數(shù)字圖像處理 第二章課件

第2章數(shù)字圖像基礎(chǔ)

主要內(nèi)容2.1圖像感知與獲取2.2圖像取樣與量化2.3數(shù)字圖像類型2.4數(shù)字圖像文件格式2.5像素間的一些基本關(guān)系

2.1圖像感知與獲取1場景成像的三種主要傳感器裝置

（1）單元成像傳感器，如光敏二極管等。通過x-y方向二維掃描，形成二維圖像。（2）線成像傳感器，如線CCD、平板掃描儀等。只需一維掃描，就能形成二維圖像。（3）陣列成像傳感器，如面CCD等。不需要掃描，就能形成二維圖像。2簡單的圖像形成模型（數(shù)學(xué)模型）

2.2圖像取樣與量化1基本概念

（1）圖像數(shù)字化：將模擬圖像經(jīng)過離散化之后，得到用數(shù)字表示的圖像。圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個過程。（2）采樣：是將在空間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換成離散的采樣點(diǎn)（即像素）集的操作。即：空間坐標(biāo)的離散化。

（3）量化：把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。2數(shù)字圖像表示（1）緊湊矩陣表示（2）傳統(tǒng)矩陣表示形式3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(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。（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(guān)系注：所謂顏色或灰度級指黑白顯示器中顯示像素點(diǎn)的亮暗差別，在彩色顯示器中表現(xiàn)為顏色的不同，灰度級越多，圖像層次越清楚逼真?；叶仁窍鄬τ趩紊缘模瑢⒘炼确殖?56恰好一個字節(jié)。純紅色是255級最高，不純的級別也就低了.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。（4）灰度分辨率（圖像的量化）與圖像質(zhì)量的關(guān)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(jié)灰度分辨率與圖像質(zhì)量的關(guān)系。

總結(jié)：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。（5）空間分辨率和灰度分辨率同時變化，對圖像質(zhì)量的影響問題：觀察上面三幅圖，空間分辨率和灰度分辨率同時變化，對圖像質(zhì)量的影響。等偏愛曲線(Isopreferencecurve)：在N-k平面內(nèi)對應(yīng)于主觀感覺質(zhì)量相等的曲線；?實驗結(jié)果：當(dāng)圖像中細(xì)節(jié)增加時，等偏愛曲線趨于更接近N-k平面內(nèi)的垂直線。

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常能可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。（6）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。思考題：

☆為什么電風(fēng)扇轉(zhuǎn)速太快時，人們會覺得電風(fēng)扇在反轉(zhuǎn)？（采樣定理）

2.3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。

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?。?/p>

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。（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。

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）。

3.二值圖像只有黑白兩種顏色。

4.灰度圖像

在灰度圖像中，像素灰度級一般用8bit表示，所以每個像素都是介于黑色（0）和白色（255）之間的256（28=256）種灰度中的一種。

5.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0到255之間的不同的亮度值，這三個字節(jié)組合可以產(chǎn)生1670萬種不同的顏色。

6.索引圖像在RGB真彩色出現(xiàn)之前，由于技術(shù)上的原因，計算機(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。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。2.4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)。1BMP圖像文件格式

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

typedef

struct

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

WORD bfReserved1;//保留字

WORD bfReserved2;//保留字

DWORD bfOffBits;//從文件頭到實際位圖的偏移字節(jié)數(shù)}BITMAPFILEHEADER;

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)）。2.TIF圖像文件格式

標(biāo)記圖像文件格式TIF(TagImageFileFormat)，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。4.JPEG圖像格式

JPEG(JointPhotographer’sExpertsGroup)格式即聯(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。

2.5圖像像素間的一些基本關(guān)系1相鄰像素

（1）p的4鄰域坐標(biāo)為(x,y)的像素p有4個水平和垂直的相鄰像素，坐標(biāo)分別為:(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)，這個像素集稱為p的4鄰域，用N4(p)表示。（2）p的4個對角鄰像素坐標(biāo)分別為:(x+1,y+1),(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)，用N

D(p)表示。（3）p的8鄰域

N4(p)+

N

D(p)。☆隨堂練習(xí)：

4鄰域、對角鄰域、8鄰域2

鄰接性、連通性

（1）鄰接性

V是具有特定相似性準(zhǔn)則的灰度值集合。（解釋）

A、4鄰接：如果q在N4(p)中，具有V中數(shù)值的兩個像素p和q是4鄰接的。

B、8鄰接：如果q在N8(p)中，具有V中數(shù)值的兩個像素p和q是8鄰接的。

C、m鄰接：如果q在N4(p)中，或者q在ND(p)中且集合N4(p)∩N4(q)沒有V值的像素，則具有V值的像素p和q是m鄰接的。

混合鄰接的引入是為了消除采用8鄰接常常發(fā)生的二義性。011010001011010001011010001（2）連通性從具有坐標(biāo)(x,y)的像素p到具有坐標(biāo)(s,t)的像素q的通路特定像素序列，其坐標(biāo)為：并且像素(xi,yi)和(xi-1,yi-1)是鄰接的。

4通路

8通路

m通路0000001000010000000000010000000010110000010010110010001000111001000010011100010000001110000000000000隨堂練習(xí)：連通設(shè)p和q是1個圖象子集S中的2個象素，那么如果存在1條完全由在S中的象素組成的從p到q的通路，那么就稱p在S中與q相連通的。。0000000000000000000000010000000011110000011110110011111001111111001110011101110000000110000000000000（3）距離度量A、距離度量函數(shù)定義給定3個象素p,q,z，坐標(biāo)分別為(x，y)，(s，t)，(v，w)，如果下列條件滿足，則D是距離度量函數(shù)：

(1)D(p,q)≥0(D(p,q)=0當(dāng)且僅當(dāng)p=q)

(2)D(p,q)=D(q,p)

(3)D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)；

B、明考夫斯基距離

C、歐氏(Euclidean)距離：模為2的距離根據(jù)這個距離量度，與(x，y)的距離小于或等于某個值d的象素都包括在以(x，y)為中心以d為半徑的圓中。

D、城區(qū)(city-block)距離：模為1的距離,或D4距離

D4(p，q)=|x-s|+|y-t|

根據(jù)這個距離量度，與(x，y)的D4距離小于或等于某個值d的象素組成以(x