第二講+數(shù)字圖像處理中的一些基本概念

1、數(shù)字圖像處理中的一些基本概念本講提要n1、人眼視覺(jué)原理：介紹景物形成原理以及觀察圖像時(shí)的一些客觀現(xiàn)象。n2、圖像數(shù)字化：如何從模擬圖像獲得數(shù)字圖像，以及數(shù)字圖像的表達(dá)方式n3、圖像灰度直方圖：介紹圖像灰度直方圖計(jì)算方法及作用n4、數(shù)字圖像處理中的比較通用的算法形式和一些基本概念n5、圖像文件的組織方式n6、圖像特征與噪聲1 人眼的視覺(jué)原理人類的視覺(jué)模型n錐狀細(xì)胞：負(fù)責(zé)彩色視覺(jué)q有三種類型：紅色、綠色、藍(lán)色感光細(xì)胞q可感受67百萬(wàn)種顏色q數(shù)量：約67百萬(wàn)q一根視神經(jīng)連接一個(gè)錐狀細(xì)胞n人眼的最內(nèi)層是視網(wǎng)膜，表面分布有大量光敏細(xì)胞n桿狀細(xì)胞廣泛分布在視網(wǎng)膜上q一根視神經(jīng)連接若干桿狀細(xì)胞q數(shù)量：750

2、0萬(wàn)1.5億q對(duì)低照度景物敏感q負(fù)責(zé)黑白視覺(jué)人類的視覺(jué)模型n三種錐狀感光細(xì)胞對(duì)不同光波的感光靈敏度人眼對(duì)亮度的適應(yīng)能力n人眼是具有視覺(jué)適應(yīng)性的q亮適應(yīng)性：人從黑暗處到明亮處的視覺(jué)行為過(guò)程q暗適應(yīng)性：人從明亮處到黑暗處的視覺(jué)行為過(guò)程n感光靈敏度：桿狀細(xì)胞與錐狀細(xì)胞不同n錐狀細(xì)胞：明視覺(jué)n桿狀細(xì)胞：暗視覺(jué)暗適應(yīng)性：從亮光處到暗光處的適應(yīng)能力，一般2030s亮適應(yīng)性：從暗處到亮處的適應(yīng)能力，一般12s景物的形成n光線經(jīng)過(guò)眼球到達(dá)視網(wǎng)膜，形成電脈沖，傳導(dǎo)到視神經(jīng)中樞，不同位置的光敏細(xì)胞可產(chǎn)生與接受光線強(qiáng)弱成比例的電脈沖，便在大腦中形成景物的感覺(jué)。人眼的視覺(jué)亮度范圍n視覺(jué)亮度范圍是指人眼能夠感知的亮度范

3、圍。人眼能夠感知的亮度范圍是非常寬的。從百分之幾cd/m2到幾百萬(wàn)cd/m2；n人眼適應(yīng)了某一平均亮度的環(huán)境后，人眼所能感受的亮度范圍要小得多。當(dāng)平均亮度適中，能分辨的亮度上下限之比可為1000:1，當(dāng)平均亮度較低時(shí)，該比值約只有10:1。n人眼對(duì)亮度差別的感覺(jué)取決于相對(duì)亮度的變化，有s=k*B/B，經(jīng)積分有s=klnB+k0qk為常數(shù)，表明亮度感覺(jué)與亮度的自然對(duì)數(shù)成線性關(guān)系人眼的分辨率n人眼的分辨率是指人眼在一定距離上能區(qū)分開(kāi)相鄰兩點(diǎn)的能力?？捎媚軈^(qū)分開(kāi)的最小視角的倒數(shù)來(lái)描述。n人眼的分辨率還與環(huán)境照度、被觀測(cè)對(duì)象的相對(duì)對(duì)比度有關(guān)人眼分辨不同顏色的能力n色覺(jué)，能辨別不同的顏色。q視神經(jīng)對(duì)不同

4、波長(zhǎng)光的感受特性是不同的q人眼能感受的光譜范圍由400nm到760nm。n色覺(jué)有三種性質(zhì)：色調(diào)（色別）、亮度、飽和度q色調(diào)：不同的色q亮度：色彩的明暗、深淺程度q色彩度（飽和度）色彩的純度，以陽(yáng)光的光譜色為標(biāo)準(zhǔn)，越接近光譜色，色彩飽和度越高物體顏色n物體的色是人的視覺(jué)器官受光后在大腦的一種反映n物體的色取決于物體對(duì)各種光線的吸收、反射和透視能力，分為有色物體和消色物體q消色物體指黑色、白色、灰色物體，對(duì)照明光線具有非選擇性吸收能力，根據(jù)入射光的反射率的大小區(qū)分為不同的顏色q75% 10%r75% r10%q有色物體對(duì)照明光線具有選擇性吸收的能力，入射光中的色光不是等量的被吸收，入射光被反射或透

5、射后，改變了光譜成分和亮度，所以物體呈現(xiàn)不同的顏色n光源的光譜成分對(duì)物體顏色的影響q有色光照射到消色物體時(shí)，物體反射色與入射光顏色相同，兩種以上有色光同時(shí)照射到消色物體上，呈加色法效應(yīng)q有色光照射到有色物體時(shí)，物體的顏色呈減色法效應(yīng)加色法原理n加色法原理是利用三基色色光相加獲得彩色的方法?；羌t、綠、藍(lán)；不同比例的三基色光相加合成其他彩色紅+綠=黃紅+藍(lán)=紫（品紅）藍(lán)+綠=青紅+綠+藍(lán)=白減色法原理n減色法：利用白光減去補(bǔ)色獲得彩色的方法。其基色是黃、青、品紅（或紫）馬赫帶n馬赫帶效應(yīng)是指有一定反差的圖像臨界部位在視覺(jué)上給人以特別白或特別黑的感覺(jué)。n馬赫帶上的亮度過(guò)沖是不同空間頻率產(chǎn)生不同視

6、覺(jué)響應(yīng)的結(jié)果。視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)空間高頻和空間低頻的敏感性較差，對(duì)空間中頻具有較高的敏感性，因而在亮度突變處亮度過(guò)沖現(xiàn)象，人眼感受到的是對(duì)比度的增強(qiáng)，這種現(xiàn)象有助于增強(qiáng)對(duì)圖像輪廓的識(shí)別能力。馬赫帶效應(yīng)示意圖2.3 圖像數(shù)字化數(shù)字圖像的生成n將模擬圖像數(shù)字化成數(shù)字圖像q數(shù)字化儀是將圖像（膠片或像片）和圖形（包括各種地圖）的連續(xù)模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量的裝置）n應(yīng)用各種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備獲取數(shù)字圖像q數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備，具有光敏感器件和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置n應(yīng)用二維離散數(shù)學(xué)函數(shù)生成數(shù)字圖像q矩陣表示數(shù)字圖像圖像數(shù)字化n圖像數(shù)字化是將一幅畫(huà)面轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字圖像的過(guò)程n兩個(gè)步驟q把模擬圖像分割成同樣形狀的小單元，進(jìn)行

7、空間離散化處理叫采樣采樣q以各個(gè)小單元的平均亮度值或中心部分的亮度值作為該單元的亮度值，為亮度值的離散化處理，量化量化模擬圖像數(shù)字圖像正方形點(diǎn)陣采樣n采樣間隔和采樣孔徑的大小是兩個(gè)很重要的參數(shù)。n不同形狀的采樣孔徑有縫無(wú)縫重迭n采樣方式:有縫、無(wú)縫和重迭Nyquist定理n在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。量化n采樣后得到的空間上離散的像素，灰度是連續(xù)的，還不能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。需將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值，即量化。量化后得到的表示像素明暗程度的整數(shù)稱為像素的灰度級(jí)或灰度值或灰度。n一幅數(shù)字圖像中不同灰度級(jí)

8、的個(gè)數(shù)稱為灰度級(jí)數(shù)，用G表示?；叶燃?jí)數(shù)n灰度級(jí)數(shù)就代表一幅數(shù)字圖像的層次。圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際層次越多視覺(jué)效果就越好。n一般來(lái)說(shuō)，G=2g，g就是表示存儲(chǔ)圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)。n若一幅數(shù)字圖像的量化灰度級(jí)數(shù)G=256=28級(jí)，灰度取值范圍一般是0255的整數(shù)，由于用8bit就能表示灰度圖像像素的灰度值，因此常稱8 bit 量化。圖像數(shù)字化方式與圖像質(zhì)量的關(guān)系n圖像數(shù)字化方式一般采用均勻采樣、均勻量化方式。n一般說(shuō)，采樣間隔越大，圖像像素?cái)?shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)像素呈塊狀的國(guó)際棋盤(pán)效應(yīng)；采樣間隔越小，圖像像素?cái)?shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，數(shù)據(jù)量大。量化等級(jí)多，圖像層次豐富，

9、灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，數(shù)據(jù)量大；量化等級(jí)少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會(huì)出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，數(shù)據(jù)量小。n從視覺(jué)效果來(lái)看，采用大于或等于6比特位量化的灰度圖像，視覺(jué)上就能令人滿意。采樣間隔與圖像視覺(jué)效果示例量化級(jí)數(shù)與圖像視覺(jué)效果示例量化級(jí)數(shù)與圖像的視覺(jué)效果示例數(shù)字圖像的矩陣表示n數(shù)字圖像的坐標(biāo)系及坐標(biāo)原點(diǎn)數(shù)字圖像的矩陣表示n黑白圖像：像素只能是黑或白，像素值一般取0或1，又稱為二值圖像。011100001In灰度圖像：灰度級(jí)數(shù)大于2的圖像，不包含彩色信息。100220250180501202001500I數(shù)字圖像的矩陣表示n彩色圖像的像素由R、G、B三分量構(gòu)成，其中R、B、G是

10、由不同的灰度級(jí)來(lái)描述00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B2.4 圖像灰度直方圖灰度直方圖n灰度直方圖反映的是一幅圖像中各灰度級(jí)像素出現(xiàn)的頻率，是圖像的一個(gè)重要特征一幅圖像的灰度直方圖nnvii頻率的計(jì)算式為：0132132105762567160635122675365032272416225627601232121231231221v0=5/64v1=12/64v2=18/64v3=8/64v4=1/64v5=5/64v6=8/64v7=5/64計(jì)算：該圖像像元總數(shù)為8*8=64, i=0,7圖像直方圖

11、計(jì)算灰度圖像及其直方圖示例直方圖的性質(zhì)n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。n一幅圖像對(duì)應(yīng)唯一的灰度直方圖，反之不成立。不同的圖像可對(duì)應(yīng)相同的直方圖。 不同的圖像具有相同直方圖直方圖應(yīng)用：用于判斷圖像量化是否恰當(dāng)直方圖用于判斷量化是否恰當(dāng)(a) 恰當(dāng)量化(b)未能有效利用(c)超過(guò)了動(dòng)態(tài)范圍直方圖應(yīng)用：用于確定圖像二值化閾值TyxfTyxfyxg),(1),(0),(直方圖應(yīng)用：統(tǒng)計(jì)圖像中物體的面積。n當(dāng)影像上目標(biāo)的灰度值比其它部分灰度值大或者灰度區(qū)間已知時(shí)，可利用直方圖統(tǒng)計(jì)圖像中物體的面積。TiivnAn是圖像像素總數(shù)，vi是灰度級(jí)i出現(xiàn)的

12、概率直方圖應(yīng)用：計(jì)算圖像信息量(熵)n熵是用來(lái)反映圖像信息豐富和復(fù)雜程度的量值。n如果一幅圖像各灰度級(jí)出現(xiàn)的概率是p0,p1,p2,pn-1,根據(jù)信息論，各灰度級(jí)像素具有的信息量分別為：-log2p0,-log2p1,-log2p2,-log2pn-1,則該圖像的平均信息熵（量）為：102logniiippH2.5 數(shù)字圖像處理算法的形式圖像處理的幾種具體算法n局部處理q鄰域:對(duì)于任一像素(i,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。q常用的鄰域如圖(b),(c)分別表示中心像素的4-鄰域、8-鄰域。局部處理n對(duì)輸入圖像IP(i,j)處理時(shí)，某

13、一輸出像素JP(i,j)值由輸入圖像像素(i,j)及其鄰域N(IP(i,j)中的像素值確定。這種處理稱為局部處理。),(),(jiIPNjiJPN（一）（二）例子n例如 對(duì)一幅圖象采用33模板進(jìn)行卷積運(yùn)算。點(diǎn)處理n局部處理的一個(gè)特例，在局部處理中，當(dāng)輸出值JP(i,j)僅與IP(i,j)有關(guān)，則稱為點(diǎn)處理),(),(jiIPjiJPp迭代處理n反復(fù)對(duì)圖像進(jìn)行某種運(yùn)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。跟蹤處理n選擇滿足適當(dāng)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(jié)果，求出下一步應(yīng)該處理的像素，進(jìn)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

14、形式稱為跟蹤處理。 q光柵行掃描窗口處理窗口處理與模板處理n圖像處理時(shí)，有時(shí)需要每次處理圖像的某個(gè)部分。進(jìn)一步分為窗口處理和模板處理。n單獨(dú)對(duì)圖像中選定的矩形區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行處理的方式叫做窗口處理窗口處理與模板處理模板處理n圖像處理時(shí)，有時(shí)希望能單獨(dú)處理特定形狀的區(qū)域時(shí)，會(huì)預(yù)先準(zhǔn)備一個(gè)具有特定形狀的模板（模板平面實(shí)際上一個(gè)二維數(shù)組，數(shù)組中存儲(chǔ)模板信息，進(jìn)行模板處理時(shí)，參照模板平面對(duì)圖像進(jìn)行某種操作。n若模板成矩形區(qū)域，與窗口處理效果相同；窗口處理與模板處理的區(qū)別是模板處理要求設(shè)置一個(gè)模板平面。2.6 圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與文件格式圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)n圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)常采用一維或二維數(shù)組的形式。n其他特殊方

15、式：q組合方式：一個(gè)字長(zhǎng)存放多個(gè)像素灰度值的方式。q比特面方式按比特位存取像素，形成比特面。n個(gè)比特位的灰度圖像采用比特面方式存取就有n個(gè)比特面。q分層結(jié)構(gòu)(金字塔方式)：從原始圖像出發(fā)形成多層圖像數(shù)據(jù)q樹(shù)結(jié)構(gòu)：利用二叉樹(shù)、四叉樹(shù)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)圖像多重圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)n彩色圖像或多波段(多光譜)圖像，存儲(chǔ)方式有：q逐波段存儲(chǔ)（BSQ)q逐行存儲(chǔ) (BIL)q逐像素存儲(chǔ)(BIP)圖像文件格式n按不同的方式進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)字圖像，就得到不同格式的圖像文件，圖像文件按其格式的不同具有相應(yīng)的擴(kuò)展名。常見(jiàn)的圖像文件格式按擴(kuò)展名分為：RAW格式、BMP格式、JPG格式、TIFF格式等。q圖像文件格式一般具有以下特征

16、：n1、描述圖像的特征n2、存儲(chǔ)實(shí)際圖像數(shù)據(jù)BMP格式nBMP格式由以下四個(gè)部分組成q1）14字節(jié)的文件頭；q2）40字節(jié)的信息頭；q3）4字節(jié)的顏色定義；q4）位圖數(shù)據(jù)。BMP格式:位圖文件頭結(jié)構(gòu)typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; /*指定文件類型，必須是0 x424D， 即字符串“BM” */ DWORD bfSize; /*指定文件大小 */ WORD bfReserved1; 為/*保留字 */ WORD bfReserved2; /*保留字 */ DWORD bfOffBits; 為/*文件頭到實(shí)際的位圖 數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù)

17、* / BITMAPFILEHEADER, FAR *LPBITMAPFILEHEADER;該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度是固定的，為14個(gè)字節(jié) 。BMP格式:位圖信息頭typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD bfSize; /* 指定這個(gè)結(jié)構(gòu)的大小，為40個(gè)字節(jié) LONG biWidth; /*指定圖像的寬度，單位是像素 LONG biHeight; /*指定圖像的高度，單位是像素； WORD biPlanes; /*必須是1 WORD biBitCount; /*指定表示顏色位數(shù),1(黑白)8(256色)24(真彩色) DWORD biCompression; /*

18、指定是否壓縮,分別為BI_RGB、BI_RLE4、 BI_RLE8 DWORD biSizeImage; /*指定實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)。 LONG biXPelsPerMeter; /*指定目標(biāo)設(shè)備的水平分辨率 LONG biYPersPerMeter; /*指定目標(biāo)設(shè)備的垂直分辨率 DWORD biClrUsed; /*指定本圖像實(shí)際用到的顏色數(shù) DWORD biClrImportant; /*指定本圖像中重要的顏色數(shù) BITMAPINFOHEADER, FAR *LPBITMAPINFOHEADER;結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為40個(gè)字節(jié)BMP格式:調(diào)色板n調(diào)色板實(shí)際上是一個(gè)數(shù)組 ,數(shù)組中每個(gè)元素的類型為一個(gè)RGBQUAD結(jié)構(gòu)，占4個(gè)字節(jié)。typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; BYTE rgbGreen; BYTE rgbRed; BYTE rgbReserved;RGBQUAD;n有些位圖，比如真彩色圖，沒(méi)有調(diào)色板。他們的位圖信息頭后直接是位圖數(shù)據(jù)。BMP格式:位圖數(shù)據(jù)n它分兩種情況：q對(duì)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；q對(duì)于真彩色圖，圖像數(shù)據(jù)就是實(shí)際的R、G、B值。2.7 圖像特征與噪聲圖像特征n圖像特征：描述圖像對(duì)象的參數(shù)，是視覺(jué)能分辨的自然特征，或者人為定義的某些參數(shù)，圖