第2講數(shù)字圖像表示及其處理教程

數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01數(shù)字圖像處理技術(shù)Digital

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Processing任課教師吳媛媛E_mail:

yuanyuanwu29@163.com1第2講數(shù)字圖像表示及其處理數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-012.1人眼成像過程2.2簡單的圖像形成模型（本章重點）2.3圖像的數(shù)字化（本章難點）2.4數(shù)字圖像的存儲類型（本章重點）2.5數(shù)字圖像的基本文件格式22.1人眼成像過程數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01視網(wǎng)膜接受光的能量并形成視覺圖案（確定成像的亮度或顏色）（1）視錐細(xì)胞：數(shù)量少；空間分辨率高；對顏色很敏感；并對亮光較敏感。錐細(xì)胞視覺：明視覺或亮光視覺。（2）視桿細(xì)胞：數(shù)量多；分辨率比較低；不感受顏色；并對低照度較敏感。桿細(xì)胞視覺：暗視覺或微光視覺錐少彩高亮；桿多低暗3(1)發(fā)光強度(I)(Intensity)：光源發(fā)光的功率稱為發(fā)光強度。其單位主要有如下兩種：

燭光功率（CandlePower,CP)：

1cp是指標(biāo)準(zhǔn)蠟燭發(fā)出的光。標(biāo)準(zhǔn)蠟燭是用鯨腦油制成，重1/6磅，燃燒率為120格令（1格令＝0.0648克）的蠟燭。新燭光(Candle,cd)：

1cd就是“全幅射體”加溫到鉑的熔點（2024K）時從1平方厘米表面面積上發(fā)出的光的1/60。

在實用中可以認(rèn)為1cp=1cd。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-012.1.1光學(xué)預(yù)備知識4

(2)光通量

(φ)

光通量是每秒鐘內(nèi)光流量的度量。其單位是流明(lumen--lm)。

流明是指與1cd的光源相距單位距離，并與入射光相垂直的單位面積上每秒鐘流經(jīng)的光流量叫１流明。

(3)照度

(E)(illumination)

入射到某表面的光通量密度稱為該表面的照度。用每單位面積的流明數(shù)來表示。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0152.1.1光學(xué)預(yù)備知識(4)反射(5)透射(6)亮度(L)

這個概念用來說明物體表面發(fā)光的量度。光可以由一個面光源直接幅射出來，也可以由入射光照射下的某表面反射出來。亮度對其兩者均適用。

數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0162.1.1光學(xué)預(yù)備知識數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01被測量國際單位縮寫發(fā)光強度(I)新燭光（坎德拉）cd光通量

(φ)流明lm照度

(E)勒克斯lm/m2

,lx亮度(L)新燭光/平方米cd/m2國際（SI）單位制的4個主要度量單位72.1.1光學(xué)預(yù)備知識2.2簡單的圖像形成模型數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01一幅圖像實際上記錄的是物體輻射能量的空間分布，這個分布是空間坐標(biāo)、時間和波長的函數(shù)，即:當(dāng)一幅圖像為平面單色靜止圖像時，空間坐標(biāo)變量z,波長λ和時間變量t可以從函數(shù)中去除，一幅圖像可以用二維函數(shù)f(x,y)來表示:

f(x,y)與i(x,y)和r(x,y)都成正比。

表示照射分量(irradiation

component)。表示反射分量(reflection

component)。8的值由光源決定，取值范圍亮度（brightness/lumiance）單位投影面積上的發(fā)光強度單位：cd/m2照度（illumination）一個被光線照射的表面上的照度定義為照射在單位面積上的光通量。設(shè)面元dS上的光通量為dΦ

，則此面元上的照度E為：單位：lx（勒[克斯]），1lx=1lm/m2說明照度：是光源對物體輻射的一種量度亮度：觀察者對物體表面光強的量度照射分量(irradiation

component)數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0191011的值是由場景中的目標(biāo)特性所決定的，取值為其典型物質(zhì)的典型值如下：黑天鵝絨

---0.01；不銹鋼---0.65；白色墻---0.80；鍍銀金屬

---0.90；白雪

---0.98；

數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01反射分量(reflection

component)122.3圖像的數(shù)字化數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01數(shù)字圖像可以理解為對二維函數(shù)f(x，y)進行采樣和量化(即離散處理)后得到的圖像，因此，通常用二維矩陣來表示一幅數(shù)字圖像。將一幅圖像進行數(shù)字化的過程就是在計算機內(nèi)生成一個二維矩陣的過程。13數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）目前市面上大部分相機使用的影像傳感器是CCD，即電荷耦合器，是一種特殊的半導(dǎo)體材料。14對一幅圖像采樣時，若每行（即橫向）像素為N個，每列（即縱向）像素為M個，則圖像大小為M×N個像素，從而f(x,y)構(gòu)成一個M×N實數(shù)矩陣：每個元素為圖像f(x,y)的離散采樣值，稱之為像元或像素。(Pixel)

數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01像素（Pixel）15數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01圖像矩陣的可視方式像素中心像素區(qū)域像素幅值圖像矩陣的可視化16

采樣:對圖像空間坐標(biāo)的離散化，它決定了圖像的空間分辨率。用一個網(wǎng)格把待處理的圖像覆蓋，然后把每一小格上模擬圖像的各個亮度取平均值，作為該小方格中點的值；或者把方格的交叉點處模擬圖像的亮度值作為該方格交叉點上的值。圖像的采樣2.3.1采樣（Sampling）數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0117(a)量化(b)量化為8bit數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01把采樣后所得的各像素灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱為圖像灰度的量化。量化是對圖像幅度坐標(biāo)的離散化，它決定了圖像的幅度分辨率。2.3.2量化18

(a)256級灰度圖象(b)子圖(c)子圖對應(yīng)的量化數(shù)據(jù)圖像量化實例數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0119

(a)采樣點256×256時的圖像(b)采樣點64×64時的圖像(c)采樣點32×32時的圖像(d)采樣點16×16時的圖像

(a)(b)(c)(d)數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01采樣點數(shù)變化20(a)量化為2級的Lena圖像(b)量化為16級的Lena圖像(c)量化為256級的Lena圖像

數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01(a)(b)(c)量化級數(shù)變化21數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0122將量化級為256的圖像分別轉(zhuǎn)換為量化級為2和量化級為16的圖像3426156200253316823433681301451341561561790011001100111111（0~127）0

（128~255）1

（0~15）0

（16~31）1

……

(240~255)

1632912231014348989911習(xí)題練習(xí)：256級：0~2552級：0、116級：0~15256級：0~255對一幅圖像，當(dāng)量化級數(shù)一定時，采樣點數(shù)對圖像質(zhì)量有著顯著的影響。采樣點數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好；當(dāng)采樣點數(shù)減少時，圖上的塊狀效應(yīng)就逐漸明顯。當(dāng)圖像的采樣點數(shù)一定時，采用不同量化級數(shù)的圖像質(zhì)量也不一樣。量化級數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當(dāng)量化級數(shù)越少時，圖像質(zhì)量越差。量化級數(shù)最小的極端情況就是二值圖像，圖像會出現(xiàn)假輪廓。采樣點數(shù)和量化級數(shù)的關(guān)系：數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0123數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01圖像所需的儲存空間數(shù)字圖像

圖像（水平）尺寸M：圖像（垂直）尺寸N：像素灰度級數(shù)G(k-bit)：圖像所需的位數(shù)b：24例：存儲1幅3232，16個灰度級的圖需要多少bit

？解：16

=

24

，16個灰度級需要4個bit表示，

b

=

32

32

4

=

4,096bit存儲1幅128128，64個灰度級的圖需要多少bit？解：16

=

26

，16個灰度級需要6個bit表示，

b

=

128

128

6

=

98,304bit存儲1幅512512，256個灰度級的圖需要多少bit？解：16

=

28

，16個灰度級需要8個bit表示，

b

=

512

512

8

=

2,097,152bit數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01習(xí)題練習(xí)：2.4數(shù)字圖像的存儲類型數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01計算機一般采用兩種方式存儲靜態(tài)圖像：向量處理（Vector），也稱矢量存儲模式。位映射（Bitmap），即位圖存儲模式；矢量圖只存儲圖像內(nèi)容的輪廓部分，而不是存儲圖像數(shù)據(jù)的每一點。位圖也稱為柵格圖像，是通過許多像素點表示一幅圖像，每個像素具有顏色屬性和位置屬性?；叶葓D像(gray-scaleimage)二值圖像(binaryimage)索引顏色圖像(indexcolorimage)真彩色圖像（truecolorimage）26二值圖像(binaryimage)二值圖像也叫黑白圖像，就是圖像像素只存在0,1兩個值。二進制的lena圖像數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0127灰度圖像(gray-scaleimage)灰度圖像是包含灰度級的圖像，如64級，256級等。通常，用0表示黑，255表示白，從0到255亮度逐漸增加。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01256灰度級的lena圖像28索引圖像(indexcolorimage)索引圖像把像素值直接作為索引顏色的序號。根據(jù)索引顏色的序號就可以找到該像素的實際顏色。當(dāng)把索引圖像讀入計算機時，索引顏色將被存儲到調(diào)色板中。調(diào)色板是包含不同顏色的顏色表，每種顏色以紅，綠，藍(lán)三種顏色的組合來表示。調(diào)色板的單元個數(shù)是與圖像的顏色數(shù)一致的。256色圖像有256個索引顏色，相應(yīng)的調(diào)色板就有256個單元。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01索引圖像29數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01真彩色圖像（truecolorimage）真彩色圖是指圖像中的每個像素值都分成R、G、B三個基色分量，每個基色分量直接決定其基色的強度，這樣產(chǎn)生的色彩稱為真彩色。但其實自然界的色彩是不能用任何數(shù)字歸納的，這些只是相對于人眼的識別能力，這樣得到的色彩可以相對人眼基本反映原圖的真實色彩，故稱真彩色。30數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01位圖像類型歸納31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)。常用的圖像文件存儲格式主要有BMP文件、JPG文件、PCX文件、TIFF文件以及GIF文件等。2.5數(shù)字圖像的基本文件格式數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0132BMP：Bitmap位圖的簡寫，Windows操作系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式GIF：GraphicsInterchangeFormat圖形交換格式的縮寫，壓縮比高，磁盤空間占用較少，但是不能存儲超過256色的圖像。JPEG：由聯(lián)合照片專家組（JointPhotographicExpertsGroup）開發(fā)并以命名為“ISO10918-1”，它用有損壓縮方式去除冗余的圖像和彩色數(shù)據(jù)，獲取得極高的壓縮率的同時能展現(xiàn)十分豐富生動的圖像。PNG：PortableNetworkGraphics可移植網(wǎng)絡(luò)圖形是一種新興的網(wǎng)絡(luò)圖像格式，是目前保證最不失真的格式，它汲取了GIF和JPG二者的優(yōu)點，存貯形式豐富，兼有GIF和JPG的色彩模式；它的另一個特點能把圖像文件壓縮到極限以利于網(wǎng)絡(luò)傳輸，但又能保留所有與圖像品質(zhì)有關(guān)的信息。TIFF：TagImageFileFormat標(biāo)記圖像文件格式，是Mac中廣泛使用的圖像格式，它的特點是圖像格式復(fù)雜、存貯信息多，非常有利于原稿的復(fù)制。PSD：PhotoshopDocument（PSD）PhotoShop專用格式，是Photoshop進行平面設(shè)計的一張“草稿圖”，里面包含有各種圖層、通道、遮罩等多種設(shè)計的樣稿，以便于下次打開文件時可以修改上一次的設(shè)計。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-0133數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01例：BMP圖像文件格式以BMP文件為例子，看看一個具體的文件格式是如何表示圖像保存圖像的ABmpfile文件信息頭圖像信息頭調(diào)色板圖像數(shù)據(jù)...34文件信息頭偏移長度名稱描述02bfTypeASCII碼“BM”24bfSize文件長度62bfReserved082bfReserved0104bfOffbits圖像開始偏移量數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01例：BMP圖像文件格式35圖像信息頭偏移長度名稱描述144biSize信息頭大小184biWidth圖像寬度224biHeight圖像高度262biPlanes圖像位平面數(shù)目282biBitCount像素位數(shù)目數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01例：BMP圖像文件格式36圖像信息頭（接上）偏移長度名稱描述304biCompressin壓縮類型344biSizeImage壓縮圖像大小384biXPelsPerMeter水平分辨率424biYPelsPerMeter垂直分辨率464biClrUsed彩色數(shù)目504biClrImportant“重要顏色”數(shù)目數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01例：BMP圖像文件格式37數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01例：BMP圖像文件格式圖像信息頭（接上）偏移長度名稱描述544×NbmiColors調(diào)色板N由biBitCount（像素位數(shù)目）決定38調(diào)色板調(diào)色板數(shù)據(jù)緊接在圖像信息之后，用于說明位圖的顏色，它有若干個表項，每個表項是4個域組成的結(jié)構(gòu)體，確定了一種顏色組成BYTErgbBlue;藍(lán)色的亮度值。此值0～255BYTErgbGreen;綠色的亮度值。此值0～255BYTErgbRed;紅色的亮度值。此值0～255BYTErgbReserved;此值必須0調(diào)色板中表項的個數(shù)由圖像所使用的顏色數(shù)決定數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01例：BMP圖像文件格式39調(diào)色板數(shù)據(jù)若不是真彩色圖像，表項的個數(shù)與圖像使用的顏色數(shù)相同，每個表項對應(yīng)了一種顏色若圖像為真彩色，每個像素所占的位數(shù)biBitCount=24，則圖像數(shù)據(jù)的每3個字節(jié)代表一個像素，這3個字節(jié)分別定義了像素顏色中藍(lán)、綠、紅的亮度，因而就省去了調(diào)色板。數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01例：BMP圖像文件格式40圖像數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù)也叫位圖陣列，它記錄了圖像的每一個像素值，在生成圖像文件時，Windows從圖像的左下角開始(從左到右，從下到上)逐行掃描圖像，將圖像的像素值一一記錄下來，這些記錄像素的字節(jié)組成了圖像數(shù)據(jù)（位圖陣列）。圖像的寬度（以字節(jié)為單位）必須是4的倍數(shù)，倘若不到4的倍數(shù)則必須要用0補足。雖然BMP的圖像數(shù)據(jù)有BI_RLE8及BI_RLE4兩種壓縮格式，但是使用的人卻極少，幾乎所有的BMP檔都是采用沒有壓縮的格式來儲存圖像數(shù)據(jù)數(shù)字圖像處理技術(shù)-2016-01例：BMP圖像文件格式41