數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識

主講人：王吉暉

Tel：68912569-806Email：wjhzhaojie@

光電學院——光電成像與信息研究所數(shù)字圖像處理RafaelC.Gonzalez,RichardE.Woods著,阮秋琦,阮宇智譯.數(shù)字圖像處理(第三版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.參考書：[1]章毓晉.圖像工程(上冊)圖像處理[M].北京:清華大學出版社,2006.[2]章毓晉.圖像工程(中冊)圖像分析[M].北京:清華大學出版社,2005.[3]RafaelC.Gonzalez,RichardE.Woods,StevenL.Eddins著,阮秋琦譯.數(shù)字圖像處理(MATLAB版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2007.[4]沈庭芝《數(shù)字圖像處理與模式識別》北京理工大學出版社[5]劉榴娣等《實用數(shù)字圖像處理》北京理工大學出版社

選用教材：數(shù)字圖像處理第2章數(shù)字圖像基礎(chǔ)本章包含的主要內(nèi)容

視覺感知要素

圖像的感知和獲取

圖像采樣和量化

像素間的一些基本關(guān)系

常見圖像文件格式人眼所見圖像是由物體反射的光組成，光是能量的一種形式，用f(x,y)表示空間坐標(x,y)處的光強度（亮度），圖像與光強分布有關(guān)連續(xù)圖像模型f(x,y)由兩個分量表征－-所在場景中的入射光量i(x,y)和場景中被物體反射的光亮r(x,y)i(x,y)的性質(zhì)由光源確定，r(x,y)由景物中物體的性質(zhì)確定，r(x,y)＝０，表示全吸收，r(x,y)＝１表示全反射。(一)圖像的感知和獲取傳感器陣列獲取圖像單色圖像f(x,y)在(x0,y0)處的亮度成為圖像該點的灰度(l)理論上，LMIN要求為正數(shù)，LMAX,

要求為有限值，[LMIN,LMAX]叫做灰度范圍，也表示成[0,L-1]，l=0表示黑，l=L-1表示白，中間為由黑連續(xù)變?yōu)榘讜r的灰度值。l的范圍為：(二)圖像采樣和量化abcd連續(xù)圖像(b)從連續(xù)圖像用從A到B的掃描線獲得的連續(xù)信號(c)采樣和量化(d)數(shù)字信號線ab連續(xù)圖像透影到傳感器陣列(b)采樣量化后的圖像采樣和量化的概念采樣－－對連續(xù)變化圖像在空間坐標上作離散化的過程，稱為對圖像進行采樣。選取的采樣點常稱為像素（像元，樣本）采樣定理若f(x)的頻率為

fc，則可以由相隔為

fc/2或大于

fc/2

的采樣頻率采樣并能精確的重構(gòu)

采樣點陣

量化－采樣后的圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續(xù)的還不能用計算機處理。將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過程叫量化量化的分類均勻量化，非均勻量化

均勻量化：將每個像素的幅度與一組判決電平作比較，如果該像素幅度落在兩個判決電平之間，就將該幅度用某一對應固定電平來表示。

非均勻量化有兩種情況：第一種是基于人的視覺特性要求；第二種是根據(jù)亮度值出現(xiàn)的概率分布采樣和量化例子數(shù)字圖像的表示通常情況是把圖像按一維或二維數(shù)組的形式在計算機里存儲每個像素點對應一個坐標。

數(shù)字圖像的表示舉例量化的灰度級一幅數(shù)字圖像中不同灰度值的個數(shù)成為灰度級，用G表示

G＝２k當一幅圖像有灰度級2ｋ時，通常稱該圖像是ｋ比特圖像。例如一幅圖像灰度值的取值范圍一般為0~255，稱其為8比特圖像。像素灰度級只有兩級的圖像[0(黑色)或1(白色)]稱為二值圖像。圖像的存儲空間存儲一幅大小為M×N,灰度級數(shù)為G的圖像通常，M，N，G取２的整數(shù)冪的形式。

M=2mN=2nG=2k所需的存儲空間為

M×N×ｋ（bit）稱為圖像的數(shù)據(jù)量.例如一幅圖像的灰度級為64，大小為128×128

的圖像數(shù)據(jù)量為

128×128×6=98304bit,共需98304bit來存儲。采樣，量化與所得數(shù)字圖像間的關(guān)系

采樣間隔越大，所得圖像像素數(shù)越小，空間分辨率低，質(zhì)量差；采樣間隔越小，所得圖像像素數(shù)越多，空間分辨率高，質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大；640x480320x240160x120

量化等級越多，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，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量?。?a)具有少量細節(jié)的圖像(b)具有中等細節(jié)的圖像(c)具有大量細節(jié)的圖像(三)像素間的一些基本關(guān)系

相鄰像素

4鄰域（N4(p)）：像素P(x,y)的4個水平和垂直的相鄰像素是

(x+1,y);(x-1,y);(x,y+1);(x,y-1)

D鄰域（ND(p)）

：像素P(x,y)的4個對角鄰像素是

(x+1,y+1);(x+1,y-1);(x-1,y+1);(x-1,y-1)

8鄰域（N8(p)）

：像素P(x,y)的8鄰域是4鄰域的點＋D

鄰域的點

像素間的連通性連通性是描述區(qū)域和邊界的重要概念，兩個像素連通的兩個必要條件是：

兩個像素的位置是否相鄰兩個像素的灰度值是否滿足特定的相似準則（或者是否相等）像素的連通性－4連通對具有值V的像素ｐ和ｑ，如果ｑ在集合N4(ｐ)中，則稱這兩個像素是４連通的像素的連通性－8連通對具有值V的像素ｐ和ｑ，如果q在集合N8(ｐ)中，則稱這兩個像素是8連通

像素的連通性－m連通對具有值V的像素ｐ和ｑ，如果(1)q在集合N4(ｐ)中，或(2)q在集合ND(ｐ)中,并且N4(ｐ)與N4(ｑ)的交集為空(沒有值V的像素)，稱這兩個像素是ｍ連通的，即４連通和D連通的混合連通

像素的連通性－通路通路的定義：一條從具有坐標（x,y）的像素ｐ，到具有坐標(s,t)的像素ｑ的通路，是具有坐標(x0,y0),(x1,y1),(xn,yn)的不同像素的序列。其中，(x0,y0)=（x,y）,(xn,yn)=(s,t),(xi,yi)和(xi-1,yi-1)是鄰接的，1≤i≤n，n是路徑的長度，如果(x0,y0)=(xn,yn)，則該通路是閉合的。

像素的連通性－距離像素之間距離的定義歐式距離定義

D4距離（城市距離）定義

D8距離（棋盤距離）定義像素之間距離的定義對于像素ｐ、ｑ和ｚ，分別具有坐標(x,y),(s,t)和(u,v)，如果D(p,q)≥0(D(p,q)=0,當且僅當ｐ＝ｑ)D(p,q)=D(q,p)D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)則稱D是距離函數(shù)或度量歐式距離定義像素p(x,y)和q(s,t)間的歐氏距離定義如下：對于這個距離計算法，具有與(x,y)距離小于等于某個值ｒ的像素是：包含在以(x,y)為圓心，以ｒ為半徑的圓平面

D4距離（城市距離）定義像素p(x,y)和q(s,t)間的D4距離定義如下：D4距離舉例

D8距離（棋盤距離）定義像素p(x,y)和q(s,t)間的D8距離定義如下：D8距離舉例最常見的圖像文件格式有：BMP、GIF、TIF、JPEG等BMP圖像格式(擴展名為.BMP)Windows操作系統(tǒng)的標準文件格式大部分BMP文件是不壓縮的形式，它本身還是支持圖像壓縮的它的顏色存儲格式有1位，4位，8位，16及24位(四)常見圖像文件格式GIF是GraphicsInterechangeFormat(圖形交換文件格式)

的縮寫，主要目的是便于在不同的平臺上進行圖像交流和傳播。

GIF格式是使用LZW壓縮過的格式，文件壓縮率比較高，磁盤空間占用較少。由于它是制作2D動畫軟件ANIMATOR早期支持的文件格式，所以該格式曾被廣泛使用

GIF可分為87A和89A兩種版本，存儲格式由1位到8位在INTERNET上傳送高質(zhì)量圖像?？梢徊糠忠徊糠诛@示圖像GIF文件格式(擴展名為.GIF)JPEG壓縮標準產(chǎn)生的壓縮格式，此格式是針對影像文件空間的壓縮問題開發(fā)的，它可加強壓縮率(它的最大壓縮率可高達100：1)靜止圖像壓縮，采用有損編碼方式，是一種變換編碼，對高頻、低頻信號區(qū)別對待網(wǎng)絡圖像的文件格式61KBJPG1143KBBMP

JPEG文件格式(擴展名為.JPG)TIFF是TaggedImageFileFormat的縮寫，是一個廣為應用的光柵圖像文件格式由Adobe公司授權(quán)，包括TIF標記和文檔,TIFF包括公共標記和私有標記TIFF文件來源掃描儀,CAD系統(tǒng),地理信息…1980年發(fā)表最早的版本V1、V2，1989年發(fā)表版本V5.0，1992年V6.0，TIFF是一個非常穩(wěn)定的文件格式，