《數(shù)字圖像處理》第2章課件

數(shù)字圖像處理第二章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)視覺感知要素圖像感知和獲取圖像取樣和量化數(shù)字圖像的類型數(shù)字圖像文件格式簡介象素間的一些基本關(guān)系線性和非線性操作《數(shù)字圖像處理》第2章

2.1視覺感知要素眼睛的構(gòu)造:

(人眼包含有三層膜)眼角膜與鞏膜外殼脈絡(luò)膜(前面睫狀體虹膜晶狀體)視網(wǎng)膜(視網(wǎng)膜表面的分離光接收器提供圖案視覺,

分為錐狀體、桿狀體)錐狀體:位于視網(wǎng)膜中間,對顏色靈敏度高,分辨圖像細(xì)節(jié).白晝視覺桿狀體:分布在視網(wǎng)膜表面,無彩色感覺,在低照明度下對圖像較敏感，用來給出視野內(nèi)一般的總體圖像.夜視覺《數(shù)字圖像處理》第2章

2.1視覺感知要素視網(wǎng)膜上錐狀體和桿狀體的分布《數(shù)字圖像處理》第2章晶狀體成像晶狀體成像與普通光學(xué)透鏡原理類似,但晶狀體可以根據(jù)需要調(diào)整曲率半徑,分別對遠(yuǎn)處和近處的物體聚焦.

2.1視覺感知要素《數(shù)字圖像處理》第2章人眼對不同亮度的適應(yīng)亮度適應(yīng)范圍:1010量級

10-6mL到104mL

實(shí)驗(yàn)表明,主觀亮度是進(jìn)入眼睛亮度的對數(shù)函數(shù)亮度適應(yīng)現(xiàn)象:

人眼并不能同時在整個范圍內(nèi)工作,而是利用改變整個靈敏度來完成這一大變動的.

亮度適應(yīng)級：視覺系統(tǒng)當(dāng)前的靈敏度級別

2.1視覺感知要素《數(shù)字圖像處理》第2章人眼辨別光強(qiáng)度變化的能力

韋伯比可辨別增量的50%

典型實(shí)驗(yàn)

圖2.5用于描述亮度辨別特性的基本實(shí)驗(yàn)

圖2.6作為強(qiáng)度函數(shù)的典型韋伯比當(dāng)背景光保持恒定時,改變其他光源亮度,從不能察覺到總可以察覺之間變化,一般觀察者可以辨別12到24級不同強(qiáng)度的變化.

2.1視覺感知要素《數(shù)字圖像處理》第2章人眼感覺亮度并不是簡單的強(qiáng)度函數(shù)例1:馬赫帶（毛邊帶）

2.1視覺感知要素《數(shù)字圖像處理》第2章例2:背景變亮,相同強(qiáng)度的方塊變暗

2.1視覺感知要素《數(shù)字圖像處理》第2章視覺錯覺

2.1視覺感知要素《數(shù)字圖像處理》第2章電磁波譜可以用波長()、頻率()或能量來描述

c光速h普朗克常量

2.2光和電磁波譜《數(shù)字圖像處理》第2章

2.2光和電磁波譜電磁波是能量的一種，任何有能量的物體，都會釋放電磁波。

《數(shù)字圖像處理》第2章人從物體感受的顏色由物體反射光的性質(zhì)決定

若所有反射的可見光波長均衡，則物體顯示白色有顏色的物體是因?yàn)槲樟似渌ㄩL的大部分能量，從而反射某段波長范圍的光。沒有顏色的光叫單色光，灰度級通常用來描述單色光的強(qiáng)度，其范圍從黑到灰，最后到白。在原理上，如果可以開發(fā)出一種傳感器，能夠檢測由一種電磁波譜發(fā)射的能量，就可以在那一段波長上對感興趣的物體成像。

2.2光和電磁波譜《數(shù)字圖像處理》第2章灰度和色彩彩色模型:RGB加色法CMY,CMYK減色法HSB(色澤,飽和度,明亮度)

2.2光和電磁波譜《數(shù)字圖像處理》第2章

2.3圖像感知和獲取

我們感興趣的各類圖像都是由“照射”源和形成圖像的“場景”元素對光能的反射或吸收相結(jié)合而產(chǎn)生的。

《數(shù)字圖像處理》第2章

2.3圖像感知和獲取把照射量變?yōu)閿?shù)字圖像的傳感器裝置

《數(shù)字圖像處理》第2章

2.3圖像感知和獲取用單個傳感器獲取圖像

通過x-y方向二維掃描，形成二維圖像?！稊?shù)字圖像處理》第2章

2.3圖像感知和獲取用帶狀傳感器獲取圖像

只需一維掃描，就能形成二維圖像?！稊?shù)字圖像處理》第2章

2.3圖像感知和獲取用傳感器陣列獲取圖像

不需要掃描，就能形成二維圖像?！稊?shù)字圖像處理》第2章圖像形成模型

2.3圖像感知和獲取《數(shù)字圖像處理》第2章

2.3圖像感知和獲取圖像形成模型

在特定坐標(biāo)(x,y)處，通過傳感器轉(zhuǎn)換獲得的f值為一正的標(biāo)量。

函數(shù)f(x,y)由(1)入射到觀察場景的光源總量(2)場景中物體反射光的總量組成。

單色圖像在任何坐標(biāo)(x0,y0)處的強(qiáng)度為圖像在該處的灰度級l＝f(x0,y0),顯然有可以規(guī)定灰度級范圍為[0,L-1]

1《數(shù)字圖像處理》第2章

2.4圖像取樣和量化

獲取圖像的目標(biāo)是從感知的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生數(shù)字圖像，但多數(shù)傳感器的輸出是連續(xù)的電壓波形，因此需要把連續(xù)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。這一過程由圖像的取樣與量化來完成。

數(shù)字化坐標(biāo)值稱為取樣，數(shù)字化幅度值稱為量化。

《數(shù)字圖像處理》第2章

2.4圖像取樣和量化《數(shù)字圖像處理》第2章

2.4圖像取樣和量化《數(shù)字圖像處理》第2章

2.4圖像取樣和量化黑白圖像灰度圖像彩色圖像《數(shù)字圖像處理》第2章

2.4圖像取樣和量化黑白圖像的數(shù)字化《數(shù)字圖像處理》第2章

2.4圖像取樣和量化灰度圖像的數(shù)字化《數(shù)字圖像處理》第2章

2.4圖像取樣和量化彩色圖像的數(shù)字化《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化圖像的非均勻采樣：在灰度級變化尖銳的區(qū)域，用細(xì)膩的采樣，在灰度級比較平滑的區(qū)域，用粗糙的采樣。圖像的非均勻量化：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(jìn)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函數(shù)因圖像不同而異,所以不可能找到可用于所有圖像的最佳非等間隔量化方法.《數(shù)字圖像處理》第2章

2.4圖像取樣和量化數(shù)字圖像的表示

本書中表示數(shù)字圖像所用坐標(biāo)的約定

M,N必須為正數(shù)，灰度級取值為2的整數(shù)次冪

L=2k,為k位圖像

圖像存儲量

b=M*N*k

《數(shù)字圖像處理》第2章

2.4圖像取樣和量化數(shù)字圖像的表示

《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化空間分辨率:由取樣值決定，圖像中可辨別的最小細(xì)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。灰度級分辨率: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。

當(dāng)沒有必要對涉及像素的物理分辨率進(jìn)行實(shí)際度量和在原始場景中分析細(xì)節(jié)等級時，通常把大小為M×N，灰度為L級的數(shù)字圖像稱為空間分辨率為M×N像素，灰度級為L級的數(shù)字圖像。

《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化灰度級為256，空間像素從1024×1024到32×32的一組圖像《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化

所有圖像放大到1024×1024《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化灰度級分別為256,128,64,32的數(shù)字圖像256128643216824灰度級從256到2的數(shù)字圖像《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化同時改變N(空間分辨率NxN)和k(2k級灰度)值facecameramancrowd等偏愛線《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化同時改變N和k值《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化同時改變N和k值《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化同時改變N和k值《數(shù)字圖像處理》第2章總結(jié)：

A、圖像質(zhì)量一般隨N和k的增加而增加。在極少數(shù)情況下對固定的N，減小k能改進(jìn)質(zhì)量。最有可能的原因是減小k常能增加圖像的視覺反差。

B、對具有大量細(xì)節(jié)的圖像只需很少的灰度級數(shù)就可較好地表示。

C、N×k為常數(shù)的圖像主觀看起來可以有較大的差異。2.4圖像取樣和量化《數(shù)字圖像處理》第2章

采樣和量化的原則

當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時,為了得到質(zhì)量較好的圖像，一般可采用如下原則：（1）對緩變的圖像，應(yīng)該細(xì)量化，粗采樣，以避免假輪廓。（2）對細(xì)節(jié)豐富的圖像，應(yīng)細(xì)采樣，粗量化，以避免模糊。

2.4圖像取樣和量化《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化香農(nóng)定理:如果一個函數(shù)以等于或大于其最高頻率的2倍取樣，那么就能從取樣完全復(fù)原原函數(shù)。如果函數(shù)被亞取樣，則混淆的現(xiàn)象將惡化取樣。摩爾紋采用高分辨率傳感器時未出現(xiàn)摩爾紋《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化圖像的放大與收縮

最近鄰域內(nèi)插方法

在原圖像上尋找最靠近的像素并把它的灰度值賦給柵格上的新像素。

雙線性內(nèi)插方法《數(shù)字圖像處理》第2章2.4圖像取樣和量化用最近鄰域內(nèi)插法(上一行)和雙線性內(nèi)插法(下一行)得到的放大圖像分別將128×128,64×64,32×32放大到1024×1024《數(shù)字圖像處理》第2章

數(shù)字圖像類型

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。

《數(shù)字圖像處理》第2章1矢量圖

（1）矢量圖的表示方法是用一系列繪圖指令來表示一幅圖。這種方法的本質(zhì)是用數(shù)學(xué)(更準(zhǔn)確地說是幾何學(xué))公式描述一幅圖像。

（2）

矢量圖的優(yōu)點(diǎn)：

A、它的文件數(shù)據(jù)量很??；

B、圖像質(zhì)量與分辨率無關(guān)，這意味著無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。

數(shù)字圖像類型《數(shù)字圖像處理》第2章（3）矢量圖的缺點(diǎn)：不易制作色調(diào)豐富或色彩變化太多的圖像，繪出來的圖像不是很逼真，同時也不易在不同的軟件間交換文件。

數(shù)字圖像類型《數(shù)字圖像處理》第2章2位圖是通過許多像素點(diǎn)表示一幅圖像，每個像素具有顏色屬性和位置屬性。位圖的優(yōu)缺點(diǎn)：與矢量圖正好相反。位圖又可以分成如下四種：二值圖像（binaryimage)、灰度圖像(gray-scaleimage)、索引顏色圖像(indexcolorimage)和真彩色圖像（truecolorimage）。

數(shù)字圖像類型《數(shù)字圖像處理》第2章

（1）二值圖像只有黑白兩種顏色。

數(shù)字圖像類型《數(shù)字圖像處理》第2章（2）灰度圖像在灰度圖像中，像素灰度級一般用8bit表示，這樣每個像素灰度值都是介于黑色（0）和白色（255）之間的256（28=256）種灰度中的一種。

數(shù)字圖像類型《數(shù)字圖像處理》第2章

數(shù)字圖像類型《數(shù)字圖像處理》第2章

（3）真彩色圖像

每一個像素由紅、綠和藍(lán)三個字節(jié)組成，每個字節(jié)為8bit，表示對應(yīng)顏色分量的0到255之間的某亮度值，這三個字節(jié)組合可以產(chǎn)生1670萬種不同的顏色。

數(shù)字圖像類型《數(shù)字圖像處理》第2章《數(shù)字圖像處理》第2章

（4）索引圖像在RGB真彩色圖像出現(xiàn)之前，由于技術(shù)上的原因，計(jì)算機(jī)在處理時并沒有達(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（于調(diào)色板）。在索引顏色（也稱為映射顏色）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。

數(shù)字圖像類型《數(shù)字圖像處理》第2章圖像文件格式

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。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文件頭，在文件頭之后才是圖像數(shù)據(jù)?！稊?shù)字圖像處理》第2章1BMP圖像文件格式

第一部分為位圖文件頭BITMAP，它是一個結(jié)構(gòu)體，其定義如下：

typedefstructtagBITMAP{WORD bfType;//文件類型，在WINDOWS系統(tǒng)中為“BM”DWORDbfSize;//文件大小

WORD bfReserved1;//保留字

WORDbfReserved2;//保留字

DWORDbfOffBits;//從文件頭到實(shí)際位圖的偏移字節(jié)數(shù)

}BITMAP;

這個結(jié)構(gòu)的長度是固定的，為14個字節(jié)（WORD為無符號16位二進(jìn)制整數(shù)，DWORD為無符號32位二進(jìn)制整數(shù)）。

《數(shù)字圖像處理》第2章第二部分為位圖信息頭BITMAPINFOHEADER，也是一個結(jié)構(gòu)：typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORDbiSize;//該結(jié)構(gòu)的長度，為40字節(jié)

LONG biWidth;//圖像的寬度，單位為像素

LONG biHeight;//圖像的高度，單位為像素

WORD biPlanes;//位平面數(shù)，必須是1WORD biBitCount;//指定顏色數(shù)，1為二值，4為16色，8為

256色，16、24、32為真彩色

DWORDbiCompression;//指定是否壓縮，有效的值為BI_RGB,BI_RLE8，BI_RLE16，BI_BITFIELDS

DWORDbiSizeImage;//實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)

LONG biXPelsPerMeter;//目標(biāo)設(shè)備水平分辨率

LONG biYPelsPerMeter;//目標(biāo)設(shè)別垂直分辨率

《數(shù)字圖像處理》第2章DWORDbiClrUsed;//實(shí)際使用的顏色數(shù)，若該值為0，則使用的顏色數(shù)為2的biBitCount次方種。

DWORDbiClrImportant;//圖像中重要的顏色數(shù)，若該值為0，則所有的顏色都是重要的。

}BITMAPINFOHEADER;

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。

《數(shù)字圖像處理》第2章

第三部分為調(diào)色板(Palette)，只是對那些需要調(diào)色板的位圖文件而言的。調(diào)色板實(shí)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(jié)構(gòu)，占4個字節(jié)，其定義如下：

typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue; //該顏色的藍(lán)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;《數(shù)字圖像處理》第2章

第四部分就是實(shí)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(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。

《數(shù)字圖像處理》第2章

下面兩點(diǎn)請讀者注意：

（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。（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(shè)備無關(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，只是文件較大。

《數(shù)字圖像處理》第2章2.TIF圖像文件格式

標(biāo)記圖像文件格式TIF(TagImage)，它是現(xiàn)存圖像文件格式中最復(fù)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(biāo)準(zhǔn)之一。3.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)記語言(HTML)文檔中的索引顏色圖像。

圖像文件格式

《數(shù)字圖像處理》第2章4.JPEG圖像格式

JPEG(JointPhotographer’sExpertsGroup)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國際數(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于龐大的問題。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語法選用的圖像格式。

圖像文件格式

《數(shù)字圖像處理》第2章2.5像素間的一些基本關(guān)系像素p，其坐標(biāo)為(x,y)的鄰居

《數(shù)字圖像處理》第2章2.5像素間的一些基本關(guān)系相鄰像素對于像素p,其坐標(biāo)為(x,y)4鄰域(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)

N4(p)

對角鄰域(x+1,y+1),(x+1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)

ND(p)8鄰域N4(p)+ND(p)

N8(p)

4鄰域?qū)青徲?鄰域《數(shù)字圖像處理》第2章2.5像素間的一些基本關(guān)系像素的連通性

--像素的連通性這個基本概念，可用來簡化許多其它數(shù)字圖像概念的定義，如區(qū)域、邊界等;--為確定兩個像素是否連通，必須看它們是否相鄰以及它們的灰度值是否滿足特定的相似性準(zhǔn)則（如灰度值是否相等）。令V是用于定義鄰接性的灰度值集合，為使具有V中數(shù)值的兩個像素p

和q是鄰接的，則它們的鄰接性需符合以下三種類型之一：

(1)4鄰接:如果q在N4(p)集中；

(2)8鄰接:如果q在N8(p)集中；

(3)m鄰接(混合鄰接):如果

(I)q在N4(p)中,或者

(II)q在ND(p)中,且集合N4(p)∩N4(q)中像素灰度值均不是V中的值?！稊?shù)字圖像處理》第2章2.5像素間的一些基本關(guān)系m鄰接可以消除8鄰接所帶來的二義性像素安排(b)中心像素的8鄰接像素(c)m鄰接

(虛線表示兩像素之間是8鄰接的)

(虛線表示兩像素之間是m鄰接的)pq1pq1q2q2《數(shù)字圖像處理》第2章2.5像素間的一些基本關(guān)系對于兩個圖像子集S1和S2，如果S1中的某些像素與S2中的某些像素相鄰，則稱S1和S2是鄰接的。根據(jù)鄰接性情況，S1與S2的鄰接可以分為4鄰接,8鄰接和m鄰接《數(shù)字圖像處理》第2章2.5像素間的一些基本關(guān)系像素p(x,y)到像素q(s,t)的通路(path)，滿足:

存在特定的像素序列(x0,y0),(x1,y1),…,(xn,yn),其中(x0,y0)=(x,y),(xn,yn)=(s,t),

且像素(xi,yi)和(xi-1,yi-1)(對于1≤i≤n)是鄰接的。稱n是通路的長度。若(x0,y0)=(xn,yn),則通路是閉合通路。m通路8通路根據(jù)鄰接性情況，通路可以分為4通路,8通路和m通路《數(shù)字圖像處理》第2章隨堂練習(xí)：以下p-q通路各是什么通路？

2.5像素間的一些基本關(guān)系8通路m通路4通路8鄰接，有非m鄰接全為m鄰接

可以僅通過4鄰接連通《數(shù)字圖像處理》第2章2.5像素間的一些基本關(guān)系

令S表示一幅圖像中的像素子集，兩個像素p和q在S中是連通的指的是，存在一條全部由在S中的像素組成的p、q之間的通路。對于S中的任何像素p，S中連通到該像素的像素集叫做S的連通分量（connectedcomponent）。如果S僅有一個連通分量，則集合S叫做連通集。令R是圖像中的像素子集，若