數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)課件

數(shù)字圖象處理計(jì)算機(jī)與通信工程系主講:郭東明數(shù)字圖象處理計(jì)算機(jī)與通信工程系1第二章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)2.1光譜與人眼特性2.2圖像數(shù)字化技術(shù)2.3數(shù)字圖像類型2.4圖像文件格式2.5色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型

第二章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)2.1光譜與人眼特性22.1光譜與人眼特性圖2.1電磁輻射波普

0.001nm1nm10nm電波可見(jiàn)光γ射線x射線紫外線紅外線微波視頻、無(wú)線電波紫藍(lán)綠黃橙紅近紅外短波紅外中紅外熱紅外遠(yuǎn)紅外400nm500nm600nm700nm1300nm3μm8μm14μm1mm毫米波厘米波分米波超短波短波中波長(zhǎng)波超長(zhǎng)波1mm10mm1cm1m10m100m0.1km10km100km2.1光譜與人眼特性圖2.1電磁輻射波普0.0032.1光譜與人眼特性太陽(yáng)的電磁輻射波◆太陽(yáng)的電磁輻射波恰好主要占據(jù)整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍。

◆可見(jiàn)光隨波長(zhǎng)的不同依次呈現(xiàn)出紫、藍(lán)、綠、黃、橙(橘紅)、紅六種顏色，白光是由不同顏色的可見(jiàn)光線混合而成的。

2.1光譜與人眼特性太陽(yáng)的電磁輻射波4可見(jiàn)光譜2.1光譜與人眼特性可見(jiàn)光譜2.1光譜與人眼特性5

1、視覺(jué)適應(yīng)性

◆大量實(shí)驗(yàn)表明，主觀亮度(人的視覺(jué)系統(tǒng)感覺(jué)到的亮度)與進(jìn)入人眼的光的強(qiáng)度成對(duì)數(shù)關(guān)系。對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算處理后,比較適應(yīng)人的視覺(jué)特性。

◆人眼對(duì)從亮突變到暗環(huán)境的適應(yīng)能力稱為暗適應(yīng)性?！羧搜蹖?duì)亮度變化跟蹤滯后的性質(zhì)稱為視覺(jué)惰性（或短暫的記憶特性）。

2.1光譜與人眼特性1、視覺(jué)適應(yīng)性◆人眼對(duì)從亮突變到暗環(huán)境的適應(yīng)能力稱為6

2、同時(shí)對(duì)比效應(yīng)

是指人眼對(duì)某個(gè)區(qū)域的亮度感覺(jué)并不僅僅取決于該區(qū)域的強(qiáng)度，而是與該區(qū)域的背景亮度或周圍的亮度有關(guān)的特性。

圖2.2同時(shí)對(duì)比效應(yīng)示例

2.1光譜與人眼特性2、同時(shí)對(duì)比效應(yīng)圖2.2同時(shí)對(duì)比效應(yīng)示例7

3、馬赫帶效應(yīng)

圖2.3馬赫帶效應(yīng)示例

感覺(jué)亮度實(shí)際亮度2.1光譜與人眼特性3、馬赫帶效應(yīng)圖2.3馬赫帶效應(yīng)示例8

4、視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)

是指人眼填充了不存在的信息或者錯(cuò)誤地感知物體的幾何特點(diǎn)的特性。

2.1光譜與人眼特性4、視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)2.1光譜與人眼特性9圖2.4視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)示例

（d）（e）（f）（a）（b）（c）圖2.4視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)示例（d）102.2圖像數(shù)字化技術(shù)圖像處理的方法有模擬式和數(shù)字式兩種。由于數(shù)字計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。我們?nèi)粘Ｉ钪幸?jiàn)到的圖像一般是連續(xù)形式的模擬圖像，所以數(shù)字圖像處理的一個(gè)先決條件就是將連續(xù)圖像離散化，轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個(gè)過(guò)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(lái)表示。2.2圖像數(shù)字化技術(shù)圖像處理的方法有模擬式11（2-1）矩陣中的每一個(gè)元素稱為像元、像素或圖像元素。而g(i,j)代表(i,j)點(diǎn)的灰度值，即亮度值。以上數(shù)字化有以下幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）由于g(i,j)代表該點(diǎn)圖像的光強(qiáng)度，而光是能量的一種形式，故g(i,j)必須大于零，且為有限值，即：0＜g(i,j)＜∞。（2-1）矩陣中的每一個(gè)元素稱為像元、像素或12（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。如圖2-5所示。（3）以上是用g(i,j)的數(shù)值來(lái)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(zhǎng)。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）數(shù)字化采樣一般是按正方形點(diǎn)陣取樣的，除此13圖2-5采樣網(wǎng)格(a)正方形網(wǎng)格;(b)正六角形網(wǎng)格圖2-5采樣網(wǎng)格142.2.1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(duì)它進(jìn)行采樣操作，需要先將二維信號(hào)變?yōu)橐痪S信號(hào)，再對(duì)一維信號(hào)完成采樣。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(duì)一維掃描線信號(hào)按一定間隔采樣得到離散信號(hào)，即先沿垂直方向采樣，再沿水平方向采樣這兩個(gè)步驟完成采樣操作。對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像（即時(shí)間域上的連續(xù)圖像），需先在時(shí)間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣由這三個(gè)步驟完成。2.2.1采樣15對(duì)一幅圖像采樣時(shí)，若每行（即橫向）像素為M個(gè)，每列（即縱向）像素為N個(gè)，則圖像大小為M×N個(gè)像素。在進(jìn)行采樣時(shí)，采樣點(diǎn)間隔的選取是一個(gè)非常重要的問(wèn)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(lái)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)，即式中對(duì)一幅圖像采樣時(shí)，若每行（即橫向）像素為M16圖2-6采樣示意圖圖2-6采樣示意圖172.2.2量化模擬圖像經(jīng)過(guò)采樣后，在時(shí)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2-7（a）說(shuō)明了量化過(guò)程。若連續(xù)灰度值用z來(lái)表示，對(duì)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。一般，像素值量化后用一個(gè)字節(jié)8bit來(lái)表示。如圖2-7（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(jí)灰度值，灰度值的范圍為0～255，表示亮度從深到淺，對(duì)應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。2.2.2量化18圖2-3量化示意圖（a）量化；(b)量化為8bit圖2-3量化示意圖19連續(xù)灰度值量化為灰度級(jí)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(jiǎn)單地把采樣值的灰度范圍等間隔地分割并進(jìn)行量化。對(duì)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。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(lái)進(jìn)行量化。具體做法是對(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。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(gè)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。連續(xù)灰度值量化為灰度級(jí)的方法有兩種，一種是等202.2.3采樣與量化參數(shù)的選擇一幅圖像在采樣時(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，也影響到該數(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Q，一般Q總是取為2的整數(shù)冪，即Q=2k,則存儲(chǔ)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）2.2.3采樣與量化參數(shù)的選擇（2-2）字節(jié)數(shù)B為（2-21對(duì)一幅圖像，當(dāng)量化級(jí)數(shù)Q一定時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)M×N對(duì)圖像質(zhì)量有著顯著的影響。如圖2-8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(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。如圖2-9所示，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。對(duì)一幅圖像，當(dāng)量化級(jí)數(shù)Q一定時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)M×22圖2-8不同采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)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)圖2-8不同采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響23圖2-9不同量化級(jí)別對(duì)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)圖2-9不同量化級(jí)別對(duì)圖像質(zhì)量的影響24一般，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（混疊）。對(duì)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(jí)別是256，則可以處理256×256×256=16777216種顏色。一般，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時(shí),為了得到質(zhì)量252.2.4圖像數(shù)字化設(shè)備將模擬圖像數(shù)字化成為數(shù)字圖像，需要某種圖像數(shù)字化設(shè)備。常見(jiàn)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)備的組成如前所述，采樣和量化是數(shù)字化一幅圖像的兩個(gè)基本過(guò)程。即把圖像劃分為若干圖像元素(像素)并給出它們的地址（采樣）；度量每一像素的灰度，并把連續(xù)的度量結(jié)果量化為整數(shù)（量化）；最后將這些整數(shù)結(jié)果寫(xiě)入存儲(chǔ)設(shè)備。為完成這些功能，圖像數(shù)字化設(shè)備必須包含以下五個(gè)部分：2.2.4圖像數(shù)字化設(shè)備26(1)采樣孔(Samplingaperture)：使數(shù)字化設(shè)備能夠單獨(dú)地觀測(cè)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(cè)每一個(gè)像素。(3)光傳感器：通過(guò)采樣檢測(cè)圖像的每一像素的亮度，通常采用CCD陣列。(4)量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。典型的量化器是A/D轉(zhuǎn)換電路，它產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓或電流成比例的數(shù)值。(5)輸出存儲(chǔ)裝置：將量化器產(chǎn)生的灰度值按適當(dāng)格式存儲(chǔ)起來(lái)，以用于計(jì)算機(jī)后續(xù)處理。(1)采樣孔(Samplingapert27

2.圖像數(shù)字化設(shè)備的性能

雖然各種數(shù)字化設(shè)備的組成不相同，但可從如下幾個(gè)方面對(duì)其性能進(jìn)行比較。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。2.圖像數(shù)字化設(shè)備的性能283)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(guò)程的有效性。能將圖像量化為多少級(jí)灰度也是非常重要的參數(shù)。圖像的量化精度經(jīng)歷了早期的黑白二值圖像、灰度圖像及現(xiàn)在的彩色及真彩色圖像。當(dāng)然，量化精度越高，存儲(chǔ)像素信息需要的字節(jié)數(shù)也越大。3)線性度29

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)。例如，數(shù)字化一幅灰度值恒定的圖像，雖然輸入亮度是一個(gè)常量，但是數(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)。4)噪聲302.3空間分辨率和灰度級(jí)分辨率

2.3.1空間分辨率和灰度級(jí)分辨率◆空間分辨率是圖像中可分辨的最小細(xì)節(jié)，主要由采樣間隔值決定?！粢环N常用的空間分辨率的定義是單位距離內(nèi)可分辨的最少黑白線對(duì)數(shù)目(單位是每毫米線對(duì)數(shù))，比如每毫米80線對(duì)。

1、空間分辨率

2.3空間分辨率和灰度級(jí)分辨率2.3.1空間分辨率和31圖2.10空間分辨率的線對(duì)概念示例寬度為W的黑線寬度為W的白線一個(gè)寬度為

2W線對(duì)2.3.1空間分辨率和灰度級(jí)分辨率圖2.10空間分辨率的線對(duì)概念示例寬度為W的黑線2.332對(duì)于一個(gè)同樣大小的景物來(lái)說(shuō)，對(duì)其進(jìn)行采樣的空間分辨率越高，采樣間隔就越小，景物中的細(xì)節(jié)越能更好地在數(shù)字化后的圖像中反映出來(lái)，也即反應(yīng)該景物的圖像的質(zhì)量就越高。2.3.1空間分辨率和灰度級(jí)分辨率對(duì)于一個(gè)同樣大小的景物來(lái)說(shuō)，對(duì)其進(jìn)行采樣的空間分辨率33一幅數(shù)字圖像的陣列大?。ê?jiǎn)稱為圖像大?。┩ǔＳ肕×N表示。在景物大小不變的情況下，采樣的空間分辨率越高，獲得的圖像陣列M×N就越大；反之，采樣的空間分辨率越低，獲得的圖像陣列M×N就越小。在空間分辨率不變的情況下，圖像陣列M×N越大，圖像的尺寸就越大；反之，圖像陣列M×N越小，圖像的尺寸就越小。

2.3.1空間分辨率和灰度級(jí)分辨率一幅數(shù)字圖像的陣列大?。ê?jiǎn)稱為圖像大?。┩ǔＳ肕×N34當(dāng)簡(jiǎn)單地把矩形數(shù)字化儀的尺寸看作是“單位距離”時(shí)，就可把一幅數(shù)字圖像的陣列大小M×N稱為該幅數(shù)字圖像的空間分辨率。

2.3.1空間分辨率和灰度級(jí)分辨率當(dāng)簡(jiǎn)單地把矩形數(shù)字化儀的尺寸看作是“單位距離”時(shí)，就35

2、灰度分辨率

灰度級(jí)分辨率是指在灰度級(jí)別中可分辨的最小變化，通常把灰度級(jí)級(jí)數(shù)L稱為圖像的灰度級(jí)分辨率。

#12.3.1空間分辨率和灰度級(jí)分辨率2、灰度分辨率灰度級(jí)分辨率是指在362.3.2

空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

1、采樣數(shù)變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

下面的圖(a)給出了一幅灰度級(jí)分辨率為256，空間分辨率為512×512的圖像。圖(b)是從圖(a)的512×512的圖像中，每隔一行刪去一行和每隔一列刪去一列而得到的256×256的圖像。圖(c）、(d)、(e)、(f)的獲得與上述方法類似。

2.3.2空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響37

1、采樣數(shù)變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

(a)(b)(c)

(d)

(e)(f)

圖2.11采樣數(shù)變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響示例

2.3.2

空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

1、采樣數(shù)變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響38

1、采樣數(shù)變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

從上面的圖(a)開(kāi)始直到得到圖(f)的過(guò)程說(shuō)明，原圖對(duì)應(yīng)的景物大小沒(méi)有變化，對(duì)原圖采樣的“線對(duì)”寬度也沒(méi)有變化,只是對(duì)同一景物圖像的采樣數(shù)目減少了。

由此說(shuō)明：（1）在圖像的空間分辨率不變(這里指線對(duì)寬度不變)的情況下，采樣數(shù)越少，圖像越小。（2）在景物大小不變的情況下，圖像陣列M×N越小，圖像的尺寸就越小。

2.3.2

空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

1、采樣數(shù)變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響從上39

2、空間分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

下面的圖(a)給出了一幅灰度級(jí)分辨率為256，空間分辨率為512×512的圖像。圖(b)、(c）、(d)、(e)及(f)的灰度級(jí)分辨率與圖(a)相同(為256)，但空間分辨率依次降低為256×256、128×128、64×64、32×32和16×16(也即，線對(duì)寬度一次加寬了)。

2.3.2

空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

2、空間分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響40（a）（b）（c）（d）（e）（f）圖2.12空間分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響示例2.3.2

空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

（a）（b）41

2、空間分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響上面各圖的共同特征是大小尺寸相同，這種特征的獲得是通過(guò)降低空間分辨率，也即增加采樣的線對(duì)寬度保證的。由此可見(jiàn)，隨著空間分辨率的降低，圖像中的細(xì)節(jié)信息在逐漸損失，棋盤格似的粗顆粒像素點(diǎn)變得越來(lái)越明顯。由此也說(shuō)明，圖像的空間分辨率越低，圖像的視覺(jué)效果越差。2.3.2

空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

2、空間分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響上面各42

3、灰度分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

下面的圖(a)給出了一幅灰度級(jí)分辨率為256，空間分辨率為512×512的圖像。圖(b)、(c）、(d)、(e)及(f)的空間級(jí)分辨率與圖(a)相同(為512×512)，但灰度分辨率依次降低為32、16、8、4和2。

2.3.2

空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

3、灰度分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響43（a）（b）（c）（d）（e）（f）圖2.13灰度分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響示例

2.3.2

空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

（a）（b）44

3、灰度分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

由上圖可見(jiàn)，隨著灰度分辨率的降低，圖像的細(xì)節(jié)信息在逐漸損失，偽輪廓信息在逐漸增加。圖中由于偽輪廓信息的積累，圖像已顯現(xiàn)出了木刻畫(huà)的效果。由此也說(shuō)明：灰度分辨率越低，圖像的視覺(jué)效果越差。

2.3.2

空間和灰度級(jí)分辨率對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響

3、灰度分辨率變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響452.4像素間的關(guān)系

本節(jié)在討論有關(guān)問(wèn)題時(shí)約定：◆用諸如p、q和r這樣的一類小寫(xiě)字母表示某些特指的像素；◆用諸如S、T和R這樣的一類大寫(xiě)字母表示像素子集。

2.4像素間的關(guān)系本節(jié)在討論有關(guān)問(wèn)題時(shí)約定：46

1、相鄰像素與4-鄰域

設(shè)圖像中的像素p位于(x，y)處，則p在水平方向和垂直方向相鄰的像素qi最多可有4個(gè)，其坐標(biāo)分別為：（x-1，y）,（x，y-1）,（x，y+1）,（x+1，y）由這4個(gè)像素組成的集合稱為像素p的4-鄰域,記為N4(p)。

2.4.1像素的相鄰和鄰域1、相鄰像素與4-鄰域設(shè)圖像中的像素p47

2、對(duì)角相鄰像素與4-對(duì)角鄰域

設(shè)圖像中的像素p位于(x，y)處，則p的對(duì)角相鄰像素ri最多可有4個(gè)，其坐標(biāo)分別為：(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x+1,y-1),(x+1,y+1)由這4個(gè)像素組成的集合稱為像素p的4-對(duì)角鄰域,記為ND(p)。2.5.1像素的相鄰和鄰域2、對(duì)角相鄰像素與4-對(duì)角鄰域設(shè)圖像中的像48

3、8-鄰域

把像素p的4-對(duì)角鄰域像素和4-鄰域像素組成的集合稱為像素p的8-鄰域，記為N8(p)。

2.5.1像素的相鄰和鄰域3、8-鄰域把像素p的4-對(duì)角鄰域像素和449

1、距離度量函數(shù)

對(duì)于坐標(biāo)分別位于（x,y），（u,v）和（w,z）處的像素p、q和r，如果：(1）D(p,q)≥0（D(p,q)=0，當(dāng)且僅當(dāng)p=q，即p和q是指同一像素）；(2）D(p,q)=D(q,p)；(3）D(p,r)≤D(p,q)+D(q,r)。則D是距離度量函數(shù)。

2.5.3距離的度量1、距離度量函數(shù)對(duì)于坐標(biāo)分別位于（x,y50

2、歐氏距離

像素p和q之間的歐氏（Euclidean）距離定義為：De(p,q)=[(x-u)2+(y-v)2]1/2（2.12）也即，所有距像素點(diǎn)(x,y)的歐氏距離小于或等于d的像素都包含在以(x,y)為中心,以d為半徑的圓平面中。

2.5.3距離的度量2、歐氏距離像素p和q之間的歐氏（Eu51

3、街區(qū)距離

像素p和q之間的D4距離，也即街區(qū)（city-block）距離，定義為：D4(p,q)=|x-u|+|y-v|（2.13）也即，所有相距像素點(diǎn)(x,y)的D4距離為小于d或等于d的像素組成一個(gè)中心點(diǎn)在(x,y)的菱形。2.5.3距離的度量3、街區(qū)距離像素p和q之間的D4距離，52

3、街區(qū)距離（續(xù)）

比如，那些與點(diǎn)(x,y)的D4距離為小于2或等于2的像素組成了如下圖所示的等距離輪廓。22122101221222.5.3距離的度量3、街區(qū)距離（續(xù)）比如，那些與點(diǎn)(53

4、棋盤距離

像素p和q之間的D8距離，也即棋盤距離，定義為：D8(p,q)=max(|x-u|，|y-v|)（2.14）也即，所有距像素點(diǎn)(x,y)的D8距離為小于d或等于d的像素組成一個(gè)中心點(diǎn)在(x,y)的方形。

2.5.3距離的度量4、棋盤距離像素p和q之間的D8距離，54

4、棋盤距離

比如，距點(diǎn)(x,y)的D8距離小于或等于2的像素組成了如下圖所示的等距離輪廓。22222211122101221112222222.5.3距離的度量4、棋盤距離比如，距點(diǎn)(x,y)的D8552.6圖像的代數(shù)運(yùn)算

圖像的代數(shù)運(yùn)算是指兩幅輸入圖像對(duì)應(yīng)像素間的一對(duì)一的灰度值相加、相減、相乘和相除運(yùn)算。這些運(yùn)算在許多的圖像處理中都會(huì)用到。加法：g(x,y)=f1(x,y)+f2(x,y)減法：g(x,y)=f1(x,y)－f2(x,y)乘法：g(x,y)=f1(x,y)×f2(x,y)除法：g(x,y)=f1(x,y)÷f2(x,y)2.6圖像的代數(shù)運(yùn)算圖像的代數(shù)運(yùn)算是指兩562.7灰度直方圖

2.7.1灰度直方圖圖像的灰度直方圖，是一種表示數(shù)字圖像中各級(jí)灰度值及其出現(xiàn)頻數(shù)的關(guān)系的函數(shù)。

設(shè)一幅數(shù)字圖像的灰度級(jí)范圍為[0,L-1]，則該圖像的灰度直方圖可定義為：h(rk)=nk(r=0,1,2,…,L-1)(2.19)其中，rk表示第k級(jí)灰度值，h(rk)和nk表示圖像中灰度值為rk的像素個(gè)數(shù)。

2.7灰度直方圖2.7.1灰度直方圖圖像的灰度57(a)(b)圖2.15四種基本圖像類型圖像及其灰度直方圖(暗、亮、低對(duì)比度、高對(duì)比度)

2.7.1灰度直方圖(a)圖2.15四種基本圖像類型圖像及其灰度直方圖258(c)(d)圖2.15四種基本圖像類型圖像及其灰度直方圖(暗、亮、低對(duì)比度、高對(duì)比度)

2.7.1灰度直方圖(c)圖2.15四種基本圖像類型圖像及其灰度直方圖2592.7灰度直方圖

2.7.2二維直方圖

在彩色圖像處理中，有一種稱為真彩色的圖像，其顏色多達(dá)28×28×28=16777216種。在實(shí)際中直接用R、G、B三種純色分量表示真彩色圖像中的每一個(gè)像素的實(shí)際顏色值，每個(gè)分量的亮度值用一個(gè)字節(jié)表示。2.7灰度直方圖2.7.2二維直方圖在602.7.2二維直方圖二維直方圖是一種描述彩色圖像中紅色光圖像的亮度（灰度）值與藍(lán)色光圖像的灰度值的關(guān)系的函數(shù)，用一個(gè)二維坐標(biāo)表示，橫坐標(biāo)表示紅色圖像的灰度級(jí)別，縱坐標(biāo)表示藍(lán)色圖像的灰度級(jí)別。也即坐標(biāo)（DR，DB）處的值是指在紅光圖像中具有灰度值DR，且在藍(lán)光圖像中具有灰度值DB的像素（對(duì)）的個(gè)數(shù)。

2.7.2二維直方圖二維直方圖是一種描述彩色圖像中61圖2.16彩色圖像及其對(duì)應(yīng)的藍(lán)、紅光圖像和二維直方圖250200150100500RB050100150200250（a）原彩色圖像（b）二維直方圖

（c）純藍(lán)光分量圖像（d）純紅光分量圖像

2.7.2二維直方圖圖2.16彩色圖像及其對(duì)應(yīng)的藍(lán)、紅光圖像和二維直方圖622.7.3灰度直方圖的特征

灰度直方圖具有如下一些特征：

（1）直方圖僅能描述圖像中每個(gè)灰度級(jí)具有的像素個(gè)數(shù),不能表示圖像中每個(gè)像素的位置（空間）信息；（2）任一特定的圖像都有惟一的直方圖，不同的圖像可以具有相同的直方圖；（3）對(duì)于空間分辨率為M×N，且灰度級(jí)范圍為[0，L-1]的圖像，有關(guān)系：=M×N(2.20)（4）如果一幅圖像由兩個(gè)不連接的區(qū)域組成，則整幅圖像的直方圖等于兩個(gè)不連接的區(qū)域的直方圖之和。2.7.3灰度直方圖的特征灰度直方圖具有如下一些特632.8圖像的顯示

2.8.1顯示分辨率與圖像分辨率

顯示分辨率是指顯示屏上能夠顯示的數(shù)字圖像的最大像素行數(shù)和最大像素列數(shù)，取決于顯示器上所能夠顯示的像素點(diǎn)之間的距離。圖像分辨率反映了數(shù)字化圖像中可分辨的最小細(xì)節(jié)，也即圖像的空間分辨率。在這里將圖像分辨率看成是圖像陣列的大小。

2.8圖像的顯示2.8.1顯示分辨率與圖像分辨率642.8.1顯示分辨率與圖像分辨率同一顯示器（或顯示分辨率相同的不同顯示器）顯示的圖像大小只與被顯示的圖像（陣列）的空間分辨率大小有關(guān)，與顯示器的顯示分辨率無(wú)關(guān)。換句話說(shuō)，具有不同空間分辨率的數(shù)字圖像在同一顯示器上的顯示分辨率相同。2.8.1顯示分辨率與圖像分辨率同一顯示器（或顯示65當(dāng)同一幅圖像（或圖像分辨率相同的不同圖像）顯示在兩個(gè)不同顯示分辨率的顯示器上時(shí)，顯示的圖像的外觀尺寸與顯示器的顯示分辨率有關(guān)：顯示分辨率越高，顯示出的圖像的外觀尺寸越?。伙@示分辨率越低，顯示出的圖像的外觀尺寸越大。2.8.1顯示分辨率與圖像分辨率當(dāng)同一幅圖像（或圖像分辨率相同的不同圖像）顯示在兩個(gè)662.8.2光度分辨率與灰度分辨率

光分辨率是指顯示系統(tǒng)在每個(gè)像素位置產(chǎn)生正確的亮度或光密度的精度，部分地依賴于控制每個(gè)像素亮度的比特?cái)?shù)?；叶确直媛适侵冈诨叶燃?jí)別中可分辨的最小變化,一般把灰度級(jí)數(shù)L稱為數(shù)字圖像的灰度級(jí)分辨率。

2.8.2光度分辨率與灰度分辨率光分辨率是指顯示系67人眼的視覺(jué)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，可用亮度（灰度）、色調(diào)和飽和度這三個(gè)基本特征量來(lái)區(qū)分顏色。

◆亮度與物體的反射率成正比；

◆色調(diào)與混合光譜中主要光的波長(zhǎng)相聯(lián)系；

◆飽和度與色調(diào)的純度有關(guān)。2.8.3彩色模型有關(guān)彩色模型的詳細(xì)概念，將在第9章的彩色與多光譜圖像處理一章中介紹。

人眼的視覺(jué)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，可用亮度（灰度）、色68◆位映像，是指一個(gè)二維的像素陣列。

◆

位圖，是指采用位映像方法顯示和存儲(chǔ)的圖像。

◆位映像設(shè)備，是指把位映像形式的二維像素陣列圖像，按先行后列的順序，通過(guò)逐像素地重復(fù)掃描的方式來(lái)顯示位圖的設(shè)備（顯示器）。2.8.4位圖◆位映像，是指一個(gè)二維的像素陣列。2.8.4位圖692.8.4位圖圖2.17機(jī)械零件輪廓圖像圖2.18機(jī)械零件輪廓圖像的位圖2.8.4位圖圖2.17機(jī)械零件輪廓圖像圖2.702.8.5調(diào)色板◆

調(diào)色板：是指在16色或256色顯示系統(tǒng)中，將圖像中出現(xiàn)最頻繁的16種或256種顏色組成一個(gè)顏色表，并將它們分別編號(hào)為0至15或0至255，這樣就使每一個(gè)4位或8位的顏色編號(hào)與顏色表中的24位顏色值（對(duì)應(yīng)一種顏色的R、G、B值）相對(duì)應(yīng)。這種4位或8位的顏色編號(hào)稱為顏色的索引號(hào)，由顏色索引號(hào)及其對(duì)應(yīng)的24位顏色值組成的表稱為顏色查找表(lookuptable,簡(jiǎn)稱LUT),也稱為調(diào)色板。

2.8.5調(diào)色板◆調(diào)色板：是指在16色或256色顯示71顏色紅色分量（R）綠色分量（G）藍(lán)色分量（B）黑色000白色255255255紅色25500綠色02550藍(lán)色00255青色0255255品紅（紫色）2550255黃色2552550灰色128128128橄欖色1281280深青色0128128銀色192192192表2.1常用顏色的RGB值組合顏色紅色分量（R）綠色分量（G）藍(lán)色分量（B）黑色0722.9圖像文件格式

常用的文件格式有：BMP、GIF、TIFF、PCX、JPEG等。

2.9圖像文件格式常用的文件格式有：732.9圖像文件格式

◆BMP文件（BitmapFile）是一種Windows采用的點(diǎn)陣式圖像文件格式。

◆BMP圖像文件主要由位圖文件頭（BitmapFileHeader）、位圖信息頭（BitmapInformationHeader）、位圖調(diào)色板（BitmapPalette）和位圖數(shù)據(jù)（BitmapData）四部分組成。

2.9圖像文件格式◆BMP文件（Bitmap742.9圖像文件格式

位圖文件的組成部分各部分的標(biāo)識(shí)名稱各部分的作用與用途位圖文件頭BITMAPFILEHEADER說(shuō)明文件的類型和位圖數(shù)據(jù)的起始位置等，共14個(gè)字節(jié)。位圖信息頭BITMAPINFORMATION說(shuō)明位圖文件的大小、位圖的高度和寬度、位圖的顏色格式和壓縮類型等信息。共40個(gè)字節(jié)。位圖調(diào)色板RGBQUAD由位圖的顏色格式字段所確定的調(diào)色板數(shù)組，數(shù)組中的每個(gè)元素是一個(gè)RGBQUAD結(jié)構(gòu)，占4個(gè)字節(jié)。位圖數(shù)據(jù)BYTE位圖數(shù)據(jù)，位圖的壓縮格式確定了該數(shù)據(jù)陣列是壓縮數(shù)據(jù)或是非壓縮數(shù)據(jù)。表2.2BMP位圖文件的組成

2.9圖像文件格式位圖文件的組成部分各部分的標(biāo)識(shí)名稱各752.9.1位圖文件頭

◆位圖文件頭BITMAPFILEHEADER可定義為如下的結(jié)構(gòu):typedefstruct{WORDbfType；DWORDbfSize；WORDbfReserved1；WORDbfReserved2；DWORDbfoffBits； }BITMAPFILEHEADER；

2.9.1位圖文件頭◆位圖文件頭BITMAPFILEHE762.9.2位圖信息頭◆位圖信息頭BITMAPINFORMATION可定義為如下的結(jié)構(gòu)：typedefstruct{DWORDbiSize;DWORDbiWidth;DWORDbiHeight;WORDbiPlane;WORDbiBitCount; DWORDbiCompression; DWORDbiSizeImage; DWORDbiXPelsPerMeter; DWORDbiYPelsPerMeter; DWORDbiClrUsed; DWORDbiClrImportant;}BITMAPINFOHEADER;

2.9.2位圖信息頭◆位圖信息頭BITMAPINFORM772.9.3位圖調(diào)色板◆位圖調(diào)色板實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有與該位圖的顏色數(shù)目相同的顏色表項(xiàng)組成的顏色表，每個(gè)顏色表項(xiàng)占4個(gè)字節(jié)，構(gòu)成一個(gè)RGBQUAD結(jié)構(gòu)，其定義如下：typedefstruct{BYTErgbBlue；BYTErgbGreen；BYTErgbRed；BYTErgbReserved； }RGBQUAD；2.9.3位圖調(diào)色板◆位圖調(diào)色板實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有與該位圖782.9.4位圖數(shù)據(jù)

BMP位圖文件的第4部分是實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于具有調(diào)色板的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素在調(diào)色板中的索引值。對(duì)于2色黑白圖像，每個(gè)字節(jié)可以表示8個(gè)像素；對(duì)于16色圖像，每個(gè)字節(jié)可以表示2個(gè)像素；對(duì)于256色圖像，每個(gè)字節(jié)可以表示一個(gè)像素。對(duì)于沒(méi)有調(diào)色板部分的真彩色圖像，圖像數(shù)據(jù)就是實(shí)際的B、G、R值，也即3個(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素。如前所述，圖像的位圖數(shù)據(jù)表示的圖像共有biWidth×biHeight個(gè)像素。

2.9.4位圖數(shù)據(jù)BMP位圖文件的第4部分79圖像的位圖數(shù)據(jù)是按行存儲(chǔ)的，每一行的字節(jié)數(shù)按照4字節(jié)邊界對(duì)齊,也即每一行的字節(jié)數(shù)是4的倍數(shù)，不足的字節(jié)用0補(bǔ)齊。2.9.4位圖數(shù)據(jù)圖像的位圖數(shù)據(jù)是按行存儲(chǔ)的，每一行的字節(jié)數(shù)按照4字節(jié)80圖像的位圖數(shù)據(jù)是按行從下到上、從左到右排列的。也就是說(shuō)，從圖像的位圖數(shù)據(jù)中最先讀到的是圖像最下面一行的最左邊的像素，然后讀到的是該行左邊的第二個(gè)像素，……，接下來(lái)是圖像的倒數(shù)第二行的最左邊的像素，緊接著是該行左邊的第二個(gè)像素，……，后面各行以此類推，最后讀到的是圖像最上面一行的最右邊的一個(gè)像素。

2.9.4位圖數(shù)據(jù)圖像的位圖數(shù)據(jù)是按行從下到上、從左到右排列的。也就是812.3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(lái)表示一幅圖，如AutoCAD中的繪圖語(yǔ)句。這種方法的本質(zhì)是用數(shù)學(xué)(更準(zhǔn)確地說(shuō)是幾何學(xué))公式描述一幅圖像。圖像中每一個(gè)形狀都是一個(gè)完整的公式，稱為一個(gè)對(duì)象。對(duì)象是一個(gè)封閉的整體，所以定義圖像上對(duì)象的變化和對(duì)象與其他對(duì)象的關(guān)系對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是簡(jiǎn)單的，所有這些變化都不會(huì)影響到圖像中的其他對(duì)象。2.3數(shù)字圖像類型為了方便地處理數(shù)字圖像，82公式化表示圖像使得矢量圖具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是它的文件數(shù)據(jù)量很小；二是圖像質(zhì)量與分辨率無(wú)關(guān)，這意味著無(wú)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(shí)，也往往能看到畫(huà)圖的過(guò)程。但是，矢量圖有一個(gè)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(lái)的圖像不是很逼真，同時(shí)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公式化表示圖像使得矢量圖具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是它的83位圖是通過(guò)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。位圖可以從傳統(tǒng)的相片、幻燈片上制作出來(lái)或使用數(shù)字相機(jī)得到，也可以利用Windows的畫(huà)筆(Painbrush)用顏色點(diǎn)填充網(wǎng)格單元來(lái)創(chuàng)建位圖。位圖又可以分成如下四種：線畫(huà)稿LineArt)、灰度圖像(GrayScale)、索引顏色圖像(IndexColor)和真彩色圖像（TrueColor）。位圖是通過(guò)許多像素點(diǎn)表示一幅圖像，每個(gè)像素具842.3.1位圖

1.線畫(huà)稿線畫(huà)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(shí)，掃描儀以一位顏色模式來(lái)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(huà)稿適合于由黑白兩色構(gòu)成而沒(méi)有灰度陰影的圖像。圖2-6所示是一幅線畫(huà)稿圖。2.3.1位圖85圖2-6線畫(huà)稿圖圖2-6線畫(huà)稿圖86

2.灰度圖像在灰度圖像中，像素灰度級(jí)用8bit表示，所以每個(gè)像素都是介于黑色和白色之間的256（28=256）種灰度中的一種。灰度圖像只有灰度顏色而沒(méi)有彩色。我們通常所說(shuō)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(lái)說(shuō)，就是具有從黑到白的256種灰度色域（Gamut）的單色圖像。2.灰度圖像873.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(duì)圖像進(jìn)行采樣，即可以從圖像中采樣出1670萬(wàn)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”。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(shí)并沒(méi)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(kāi)該文件時(shí)，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。3.索引圖像88

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(xiě)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(duì)應(yīng)。在真彩色圖像中，每一個(gè)像素由紅、綠和藍(lán)三個(gè)字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)為8bit，表示0到255之間的不同的亮度值，這三個(gè)字節(jié)組合可以產(chǎn)生1670萬(wàn)種不同的顏色。4.真彩色圖像892.4圖像文件格式數(shù)字圖像有多種存儲(chǔ)格式，每種格式一般由不同的開(kāi)發(fā)商支持。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和圖像應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，還會(huì)出現(xiàn)新的圖像格式。因此，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。下面介紹幾種常見(jiàn)的圖像文件格式。2.4圖像文件格式數(shù)字圖像有多種存儲(chǔ)格式902.4.1BMP圖像文件格式2.4.1BMP圖像文件格式91第四部分就是實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于用到調(diào)色板的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調(diào)色板中的索引值，對(duì)于真彩色圖像，圖像數(shù)據(jù)就是實(shí)際的R、G、B值。下面就2色、16色、256色和真彩色位圖分別介紹。對(duì)于2色位圖，用1位就可以表示該像素的顏色（一般0表示黑，1表示白），所以一個(gè)字節(jié)可以表示8個(gè)像素。對(duì)于16色位圖，用4位可以表示一個(gè)像素的顏色，所以一個(gè)字節(jié)可以表示2個(gè)像素。對(duì)于256色位圖，一個(gè)字節(jié)剛好可以表示1個(gè)像素。第四部分就是實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于用到調(diào)色板的位92下面兩點(diǎn)請(qǐng)注意：（1）每一行的字節(jié)數(shù)必須是4的整數(shù)倍，如果不是，則需要補(bǔ)齊。這在前面介紹biSizeImage時(shí)已經(jīng)提到過(guò)。（2）BMP文件的數(shù)據(jù)存放是從下到上，從左到右的。也就是說(shuō)，從文件中最先讀到的是圖像最下面一行的左邊第一個(gè)像素，然后是左邊第二個(gè)像素，接下來(lái)是倒數(shù)第二行左邊第一個(gè)像素，左邊第二個(gè)像素。依次類推，最后得到的是最上面一行的最右邊的一個(gè)像素。DIB（DeviceIndependentBitmap）圖像格式是設(shè)備無(wú)關(guān)位圖文件，描述圖像的能力基本與BMP相同，并且能運(yùn)行于多種硬件平臺(tái)，只是文件較大。下面兩點(diǎn)請(qǐng)注意：932.4.2其他文件格式

1.TIF圖像文件格式

標(biāo)記圖像文件格式TIF(TagImageFileFormat)，它是現(xiàn)存圖像文件格式中最復(fù)雜的一種，它提供存儲(chǔ)各種信息的完備的手段，可以存儲(chǔ)專門的信息而不違反格式宗旨，是目前流行的圖像文件交換標(biāo)準(zhǔn)之一。TIF格式文件的設(shè)計(jì)考慮了擴(kuò)展性、方便性和可修改性，因此非常復(fù)雜，要求用更多的代碼來(lái)控制它，結(jié)果導(dǎo)致文件讀寫(xiě)速度慢，TIF代碼也很長(zhǎng)。TIF文件由文件頭、參數(shù)指針表與參數(shù)域、參數(shù)數(shù)據(jù)表和圖像數(shù)據(jù)4部分組成。如表2-2～表2-4所示。2.4.2其他文件格式941）文件頭表2-2TIF文件文件頭結(jié)構(gòu)1）文件頭表2-2TIF文件文件頭結(jié)構(gòu)952）參數(shù)指針表2-3TIF文件參數(shù)指針表由一個(gè)2字節(jié)的整數(shù)和其后的一系列12字節(jié)參數(shù)域構(gòu)成，最后以一個(gè)長(zhǎng)整型數(shù)結(jié)束。若最后的長(zhǎng)整型數(shù)為0，表示文件的參數(shù)指針表到此為至，否則該長(zhǎng)整數(shù)為指向下一個(gè)參數(shù)指針表的偏移。2）參數(shù)指針表2-3TIF文件參數(shù)指針表963）參數(shù)塊結(jié)構(gòu)表2-4TIF文件參數(shù)塊結(jié)構(gòu)3）參數(shù)塊結(jié)構(gòu)表2-4TIF文件參數(shù)塊結(jié)構(gòu)972.GIF圖像文件格式CompuServe開(kāi)發(fā)的圖形交換文件格式GIF（GraphicsInterchangeFormat），目的是在不同的系統(tǒng)平臺(tái)上交流和傳輸圖像。它是在Web及其他聯(lián)機(jī)服務(wù)上常用的一種文件格式，用于超文本標(biāo)記語(yǔ)言(HTML)文檔中的索引顏色圖像，但圖像最大不能超過(guò)64M，顏色最多為256色。GIF圖像文件采取LZW壓縮算法，存儲(chǔ)效率高，支持多幅圖像定序或覆蓋，交錯(cuò)多屏幕繪圖以及文本覆蓋。GIF主要是為數(shù)據(jù)流而設(shè)計(jì)的一種傳輸格式，而不是作為文件的存儲(chǔ)格式。換句話說(shuō)，它具有順序的組織形式。GIF有五個(gè)主要部分以固定順序出現(xiàn)，所有部分均由一個(gè)或多個(gè)塊(block)組成。每個(gè)塊第一個(gè)字節(jié)中存放標(biāo)識(shí)碼或特征碼標(biāo)識(shí)。這些部分的順序?yàn)椋何募?biāo)志塊、邏輯屏幕描述塊、可選的“全局”色彩表塊(調(diào)色板)、各圖像數(shù)據(jù)塊（或?qū)Ｓ玫膲K）以及尾塊（結(jié)束碼）。GIF圖像文件格式如表2-5所示。2.GIF圖像文件格式98數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)ppt課件99

3.PCX文件PCX文件格式由ZSoft公司設(shè)計(jì),最早使用的圖像文件格式之一，由各種掃描儀掃描得到的圖像幾乎都能保存成PCX格式。PCX支持256種顏色，不如TARGA或TIF等格式功能強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，存取速度快，壓縮比適中，適合于一般軟件的使用。PCX格式常用于IBMPC兼容計(jì)算機(jī)。大多數(shù)PC軟件支持PCX格式的第5版。第3版文件使用標(biāo)準(zhǔn)的VGA調(diào)色板，不支持自定義調(diào)色板。PCX格式支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式，但不支持alpha通道。PCX支持RLE壓縮方法，圖像顏色的位數(shù)可以是1、4、8或24。3.PCX文件100PCX圖像文件由三個(gè)部分組成：文件頭、圖像數(shù)據(jù)和256色調(diào)色板。PCX的文件頭有128個(gè)字節(jié)，它包括版本號(hào)，被打印或掃描的圖像的分辨率(dpi)及大小(單位為像素)，每掃描行的字節(jié)數(shù)，每像素包含的位數(shù)據(jù)和彩色平面數(shù)。位圖數(shù)據(jù)用行程長(zhǎng)度壓縮算法記錄數(shù)據(jù)。PCX圖像文件由三個(gè)部分組成：文件頭、圖101

4.JPEG圖像格式

JPEG(JointPhotographer’sExpertsGroup)格式即聯(lián)合圖像專家組,是由ISO和CCITT為靜態(tài)圖像所建立的第一個(gè)國(guó)際數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，主要是為了解決專業(yè)攝影師所遇到的圖像信息過(guò)于龐大的問(wèn)題。由于JPEG的高壓縮比和良好的圖像質(zhì)量，使得它廣泛應(yīng)用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)程序中。JPEG和GIF成為HTML語(yǔ)法選用的圖像格式。JPEG格式支持24位顏色，并保留照片和其他連續(xù)色調(diào)圖像中存在的亮度和色相的顯著和細(xì)微的變化。JPEG一般基于DCT變換的順序型模式壓縮圖像。JPEG通過(guò)有選擇地減少數(shù)據(jù)來(lái)壓縮文件大小，因?yàn)樗鼤?huì)棄用數(shù)據(jù)，故JPEG壓縮為有損壓縮。較高品質(zhì)設(shè)置導(dǎo)致棄用的數(shù)據(jù)較少，但是JPEG壓縮方法會(huì)降低圖像中細(xì)節(jié)的清晰度，尤其是包含文字或矢量圖形的圖像。4.JPEG圖像格式1022.5色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型2.4.1色度學(xué)基礎(chǔ)在前面學(xué)習(xí)灰度圖像時(shí)，圖像的像素值是光強(qiáng)，即二維空間變量的函數(shù)f(x,y)。如果把灰度值看成是二維空間變量和光譜變量的函數(shù)f(x,y,λ)，即多光譜圖像，也就是通常所說(shuō)的彩色圖像。在計(jì)算機(jī)上顯示一幅彩色圖像時(shí)，每一個(gè)像素的顏色是通過(guò)三種基本顏色（即紅、綠、藍(lán)）合成的，即最常見(jiàn)的RGB顏色模型。要理解顏色模型，首先應(yīng)了解人的視覺(jué)系統(tǒng)。2.5色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型2.4.1色度學(xué)基礎(chǔ)103

1．三色原理

在人的視覺(jué)系統(tǒng)中存在著桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞兩種感光細(xì)胞。桿狀細(xì)胞為暗視器官，錐狀細(xì)胞是明視器官，在照度足夠高時(shí)起作用，并能分別辨顏色。錐狀細(xì)胞將電磁光譜的可見(jiàn)部分分為三個(gè)波段：紅、綠、藍(lán)。由于這個(gè)原因，這三種顏色被稱為三基色，圖2-7表示了人類視覺(jué)系統(tǒng)三類錐狀細(xì)胞的光譜敏感曲線。1．三色原理104圖2-7人類感光細(xì)胞的敏感曲線圖2-7人類感光細(xì)胞的敏感曲線105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——R表示紅（Red）、G表示綠（Green)和B表示藍(lán)（Blue)按照不同的比例組合而成。為了建立標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際照度委員會(huì)(CIE)早在1931年就規(guī)定三種基本色的波長(zhǎng)分別為R：700nm，G：546.1nm，B：435.8nm。前面已講過(guò)，一幅彩色圖像的像素值可看作是光強(qiáng)和波長(zhǎng)的函數(shù)值f(x,y,λ)，但實(shí)際使用時(shí)，將其看作是一幅普通二維圖像，且每個(gè)像素有紅、綠、藍(lán)三個(gè)灰度值會(huì)更直觀些。根據(jù)人眼的結(jié)構(gòu)，所有顏色都可看作是三種基本106

2．顏色的三個(gè)屬性

顏色是外界光刺激作用于人的視覺(jué)器官而產(chǎn)生的主觀感覺(jué)。顏色分兩大類：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和介于這兩者之間深淺不同的灰色，也稱為無(wú)色系列。彩色是指除了非彩色以外的各種顏色。顏色有三個(gè)基本屬性，分別是色調(diào)、飽和度和亮度?；谶@三個(gè)基本屬性，提出了一種重要的顏色模型HSI（Hue、Saturation、Intensity）。在HSI顏色模型部分中，我們將詳細(xì)介紹這三個(gè)基本屬性。2．顏色的三個(gè)屬性1072.4.2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。另一類面向以彩色處理為目的的應(yīng)用，如動(dòng)畫(huà)中的彩色圖形。面向硬件設(shè)備的最常用彩色模型是RGB模型，而面向彩色處理的最常用模型是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)。2.4.2顏色模型1081.RGB模型RGB模型用三維空間中的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示一種顏色，如圖2-8所示。每個(gè)點(diǎn)有三個(gè)分量，分別代表該點(diǎn)顏色的紅、綠、藍(lán)亮度值，亮度值限定在［0,1］。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）。1.RGB模型109圖2-8RGB模型單位立方體圖2-8RGB模型單位立方體110

2.HSI模型HSI模型是Munseu提出的，它反映了人的視覺(jué)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(wú)關(guān)；②H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(jué)系統(tǒng)來(lái)感知彩色特性的圖像處理算法。2.HSI模型111圖2-9中的色相環(huán)描述了色調(diào)和飽和度兩個(gè)參數(shù)。色調(diào)由角度表示，它反映了該彩色最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)。一般假定0°表示的顏色為紅色，120°的為綠色，240°的為藍(lán)色。0°到240°的色相覆蓋了所有可見(jiàn)光譜的彩色，在240°到300°之間為人眼可見(jiàn)的非光譜色（紫色）。飽和度是指一個(gè)顏色的鮮明程度，飽和度越高，顏色越深，如深紅，深綠。飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)（圓心）到彩色點(diǎn)的半徑的長(zhǎng)度。由色相環(huán)可以看出，環(huán)的邊界上純的或飽和的顏色，其飽和度值為1。在中心是中性（灰色）陰影，飽和度為0。圖2-9中的色相環(huán)描述了色調(diào)和飽和度兩個(gè)參數(shù)112圖2-9色相環(huán)圖2-9色相環(huán)113亮度是指光波作用于感受器所發(fā)生的效應(yīng)，其大小由物體反射系數(shù)來(lái)決定，反射系數(shù)越大，物體的亮度愈大，反之愈小。HSI模型的三個(gè)屬性定義了一個(gè)三維柱形空間，如圖2-10所示?；叶汝幱把刂S線從底部的黑變到頂部的白，具有最高亮度。最大飽和度的顏色位于圓柱上頂面的圓周上。亮度是指光波作用于感受器所發(fā)生的效應(yīng)，其大小114圖2-10柱形彩色空間圖2-10柱形彩色空間1151)RGB轉(zhuǎn)換到HSI

對(duì)任何3個(gè)［0，1］范圍內(nèi)的R、G、B值，其對(duì)應(yīng)HSI模型中的I、S、H分量的計(jì)算公式為(2-4)1)RGB轉(zhuǎn)換到HSI(2-4)116式（2-4）計(jì)算出的H值的范圍為［0°,180°］，對(duì)應(yīng)于Ｇ≥Ｂ。在Ｇ＜Ｂ時(shí)，Ｈ值大于180°,只要令Ｈ＝360°－H，即可把Ｈ轉(zhuǎn)換到［180°，360°］區(qū)間。所以若將兩種情況都考慮上，則由式（2-4）算得的Ｈ是在［0°，360°］范圍內(nèi)。當(dāng)S＝0時(shí)對(duì)應(yīng)的是無(wú)色彩的中心點(diǎn)，這時(shí)H就沒(méi)有意義，此時(shí)定義H為0。當(dāng)I＝0時(shí)，S也沒(méi)有意義。式（2-4）計(jì)算出的H值的范圍為［0°,1172)HSI轉(zhuǎn)換到RGB

假設(shè)S、I的值在［0，1］之間，R、G、B的值也在［0，1］之間，則HSI轉(zhuǎn)換為RGB的公式為(分成3段以利用對(duì)稱性)（1）當(dāng)H在［0°，120°］之間(2-5)2)HSI轉(zhuǎn)換到RGB(2-5)118(2)當(dāng)H在［120°，240°］之間(2-6)(2)當(dāng)H在［120°，240°］之間(2-6)119(3)當(dāng)H在［240°，360°］之間(2-7)(3)當(dāng)H在［240°，360°］之間(2-7)120

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。計(jì)算機(jī)屏幕顯示通常用RGB表色系統(tǒng)，它是通過(guò)相加來(lái)產(chǎn)生其他顏色，這種做法通常稱為加色合成法(AdditiveColorSynthesis)。而在印刷工業(yè)上則通常用CMYK表色系統(tǒng)，它是通過(guò)顏色相減來(lái)產(chǎn)生其他顏色的，所以稱這種方式為減色合成法(SubtractiveColorSynthesis)。CMYK模式的原色為青色(Cyan)、品紅色(Magenta)、黃色(Yellow)和黑色（Black）。在處理圖像時(shí)，一般不用CMYK模式，主要是因?yàn)檫@種模式的文件大，占用的磁盤空間和內(nèi)存大。這種模式一般在印刷時(shí)使用。3.CMYK表色系統(tǒng)121

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YUV之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：4.其他表色系122（2-9）（2-8）（2-9）（2-8）1232）Lab表色系Lab顏色模型是CIE于1976年推薦的設(shè)計(jì)成符合孟塞爾彩色系統(tǒng)的表色系。Lab顏色由亮度或光亮度分量L和a、b兩個(gè)色度分量組成。其中a在的正向數(shù)值越大表示越紅，在負(fù)向的數(shù)值越大則表示越綠；b在的正向數(shù)值越大表示越黃，在負(fù)向的數(shù)值越大表示越藍(lán)。Lab顏色與設(shè)備無(wú)關(guān)，無(wú)論使用何種設(shè)備（如顯示器、打印機(jī)、計(jì)算機(jī)或掃描儀）創(chuàng)建或輸出圖像，這種模型都能生成一致的顏色。2）Lab表色系124（2-10）式中X0、Y0、Z0為標(biāo)準(zhǔn)白色對(duì)應(yīng)的X、Y、Z值。（2-10）式中X0、Y0、Z0為標(biāo)準(zhǔn)白色對(duì)應(yīng)的X、Y、Z值125擴(kuò)展：醫(yī)學(xué)數(shù)字成像技術(shù)

擴(kuò)展：醫(yī)學(xué)數(shù)字成像技術(shù)

126醫(yī)學(xué)數(shù)字成像技術(shù)內(nèi)容計(jì)算機(jī)X線攝影(computedradiography,CR)數(shù)字X