數(shù)字圖像處理第二章教材

第二章數(shù)字圖象處理基本概念

圖像與二維光強度函數(shù)有關，在空間坐標（x,y）處的值就是該點的光強度（亮度），用表示。因為光是能量的一種形式，故大于零，

2.1圖像模型

第二章基本概念遙感的成像機理遙感的成像機理遙感的成像機理遙感的成像機理大氣輻射傳輸過程人眼看到的圖像一般都是由物體反射的光組成的?？杀豢闯捎蓛蓚€分量組成：一個分量是在所見場景上的入射光量，另一分量是場景中物體反射光量的能力，即反射率。這兩分量被稱為照射分量和反射分量，分別表示為i(x,y)和r(x,y)。函數(shù)和之積形成，即

式中

并且

的性質(zhì)由光源確定。而則由景物中物體的特性而定，取值范圍在極限0（全吸收）和1（全反射）之間。

將濃淡圖像f(x,y)在（x,y）處的強度稱為圖像該點的灰度l的范圍為

在理論上，必須為正，是有限的。間隔叫做灰度范圍，通常把這一間隔在數(shù)值上歸化到，即l∈0。表示黑，1表示白，所有中間值都是由黑連續(xù)變?yōu)榘讜r的灰度值。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。圖像數(shù)字化是將一幅畫面轉(zhuǎn)化成計算機能處理的形式。

模擬圖像數(shù)字圖像正方形點陣

具體來說，就是把一幅圖畫分割成一個個小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域灰度用整數(shù)來表示，形成一幅數(shù)字圖像。小區(qū)域的位置和灰度就是像素的屬性。

包括采樣和量化兩個過程。

2.2圖像數(shù)字化1、數(shù)字圖像的描述數(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。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)字圖像的矩陣是整數(shù)陣。矩陣是按照行列的順序來定義數(shù)據(jù)的，為了編程方便起見，以矩陣坐標系來定義圖像的坐標。行（i）列（j）矩陣A(i,j)矩陣坐標系X軸（i）Y軸（j）圖像f(i,j)直角坐標系2.采樣

采樣間隔和采樣孔徑的大小是兩個重要的參數(shù)。當對圖像進行實際的抽樣時，圖像包含何種程度的細微的濃淡變化，取決于希望忠實反映圖像的程度。

采樣是指將在空間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換成離散的采樣點（即像素）集的操作。采樣是在x軸和y軸兩個方向上進行。x軸方向與y軸方向的采樣間隔相同。

采樣一般是按正方形點陣取樣的，除此之外還有三角形點陣、正六角形點陣取樣。采樣網(wǎng)格(a)正方形網(wǎng)格;(b)正六角形網(wǎng)格采樣過程中的像元的形狀可以是正三角形、方形、正六角形等各種形狀，但為方便圖像輸入輸出及計算機處理，最好采用正方形特別是正方形的形狀。正方形點陣正三角形點陣正六角形點陣

對一幅圖像采樣時，若每行（即橫向）像素為M個，每列（即縱向）像素為N個，則圖像大小為M×N個像素。

以一景Landsat4或5的TM數(shù)字圖像為例，共7個波段，其中6個波段有6166行，6166列，代表地面約185kmx185km的范圍。每一個波段約有6166x6166=38M個像元，則7個波段共(6x38M)+24M=252M個像元，即需要252M字節(jié)存儲空間才能存下一景全部的TM數(shù)據(jù)。采樣采樣的原理采樣示意圖

陣列成像傳感器，如面CCD等。

不需要掃描，就能形成二維圖像數(shù)字圖像表示（1）緊湊矩陣表示（2）傳統(tǒng)矩陣表示形式

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，導致細節(jié)無法辨認。采樣效果細節(jié)清晰，數(shù)據(jù)量為100%細節(jié)無法辨認，數(shù)據(jù)量為1%3.量化經(jīng)采樣圖像被分割成空間上離散的像素，其灰度是連續(xù)的，還不能用計算機進行處理。將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過程叫量化。一幅數(shù)字圖像中不同灰度值的個數(shù)稱為灰度級數(shù)，用G表示。一般來說，，g就是表示圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)。若連續(xù)灰度值用z來表示，對于滿足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字節(jié)8bit來表示。把由黑—灰—白的連續(xù)變化的灰度值，量化為0～255共256級灰度值，灰度值的范圍為0～255，表示亮度從深到淺，對應圖像中的顏色為從黑到白?；叶燃壛炕疽鈭D（a）量化；(b)量化為8bit量化量化的概念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。即：灰度的離散化

連續(xù)灰度值量化為灰度級的方法有兩種：一種是等間隔量化等間隔量化就是簡單地把采樣值的灰度范圍等間隔地分割并進行量化。對于像素灰度值在黑—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。

另一種是非等間隔量化非均勻量化是依據(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進行量化。具體做法是對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適用于各種不同圖像的最佳非等間隔量化方案。因此，實用上一般都采用等間隔量化。

采樣與量化參數(shù)的選擇一幅圖像在采樣時，行、列的采樣點與量化時每個像素量化的級數(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個樣點，每個像素量化后的灰度二進制位數(shù)為Q，一般Q總是取為2的整數(shù)冪，即Q=2k,則存儲一幅數(shù)字圖像所需的二進制位數(shù)b為(數(shù)據(jù)量)字節(jié)數(shù)B為

對一幅圖像，當量化級數(shù)Q一定時，采樣點數(shù)M×N對圖像質(zhì)量有著顯著的影響。采樣點數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好；當采樣點數(shù)減少時，圖上的塊狀效應就逐漸明顯。同理，當圖像的采樣點數(shù)一定時，采用不同量化級數(shù)的圖像質(zhì)量也不一樣。量化級數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當量化級數(shù)越少時，圖像質(zhì)量越差，量化級數(shù)最小的極端情況就是二值圖像，圖像出現(xiàn)假輪廓。

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。一般的量化值為整數(shù)。充分考慮到人眼的識別能力之后，目前非特殊用途的圖像均為8bit量化，即用[0255]描述“從黑到白”。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。

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。用g(i,j)的數(shù)值來表示(i,j)位置點上灰度級值的大小，即只反映了黑白灰度的關系，如果是一幅彩色圖像，各點的數(shù)值還應當反映色彩的變化，可用g(i,j,λ)表示，其中λ是波長。如果圖像是運動的，還應是時間t的函數(shù)，即可表示為g(i,j,λ,t)。黑白圖像是指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?；叶葓D像灰度圖像是指每個像素由一個量化的灰度值來描述的圖像。它不包含彩色信息。彩色圖像

彩色圖像是指每個像素由R、G、B三原色像素構成的圖像，其中R、B、G是由不同的灰度級來描述的。黑白圖像

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。黑白圖像灰度圖像

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?；叶葓D像彩色圖像

彩色圖像是指每個像素的信息由RGB三原色構成的圖像，其中RBG是由不同的灰度級來描述的。彩色圖像不能用一個矩陣來描述了，一般是用三個矩陣同時來描述。彩色圖像數(shù)字圖像的存儲位圖文件

——真彩色模式的數(shù)據(jù)區(qū)結構真彩色數(shù)據(jù)區(qū)像素的RGB值

：：數(shù)字圖像的存儲位圖文件

——索引色模式的調(diào)色板

調(diào)色板RGBQUAD索引值

R

G

B

1

R1

G1

B1

2

R2

G2

B2：

:

:

:

N

RN

GN

BN數(shù)字圖像的存儲位圖文件

——索引色模式的數(shù)據(jù)區(qū)索引值

R

G

B

1

R1

G1

B1

2

R2

G2

B2：

:

:

:

N

RN

GN

BN數(shù)據(jù)區(qū)像素的調(diào)色板索引值4.量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關系

數(shù)字化方式可分為均勻采樣、量化和非均勻采樣、量化“均勻”，指的是采樣、量化為等間隔圖像數(shù)字化一般采用均勻采樣和均勻量化方式采用非均勻采樣與量化，會使問題復雜化，因此很少采用。

量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關系采樣間隔越大，所得圖像像素數(shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴重時出現(xiàn)像素呈塊狀的國際棋盤效應；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。量化等級越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，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，灰度分辨率低，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)情況下對固定圖像大小時，減少灰度級能改善質(zhì)量，產(chǎn)生這種情況的最可能原因是減少灰度級一般會增加圖像的對比度。例如對細節(jié)比較豐富的圖像數(shù)字化。

一般，當限定數(shù)字圖像的大小時,為了得到質(zhì)量較好的圖像可采用如下原則：對緩變的圖像，應該細量化，粗采樣，以避免假輪廓對細節(jié)豐富的圖像，應細采樣，粗量化,以避免模糊（混疊）對于彩色圖像，是按照顏色成分——紅（R）、綠（G）、藍（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8bit量化，即每種顏色量級別是256，則可以處理256×256×256=16777216種顏色。

４.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。

1）圖像分辨率圖像分辨率是指每英寸圖像含有多少個點或像素，分辨率的單位為dpi。例如，250dpi表示的就是該圖像每英寸含有250個點或像素。在數(shù)字圖像中，分辨率的大小直接影響到圖像的質(zhì)量。分辨率越高，圖像細節(jié)越清晰，但產(chǎn)生的文件尺寸大，同時處理的時間也就越長，對設備的要求也就越高。所以在制作圖像時要根據(jù)需要來選擇分辨率。另外，圖像的尺寸、圖像的分辨率和圖像文件的大小三者之間有著密切的聯(lián)系。圖像的尺寸越大，圖像的分辨率越高，圖像文件也就越大。所以，調(diào)整圖像的大小和分辨率即可改變圖像文件的大小。

2）屏幕分辨率顯示器上每單位長度顯示的像素或點的數(shù)量稱為屏幕分辨率。通常以每英寸點數(shù)(dpi)來表示。屏幕分辨率取決于顯示器的大小及其像素設置。屏幕分辨率由計算機的顯示卡決定，標準的VGA顯示卡的分辨率是640×480，即水平方向640點（像素），垂直方向480點（像素）?，F(xiàn)在高性能的顯示卡已支持1280×1024點以上的分辨率。

3）打印機分辨率打印機分辨率又稱輸出分辨率，是指打印機輸出圖像時每英寸的點數(shù)(dpi)。打印機分辨率也決定了輸出圖像的質(zhì)量，打印機分辨率越高，可以減少打印的鋸齒邊緣，在灰度的半色調(diào)表現(xiàn)上也會較為平滑。打印機的分辨率可達300dpi，甚至720dpi（需用特殊紙張）；而較老機型的激光打印機分辨率通常在300～360dpi之間，由于超微細碳粉技術的成熟，新的激光打印機的分辨率可達600～1200dpi，作為專業(yè)排版輸出已經(jīng)綽綽有余了。

4）掃描儀分辨率掃描儀分辨率的表示方法與打印機相類似，一般也用dpi表示。一般掃描儀提供的方式是水平分辨率要比垂直分辨率高。臺式掃描儀的分辨率可以分為光學分辨率和輸出分辨率。光學分辨率是指掃描儀硬件所真正掃描到的圖像分辨率，目前市場上的產(chǎn)品，其光學分辨率可達800～1200dpi以上。輸出分辨率是通過軟件強化以及內(nèi)插補點之后產(chǎn)生的分辨率，大約為光學分辨率的3～4倍。所以當你見到號稱分辨率高達4800dpi或6400dpi的掃描儀時，這一定指的是輸出分辨率。5.分辨率單位：像素/英寸，像素/厘米

（如：掃描儀的指標300dpi）

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)碼相機指標30萬像素（640*480））

空間分辨率和灰度分辨率

（1）空間分辨率：圖像空間中可分辨的最小細節(jié)。一般用單位長度上采樣的像素數(shù)目或單位長度上的線對數(shù)目表示。（2）灰度分辨率：圖像灰度級中可分辨的最小變化。一般用灰度級或比特數(shù)表示。（3）空間分辨率（圖像的采樣）與圖像質(zhì)量的關系265x180133x9066x4533x22問題：觀察上面四幅圖，總結空間分辨率與圖像質(zhì)量的關系。

總結：空間分辨率越高，圖像質(zhì)量越好；空間分辨率越低，圖像質(zhì)量越差，會出現(xiàn)棋盤模式。

灰度分辨率（圖像的量化）與圖像質(zhì)量的關系256灰度級16灰度級8灰度級4灰度級問題：觀察上面四幅圖，總結灰度分辨率與圖像質(zhì)量的關系。

總結：灰度分辨率越高，圖像質(zhì)量越好；灰度分辨率越低，圖像質(zhì)量越差，會出現(xiàn)虛假輪廓?？臻g分辨率和灰度分辨率同時變化，對圖像質(zhì)量的影響航天影像分辨率0.80m機載數(shù)字影像分辨率0.20m機載光學影像分辨率0.10m分辨率分辨率(Resolution)IRS-IC5.8米分辨率圖像IKONOS1米分辨率圖像TM30mSPOT10m圖像數(shù)字化設備將模擬圖像數(shù)字化成為數(shù)字圖像，需要某種圖像數(shù)字化設備。常見的數(shù)字化設備有數(shù)字相機、掃描儀、數(shù)字化儀等。

1.圖像數(shù)字化設備的組成采樣和量化是數(shù)字化一幅圖像的兩個基本過程。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)的度量結果量化為整數(shù)（量化）；最后將這些整數(shù)結果寫入存儲設備。為完成這些功能，圖像數(shù)字化設備必須包含以下五個部分：

(1)采樣孔(Samplingaperture)：使數(shù)字化設備能夠單獨地觀測特定的圖像元素而不受圖像其他部分的影響。

(2)圖像掃描機構：使采樣孔按照預先確定的方式在圖像上移動，從而按順序觀測每一個像素。

(3)光傳感器：通過采樣檢測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)生一個與輸入電壓或電流成比例的數(shù)值。

(5)輸出存儲裝置：將量化器產(chǎn)生的灰度值按適當格式存儲起來，以用于計算機后續(xù)處理。

2.圖像數(shù)字化設備的性能雖然各種數(shù)字化設備的組成不相同，但可從如下幾個方面對其性能進行比較。

1)像素大小采樣孔的大小和相鄰像素的間距是兩個重要的性能指標。如果數(shù)字化設備是在一個放大率可變的光學系統(tǒng)上，那么對應于輸入圖像平面上的采樣點大小和采樣間距也是可變的。

2)圖像大小圖像大小即數(shù)字化設備所允許的最大輸入圖像的尺寸。

3)線性度對光強進行數(shù)字化時，灰度正比于圖像亮度的實際精確程度是一個重要的指標。非線性的數(shù)字化設備會影響后續(xù)過程的有效性。能將圖像量化為多少級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。當然，量化精度越高，存儲像素信息需要的字節(jié)數(shù)也越大。

4)噪聲數(shù)字化設備的噪聲水平也是一個重要的性能參數(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常量，但是數(shù)字化設備中固有的噪聲卻會使圖像的灰度發(fā)生變化。因此數(shù)字化設備所產(chǎn)生的噪聲是圖像質(zhì)量下降的根源之一，應當使噪聲小于圖像內(nèi)的反差點(即對比度)。

6.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)寫入存儲設備。一、數(shù)字化器組成A．采樣孔：保證單獨觀測特定的像素而不受其它部分的影響。B．圖像掃描機構：使采樣孔按預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。

大面幅彩色打印機攝像頭數(shù)碼攝像機彩色打印機數(shù)碼相機采用半導體隔離CCD采用硅氧化物隔離CCDCanon656U采用CIS技術

常用的數(shù)字化器是掃描儀和數(shù)碼相機。

掃描儀工作原理掃描儀是圖像輸入設備。其工作步驟是:將欲掃描的原稿正面朝下鋪在掃描儀的玻璃板上;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械傳動機構在控制電路的控制下帶動裝著光學系統(tǒng)和CCD的掃描頭與圖稿進行相對運動來完成掃描。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，由光學透鏡聚焦并進入分光鏡，經(jīng)過棱鏡和紅綠藍三色濾色鏡得到的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。將數(shù)字電子信號傳送至計算機存儲起來。掃描儀的類型有很多種，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)其組成結構，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，是當年使用比較廣泛的掃描儀品種，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，難于操作和捕獲精確圖像，掃描效果也很差。1995~1996年，各掃描儀廠家相繼停產(chǎn)了這一產(chǎn)品，使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)印刷排版領域應用最廣泛的產(chǎn)品。滾筒式掃描儀的結構特殊，它的工作原理是把原圖貼放在一個有機玻璃滾筒上，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)射出的光線通過細小的錐形光圈照射在原圖上，一個像素一個像素地進行采樣。

這種掃描儀的光學分辨率高、色深高、動態(tài)范圍寬，而且輸出的圖像普遍具有色彩還原逼真、陰影區(qū)細節(jié)豐富、放大效果優(yōu)良等特點。但它的體積大，價格也很高。平臺式掃描儀

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)通過一個傳動機構作水平移動，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，由電腦進行相應的處理，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?；?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(應當使噪聲小于圖像內(nèi)的反差)其他黑白/彩色，價格,操作性能等

2.3圖像灰度直方圖

概念

灰度直方圖反映的是一幅圖像中各灰度級像素出現(xiàn)的頻率。以灰度級為橫坐標，縱坐標為灰度級的頻率，繪制頻率同灰度級的關系圖就是灰度直方圖。它是圖像的一個重要特征，反映了圖像灰度分布的情況。下圖一幅圖像的灰度直方圖。

頻率的計算式為

1.

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。

灰度直方圖灰度直方圖是灰度級的函數(shù)，是對圖像中灰度級分布的統(tǒng)計。即：橫坐標表示灰度級，縱坐標表示圖像中對應某灰度級所出現(xiàn)的像素個數(shù)。灰度直方圖的計算示例

123456643221166466345666146623136466灰度直方圖0132132105762567160635122675365032272416225627601232121231231221v0=5/64v1=12/64v2=18/64v3=8/64v4=1/64v5=5/64v6=8/64v7=5/64ivi計算

該圖像像元總數(shù)為8*8=64,

i=[0,7]

2.灰度直方圖的性質(zhì)所有的空間信息全部丟失每一灰度級的像素個數(shù)可直接得到灰度直方圖只能反映圖像的灰度分布情況，而不能反映圖像像素的位置,即丟失了像素的位置信息。一幅圖像對應唯一的灰度直方圖，反之不成立。不同的圖像可對應相同的直方圖。下圖給出了一個不同的圖像具有相同直方圖的例子。

圖不同的圖像具有相同直方圖一幅圖像分成多個區(qū)域，多個區(qū)域的直方圖之和即為原圖像的直方圖。彩色圖的灰度直方圖灰度圖的灰度直方圖不同反差特征的圖像灰度直方圖具有二峰性具有二峰性的灰度圖的2值化灰度分布效果比較示意圖均勻量化效果示意圖非均勻量化效果示意圖均勻量化與非均勻量化的比較量化與采樣的效果說明圖例

原圖低灰度級量化低分辨率低bit量化的偽輪廓現(xiàn)象示意圖灰度圖像的直方圖彩色圖像的分波段直方圖3.灰度直方圖的應用灰度直方圖是最簡單的，最有用的工具。簡單性從其一維的數(shù)據(jù)形式，以及簡單的計算方法可以感受到。有用性，在這里通過幾個應用例子來說明。

數(shù)字化的參數(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。一幅圖像應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。

圖像分割閾值選取假設某圖像的灰度直方圖具有二峰性，則表明這個圖像較亮的區(qū)域和較暗的區(qū)域可以較好地分離，取二峰間的谷點為閾值點，可以得到好的２值處理的效果。直方圖的應用①用于判斷圖像量化是否恰當

(a)恰當量化(b)未能有效利用(c)超過了動態(tài)范圍圖2.4.4直方圖用于判斷量化是否恰當②用于確定圖像二值化的閾值

具有二峰性的灰度圖象③當物體部分的灰度值比其它部分灰度值大時，可利用直方圖統(tǒng)計圖像中物體的面積。

A=④計算圖像信息量H（熵）

2.4圖像處理算法的形式

圖像處理基本功能的形式

按圖像處理的輸出形式，圖像處理的基本功能可分為三種形式。1）單幅圖像→單幅圖像

。

2）多幅圖像→單幅圖像。3）單（或多）幅圖像→數(shù)字或符號等。圖像處理的幾種具體算法1.局部處理

鄰域

對于任一像素（i，j），集合{（i+p,j+q），p、q取合適的整數(shù)}叫做該像素的鄰域。常用的鄰域如下圖,分別表示中心像素的4-鄰域、8-鄰域。

像素的鄰域圖局部處理

對輸入圖像處理時，計算某一輸出像素JP(i,j)值由輸入圖像IP（i,j）像素的鄰域N(i,j)中的像素值確定。這種處理稱為局部處理，或者稱鄰域處理。

局部處理的計算表達式為

例如對一幅圖象采用3×3模板進行卷積運算。點處理

在局部處理中，當鄰域N(i,j)僅包含IP(i,j)像素時的處理稱為點處理，如圖。點處理的計算表達式為：圖點處理

大局處理

在局部處理中，輸出像素JP(i,j)的值取決于輸入圖像大范圍或全部像素的值，這種處理稱為大局處理。如圖。其計算表達式為：大局處理

2.迭代處理

反復對圖像進行某種運算直至滿足給定的條件，從而得到輸出圖像的處理形式稱為迭代處理。如圖像的細化處理過程。

3.跟蹤處理選擇滿足適當條件的像素作為起始像素，檢查輸入圖像和已得到的輸出結果，求出下一步應該處理的像素，進行規(guī)定的處理，然后決定是繼續(xù)處理下面的像素，還是終止處理。這種處理形式稱為跟蹤處理。

跟蹤處理有以下特點：①對某個像素的處理，依賴于這以前的處理結果，從而也就依賴于起始像素的位置。跟蹤處理的結果與從圖像哪一部份開始進行處理相關。②利用在此以前的處理結果來限定處理范圍，避免徒勞的處理。另外，由于限制了處理范圍，有可能提高處理精度。③用于邊界線、等高線等線的跟蹤(檢測)方面。如根據(jù)搜索法檢測邊緣曲線。

4.位置不變處理和位置可變處理輸出像素JP(i，j)的值的計算方法與像素的位置(i，j)無關的處理稱為位置不變處理或位移不變處理。隨位置不同計算方法也不同的處理稱為位置可變處理或位移可變處理。5.窗口處理和模板處理對圖像的處理，一般采用對整個畫面進行處理，但也有只對畫面中特定的部分進行處理的情況。這種處理方式的代表有窗口處理和模板處理。窗口處理單獨對圖像中選定的矩形區(qū)域內(nèi)的像素進行處理的方式叫做窗口處理

模板：任意形狀的區(qū)域；模板平面：一個和處理圖像相同大小的二維數(shù)組，用來存儲模板信息。一般是一幅二值圖像；模板處理：邊參照模板平面邊對圖象進行某種操作。

希望單獨處理任意形狀的區(qū)域時，可采用模板處理。

若模板成矩形區(qū)域，則與窗口處理具有相同的效果，但窗口處理與模板處理不同之處是后者必須設置一個模板平面。

6.串行處理和并行處理后一像素輸出結果依賴于前面像素處理的結果，并且只能依次處理各像素而不能同時對各像素進行相同處理的一種處理形式稱為串行處理。串行處理的特點是：①用輸入圖像的第(i,j)像素鄰域的像素值和輸出圖像(i,j)以前像素的處理結果計算輸出圖像(i,j)像素的值；②處理算法要按一定順序進行。因此，不能同時并行計算各像素的輸出值，且串行處理的順序會影響處理結果。

對圖像內(nèi)的各像素同時進行相同形式運算的一種處理形式稱為并行處理。其特點如下：①輸出圖像像素(i,j)的值，只用輸入圖像的(i,j)像素的鄰域像素進行計算；②相對于不同(i,j)的輸出值可以獨立進行計算。2.5圖像的數(shù)據(jù)結構與特征

圖像的數(shù)據(jù)結構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。它能起到節(jié)省內(nèi)存的作用，但導致計算量增加，使處理程序復雜。解壓壓縮組合方式圖像處理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。這種結構能充分利用內(nèi)存空間，但對灰度圖像處理耗時多。

n-1210

錐形結構是對2k×2k個像素形成的圖像，看成是分辨率(20×20→2k×2k,但20×20不具有反映輸入圖像二維構造的信息)不同的k+1幅圖像的層次集合。如圖所示，從輸入圖像I0開始，順序產(chǎn)生像素數(shù)縱橫都變?yōu)?/2的一個一個的圖像I1，I2，…Ik。此時，作為圖像Ii的各像素的值，就是它前一個圖像Ii-1的相應的2×2像素的平均值(一般采用平均值，但也可以采用能表示2×2像素的性質(zhì)的某個值)。3.分層結構由原始圖像開始依次構成像素數(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)結構。4.樹結構對于一幅二值圖像的行、列都接連不斷地二等分，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。

用這種方法，可以把圖像用樹結構(4叉樹)表示。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、蘭）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，分波段處理時采用；②逐行存儲，行掃描記錄設備采用；③逐像素存儲，用于分類。

2.5圖像文件格式

數(shù)字圖像有多種存儲格式，每種格式一般由不同的開發(fā)商支持。隨著信息技術的發(fā)展和圖像應用領域的不斷拓寬，還會出現(xiàn)新的圖像格式。要進行圖像處理，必須了解圖像文件的格式，即圖像文件的數(shù)據(jù)構成。每一種圖像文件均有一個文件頭，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、制作時間、版本號、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效率等。下面介紹幾種常見的圖像文件格式。

數(shù)字圖像的存儲位圖文件

——文件的總體結構

文件頭

BITMAPFILEHEADER

信息頭

BITMAPINFOHEADER

調(diào)色板

RGBQUAD

數(shù)據(jù)區(qū)

文件頭

BITMAPFILEHEADER

信息頭

BITMAPINFOHEADER

數(shù)據(jù)區(qū)

像素的RGB值

像素的調(diào)色板索引值真彩色模式索引色模式數(shù)字圖像的存儲位圖文件

——文件頭信息

文件頭BITMAPFILEHEADERbfType文件類型標識“BM”bfSize文件總字節(jié)數(shù)bfReserved1保留字“0”bfReserved2保留字“0”數(shù)字圖像的存儲位圖文件

——信息頭信息

biSize信息頭結構體長度，為40biWidth圖像寬度，單位是像素

biHeight圖像高度，單位是像素

biPlanes必須為1，暫無意義

biCompression指定位圖是否壓縮

biSizeImage實際位圖數(shù)據(jù)所占字節(jié)數(shù)

biXperlsPerMeter指定目標設備的水平分辨率

biYperlsPerMeter指定目標設備的垂直分辨率

biClrImportant圖像中重要的顏色數(shù)

信息頭

BITMAPINFOHEADER1．BMP圖像文件格式

第一部分為位圖文件頭BITMAPFILEHEADER，它是一個結構體，其定義如下：

typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{WORD bfType;DWORD bfSize;WORD bfReserved1;WORD bfReserved2;DWORD bfOffBits;}BITMAPFILEHEADER;這個結構的長度是固定的，為14個字節(jié)（WORD為無符號16位二進制整數(shù)，DWORD為無符號32位二進制整數(shù)）。第二部分為位圖信息頭BITMAPINFOHEADER，也是一個結構，其定義如下：typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORD biSize;LONG biWidth;LONG biHeight;WORD biPlanes;WORD biBitCount;DWORD biCompression;DWORD biSizeImage;LONG biXPelsPerMeter;LONG biYPelsPerMeter;DWORD biClrUsed;DWORD biClrImportant;}BITMAPINFOHEADER;

這個結構的長度是固定的，為40個字節(jié)（LONG為32位二進制整數(shù)）。其中，biCompression的有效值為BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDS，這都是一些Windows定義好的常量。由于RLE4和RLE8的壓縮格式用的不多，今后僅討論biCompression的有效值為BI_RGB，即不壓縮的情況。

第三部分為調(diào)色板(Palette)，當然，這里是對那些需要調(diào)色板的位圖文件而言的。真彩色圖像是不需要調(diào)色板的，BITMAPINFOHEADER后直接是位圖數(shù)據(jù)。調(diào)色板實際上是一個數(shù)組，共有biClrUsed個元素（如果該值為零，則有2的biBitCount次方個元素）。數(shù)組中每個元素的類型是一個RGBQUAD結構，占4個字節(jié)，其定義如下：typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue; //該顏色的藍色分量

BYTErgbGreen; //該顏色的綠色分量

BYTErgbRed; //該顏色的紅色分量

BYTErgbReserved; //保留值}RGBQUAD;

第四部分就是實際的圖像數(shù)據(jù)。對于用到調(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，對于真彩色圖像，圖像數(shù)據(jù)就是實際的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，所以一個字節(jié)可以表示2個像素。對于256色位圖，一個字節(jié)剛好可以表示1個像素。

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，則需要補齊。這在前面介紹biSizeImage時已經(jīng)提到過。（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，從文件中最先讀到的是圖像最下面一行的左邊第一個像素，然后是左邊第二個像素，接下來是倒數(shù)第二行左邊第一個像素，左邊第二個像素。依次類推，最后得到的是最上面一行的最右邊的一個像素。

DIB（DeviceIndependentBitmap）圖像格式是設備無關位圖文件，描述圖像的能力基本與BMP相同，并且能運行于多種硬件平臺，只是文件較大。2其他文件格式

1）.TIF圖像文件格式標記圖像文件格式TIF(TagImageFileFormat)，它是現(xiàn)存圖像文件格式中最復雜的一種，它提供存儲各種信息的完備的手段，可以存儲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準之一。TIF格式文件的設計考慮了擴展性、方便性和可修改性，因此非常復雜，要求用更多的代碼來控制它，結果導致文件讀寫速度慢，TIF代碼也很長。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。（1）文件頭

表TIF文件文件頭結構（2）參數(shù)指針

TIF文件參數(shù)指針表

由一個2字節(jié)的整數(shù)和其后的一系列12字節(jié)參數(shù)域構成，最后以一個長整型數(shù)結束。若最后的長整型數(shù)為0，表示文件的參數(shù)指針表到此為至，否則該長整數(shù)為指向下一個參數(shù)指針表的偏移。

（3）參數(shù)塊結構

TIF文件參數(shù)塊結構

2）.GIF圖像文件格式

CompuServe開發(fā)的圖形交換文件格式GIF（GraphicsInterchangeFormat），目的是在不同的系統(tǒng)平臺上交流和傳輸圖像。它是在Web