數(shù)字圖像處理 賈永紅

本文格式為Word版，下載可任意編輯——數(shù)字圖像處理賈永紅其次章基本概念

賈永紅武漢大學(xué)

其次章

講解內(nèi)容1.圖像數(shù)字化概念、數(shù)字化參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響、數(shù)字化器性能評價2.圖像灰度直方圖的基本概念、計算、性質(zhì)及其應(yīng)用3.數(shù)字圖像處理算法形式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4.圖像圖像文件格式與特征重點(diǎn)：圖像數(shù)字化、圖像灰度直方圖和圖像文件BMP格式難點(diǎn)：圖像數(shù)字化、直方圖應(yīng)用、圖像分層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)教學(xué)法：靈活應(yīng)用例如法、啟發(fā)式、提問法等目的：1.熟悉本章基本概念和圖像處理算法形式，了解圖像的特征；2.重點(diǎn)把握圖像數(shù)字化圖像灰度直方圖的基本概念及應(yīng)用、2.2成象模型

3-D客觀場景到2-D成像平面的中心投影。物方點(diǎn)空間坐標(biāo)與對應(yīng)的像方點(diǎn)坐標(biāo)滿足幾何透視變換關(guān)系（共線條件）。

f(x，y)理想成像面坐標(biāo)點(diǎn)（x，y）的亮度i(x，y)照度分量r(x，y)反射分量，則f(x，y)＝i(x，y)×r(x，y)其中：0<i(x，y)<∞，0<r(x，y)<12.3圖像數(shù)字化

圖像數(shù)字化是將一幅畫面轉(zhuǎn)化成計算機(jī)能處理的形式——數(shù)字圖像的過程。模擬圖像數(shù)字圖像正方形點(diǎn)陣具體來說，就是把一幅圖畫分割成如圖2.3.1所示的一個個小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域灰度用整數(shù)來表示，形成一幅點(diǎn)陣式的數(shù)字圖像。它包括采樣和量化兩個過程。像素的位置和灰度就是像素的屬性。2.3.1采樣將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點(diǎn)的操作稱為采樣。采樣間隔和采樣孔徑的大小是兩個很重要的參數(shù)。當(dāng)對圖像進(jìn)行實(shí)際的抽樣時，怎樣選擇各抽樣點(diǎn)的間隔是個十分重要的問題。關(guān)于這一點(diǎn)，圖像包含何種程度的輕微的濃淡變化，取決于希望忠實(shí)反映圖像的程度。不同外形的采樣孔徑

采樣方式:有縫、無縫和重迭2.3.2量化經(jīng)采樣圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續(xù)的，還不能用計算機(jī)進(jìn)行處理。將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過程叫量化。表示像素明暗程度的整數(shù)稱為像素的灰度級（或灰度值或灰度）。一幅數(shù)字圖像中不同灰度級的個數(shù)稱為灰度級數(shù)，用G表示?；叶燃墧?shù)就代表一幅數(shù)字圖像的層次。圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際層次越多視覺效果就越好。一般來說，G?2，g就是表示存儲圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)。若一幅數(shù)字圖像的量化灰度級數(shù)G=256=28級，灰度取值范圍一般是0~255的整數(shù)，由于用8bit就能表示灰度圖像像素的灰度值，因此常稱8bit量化。從視覺效果來看，采用大于或等于6比特位量化的灰度圖像，視覺上就能令人滿意。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）g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?100???I??001???110??灰度圖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。?0150200???I??12050180???250220230??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。?255240240??R??255080???0??2550??016080??G??255255160????02550??80160??0?B??00240????255255255??2.3.3量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系數(shù)字化方式可分為均勻采樣、量化和非均勻采樣、量化。所謂“均勻〞，指的是采樣、量化為等間隔方式。圖像數(shù)字化一般采用均勻采樣和均勻量化方式。非均勻采樣是根據(jù)圖象細(xì)節(jié)的豐富程度改變采樣間距。細(xì)節(jié)豐富的地方，采樣間距小，否則間距大。非均勻量化是對圖像層次少的區(qū)域采用間隔大量化，而對圖像層次豐富的區(qū)域采用間隔小量化。采用非均勻采樣與量化，均會使問題繁雜化，因此很少采用。

圖像的質(zhì)量

1.平均亮度2.比較度是指一幅圖象中灰度反差的大小。比較度=最大亮度/最小亮度3.清楚度由圖像邊緣灰度變化的速度來描述。4.分解力或辨別率一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素數(shù)越少，空間辨別率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時出現(xiàn)像素呈塊狀的國際棋盤效應(yīng)；采樣間隔越小，所得圖像像素數(shù)越多，空間辨別率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。量化等級越多，所得圖像層次越豐富，灰度辨別率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大；量化等級越少，圖像層次欠豐富，灰度辨別率低，會出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量小。但在極少數(shù)狀況下對固定圖像大小時，減少灰度級能改善質(zhì)量，產(chǎn)生這種狀況的最可能原因是減少灰度級一般會增加圖像的比較度。例如對細(xì)節(jié)對比豐富的圖像數(shù)字化。2.3.4數(shù)字化器數(shù)字化器必需能夠?qū)D像劃分為若干像素并分別給它們地址，能夠度量每一像素的灰度并量化為整數(shù)，能夠?qū)⑦@些整數(shù)寫入存儲設(shè)備。一、數(shù)字化器組成A．采樣孔：保證單獨(dú)觀測特定的像素而不受其它部分的影響。B．圖像掃描機(jī)構(gòu)：使采樣孔按預(yù)先確定的方式在圖像上移動。C．光傳感器：通過采樣孔測量圖像的每一個像素的亮度。D．量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。E．輸出存儲體：將像素灰度值存儲起來。它可以是固態(tài)存儲器，或磁盤等。常用的數(shù)字化器是掃描儀、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)。

二、掃描儀工作原理掃描儀是圖像輸入的常用設(shè)備。其工作步驟是:1.將欲掃描的原稿正面朝下鋪在掃描儀的玻璃板上;2.啟動掃描儀驅(qū)動程序后，安裝在掃描儀內(nèi)部的可移動光源通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)在控制電路的控制下帶動裝著光學(xué)系統(tǒng)和CCD的掃描頭與圖稿進(jìn)行相對運(yùn)動來完成掃描。3.照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個很窄的縫隙，形成橫向光帶，又經(jīng)過一組反光鏡，由光學(xué)透鏡聚焦并進(jìn)入分光鏡，經(jīng)過棱鏡和紅綠藍(lán)三色濾色鏡得到的RGB三條彩色光帶，分別照到各自的CCD上，CCD將RGB光帶轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電子信號，該信號又被A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電子信號。4.將數(shù)字電子信號傳送至計算機(jī)存儲起來。掃描儀的類型有好多種，按掃描儀所掃描對象來劃分，可分為反射式和透射式兩種。根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)，掃描儀可分為手持式、平板式和滾筒式等幾種。手持式掃描儀

這種掃描儀誕生于1987年，是當(dāng)年使用對比廣泛的掃描儀品種，最大掃描寬度為105mm，用手推動，完成掃描工作，也有個別產(chǎn)品采用電動方式在紙面上移動，稱為自走式掃描儀。手持式掃描儀掃描幅面太窄，難于操作和捕獲準(zhǔn)確圖像，掃描效果也很差。1995~1996年，各掃描儀廠家相繼中止生產(chǎn)這一產(chǎn)品，手持式掃描儀退出了歷史的舞臺鼓式掃描儀

又稱為滾筒式掃描儀。鼓式掃描儀是專業(yè)印刷排版領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。滾筒式掃描儀的結(jié)構(gòu)特別，它的工作原理是把原圖貼放在一個有機(jī)玻璃滾筒上，讓滾筒以一定的速率圍繞一個光電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，探頭中的亮光源發(fā)射出的光線通過細(xì)小的錐形光圈照射在原圖上，一個像素一個像素地進(jìn)行采樣。這種掃描儀的光學(xué)辨別率高、色深高、動態(tài)范圍寬，而且輸出的圖像普遍具有色調(diào)還原逼真、陰影區(qū)細(xì)節(jié)豐富、放大效果優(yōu)良等特點(diǎn)。但它的體積大，價格也很高。平臺式掃描儀

又稱平板式掃描儀、臺式掃描儀，這種掃描儀誕生于1984年，是目前掃描儀的主流產(chǎn)品。它的掃描區(qū)域為一塊透明的平板玻璃，將原圖放在這塊玻璃平板上，光源系統(tǒng)通過一個傳動機(jī)構(gòu)作水平移動，發(fā)射出的光線照射在原圖上，經(jīng)反射或透射后，由接收系統(tǒng)接收并生成模擬信號，再通過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，直接傳送到電腦，由電腦進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成掃描過程。平板式掃描儀的掃描速度、精度、質(zhì)量很好，已得到了很好的普及。圖像數(shù)字化器的性能評價項目

項目內(nèi)容空間辨別率灰(色)度辨別率圖像大小量測特征單位尺寸能夠采樣的像素數(shù)。由采樣孔徑與間距的大小和可變范圍決定。量化為多少等級(位深度),顏色數(shù)(色深度)儀器允許掃描的最大圖幅數(shù)字化器所測量和量化的實(shí)際物理參數(shù)及精度掃描速度噪聲其他采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度數(shù)字化器的噪聲水平(應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差)黑白/彩色，價格,操作性能等

a）位圖是1，4，8位時，有調(diào)色板。

BGR對于2色位圖，用1位就可以表示該像素的顏色，因此一個字節(jié)可以表示8個像素；對于16色位圖，用4位可以表示一個像素的顏色，所以1個字節(jié)可以表示2個像素；對于256色位圖，一個字節(jié)剛好表示一個像素；b）位圖是24位（真彩色）時，無調(diào)色板B1G1R1B2G2R2:BnGnRn對于真彩色圖，3個字節(jié)才能表示1個像素.2.7圖像的特征1．圖像的特征1）自然特征①光譜特征②幾何特征③時相特征2）人工特征①直方圖特征②灰度邊緣特征③線、角點(diǎn)、紋理特征圖像的特征有好多，按提取特征的范圍大小又可分為：①點(diǎn)特征僅由各個像素就能決定的性質(zhì)。如單色圖像中的灰度值、彩色圖像中的紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)成分的值。②局部特征在小鄰域內(nèi)所具有的性質(zhì)，如線和邊緣的強(qiáng)度、方向、密度和統(tǒng)計量(平均值、方差等)等。③區(qū)域特征在圖像內(nèi)的對象物(