第2章 基本概念

數(shù)字圖像處理測繪工程學(xué)院第二章數(shù)字圖像處理的基本概念2.1人眼的視覺原理2.2連續(xù)圖像的描述2.3圖像數(shù)字化2.4圖像灰度直方圖2.5圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與圖像文件格式2.6圖像的特征與噪聲一、人眼的構(gòu)造2.1人眼的視覺原理平均半徑為20mm二、圖像的形成

三、視覺亮度范圍和分辨力視覺亮度范圍是指人眼能觀察到的亮度范圍。當(dāng)人眼適應(yīng)了某一平均的亮度環(huán)境后，它所能感受到的亮度范圍要小得多。當(dāng)平均亮度適中時，能分辨的亮度上、下限之比為1000：1，而當(dāng)平均亮度較低時，該比值只有10：1。人眼的明暗感覺是相對的，但由于人眼能適應(yīng)的平均亮度范圍很寬，所以總的視覺范圍很寬1.人眼的視覺亮度范圍2.人眼的分辨力

人眼的分辨力是指人眼在一定距離上能區(qū)分開相鄰兩點(diǎn)的能力，用能區(qū)分開的最小視角之倒數(shù)表示。d—人眼能區(qū)分的兩點(diǎn)間的最小距離，l—眼睛與這兩點(diǎn)連線的垂直距離影響人眼分辨力的因素：

與環(huán)境照度有關(guān)：當(dāng)照度太低時，只有桿狀

細(xì)胞起作用，則分辨力下降，當(dāng)照度太高也

無助于分辨力的提高，因為可能引起眩目。

與被觀察對象的相對對比度有關(guān)：當(dāng)相對對

比度小時，對象和背景亮度很接近，從而導(dǎo)

致分辨力下降。四、視覺適應(yīng)性和對比靈敏度暗適應(yīng)：當(dāng)明亮的環(huán)境進(jìn)行到較暗環(huán)境中，會感到

一片漆黑，過一會兒視覺才能逐漸恢復(fù)。

人眼適應(yīng)暗環(huán)境這種能力稱為暗適應(yīng)性。

亮適應(yīng)：當(dāng)在黑暗里打開電燈時，很快就能分辨出

景物（包括明暗與彩色）。1.視覺適應(yīng)性對比度（反差）：最大亮度與最小亮度之比2.對比靈敏度

相對對比度：最大亮度與最小亮度之差與最

小亮度之比。針對圖像總體描述亮度的差異五、亮度感覺與色覺亮度感覺與亮度的自然對數(shù)成線性關(guān)系。位于中心的正方形都有完全一樣的亮度人眼對于某個區(qū)域感覺到的亮度并不僅僅依賴于它的強(qiáng)度亮度感覺的相對性給圖像傳輸與重現(xiàn)帶來便利：（1）重現(xiàn)圖像的亮度不必等于實際圖像的亮度，只要

保持兩者的對比度不變，就能給人以真實感覺；（2）人眼不能感覺出來的亮度差別在重現(xiàn)圖像時不必

精確地復(fù)制出來；觀察下面所示兩幅形狀相同的目標(biāo)圖像，會覺得哪一個目標(biāo)更亮一些？與實際亮度有無不同？簡述理由。（黑色（最暗）灰度值定為0，白色（最亮）灰度值定為255）色覺：人辨別顏色的能力，包括色調(diào)、亮度、飽和度三種性質(zhì)。色調(diào)反映顏色的類別、不同波長的光所呈現(xiàn)的顏色不同；

亮度是光作用于人眼時引起的明亮程度的感覺；

飽和度是指彩色光所呈現(xiàn)彩色的深淺程度或濃度三原色：藍(lán)（445nm），綠（535nm），紅（570nm)六、馬赫帶

當(dāng)亮度發(fā)生躍變時，會有一種邊緣增強(qiáng)的感覺，視覺上會感到亮側(cè)更亮，暗側(cè)更暗。這種現(xiàn)象稱為馬赫帶效應(yīng)。有助于增強(qiáng)景物的輪廓。2.2連續(xù)圖像的描述連續(xù)圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式：二維圖像：單色圖像：靜止圖像：一幅圖像可以被看作是空間上各點(diǎn)光強(qiáng)度的集合f(x,y)---理想成像面坐標(biāo)點(diǎn)（x,y）的亮度i(x,y)---所見場景的入射光量，即照度分量，由光源確定r(x,y)---物體反射光量，即反射率。由物體特性確定其中：

0<i(x，y)<∞，0<r(x，y)<1人眼看到的圖像一般是由物體反射的光組成的，可看作由兩個分量組成：

模擬圖像

數(shù)字圖像正方形點(diǎn)陣2.3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。

圖像數(shù)字化包括采樣和量化兩個過程。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)。

一、采樣不同形狀的采樣孔徑采樣方式:采樣間隔確定后，相鄰像素間的位置關(guān)系，

包括有縫、無縫和重疊采樣。采樣孔徑的形狀采樣方式量化：將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過程一幅數(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。二、量化g--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，灰度取值范圍是0-255。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。一幅大小為M×N、灰度級數(shù)為的圖像，所需的存儲空間，即圖像的數(shù)據(jù)量，大小為

M×N×g（bit）例：存儲一幅512*512的256級灰度圖像，需要512*512*8=2097152（bit)需要多少字節(jié)（byte)？多少千字節(jié)（KB）？圖像的數(shù)據(jù)量若對于M×N像素的彩色圖像，可以用三個矩陣表示：[FR]M×N、[FG]M×N、[FB]M×Nji三、數(shù)字圖像的表示對于M×N個像素組成的圖像，1)矩陣表示方法2)向量表示ji若按行的順序排列像素，使該圖像的后一行第一個像素緊接著前一行的最后一個像素，則可將圖像表示成一個列向量：其中優(yōu)點(diǎn)：可以直接利用向量分析的有關(guān)理論和方法進(jìn)

行圖像處理。構(gòu)成向量時，即可按行，也可按列的順序。數(shù)字圖像根據(jù)灰度級數(shù)的差異分：灰度圖像和彩色圖像灰度圖像是指每個像素的信息同一個量化的灰度級來描述，不包含彩色信息。二值圖像圖像的每個像素只有兩個灰度級。二值圖像的像素值為0或1。例如：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。各類圖像的表示類別形式備注二值圖像文字、線圖形灰度圖像普通照片彩色圖像三原色多光譜圖像用于遙感立體圖像攝影測量、計算機(jī)視覺運(yùn)動圖像動態(tài)分析，視頻影像制作數(shù)字化方式可分為均勻采樣、量化和非均勻采樣、量化?！熬鶆颉笔侵覆蓸印⒘炕癁榈乳g隔方式。

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。四、采樣、量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系采樣、量化參數(shù)有哪些？采樣間隔與數(shù)字化圖像的關(guān)系一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素數(shù)越少，空間分辨率低，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，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。量化等級與數(shù)字化圖像的關(guān)系量化等級越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，數(shù)據(jù)量大。量化等級越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，數(shù)據(jù)量小。

五、數(shù)字化器

數(shù)字化器必須能夠?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。1.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)。

圖像數(shù)字化器的性能評價項目項目內(nèi)容空間分辨率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。灰(色)度分辨率量化為多少等級(位深度),顏色數(shù)(色深度)圖像大小儀器允許掃描的最大圖幅量測特征數(shù)字化器所測量和量化的實際物理參數(shù)及精度掃描速度采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度噪聲數(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)其他黑白/彩色，價格,操作性能等2.數(shù)字化器的性能圖像的質(zhì)量1.平均亮度

2.對比度3.清晰度由圖像邊緣灰度變化的速度來描述。4.分解力或分辨率像素鄰域像素間的距離六、像素間的一些關(guān)系1)像素鄰域?qū)τ谌我幌袼兀╥，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。最常用的鄰域：4鄰域：N4(P)D鄰域：ND(P)8鄰域：N8(P)2)像素間的距離對于三個像素p,q,z,其坐標(biāo)分別為如果滿足以下三個條件：則稱該函數(shù)為距離函數(shù)或距離度量。常用的距離函數(shù)棋盤距離歐氏距離城區(qū)距離棋盤距離歐氏距離城區(qū)距離2.82.222.22.82.21.411.42.2210122.21.411.42.22.82.222.22.8一、定義灰度直方圖（histogram）是灰度級的函數(shù)，描述的是圖像中各灰度級像素的頻率。橫坐標(biāo)是灰度級，縱坐標(biāo)是每一灰度級出現(xiàn)的頻率。2.4圖像灰度直方圖灰度直方圖反映了圖像的灰度分布?；叶戎狈綀D的繪制對于數(shù)字圖像而言，實際就是圖像灰度值概率密度函數(shù)的離散化圖形。數(shù)字影像最小值最大值直方圖灰度圖像的直方圖彩色圖像的分波段直方圖二、性質(zhì)

只能反映圖像的灰度分布規(guī)律，而不能反映圖像像素的位置，即丟失了像素的位置信息

任何一幅特定的圖像都有唯一的直方圖與之對應(yīng)，但不同圖像可以有相同的直方圖。不同圖像具有相同的直方圖直方圖的可相加性：如果一幅圖像由若干個不相交的區(qū)域構(gòu)成，則整幅圖像的直方圖是這若干個區(qū)域直方圖之和。三、應(yīng)用①用于判斷圖像量化是否恰當(dāng)數(shù)字化獲取的圖像應(yīng)該利用全部可能的灰度級②用于確定圖像二值化的閾值③統(tǒng)計圖像中物體的面積當(dāng)物體部分的灰度值比其他部分灰度值大時，可利用直方圖統(tǒng)計圖像中物體的面積。計算圖像的信息量（熵）表示了圖像的平均信息量一般來說，一幅包含大量像元的影像，其像元亮度值應(yīng)符合統(tǒng)計分布規(guī)律，即假定像元亮度隨機(jī)分布時，直方圖應(yīng)是正態(tài)分布的。根據(jù)直方圖形態(tài)可以大致推斷圖像質(zhì)量從直方圖形態(tài)判斷影像質(zhì)量2.5圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.組合方式組合方式是一個字長存放多個像素灰度值的方式。解壓壓縮組合方式圖像處理能節(jié)省內(nèi)存，但導(dǎo)致計算量增加，使處理程序復(fù)雜。2.比特面方式按比特位存取像素，即將所有像素的相同比特位用一個二維數(shù)組表示，形成比特面。n個比特位的灰度圖像采用比特面方式存取就有n個比特面。

n-1210能充分利用內(nèi)存空間，便于比特面之間的邏輯運(yùn)算，但對灰度圖像處理耗時多。金字塔結(jié)構(gòu)是對2k×2k個像素形成的圖像，構(gòu)成分辨率不同的k+1幅圖像的層次集合，即20×20→2k×2k。但20×20不具有反映輸入圖像的信息。3.分層結(jié)構(gòu)由原始圖像開始依次構(gòu)成像素數(shù)愈來愈少的一幅幅圖像，就能使數(shù)據(jù)表示具有分層性，其代表有錐形(金字塔)結(jié)構(gòu)。4.樹結(jié)構(gòu)

對于一幅圖像的行、列接連不斷地二等分，如果圖像被分割部分中的全體像素都變成具有相同的特征時，這一部分則不再分割。這可以用在特征提取和信息壓縮等方面。5.多重圖像數(shù)據(jù)存儲

在獲取的彩色圖像（紅、綠、藍(lán)）或多波段圖像中，每個像素包含著多個圖像的信息。對這類圖像數(shù)據(jù)的處理，以多譜圖像為例，有下列三種存儲方式：①逐波段存儲(BSQ):分波段處理時采用；②逐行存儲(BIL):行掃描記錄設(shè)備采用；③逐像素存儲(BIP):用于分類。逐波段存儲(BSQ)逐行存儲(BSQ)逐像素存儲(BSQ)1）自然特征①光譜特征：同一物體對不同波長的電磁波、不同物體對同一波長電磁波具有不同的反射率②幾何特征:表現(xiàn)為圖像的空間分辨率、圖像紋理結(jié)構(gòu)及圖像變形等。③時相特征：不同時間拍攝2.6圖像的特征與噪聲一、圖像的特征2）人工特征

①直方圖特征②灰度邊緣特征③線、角點(diǎn)特征紋理特征：某種結(jié)構(gòu)在比它更大的范圍

內(nèi)大致呈現(xiàn)重復(fù)排列圖像的特征有很多，按提取特征的范圍大小可分為：①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。②全局特征整個圖像作為一個區(qū)域看待時的統(tǒng)計性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征等。按特征在圖像上的表現(xiàn)形式可分為：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線特征在小鄰域內(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面特征（區(qū)域特征）在