3-數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)教學(xué)課件

機器視覺及應(yīng)用第三章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)數(shù)字圖像的表示主要內(nèi)容數(shù)字圖像的分類彩色圖像二值圖像灰度圖像索引圖像數(shù)字圖像的格式BMP格式JPEG格式PNG格式GIF格式TIFF格式數(shù)字圖像處理的一般步驟和方法的數(shù)字圖像的性質(zhì)圖像的通道圖像的分辨率圖像的鄰域圖像的連通域像素之間的距離圖像的直方圖圖像中的熵其他統(tǒng)計特征數(shù)字圖像經(jīng)過采樣和量化得到。在采樣和量化過程中，采樣間隔的大小，量化的等級決定了數(shù)字圖像所保留的信息數(shù)量。采樣和量化的過程也是得到離散的數(shù)字圖像的過程。數(shù)字圖像可以定義為一個離散二維函數(shù)。圖像的表示二維數(shù)字圖像，也可以采用矩陣的方式進(jìn)行表示圖像也可以直接用像素坐標(biāo)

的方式表示一幅圖像，如果圖像的行數(shù)采用h

表示，代表圖像的高度，圖像的列數(shù)采用w

表示，代表圖像的寬度，一幅圖像的大小也可以表示為w×h

。圖像的表示圖像的像素表示例：圖像大小1280×960，表示圖像的寬度w=1280,高h(yuǎn)=960,也表示圖像的列C=1280,行R=960，也稱為圖像的分辨率，也說明圖像的像素數(shù)量為1280×960=1228800數(shù)字圖像中，每一個像素采用量化的具體數(shù)字進(jìn)行表示，數(shù)字范圍從0～255。按照圖像每個像素在計算機中存儲所占的二進(jìn)制位數(shù)分為1位圖像、8位圖像、16位圖像、24位圖像和32位圖像。1位圖像是單色黑白圖像，8位圖像是灰度圖像或索引圖像。其他的都是彩色圖像，只是顏色的數(shù)量不同，其中32位與24位圖像的顏色數(shù)量一樣，多的8位用來表示圖像的透明度信息。按照圖像的強度或顏色等級分類：圖像可分為彩色圖像、二值圖像、灰度圖像和索引圖像。數(shù)字圖像的分類彩色圖像1、彩色圖像有多種彩色模式，常見的如RGB、HSI、HSV、CMY等。2、根據(jù)光的三基色原理，光譜上的大多數(shù)顏色都可以用紅、綠、藍(lán)三種單色加權(quán)混合產(chǎn)生。3、在數(shù)字圖像中，彩色圖像每個像素采用三個數(shù)字矩陣來表示。每個數(shù)字矩陣分別表示紅、綠、藍(lán)三種顏色，數(shù)字范圍從0～255。三種數(shù)字的不同組合表示不同的顏色。數(shù)字圖像的分類彩色圖像4、16位圖像每個像素占2個字節(jié)。最多有2^16種顏色。RGB每個顏色分量所占的位數(shù)為5位，有一位為空。。5、24位和32位彩色圖像的顏色數(shù)量一樣，都是2^24種顏色。每個像素占3個字節(jié)。每個RGB分量分別占8位，數(shù)字范圍從0～255。每幅圖像用RGB三個數(shù)字矩陣表示，32位圖像多一個透明度分量數(shù)字圖像的分類彩色圖像數(shù)字圖像的分類二值圖像1、二值圖像中，圖像的每個像素只能是黑或白。2、每個像素在計算機中采用1位二進(jìn)制進(jìn)行存儲。3、二值圖像也是單色圖像。這種圖像所占的計算機存儲空間最小。數(shù)字圖像的分類二值圖像數(shù)字圖像的分類灰度圖像1、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，其灰度值范圍從0～255。2、灰度圖像只有亮度信息，每個像素值采用8位二進(jìn)制（一個字節(jié)）進(jìn)行存儲，亮度級有256種，其中，0表示黑色，255表示白色，中間的值從從小到大是從黑色到白色的過渡。數(shù)字圖像的分類灰度圖像數(shù)字圖像的分類灰度圖像3、灰度圖像其實是RGB三個顏色分量數(shù)字的一種特殊形式。RGB三個分量的值相等，圖像就是灰度圖像4、每個像素只需要8位二進(jìn)制進(jìn)行存儲，這樣可以節(jié)約圖像的存儲空間。5、灰度圖像的數(shù)據(jù)量相對于彩色圖像很少，可以加快圖像處理算法的運行速度。因此，目前對于大多數(shù)機器視覺所處理的圖像都是以灰度圖像為主。數(shù)字圖像的分類灰度圖像6、彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像：最大值法、平均值法和加權(quán)平均值法。（1）、最大值法數(shù)字圖像的分類灰度圖像6、彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像：最大值法、平均值法和加權(quán)平均值法。（2）、平均值法數(shù)字圖像的分類灰度圖像6、彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像：最大值法、平均值法和加權(quán)平均值法。（3）、加權(quán)平均值法數(shù)字圖像的分類索引圖像1、一種把像素值直接作為RGB調(diào)色板下標(biāo)的圖像。索引圖像可把像素值直接映射為調(diào)色板數(shù)值。2、一幅索引圖包含一個數(shù)據(jù)矩陣和一個調(diào)色板矩陣。索引圖像和灰度圖像較類似。它可以是彩色,最多只能有256種顏色。數(shù)字圖像的分類數(shù)字圖像格式指圖像存儲文件的格式。不同格式的數(shù)字圖像，其壓縮方式、存儲容量及色彩也有所差異。同一幅圖像可以用不同的格式存儲,但不同格式所包含的圖像信息不完全相同,圖像質(zhì)量和文件大小也不相同。數(shù)字圖像的格式BMP格式1、BMP是一種與硬件設(shè)備無關(guān)的圖像文件格式。2、采用位映射存儲格式,除了圖像深度可選以外,不采用其他任何壓縮,因此文件所占用的空間很大。3、bmp是Windows及OS／2中的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式，己成為PC機Windows系統(tǒng)中事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在Windows環(huán)境中運行的圖形圖像軟件都支持BMP圖像格式。4、BMP圖像格式被機器視覺廣泛使用。數(shù)字圖像的格式JPEG格式1、面向連續(xù)色調(diào)靜止圖像的一種壓縮標(biāo)準(zhǔn)，也是一種常見的圖像文件格式。2、它是有損壓縮格式,能夠?qū)D像壓縮在很小的儲存空間，占用磁盤空間少,容易造成圖像數(shù)據(jù)的損傷。3、如果追求高品質(zhì)圖像，不宜采用過高壓縮比。數(shù)字圖像的格式PNG格式1、PNG原名為“可移植性網(wǎng)絡(luò)圖像”,是網(wǎng)上接受的最新圖像文件格式。2、PNG同時還支持真彩色和灰度級圖像的Alpha通道透明度。3、支持圖像亮度的Gamma校準(zhǔn)信息。支持存儲附加文本信息，以保留圖像名稱、作者、版權(quán)、創(chuàng)作時間、注釋等信息。數(shù)字圖像的格式GIF格式1、存儲色彩最高只能達(dá)到256種，僅支持8位圖像文件。2、可以同時存儲若干幅靜止圖像進(jìn)而形成連續(xù)的動畫。公共領(lǐng)域有大量的軟件在使用GIF圖像文件。3、GIF圖像文件格式已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸?shù)耐ㄓ酶袷?，速度要比傳輸其他圖像文件格式快得多，所以經(jīng)常用于動畫、透明圖像等。4、只能處理256種色彩，故不能存儲真彩色的圖像文件。數(shù)字圖像的格式TIFF格式1、最早流行于Macintosh，現(xiàn)在Windows上主流的圖像應(yīng)用程序都支持該格式。2、大多數(shù)掃描儀都可以輸出TIFF格式的圖像文件。該格式支持的色彩數(shù)最高可達(dá)16M種。3、存儲的圖像質(zhì)量高，占用的存儲空間大。表現(xiàn)圖像細(xì)微層次信息多，有利于原稿階調(diào)與色彩的復(fù)制。4、有壓縮和非壓縮兩種形式，對TIFF文件解壓縮非常困難。TIFF文件被用來存儲一些色彩絢麗、構(gòu)思奇妙的貼圖文件。數(shù)字圖像的格式數(shù)字圖像處理的一般步驟和方法常用數(shù)字圖像處理一般步驟圖像的通道1、圖像的通道數(shù)是指圖像中一個像素采用多少個數(shù)字進(jìn)行表示。例：灰度圖每個像素只采用一個數(shù)字來表示，因此，灰度圖的的通道數(shù)是1，稱為單通道圖像；RGB圖像中每個像素采用三個數(shù)字進(jìn)行表示，所以RGB圖像是三通道圖像。數(shù)字圖像的性質(zhì)圖像的分辨率圖像的分辨率有幾種表示方式。1、圖像分辨率是指每英寸上的像素點數(shù)量，單位是PPI（PixelsPerInch），主要針對平面設(shè)計采用的分辨率。2、采用水平和垂直方向的像素數(shù)量表示分辨率。如1280×960。3、PPI通常與打印效果有關(guān)，數(shù)字圖像處理常采用圖像的大小來表示分辨率。數(shù)字圖像的性質(zhì)圖像的鄰域圖像的鄰域包括兩個方面。1、與某一個像素相鄰的像素，如4鄰域、8鄰域。4鄰域指與像素上下左右相鄰的四個像素點，8鄰域指與像素上下左右以及對角線上4個像素組成的鄰域。2、以某一個像素為中心的一小塊圖像區(qū)域。數(shù)字圖像的性質(zhì)4鄰域8鄰域圖像的連通域1、圖像的連通域通常體現(xiàn)在二值圖像，這種圖像只有黑白兩個灰度級。2、彼此連通的像素點形成了一個區(qū)域，所有的點彼此連通點構(gòu)成的集合，稱為一個連通區(qū)域。圖像的連通域是對圖像進(jìn)行一系列圖像算法處理的結(jié)果。數(shù)字圖像的性質(zhì)像素之間的距離1、圖像中的距離常用來衡量兩幅圖像的相似度。2、像素之間的距離是指兩個像素點之間的距離。3、圖像中距離的度量方式有很多種，如歐幾里得距離、曼哈頓距離、契比雪夫距離、漢明距離、馬氏距離、閔可夫斯基距離等。數(shù)字圖像的性質(zhì)像素之間的距離（1）歐幾里得距離歐幾里得距離也稱歐式距離，是兩點之間的直線距離。圖像上兩點的歐氏距離就是像素點的二維坐標(biāo)點之間的直線距離。數(shù)字圖像的性質(zhì)像素之間的距離（2）曼哈頓距離曼哈頓距離也稱為城市街區(qū)距離。假想在一個城市中，從一個路口走向另一個路口，街道都是直線，街道兩旁都是建筑物，因此，只能沿著街道從一個路口走向另一個路口，走過的距離就稱為曼哈頓距離。數(shù)字圖像的性質(zhì)像素之間的距離（3）契比雪夫距離假設(shè)從一個像素點到其8鄰域中的任意一個點的距離為1，契比雪夫距離即為按照這種方式計算的從一個像素點到另一個像素點的最短距離。數(shù)字圖像的性質(zhì)契比雪夫距離為4圖像直方圖1、圖像直方圖用于統(tǒng)計圖像中每個像素值出現(xiàn)的頻率。直方圖即每個灰度級像素值出現(xiàn)的頻率。2、直方圖有絕對直方圖和相對直方圖兩種。絕對直方圖統(tǒng)計每個灰度級在圖像中的像素數(shù)量，相對直方圖統(tǒng)計每個灰度級的像素數(shù)量占圖像總像素數(shù)量的百分比。數(shù)字圖像的性質(zhì)圖像直方圖數(shù)字圖像的性質(zhì)圖像直方圖3、如果是多通道圖像，如RGB圖像，直方圖通常分別統(tǒng)計每個通道上的像素值出現(xiàn)的頻率。4、絕對直方圖可以表示為包含256個元素的一維向量：數(shù)字圖像的性質(zhì)5、相對直方圖表示，每個像素值的數(shù)量表示出現(xiàn)的概率圖像直方圖直方圖具有以下性質(zhì)：1、直方圖只含圖像各灰度值像素出現(xiàn)的概率，而無位置信息；2、圖像與直方圖之間是多對一的映射關(guān)系；3、圖像各子區(qū)的直方圖之和就等于該圖像全圖的直方圖。數(shù)字圖像的性質(zhì)圖像中的熵圖像熵也是一種特征統(tǒng)計形式，它反映了圖像中平均信息量的多少。圖像的一維熵表示圖像中灰度分布的聚集特征所包含的信息量。數(shù)字圖像的性質(zhì)定義灰度圖像的一維灰度熵圖像中的熵一個變量，任意性越大，它的熵就越大。當(dāng)所有灰度值等概率發(fā)生時，熵達(dá)到最大值；當(dāng)一個灰度值發(fā)生的概率為1，其它灰度值的概率均為0時，熵達(dá)到最小值0。數(shù)字圖像的性質(zhì)兩種不同的灰度分布示意圖像中的熵圖像熵反映了圖像包含的信息量。當(dāng)圖像只包含一個灰度值，此時熵最小且為0。說明圖像不包含任何目標(biāo)，信息量為0，類似于一張空白圖。當(dāng)圖像包含多個灰度值并且每個灰度值的數(shù)量均等，此時熵最大，圖像的信息量最大。熵越大，像素灰度越豐富，分布越均勻，目標(biāo)越多，信息量