角形點(diǎn)陣、正六角形點(diǎn)陣等2.1.2數(shù)字化原理3.采樣定理采樣（Sampling）:是對圖像空間坐標(biāo)的離散化，它決定了圖像的空間分辨率。用一個(gè)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(gè)亮度取平均值，作為該小方格中點(diǎn)的值。圖像的采樣2.1.2數(shù)字化原理對一幅圖像采樣時(shí)，若每行（即橫向）像素為N個(gè)，每列（即縱向）像素為M個(gè)，則圖像大小為M×N個(gè)像素，從而f(x,y)構(gòu)成一個(gè)M×N實(shí)數(shù)矩陣：每個(gè)元素為圖像f(x,y)的離散采樣值，稱之為像元或像素。均勻采樣非均勻采樣4.量化均勻量化2.1.2數(shù)字化原理量化(信號(hào)測量的精度)采樣

(a)量化(b)量化為8bit量化示意圖4.量化非均勻量化:

a）基于視覺特性：對亮度值急劇變化部分無需過細(xì)分層，進(jìn)行粗量化,對亮度值平緩變化部分需過細(xì)分層，進(jìn)行細(xì)量化

b）先計(jì)算所有可能的亮度值出現(xiàn)的概率分布，對概率分布大的進(jìn)行細(xì)量化,對概率分布小的進(jìn)行粗量化,非均勻量化可以減少量化誤差，又能用較少的比特?cái)?shù)實(shí)現(xiàn)量化2.1.2數(shù)字化原理(a)256級(jí)灰度圖象(b)子圖(c)子圖對應(yīng)的量化數(shù)據(jù)圖像量化實(shí)例圖像量化實(shí)例量化和采樣是兩個(gè)不同的概念，量化是在每個(gè)采樣點(diǎn)上進(jìn)行的，所以必須先采樣后量化。量化和采樣是圖像數(shù)字化的不可或缺的兩個(gè)操作，二者緊密相關(guān)，同時(shí)完成。2.1.2數(shù)字化原理5.采樣和量化的關(guān)系對一幅圖像，當(dāng)量化級(jí)數(shù)一定時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)對圖像質(zhì)量有著顯著的影響。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(shí)，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(shí)，采用不同量化級(jí)數(shù)的圖像質(zhì)量也不一樣。量化級(jí)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當(dāng)量化級(jí)數(shù)越少時(shí)，圖像質(zhì)量越差，量化級(jí)數(shù)最小的極端情況就是二值圖像，圖像出現(xiàn)假輪廓。

2.1.2數(shù)字化原理2.1.2數(shù)字化原理非均勻采樣和量化－細(xì)節(jié)部分，分配較多的采樣－灰度突變部分，可用較少的灰度級(jí)數(shù)2.1.2數(shù)字化原理圖像頻率HighFrequencyImageLowFrequencyImageImageFrequenciesHighFrequencyImageLowFrequencyImage空間分辨率和亮度分辨率灰度圖像：單色，一元組彩色圖像：RGB三色，三元組數(shù)字圖像

圖像（水平）尺寸M：

圖像（垂直）尺寸N：

象素灰度級(jí)數(shù)G(k-bit)：

圖像所需的位數(shù)b：一幅數(shù)字化后的圖像其總數(shù)據(jù)量是：每行象素?cái)?shù)（M）×每列象素?cái)?shù)（N）×灰度量所占用位數(shù)(Bits)。幾種常用的圖像大小如下：

漢字：取決于字的大小，每個(gè)字可以從16×16到256×256象素；顯微鏡圖像：256×256或512×512象素；電視圖像：500～700×480象素；衛(wèi)星圖像：（單波殷）3240×2340象素；

CRT顯示器：一般640×480或1024×1024象素，2048×2048象素等4.圖像質(zhì)量與采樣和量化圖像空間分辨率變化所產(chǎn)生的效果圖像幅度分辨率變化所產(chǎn)生的效果

空間和幅度分辨率同時(shí)變化所產(chǎn)生的效果采樣的效果空間分辨率210x250105x12570x8352x6242x50所有圖片均是256灰度級(jí)量化效果灰度級(jí)2563216842圖片大小為210x250

(a)采樣點(diǎn)256×256時(shí)的圖像(b)采樣點(diǎn)64×64時(shí)的圖像(c)采樣點(diǎn)32×32時(shí)的圖像(d)采樣點(diǎn)16×16時(shí)的圖像

采樣點(diǎn)數(shù)與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系(a)量化為2級(jí)的Lena圖像(b)量化為16級(jí)的Lena圖像(c)量化為256級(jí)的Lena圖像

量化級(jí)數(shù)與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系2.2

圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2.1

圖像模式2.2.2

彩色空間2.2.3

圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2.1圖像模式1．灰度圖像

可由黑白照片數(shù)字化得到，或從彩色圖像進(jìn)行去色處理得到（256灰度級(jí)）2．二值圖像

灰度圖像經(jīng)過二值化處理后的結(jié)果，兩個(gè)灰度級(jí)，只需用1bit表示。2.2.1圖像模式3．彩色圖像彩色圖像的數(shù)據(jù)不僅包含亮度信息，還要包含顏色信息。彩色的表示方法是多樣化的。三基色模型：RGB（Red/Green/Blue，紅綠藍(lán)）

RGB三基色可以混合成任意顏色。2.2.1圖像模式2.2.2

彩色空間1)RGB彩色空間：面向硬件設(shè)備的彩色模型三基色原理三基色指可以用來調(diào)配出其它顏色的紅、綠、藍(lán)三種顏色。彩色圖像可由紅、綠、藍(lán)

三基色圖像疊加而成。2.2.2

彩色空間在RGB彩色空間中，任意彩色光的配色方程式為：RGB加色系統(tǒng)2)CMY彩色空間

自然界物體顏色光的形成方式將物體劃分為兩類——發(fā)光物體和不發(fā)光物體，發(fā)光物體稱為有源物體，不發(fā)光物體稱為無源物體。無源物體是不發(fā)出光波的物體，其顏色由該物體吸收或反射哪些光波來決定，因此采用CMY三基色相減模型和CMY彩色空間描述。2.2.2

彩色空間2.2.2

彩色空間油墨和顏料的三基色是CMY（Cyan/Magenta/Yellow，青/洋紅/黃）而不是RGB，CMY三基色的特點(diǎn)是油墨和顏料用的越多，顏色越暗（或越黑），所以將CMY稱為三減色，而RGB稱為三加色。以品紅、青、黃(Cyan,Magenta,Yellow)作為三基色所構(gòu)成的顏色模型也是一種常用的顏色表示系統(tǒng)。它是一種減色系統(tǒng)。CMY減色系統(tǒng)和RGB加色系統(tǒng)顏色互為補(bǔ)色。所謂某顏色的補(bǔ)色是從白色中減去這種顏色后所得的顏色。品紅是綠色的補(bǔ)色，青色是紅色的補(bǔ)色，黃色是藍(lán)色的補(bǔ)色。即相加系統(tǒng)的補(bǔ)色就是相減系統(tǒng)的基色(R+G=黃，G+B=青，R+B=品紅）。下圖示出了CMY和RGB的關(guān)系。減法系統(tǒng)與彩色光柵顯示器RGB三支電子槍轟擊屏幕熒光粉組合光顏色不同，打印機(jī)和繪圖儀之類的硬拷貝設(shè)備是通過往紙上涂顏料來生成彩色圖片。我們通過反射光來看見顏色，這是一種減色處理。正如白色光經(jīng)過品紅色物體表面的反射或透射后，光譜中綠色部分被吸收和減去，人們看到物體呈現(xiàn)品紅色，是一個(gè)減色過程。攝影的濾光鏡也是利用這一原理。打印、繪圖、印刷、膠卷以及非發(fā)光顯示器等反射體通常采用CMY減色系統(tǒng)。使用CMY減色系統(tǒng)的打印處理通過四個(gè)墨點(diǎn)的集合來產(chǎn)生顏色點(diǎn)。三種基色（品紅、青和黃）各使用一點(diǎn)，黑色也使用一點(diǎn)。因?yàn)槠芳t色、青色和黃色墨水的混合通常生成深灰色而不是黑色，所以黑色單獨(dú)包括在其中，使顏色效果更好。通過三種基色的墨水相互混合，產(chǎn)生不同顏色的組合。加上黑墨水后的顏色系統(tǒng)也稱為CMYB模型。2.2.2

彩色空間3)HSI彩色空間

區(qū)分顏色常用的3種基本特性量：色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）、強(qiáng)度（Intensity）。色調(diào)Hue：與混合光譜中主要光波長相聯(lián)系飽和度Saturation：與一定色調(diào)的純度有關(guān)強(qiáng)度Intensity：與物體的反射率成正比2.2.2

彩色空間RGB到HIS模型的轉(zhuǎn)換1.

一維數(shù)組方式:行×列

列

行2.2.3

圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1）按掃描行存儲(chǔ)紅

綠

藍(lán)

…第1行2）按各個(gè)像素存儲(chǔ)

紅綠

藍(lán)

…（1，1）（1，2）2.2.3

圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.多波段圖像數(shù)據(jù)結(jié)合結(jié)構(gòu)2.3

圖像文件格式2.3.1BMP文件格式2.3.2GIF文件格式2.3.3TIFF文件格式2.3.4JPEG文件格式2.3.5DICOM文件格式2.3

圖像文件格式2.3.1

BMP文件格式不經(jīng)過壓縮直接按位存盤的文件格式，稱為位圖（bitmap）。2.3.2

GIF文件格式

GIF（graphicInterchangeFormat）是由CompuServe公司設(shè)計(jì)和開發(fā)的文件存儲(chǔ)格式，用于存儲(chǔ)圖形，也可以用來存儲(chǔ)256色圖像。擴(kuò)展名為gif。2.3

圖像文件格式2.3.3TIFF文件格式

TIFF（TaggedImageFileFormat）是相對經(jīng)典、功能很強(qiáng)的圖像文件存儲(chǔ)格式，擴(kuò)展名為tif或tiff。2.3.4JPEG文件格式

由（國際）聯(lián)合圖像專家組（JointPhotographicExperts

Group）提出的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)文件格式，是面向常規(guī)彩色圖像及其它靜止圖像的一種壓縮標(biāo)準(zhǔn)。擴(kuò)展名為jpg或jpeg。2.3.5DICOM文件格式

DICOM

(DigitalImagingandCommunicationsin

Medicine)

是醫(yī)學(xué)圖像文件存儲(chǔ)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(chǔ)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。2.3

圖像文件格式2.4圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)2.4.1圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)2.4.2圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)2.4.1圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)歸一化方均誤差峰值方均誤差等效信噪比

2.4.1

圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)f(j,k)——被變換的圖像場，A——f(j,k)的最大值圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究是圖像信息工程的基本技術(shù)之一。光電變換——傳輸——處理——記錄——其他變換圖像增強(qiáng)：就是為了改善圖像的主觀視覺顯示質(zhì)量圖像復(fù)原：是用于補(bǔ)償圖像的降質(zhì)，使復(fù)原后的圖像接近原像圖像編碼技術(shù):在保持被編碼圖像一定質(zhì)量的前提下，以盡量少的碼字來表示圖像，以節(jié)省信道和儲(chǔ)存器容量2.4.2

圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)基本概念圖像逼真度（Fi