數(shù)字圖像處理基本概念

數(shù)字圖像處理基本概念

將空間上連續(xù)的圖像變換成離散點的操作稱為采樣。采樣間隔和采樣孔徑的大小是兩個很重要的參數(shù)。

當對圖像進行實際的抽樣時，怎樣選擇各抽樣點的間隔是個非常重要的問題。關(guān)于這一點，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。

采樣第2頁,共79頁，星期六，2024年，5月

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)。

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）量化第3頁,共79頁，星期六，2024年，5月數(shù)字圖像的描述(1)

1.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。第4頁,共79頁，星期六，2024年，5月數(shù)字圖像的描述(2)2．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。第5頁,共79頁，星期六，2024年，5月灰度圖像描述示例數(shù)字圖像的描述(3)第6頁,共79頁，星期六，2024年，5月數(shù)字圖像的描述(4)3．彩色圖像

彩色圖像是指每個像素的信息由RGB三原色構(gòu)成的圖像，其中RBG是由不同的灰度級來描述的。第7頁,共79頁，星期六，2024年，5月數(shù)字圖像的描述(5)第8頁,共79頁，星期六，2024年，5月 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。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)圖象細節(jié)的豐富程度改變采樣間距。細節(jié)豐富的地方，采樣間距小，否則間距大。非均勻量化是對像素出現(xiàn)頻度少的間隔大，而頻度大的間隔小。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(guān)系第9頁,共79頁，星期六，2024年，5月一般來說，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。第10頁,共79頁，星期六，2024年，5月量化等級越多，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。第11頁,共79頁，星期六，2024年，5月數(shù)字化設備必須能夠?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。

數(shù)字化設備第12頁,共79頁，星期六，2024年，5月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(gòu)：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。常用的數(shù)字化器是掃描儀和數(shù)碼相機。數(shù)字化設備組成第13頁,共79頁，星期六，2024年，5月人類視覺的研究，一直是許多學者所關(guān)注的課題。這不僅因為視覺是人的主要感覺功能而需要充分地了解，人的視覺系統(tǒng)能那樣完美的完成許許多多復雜的信息處理功能，故而引起許多學科的研究者對它抱有極大的興趣，想了解視覺系統(tǒng)如何獲得外界豐富的信息，如何進行壓縮編碼，又如何在大腦里表示這些信息，并最后作出決策和行動?？傊藗兿肓私庖曈X系統(tǒng)作為一個信息處理系統(tǒng)是如何工作的。這是一些非常復雜的問題。視覺系統(tǒng)視覺研究所涉及的學科非常多，它與物理學、心理學、生理學、解剖學、計算機科學等有關(guān)。第14頁,共79頁，星期六，2024年，5月視覺系統(tǒng)基本構(gòu)造(1)眼球結(jié)構(gòu)平均直徑：20mm虹膜：2mm~8mm控制入光量視網(wǎng)膜：圖像視覺視錐體：中央凹顏色和細節(jié)識別600萬~700萬視桿體：亮度7500萬~15000萬白晝視覺和夜視覺第15頁,共79頁，星期六，2024年，5月視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)模型視覺系統(tǒng)基本構(gòu)造(2)第16頁,共79頁，星期六，2024年，5月視覺系統(tǒng)基本構(gòu)造(3)眼睛觀察樹的光學表示方法晶狀體的聚焦中心與視網(wǎng)膜(14mm-17mm)由睫狀體的韌帶張力控制晶狀體的扁厚第17頁,共79頁，星期六，2024年，5月?

圖像變換圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，重點學習傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應用。視覺系統(tǒng)基本構(gòu)造(4)眼睛中圖像的形成，外界光線通過透明的角膜射進眼球。角膜對入射光具有聚光作用，瞳孔起了照相機的光圈作用，它限制了入射光的通量。在虹膜的后面是晶狀體，晶狀體懸掛在睫狀體上，睫狀體的收緊和松弛使晶狀體改變凸度，起著光學變焦透鏡的作用。晶狀體的后面是玻璃體，它充滿在晶狀體和視網(wǎng)膜所包圍的內(nèi)部空間，光線最后落在眼底的視網(wǎng)膜上。第18頁,共79頁，星期六，2024年，5月?

圖像變換圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，重點學習傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應用。視覺現(xiàn)象眼見為實?第19頁,共79頁，星期六，2024年，5月?

圖像變換圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，重點學習傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應用。現(xiàn)象：明亮

較暗

現(xiàn)象？逐漸能夠看清物體

暗光適應(20~30s)較暗

明亮

現(xiàn)象？：逐漸能夠看清物體

亮光適應(1~2s)1亮度適應能力(1)第20頁,共79頁，星期六，2024年，5月?

圖像變換圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，重點學習傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應用。1亮度適應能力(2)昏暗視覺和白晝視覺:人能適應亮度的范圍是很寬的，從暗視閾值到強閃光之間的光強度差別約為1010級。人的眼睛并不能同時適應這樣寬的光強范圍。下圖中說明了在交點以上，主觀感覺亮度是更亮，而在交點以下，主觀感覺是更暗，第21頁,共79頁，星期六，2024年，5月?

圖像變換圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，重點學習傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應用。1亮度適應能力(3)實驗證據(jù)表明主觀亮度是進入眼內(nèi)的光強度的對數(shù)函數(shù)第22頁,共79頁，星期六，2024年，5月?

圖像變換圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，重點學習傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應用。2同時對比度(1)亮度對比背景亮度不同，人眼所感受的主觀亮度值也不一樣?！?/p>

亮背景下顯得暗、暗背景下顯得亮。這種效應就叫同時對比度。同時對比效應隨著背景面積增大而顯著第23頁,共79頁，星期六，2024年，5月2同時對比度(2)第24頁,共79頁，星期六，2024年，5月相對應的還有“色度對比”物體

背景

視覺2同時對比度(3)第25頁,共79頁，星期六，2024年，5月人眼對亮度光強變化的響應是非線性的，通常把人眼主觀上剛剛可辨別亮度差別所需的最小光強差值稱為亮度的可見度閾值。也就是說，當光強

I增大時，在一定幅度內(nèi)感覺不出，必須變化到一定值I+ΔI時，人眼才能感覺到亮度有變化，ΔI/I一般也稱為對比靈敏度。

3對比靈敏度(1)第26頁,共79頁，星期六，2024年，5月?

圖像變換圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，重點學習傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應用。無環(huán)境照度眼睛的對比靈敏度可以由實驗測得。在均勻照度背景I上設有一照度為I+

I的光斑，眼睛剛能分辨出的照度差是I的函數(shù)，當背景照度I增大時，能夠分辨出的光斑

I也需要增大，在相當寬的強度范圍內(nèi)

I/I的數(shù)值為一常數(shù)，約等于0.02。這個比值稱為韋伯比。但是在亮度很強或很弱時，這個數(shù)值就不再保持為常數(shù)。3對比靈敏度(2)第27頁,共79頁，星期六，2024年，5月有環(huán)境照度眼睛的對比靈敏度還與周圍環(huán)境有關(guān)。設有兩個相鄰的光斑，一個強度為I，另一強度為I+

I，周圍環(huán)境的照明強度為I0，實驗測得，

I/I比值為常數(shù)的范圍要大大減小，而且是環(huán)境照明強度I0的函數(shù)。更有趣的是圖中曲線谷點的包絡線與無環(huán)境照度曲線相同。3對比靈敏度(3)第28頁,共79頁，星期六，2024年，5月韋伯比:0.023對比靈敏度(4)第29頁,共79頁，星期六，2024年，5月4

Mach帶(1)人們在觀察一條有均勻黑的區(qū)域和均勻白的區(qū)域形成的邊界時，人們感覺到的是在亮度變化部位附近的暗區(qū)和亮區(qū)中分別存在一條更黑和更亮的條帶，這就是所謂的“Mach帶”，馬赫效應。

Mach在1865年觀察并討論了這種現(xiàn)象。輸入圖像是階梯邊緣模式，并且每級階躍的灰度差相同、在同級條帶內(nèi)灰度均勻的情形下，人們在觀察時卻感到每個條帶內(nèi)灰度是不均勻的，每級階梯的右邊比左邊更暗，這是因為對階躍邊界處主觀的反差顯著地增強了。第30頁,共79頁，星期六，2024年，5月4

Mach帶(2)第31頁,共79頁，星期六，2024年，5月主觀輪廓，這是主觀上感知的輪廓，實際上這個邊界并不存在5主觀輪廓第32頁,共79頁，星期六，2024年，5月古代希臘藝術(shù)家意識到空間錯覺，在建筑設計中引入補償校正技術(shù)以保持對物體及感覺的對稱性。對于錯覺產(chǎn)生的解釋盡管很多，但看來只有對大腦功能進一步的認識后，才能得到滿意的解釋。6

空間錯覺第33頁,共79頁，星期六，2024年，5月視覺：主要研究光的物理本質(zhì)、光刺激視覺感器官的程度、光經(jīng)過視網(wǎng)膜后經(jīng)視覺系統(tǒng)加工而產(chǎn)生的亮度與顏色的感覺視知覺：研究人是如何通過視覺形成關(guān)于外在世界的空間表象的。知覺將視野中的一些分散刺激加以組織，構(gòu)成了具有一定形狀的整體是在人腦中樞進行的一組整合活動7視覺和視知覺第34頁,共79頁，星期六，2024年，5月8立體視覺和運動視覺立體視覺：關(guān)鍵問題是對應點問題correspondenceproblem,也就是尋找匹配的問題matching。運動視覺：研究序列圖像間的對應問題，主要問題是匹配。對于瞬時間的圖像，即間隔時間很短圖像序列，可以通過求解光流方程的方法尋找對應，其前提假設是極短時間內(nèi)像點的灰度保持不變，只存在位置變化。第35頁,共79頁，星期六，2024年，5月視覺錯覺第36頁,共79頁，星期六，2024年，5月乍一看好象是總統(tǒng)克林頓和副總統(tǒng)戈爾，但是再仔細看看，是兩個克林頓！看看這兩張臉，它們是完全一樣的，只是這兩個人的發(fā)型和服飾不同。如果你被這幅圖的內(nèi)容所迷惑的話，你很可能被它愚弄啦！當我們的視覺系統(tǒng)接觸一幅圖畫的時候，它更關(guān)注的是整幅圖的意義，而并不特別的注重細節(jié)。對于這張圖，你最容易想到的是左邊的是副總統(tǒng)，戈爾的衣服和發(fā)型使其更具迷惑性。視覺錯覺第37頁,共79頁，星期六，2024年，5月你看到了什么？那些交叉點是不是在放射火花？在Grid火花錯覺中，眼球的運動也是非常重要的。盡管在視覺研究領(lǐng)域有對這種錯覺進行全面介紹的文章，但它本質(zhì)的原因仍然沒有被充分的了解。柵格火花錯覺

第38頁,共79頁，星期六，2024年，5月長度與透視：線AB和線CD長度完全相等，雖然它們看起來相差很大。長度與透視第39頁,共79頁，星期六，2024年，5月曲線正方形曲線正方形：這些是完全的正方形嗎？【解析】正方形看起來是變形了，但其實它們的邊線都是筆直而彼此平行的。比爾·切斯塞爾創(chuàng)作了這個曲線幻覺的視覺藝術(shù)版本。第40頁,共79頁，星期六，2024年，5月第41頁,共79頁，星期六，2024年，5月?

圖像變換圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，重點學習傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應用。第42頁,共79頁，星期六，2024年，5月?

圖像變換圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強對圖像信息的理解。圖像變換算法很多，重點學習傅立葉變換的算法、性質(zhì)和應用。第43頁,共79頁，星期六，2024年，5月形成色覺的三要素光源光源對物體的照射，根據(jù)物體對光的吸收特性，進行有選擇反射觀察者，接收物體的反射光，通過視覺系統(tǒng)，形成色知覺第44頁,共79頁，星期六，2024年，5月光譜第45頁,共79頁，星期六，2024年，5月顏色的視覺三特征色相是從物體反射或透過物體傳播的顏色。在0到360度的標準色輪上，色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是由顏色名稱標識的，比如紅、橙或綠色。飽和度，有時也稱彩度，是指顏色的強度或純度。飽和度表示色相中灰成分所占的比例，用從0%（灰色）到100%（完全飽和）的百分比來度量。在標準色輪上，從中心向邊緣飽和度是遞增的。亮度是顏色的相對明暗程度，通常用從0%（黑）到100%（白）的百分比來度量。第46頁,共79頁，星期六，2024年，5月第47頁,共79頁，星期六，2024年，5月

R、G、B（三基色波長（CIE）Blue:435.8nm,Green:546.1nm,Red:700nm）三種基色第48頁,共79頁，星期六，2024年，5月三基色混色原理研究發(fā)現(xiàn)人眼所能觀察到的絕大多數(shù)顏色可以通過三種基色混合得到加法混色原理：對應R（紅）、G（綠）、B（藍）三基色。主要應用于光照、視頻和顯示器中減法混色原理：對應C（純青色）、M（洋紅）、Y（黃色）三基色。主要用于繪畫、印刷、印染行業(yè)第49頁,共79頁，星期六，2024年，5月RGB相加混色絕大部分的可見光譜可以用紅、綠和藍(RGB)三色光按不同比例和強度的混合來表示。在顏色重疊的位置，產(chǎn)生青色、洋紅和黃色。因為RGB顏色合成產(chǎn)生白色，它們也叫作加色。將所有顏色加在一起產(chǎn)生白色——也就是說，所有光被反射回眼睛。加色用于光照、視頻和顯示器。例如，顯示器通過紅、綠和藍熒光粉發(fā)射光線產(chǎn)生彩色。第50頁,共79頁，星期六，2024年，5月CMY相減混色CMY以印在紙張上油墨的光線吸收特性為基礎，當白光照射到半透明油墨上時，部分光譜被吸收，部分被反射回眼睛。理論上，純青色(C)洋紅(M)和黃色(Y)色素能夠合成吸收所有顏色并產(chǎn)生黑色。由于這個原因，這些顏色叫作減色。減色(CMY)和加色(RGB)是互補色，每對減色產(chǎn)生一種加色，反之亦然。第51頁,共79頁，星期六，2024年，5月彩色空間（1）第52頁,共79頁，星期六，2024年，5月彩色空間（2）第53頁,共79頁，星期六，2024年，5月彩色空間（3）第54頁,共79頁，星期六，2024年，5月圖像格式位圖圖像矢量圖形BMPGIFJPEGTIFFPCX第55頁,共79頁，星期六，2024年，5月位圖圖像繪畫以及圖像編輯軟件都產(chǎn)生位圖圖像，也叫作柵格圖像。位圖圖像是用小方形網(wǎng)格（位圖或柵格），即人所共知的象素來代表圖像，每個象素都被分配一個特定位置和顏色值。例如，在位圖圖像中自行車輪胎是由該位置的象素拼合組成的。處理位圖圖像時，您編輯的是象素而不是對象或形狀。

第56頁,共79頁，星期六，2024年，5月位圖圖像（續(xù)）位圖圖像與分辨率有關(guān)，換句話說，它包含固定數(shù)量的象素，代表圖像數(shù)據(jù)。因此，如果在屏幕上以較大的倍數(shù)放大顯示，或以過低的分辨率打印，位圖圖像會出現(xiàn)鋸齒邊緣，且會遺漏細節(jié)。在表現(xiàn)陰影和色彩（如在照片或繪畫圖像中）的細微變化方面，位圖圖像是最佳選擇。第57頁,共79頁，星期六，2024年，5月矢量圖形繪圖軟件創(chuàng)作的矢量圖形，是由叫作矢量的數(shù)學對象所定義的直線和曲線組成的。矢量根據(jù)圖形的幾何特性來對其進行描述。例如，矢量圖形中的自行車輪胎是由數(shù)學定義的圓形組成，這個圓形按某一半徑畫出，放在特定位置并填充有特定的顏色。移動、縮放輪胎或更改輪胎顏色不會降低圖形的品質(zhì)。第58頁,共79頁，星期六，2024年，5月矢量圖形（續(xù)）矢量圖形與分辨率無關(guān)，換句話說，您可以將它縮放到任意大小和以任意分辨率在輸出設備上打印出來，都不會遺漏細節(jié)或清晰度。因此，矢量圖形是文字（尤其是小字）和粗圖形的最佳選擇，這些圖形（比如徽標）在縮放到不同大小時必須保持清晰的線條。第59頁,共79頁，星期六，2024年，5月矢量圖形（續(xù)）因為計算機顯示器通過在網(wǎng)格上的顯示來呈現(xiàn)圖像，因此矢量和點陣圖像在屏幕上都是以象素顯示的。從矢量到位圖的轉(zhuǎn)換稱為掃面轉(zhuǎn)換，它是計算機圖形學的研究內(nèi)容第60頁,共79頁，星期六，2024年，5月BMPBMP是DOS和Windows兼容計算機系統(tǒng)的標準Windows圖像格式。BMP格式支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式?？梢灾付▓D像采用MicrosoftWindows或OS/2格式，并指定圖像的位深度。對于使用Windows格式的4位和8位圖像，可以指定采用RLE壓縮。第61頁,共79頁，星期六，2024年，5月GIFGIF是GraphicInterchangeFormat（圖形交換格式）的縮寫，在WWW和其它網(wǎng)上服務的HTML文檔中，GIF文件格式普遍用于顯示索引顏色圖形和圖像。GIF是一種LZW壓縮格式，用來最小化文件大小和電子傳遞時間。最多支持256種顏色。第62頁,共79頁，星期六，2024年，5月GIF（續(xù)）第63頁,共79頁，星期六，2024年，5月JPEGJPEG是JointPhotographicExpertsGroup（聯(lián)合圖片專家組）的縮寫。在WWW和其它網(wǎng)上服務的HTML文檔中，JPEG普遍用于顯示圖片和其它連續(xù)色調(diào)的圖像文檔。JPEG格式支持CMYK、RGB和灰度顏色模式，與GIF格式不同，JPEG保留RGB圖像中的所有顏色信息，通過選擇性地去掉數(shù)據(jù)來壓縮文件。JP