演示文稿數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

演示文稿數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)現(xiàn)在是1頁\一共有115頁\編輯于星期一第一章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)ppt課件現(xiàn)在是2頁\一共有115頁\編輯于星期一3教學(xué)安排課堂授課、項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)安排課堂授課，36學(xué)時(shí)第一章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)（5學(xué)時(shí)）第二章圖像變換（4學(xué)時(shí)）第三章圖像增強(qiáng)（9學(xué)時(shí)）第四章圖像復(fù)原（5學(xué)時(shí)）第五章圖像分割（5學(xué)時(shí)）第六章彩色圖像處理（4學(xué)時(shí)）習(xí)題分析與討論（4學(xué)時(shí)）項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)，4（課內(nèi)）+4（課外）學(xué)時(shí)項(xiàng)目，見《數(shù)字圖象處理》課程項(xiàng)目實(shí)施方案項(xiàng)目名稱：面部自動(dòng)定位實(shí)施模式：4-5人一組合作完成項(xiàng)目考核方式：項(xiàng)目：成果檢查50%，項(xiàng)目報(bào)告50%實(shí)驗(yàn)，6個(gè)實(shí)驗(yàn)，見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(選做)考核方式平時(shí)(出勤、課堂討論、課后作業(yè)):10%，項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn):30%,考試:60%教材、參考書目首選教材：數(shù)字圖像處理，自編講義，2012二選教材：K.R.Castleman,數(shù)字圖像處理,電子工業(yè)出版社，2011參考書目：，數(shù)字圖像處理（第3版），電子工業(yè)出版社，2011；，數(shù)字圖像處理（原書第4版），機(jī)械工業(yè)出版社，2010現(xiàn)在是3頁\一共有115頁\編輯于星期一緒論現(xiàn)在是4頁\一共有115頁\編輯于星期一5緒論什么是數(shù)字圖像處理?數(shù)字圖像處理(DigitalImageProcessing)是一個(gè)迅速發(fā)展的專業(yè)領(lǐng)域。它的主要目的是將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理和加工，以便提取圖像中的信息?，F(xiàn)在是5頁\一共有115頁\編輯于星期一6這是什么圖像?現(xiàn)在是6頁\一共有115頁\編輯于星期一7什么是圖像？圖像？這玩意兒，你不問我還清楚這是什么；你要真問起來，我反倒不知道該如何解釋它了?？ㄋ?fàn)柭阂环鶊D像就是指某些事物的表示，并包含關(guān)于目標(biāo)的描述性信息。你會(huì)如何定義？眾所周知的事情正因?yàn)楸娝苤粸槿怂F(xiàn)在是7頁\一共有115頁\編輯于星期一8什么是圖像？圖像的類型圖像以各種不同的形式出現(xiàn):數(shù)學(xué)上連續(xù)的、離散的是一種二維函數(shù)f(x,y),其中x,y是空間(平面)坐標(biāo),幅度f

稱為亮度或灰度物理上:某種物質(zhì)或能量的分布可見的、不可見的現(xiàn)在是8頁\一共有115頁\編輯于星期一9什么是數(shù)字圖像處理處理連續(xù)的、離散的數(shù)字圖像 一個(gè)2D數(shù)字化采樣值的方形陣列，只有數(shù)字圖像才能用計(jì)算機(jī)處理 以相等間隔采樣的方形格柵模式(光柵),并 以等幅度間隔量化給出一些連續(xù)和離散圖像處理的例子?現(xiàn)在是9頁\一共有115頁\編輯于星期一10為什么要數(shù)字圖像處理？應(yīng)用需求圖像是人們獲取和交換信息的主要來源，因此數(shù)字圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及人類生活和工作的方方面面。技術(shù)進(jìn)步計(jì)算機(jī):不斷增長的性能和不斷降低的價(jià)格圖像數(shù)字化與顯示設(shè)備的不斷出現(xiàn)–

數(shù)字相機(jī),掃描儀,視頻捕獲設(shè)備,…–CRT,LCD,打印機(jī),…現(xiàn)在是10頁\一共有115頁\編輯于星期一11為什么要數(shù)字圖像處理？具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)圖像數(shù)字化，以便于圖像的傳輸、打印和存儲(chǔ)圖像的增強(qiáng)和復(fù)原，改善圖像質(zhì)量圖像的分割和描述，獲得圖像的信息大量圖像的高速處理三維及更高維圖像數(shù)據(jù)的測(cè)量和顯示（如遙感圖像和各種內(nèi)臟器官及血管形狀的測(cè)量與顯示）現(xiàn)在是11頁\一共有115頁\編輯于星期一12應(yīng)用舉例醫(yī)學(xué)和生物學(xué)成像:CT,B超,磁共振…工業(yè):

機(jī)器視覺,自動(dòng)控制,…空間:

航空,導(dǎo)航,遙感(森林,環(huán)境,資源),…監(jiān)控:視頻監(jiān)控,牌照識(shí)別,人臉識(shí)別,…軍事:偵察,導(dǎo)航,聲納成像,…藝術(shù)等現(xiàn)在是12頁\一共有115頁\編輯于星期一13成像的能量源電磁能量譜: Gamma-射線,X-射線,紫外,可見光,紅外,微波,無線電波: CT(computerizedtomography),MRI(MagneticResonanceImaging),EIT(ElectricalImpedanceTomography)聲波與超聲波:B超,聲納電子:電子顯微鏡計(jì)算機(jī)圖形學(xué)根據(jù)能量源的圖像分類:現(xiàn)在是13頁\一共有115頁\編輯于星期一14Gamma射線成像PET(positronemissiontomography):正電子射線層析術(shù)Cygnus:天鵝座現(xiàn)在是14頁\一共有115頁\編輯于星期一15X射線成像Aorticangiogram:大動(dòng)脈血管造影Anatomical:解剖的,解剖學(xué)的現(xiàn)在是15頁\一共有115頁\編輯于星期一16顯微成像Taxol紅豆杉醇cholesterol膽固醇Nickeloxide鎳氧化物organicsuperconducting有機(jī)超導(dǎo)現(xiàn)在是16頁\一共有115頁\編輯于星期一17多頻譜成像現(xiàn)在是17頁\一共有115頁\編輯于星期一18光學(xué)成像Intraocularimplant:眼內(nèi)植入現(xiàn)在是18頁\一共有115頁\編輯于星期一19光學(xué)成像現(xiàn)在是19頁\一共有115頁\編輯于星期一20紅外成像現(xiàn)在是20頁\一共有115頁\編輯于星期一21磁共振成像，MRI現(xiàn)在是21頁\一共有115頁\編輯于星期一22超聲波成像Thyroid:甲狀腺,甲狀軟骨現(xiàn)在是22頁\一共有115頁\編輯于星期一23計(jì)算機(jī)圖形學(xué)Fractal:分維現(xiàn)在是23頁\一共有115頁\編輯于星期一24圖像處理系統(tǒng)的基本步驟現(xiàn)在是24頁\一共有115頁\編輯于星期一25一個(gè)典型的通用圖像處理系統(tǒng)–輸入Input–存儲(chǔ)Storage–處理器Processor–輸出Output現(xiàn)在是25頁\一共有115頁\編輯于星期一26廣義圖像非光學(xué)圖像高維圖像(包括多頻譜圖像)非標(biāo)準(zhǔn)采樣的圖像非標(biāo)準(zhǔn)量化的圖像圖像處理

與圖像分析圖像處理是指為了能更好地觀察圖像或其他目的而產(chǎn)生一個(gè)修改了的圖像圖像分析把圖像轉(zhuǎn)換成某種非圖像的形式，諸如目標(biāo)的數(shù)量、類型、尺寸等計(jì)算機(jī)圖形學(xué):

關(guān)于用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖像的學(xué)科計(jì)算機(jī)視覺:對(duì)景物進(jìn)行解釋某些相關(guān)術(shù)語現(xiàn)在是26頁\一共有115頁\編輯于星期一27如何學(xué)習(xí)？閱讀教科書參考文獻(xiàn)討論課堂、小組項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)MATLAB自己動(dòng)手！現(xiàn)在是27頁\一共有115頁\編輯于星期一第一章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)現(xiàn)在是28頁\一共有115頁\編輯于星期一提要1.1人眼的視覺1.2圖像獲取1.3圖像數(shù)字化1.4數(shù)字圖像表達(dá)1.5數(shù)字圖像質(zhì)量29現(xiàn)在是29頁\一共有115頁\編輯于星期一301.1人眼的視覺為什么要討論人類視覺系統(tǒng)

(HumanVisionSystem,HVS)

？圖像的信息來源于觀察。數(shù)字圖像處理的目的在于提供與觀察者的視覺能力相匹配的圖像輸出，以便于觀察者理解和解釋圖像的內(nèi)容，提取圖像信息。人們從外界所獲取的信息中有80%是通過視覺獲得的。通過HVS，人們能感知外界物體的大小、形狀、顏色、明暗、動(dòng)靜和遠(yuǎn)近等。數(shù)字圖像處理是從模擬人類的視覺開始的。盡管數(shù)字圖像處理系統(tǒng)已可以完成相當(dāng)多的工作，但其性能比起HVS來說還差得很遠(yuǎn)。理解人類視覺特性，有助于開發(fā)模擬人眼視覺過程的模型，并對(duì)圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用?，F(xiàn)在是30頁\一共有115頁\編輯于星期一31視覺生理和視覺心理通過人眼所形成的圖像包括物理范疇的像和心理范疇的像：即來自外界物體的光線，通過人眼的折光系統(tǒng)在視網(wǎng)膜上所形成的物象，它與外界物體通過照相機(jī)中的透鏡組在底片上成像并無原則上的區(qū)別；而來自視網(wǎng)膜的神經(jīng)信息，則通過人腦的神經(jīng)信息處理在視覺中樞內(nèi)形成主觀意識(shí)上的映像。以下分別從視覺生理和心理兩個(gè)方面來討論人眼的視覺特性?，F(xiàn)在是31頁\一共有115頁\編輯于星期一32人眼視覺系統(tǒng)（視覺生理）左圖是人的右眼水平切面結(jié)構(gòu)圖。眼內(nèi)與產(chǎn)生視覺直接有關(guān)的結(jié)構(gòu)是眼睛的折光系統(tǒng)和感光系統(tǒng)。折光系統(tǒng)由角膜、房水、晶狀體和玻璃體組成。視網(wǎng)膜含有對(duì)光刺激高度敏感的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，能將外界光刺激所包含的視覺信息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并在視網(wǎng)膜內(nèi)進(jìn)行編碼、加工，再由視神經(jīng)傳向視覺中樞作進(jìn)一步分析，最后形成視覺?，F(xiàn)在是32頁\一共有115頁\編輯于星期一亮度與顏色視覺視桿細(xì)胞(RodCell)在光線較暗時(shí)活動(dòng)，有較高的光敏度，但不能作精細(xì)的空間分辨，且不參與色覺。在較明亮的環(huán)境中以視錐細(xì)胞(ConeCell)為主，它能提供色覺以及精細(xì)視覺。（亮視覺和暗視覺）顏色視覺是指對(duì)不同顏色的識(shí)別，即不同波長的光線作用于視網(wǎng)膜后在人腦引起不同的主觀映像。正常視網(wǎng)膜可分辨波長380-760nm之間的上百種不同的顏色，每種顏色都與一定波長的光線相對(duì)應(yīng)。視網(wǎng)膜中并不存在上百種對(duì)不同波長起反應(yīng)的視錐細(xì)胞。早在19世紀(jì)初期，Young和Helmholtz就提出了三原色理論。該理論認(rèn)為在視網(wǎng)膜上分布著三種不同的視錐細(xì)胞，分別含有對(duì)紅、綠、藍(lán)三種光敏感的視色素。當(dāng)某一波長的光線作用于視網(wǎng)膜時(shí)，可以一定的比例使三種視錐細(xì)胞分別產(chǎn)生不同程度的興奮，這樣的信息傳至中樞，就產(chǎn)生某一種顏色的感受。33現(xiàn)在是33頁\一共有115頁\編輯于星期一亮度與顏色視覺近年來，通過實(shí)驗(yàn)確定，在視網(wǎng)膜中存在三種基本類型的視錐細(xì)胞。這些視錐細(xì)胞具有不同的吸收特征，該特征是波長的函數(shù)，在光譜的紅、綠和藍(lán)區(qū)域具有峰值吸收。存在三種視錐細(xì)胞，這為彩色視覺的三原色理論提供了生理機(jī)能的基礎(chǔ)。當(dāng)光刺激激活一個(gè)視桿細(xì)胞或視錐細(xì)胞，就發(fā)生一個(gè)感光換能反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)神經(jīng)脈沖。神經(jīng)脈沖通過視覺系統(tǒng)傳播的方式至今還不是十分清楚。知道的是視神經(jīng)束包含800000量級(jí)的神經(jīng)纖維。34三種錐狀細(xì)胞的相對(duì)視敏函數(shù)曲線相對(duì)視敏函數(shù)曲線現(xiàn)在是34頁\一共有115頁\編輯于星期一視覺心理視覺心理是指外界視覺刺激帶來的感覺、知覺、認(rèn)知等人內(nèi)心的各種情感形式。外界的各種事情經(jīng)由視覺系統(tǒng)接受后，其反應(yīng)在很多情形下與外界的物理特性不一定相同。對(duì)于圖像、風(fēng)景的主觀視覺反應(yīng)，由于經(jīng)過高層次復(fù)雜反應(yīng)的合成，因而變得非常復(fù)雜。以下介紹幾種效應(yīng)或效果。35現(xiàn)在是35頁\一共有115頁\編輯于星期一主觀亮度Scotopic:暗視的，rods視桿細(xì)胞；Photopic:明視覺的,cones視錐細(xì)胞現(xiàn)在是36頁\一共有115頁\編輯于星期一亮度辨別力韋伯比（Webratio）ΔB/B:大約為2%，但在暗和亮的區(qū)域該值升高?，F(xiàn)在是37頁\一共有115頁\編輯于星期一38馬赫效應(yīng)在亮度突變處，視覺的主觀感受出現(xiàn)虛幻的亮或暗的條紋。因Mach效應(yīng)而對(duì)人眼所見景物有增強(qiáng)其輪廓的作用?，F(xiàn)在是38頁\一共有115頁\編輯于星期一39從信號(hào)處理的角度,這是一個(gè)什么濾波器?現(xiàn)在是39頁\一共有115頁\編輯于星期一40側(cè)抑制與側(cè)激勵(lì)神經(jīng)叢現(xiàn)在是40頁\一共有115頁\編輯于星期一41臨界閃爍融合頻率CFF

(CriticalFlickerFusionFrequency)對(duì)于閃爍的光源，當(dāng)閃爍頻率增大到某一數(shù)值的時(shí)候，就能感覺到它是連續(xù)光源，這種現(xiàn)象叫閃爍融合，這時(shí)的頻率叫閃爍融合頻率（簡稱閃頻值）。由于幀率大于CFF，運(yùn)動(dòng)圖像看起來就是連續(xù)的討論:TV(PAL,NTSC),HDTV、電影等的幀率?人眼視覺暫留效應(yīng)（秒）現(xiàn)在是41頁\一共有115頁\編輯于星期一42同心圓錯(cuò)覺現(xiàn)在是42頁\一共有115頁\編輯于星期一43Jastrow錯(cuò)覺現(xiàn)在是43頁\一共有115頁\編輯于星期一44Muler-Lyer錯(cuò)覺現(xiàn)在是44頁\一共有115頁\編輯于星期一45對(duì)比效應(yīng)，一方使另一方向自己相反性質(zhì)或程度方向變化的效果。誘導(dǎo)效應(yīng)，有多個(gè)對(duì)象時(shí)，一方對(duì)另一方、量多者對(duì)量少者（或者相反）施加影響而產(chǎn)生的知覺。在圖像顯示中如何利用？也可以考慮作為補(bǔ)充或強(qiáng)調(diào)等特殊手段來使用?，F(xiàn)在是45頁\一共有115頁\編輯于星期一46同時(shí)對(duì)比相同亮度的目標(biāo)物（方塊）放在不同亮度的背景上，給人眼的亮度感覺是不同的。這種效應(yīng)是由背景的不同引起的。在照明光源中的應(yīng)用？白平衡？現(xiàn)在是46頁\一共有115頁\編輯于星期一47HVS模型波長敏感接收器的輸出饋入到一種代表人眼光學(xué)部分的低通線性系統(tǒng)H1，后面跟隨著一個(gè)表示視桿或視錐細(xì)胞的非線性強(qiáng)度響應(yīng)的一個(gè)單調(diào)非線性系統(tǒng)，接著橫向抑制過程通過一個(gè)具有帶通響應(yīng)的線性系統(tǒng)H2來描述，而人眼神經(jīng)暫存響應(yīng)限制引起的延遲和滯后則由一個(gè)線性時(shí)間傳遞函數(shù)H3來模型化?，F(xiàn)在是47頁\一共有115頁\編輯于星期一1.2圖像獲取

根據(jù)成像原理和方法的不同，可分成數(shù)字圖像（例如數(shù)碼照片、CT圖像）和模擬圖像（例如TV圖像和X光片）；本節(jié)主要討論模擬圖像輸入到計(jì)算機(jī)中的圖像獲取技術(shù)。圖像獲取裝置按其有無機(jī)械掃描、有無透鏡和濾色鏡等光學(xué)系統(tǒng)、攝像器件種類等要素進(jìn)行組合，有多種方式。常用的圖像獲取方式有利用掃描儀和利用攝像機(jī)的兩種?，F(xiàn)在是48頁\一共有115頁\編輯于星期一掃描儀

掃描儀就是能夠把照片、圖畫以及寫在紙上的原稿等二維圖像分解成一維像素串，并將像素的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。每個(gè)像素由光信號(hào)變換為電信號(hào)的過程稱為光電變換。傳真機(jī)和電子式復(fù)印機(jī)的輸入，與圖形掃描儀同樣，都利用掃描和光電變換。掃描在歷史上有過各種各樣的方法，大體上可分為機(jī)械式和電子式兩類。機(jī)械式的一個(gè)實(shí)用化例子是圖1-7所示的平臺(tái)掃描方式和圓筒掃描方式。

現(xiàn)在是49頁\一共有115頁\編輯于星期一相機(jī)

相機(jī)是目前應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍最廣的圖像獲取手段。相機(jī)的主要成像器件有CCD和CMOS兩種圖像傳感器?；境上襁^程都包括光電轉(zhuǎn)換、電荷收集、信號(hào)轉(zhuǎn)換與輸出等步驟?，F(xiàn)在的數(shù)碼相機(jī)通常都可拍攝靜止圖片和運(yùn)動(dòng)視頻。集成有成像芯片和DSP板卡的數(shù)碼相機(jī)和攝影機(jī)能夠直接輸出數(shù)字信號(hào)，只要選用合適（計(jì)算機(jī)支持）的數(shù)字接口（例如網(wǎng)絡(luò)、USB、IEEE1394等），就可以輸入到計(jì)算機(jī)中。在某些需要實(shí)時(shí)完成高速、大數(shù)據(jù)量的視頻圖像采集的應(yīng)用中，往往需要借助視頻/圖像采集卡將攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中。基于相機(jī)和采集卡的方式，不像掃描儀中有固定的照明，攝取對(duì)象大多是實(shí)際景物，光照條件易發(fā)生變化。

現(xiàn)在是50頁\一共有115頁\編輯于星期一511.3圖像數(shù)字化 一個(gè)量化采樣值的2D方形陣列什么是數(shù)字化

?如何數(shù)字化

?性能與指標(biāo)數(shù)字化及其組成現(xiàn)在是51頁\一共有115頁\編輯于星期一521.3.1什么是數(shù)字化

?把圖像從其原來的形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式什么是圖像的數(shù)字形式?現(xiàn)在是52頁\一共有115頁\編輯于星期一53現(xiàn)在是53頁\一共有115頁\編輯于星期一54圖像的數(shù)字形式:0-D5現(xiàn)在是54頁\一共有115頁\編輯于星期一55圖像的數(shù)字形式:1-D[56666544321]現(xiàn)在是55頁\一共有115頁\編輯于星期一56圖像的數(shù)字形式:2-D[56666544321566665443215666654432156666544321]f(1,5)=6Rasterscanning光柵掃描現(xiàn)在是56頁\一共有115頁\編輯于星期一57如何數(shù)字化

?現(xiàn)在是57頁\一共有115頁\編輯于星期一58如何數(shù)字化？假設(shè)模擬圖像f(x,y)的f表示灰度，其數(shù)值稱作灰度值。采樣：是從連續(xù)空間(x,y)中獲取灰度值f的樣本的操作。量化：將樣本的灰度由實(shí)數(shù)向整數(shù)進(jìn)行變換表達(dá)的操作（模數(shù)轉(zhuǎn)換）掃描：實(shí)際進(jìn)行采樣、量化的順序和方法。（圖像內(nèi)像素位置的尋址）現(xiàn)在是58頁\一共有115頁\編輯于星期一591.3.2采樣采樣格子間隔越小，圖像就越清晰；縮小采樣間隔，圖像尺寸在變大的同時(shí)數(shù)據(jù)量也將迅速增加?，F(xiàn)在是59頁\一共有115頁\編輯于星期一60采樣定理模擬信號(hào)f(x)不含有比ξmax更高的頻率成分時(shí)，與x相關(guān)的間隔為（1/(2ξmax)）的f(x)樣本值序列可以完全決定f(x)?，F(xiàn)在是60頁\一共有115頁\編輯于星期一61關(guān)于采樣的進(jìn)一步討論采樣函數(shù)

x=m⊿x,y=n⊿y

(m,n=0,±1,±2,……)采樣函數(shù)定義：現(xiàn)在是61頁\一共有115頁\編輯于星期一62關(guān)于采樣的進(jìn)一步討論設(shè)

f(x,y)－原圖像；fs(x,y)－采樣后圖像則：fs(x,y)＝f(x,y)s(x,y)分別作傅立葉變換，令：f(x,y)F(u,v)；s(x,y)S(u,v)；fs(x,y)Fs(u,v)有：Fs(u,v)=F(u,v)*S(u,v)現(xiàn)在是62頁\一共有115頁\編輯于星期一63關(guān)于采樣的進(jìn)一步討論根據(jù)卷積定理，及⊿u=1/⊿x；⊿v=1/⊿y有：說明：采樣圖像的頻譜是原始連續(xù)圖像頻譜在空間域上的無限重復(fù)，周期為：1/⊿x（u方向），1/⊿y

（v方向）現(xiàn)在是63頁\一共有115頁\編輯于星期一64關(guān)于采樣的進(jìn)一步討論設(shè)原始圖像是有限帶寬的，即：適當(dāng)選取⊿x，⊿y

，可Fs(u,v)相鄰周期頻譜互不重疊.現(xiàn)在是64頁\一共有115頁\編輯于星期一65采樣圖像失真圖像失真當(dāng)采樣間隔大于奈奎斯特間隔（Δx>（1/(2ξmax)）時(shí)，由于比1/2采樣頻率高的頻率成分折返混入低頻域，所以稱作折疊噪聲(foldingnoise)。由于在與原本存在的頻率不同的頻率中混疊(alias)產(chǎn)生該信號(hào)，該現(xiàn)象稱為圖像失真或混疊現(xiàn)象(aliasing)。對(duì)于具有周期性構(gòu)造的圖像，在用與該周期性構(gòu)造具有一定幾何關(guān)系的采樣格子進(jìn)行采樣時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生波紋圖案(moirepattern)或莫爾條紋(moirefringes)。如圖所示的圖例中，可以看到原本圖像中不存在的墻壁面的周期性條紋。波紋圖案現(xiàn)在是65頁\一共有115頁\編輯于星期一661.3.3量化現(xiàn)在是66頁\一共有115頁\編輯于星期一67量化采樣后得到的圖像樣本值，仍為連續(xù)值。在分級(jí)量化中，提取樣本的連續(xù)值變換為離散值。分級(jí)量化的數(shù)值一般稱作量化級(jí)，在圖像數(shù)字化處理中也稱為灰度級(jí)或像素值。由于計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制，灰度級(jí)Q為2n時(shí)，稱作n比特量化級(jí)。例如，在256量化級(jí)數(shù)情況下，叫做8比特量化級(jí)。這時(shí)，各像素按8比特表示灰度級(jí)，所以該像素也稱為8比特像素?，F(xiàn)在是67頁\一共有115頁\編輯于星期一68量化均勻量化把原圖像灰度層次從最暗至最亮均勻分為有限個(gè)層次，即：把整個(gè)取值范圍[r0,rk]均勻地分為k個(gè)子區(qū)間[ri,ri-1]，i=0,1,2,…,k-1。K常取2n。量化輸出數(shù)據(jù)采樣輸入樣本均勻量化間隔現(xiàn)在是68頁\一共有115頁\編輯于星期一69量化非均勻量化量化時(shí)采用不均勻分層量化輸出數(shù)據(jù)非均勻量化間隔采樣輸入樣本值現(xiàn)在是69頁\一共有115頁\編輯于星期一70量化誤差量化誤差：原灰度與量化灰度級(jí)之間的差。由于在灰度由實(shí)數(shù)向整數(shù)進(jìn)行變換操作中會(huì)產(chǎn)生舍入誤差，所以得出與原灰度值有出入的數(shù)值。量化對(duì)象的灰度范圍（dynamicrange,動(dòng)態(tài)范圍）確定的條件下，隨著量化級(jí)數(shù)增加，量化級(jí)間隔變小，使得量化誤差減小。如何決定量化級(jí)數(shù)？現(xiàn)在是70頁\一共有115頁\編輯于星期一71量化誤差定量分析伴隨量化誤差而產(chǎn)生的信噪比（S/N）設(shè)信號(hào)功率的峰-峰值為Sp-p、噪聲功率的均方根值（RMS）為Nrms。不失一般性，假設(shè)動(dòng)態(tài)范圍是在將圖像進(jìn)行均等分級(jí)量化時(shí)產(chǎn)生的。將灰度設(shè)為f，一個(gè)量化級(jí)的幅度為Δq。如果假定Δq中的量化誤差是一致的，則分級(jí)量化噪聲功率Nq為現(xiàn)在是71頁\一共有115頁\編輯于星期一72如何決定量化級(jí)數(shù)？因?yàn)榉旨?jí)量化噪聲的平均值為0，所以Nq就是量化噪聲的方差。同樣，Nrms為量化噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差，所以可表示為：另一方面，量化比特?cái)?shù)為n，灰度級(jí)數(shù)設(shè)為Q，則有因此，信噪比S/N為據(jù)此，為使得S/N在s以上，對(duì)圖像進(jìn)行量化時(shí)，至少要達(dá)到滿足以下要求的量化級(jí)數(shù)現(xiàn)在是72頁\一共有115頁\編輯于星期一73量化誤差對(duì)于普通照片，假如設(shè)定為256級(jí)灰度（8比特，S/N=sqrt(12)*256=887），肉眼基本上不會(huì)感到照片不自然。然而，對(duì)于像胸部X線照片等動(dòng)態(tài)量程大的圖像，就需要達(dá)到1024級(jí)灰度（10比特，S/N=3574）。相反，設(shè)計(jì)圖紙等卻只需要表現(xiàn)出黑白兩個(gè)值即可，所以這時(shí)進(jìn)行2級(jí)量化就足夠了。量化級(jí)數(shù)為2的圖像，稱為2值圖像。具有更高灰度級(jí)數(shù)的圖像稱為多值圖像或灰度圖像。現(xiàn)在是73頁\一共有115頁\編輯于星期一74改變量化級(jí)數(shù)的效果虛（偽）輪廓現(xiàn)在是74頁\一共有115頁\編輯于星期一75虛輪廓（灰梯度輪廓）

在模擬圖像上灰度變化平滑處，如果量化級(jí)數(shù)不充分，相鄰灰度級(jí)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的量化誤差將增大，這兩個(gè)相鄰區(qū)域的界線就可能呈現(xiàn)在圖像上。該界線原本是不存在于原圖像中，因此稱它為虛輪廓或虛邊緣?，F(xiàn)在是75頁\一共有115頁\編輯于星期一76虛輪廓為了不產(chǎn)生虛輪廓，必須將相鄰量化級(jí)所對(duì)應(yīng)的亮度差異降低到肉眼分辨不出來的程度。這個(gè)程度，可以通過韋伯實(shí)驗(yàn)估計(jì)。韋伯比值Cw約為0.02的定值，在1-1000cd/m2范圍有效。舉一個(gè)膠片數(shù)字化例子。假設(shè)膠片的最大和最小透射率分別為t1和t2，那么與光學(xué)密度有光的動(dòng)態(tài)量程D可以表示為：因此，必要的量化級(jí)數(shù)Q為

當(dāng)t1=0.9，t2=0.009，Cw=0.02時(shí)，則D=2.0，Q=233。這種量化是線性量化嗎？現(xiàn)在是76頁\一共有115頁\編輯于星期一771.3.4掃描采樣、量化只是一個(gè)概念性流程，實(shí)際進(jìn)行的采樣、量化順序和方法，根據(jù)圖像輸入儀器結(jié)構(gòu)和方式的不同也有所不同。順序移動(dòng)讀取圖像上的點(diǎn)一般稱作掃描。掃描是將二維或三維表達(dá)的拍攝對(duì)象的灰度變換為一維時(shí)間信號(hào)的過程。由于聲音原本是一維時(shí)間信號(hào)，所以在數(shù)字化中不存在掃描的概念，即掃描是圖像數(shù)字化所特有的。掃描不僅用在圖像數(shù)字化上，電視攝像機(jī)等的模擬圖像攝像系統(tǒng)向一維時(shí)間信號(hào)的變換需要掃描。相反，由一維時(shí)間信號(hào)再生圖像，顯示在平面CRT顯示器和液晶顯示器上也要進(jìn)行掃描。現(xiàn)在是77頁\一共有115頁\編輯于星期一78掃描光柵掃描逐行掃描隔行掃描現(xiàn)在是78頁\一共有115頁\編輯于星期一79掃描標(biāo)準(zhǔn)(EIA)RS-170

美國單色廣播電視標(biāo)準(zhǔn)30frames/s525lines/frame2fields/frame50us/line225cycles/line225/50=4.5MHzBandwidth2×4.5=9MHzSamplingfrequency(EIA)RS-170A(NTSC)

與

RS-170略有差異的彩色電視標(biāo)準(zhǔn)CCIR,PAL

歐洲與中國等的單色及彩色模擬電視標(biāo)準(zhǔn)

25frames/s,625lines/frameframe:幀field:場(chǎng)PAL=PhaseAlternatingLine(逐行倒相制式)NTSC=NationalTelevisionSystemCommittee(全國電視系統(tǒng)委員會(huì)[美])EIA:ElectronicIndustriesAssociation現(xiàn)在是79頁\一共有115頁\編輯于星期一80數(shù)字化前后圖像現(xiàn)在是80頁\一共有115頁\編輯于星期一1.3.5圖像數(shù)字表達(dá)81數(shù)字圖像L(i,j)中像素為二維排列，其坐標(biāo)系和像素標(biāo)號(hào)使用了多種形式:處理光柵型數(shù)字圖像時(shí)，經(jīng)常使用以左上角為原點(diǎn)的坐標(biāo)系((a),(b))，處理向量型數(shù)字圖像時(shí)，經(jīng)常使用以左下角為原點(diǎn)的坐標(biāo)系((c),(d))?，F(xiàn)在是81頁\一共有115頁\編輯于星期一82常用的直角坐標(biāo)系現(xiàn)在是82頁\一共有115頁\編輯于星期一MATLAB編程常用的坐標(biāo)系83Inmatlab:Row12...MCol12...N在這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中，圖像被看作離散單元，在像素坐標(biāo)與Matlab中表示矩陣的下標(biāo)之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系.這種對(duì)應(yīng)關(guān)系使得圖像數(shù)據(jù)矩陣與圖像顯示方式之間的關(guān)系非常易于理解。現(xiàn)在是83頁\一共有115頁\編輯于星期一圖像數(shù)字表達(dá)20018010080200180100402001005030180703010對(duì)于一個(gè)32×32圖像,8bit灰度圖像有多少灰度級(jí)?總數(shù)據(jù)量是多少?對(duì)于這類圖像共可表示多少幅不同的圖像?如果這是一個(gè)RGB彩色圖像,8bit×3，那么共有多少種色彩?圖像數(shù)據(jù)量又是多少?84現(xiàn)在是84頁\一共有115頁\編輯于星期一85彩色圖像、多通道圖像和三維圖像

由于彩色圖像具有相當(dāng)于三原色的三個(gè)通道，所以稱為三通道圖像。單色圖像稱為單通道圖像。

各通道以k表示時(shí)，多通道圖像可以表示為Lk(i,j)。假設(shè)k=1,2,…K時(shí)，各像素的灰度水平可以記為向量L=[L1,L2,…LK]LK表示通道k的灰度水平。這時(shí)向量L是指向K維空間的某一點(diǎn)。在這個(gè)意義上，多通道圖像也可稱為多維圖像。現(xiàn)在是85頁\一共有115頁\編輯于星期一86彩色圖像、多通道圖像和三維圖像多通道圖像在計(jì)算機(jī)中的表達(dá)（存儲(chǔ)）方式，按通道排列順序不同，有CIP(ChannelInterleavedbyPixel)，CIL(ChannelInterleavedbyLine)，CSQ(ChannelSequential)三種格式。如圖1-14所示，當(dāng)M（行）xN（列）xK（通道）的圖像采用圖1-13(a)坐標(biāo)系時(shí)，其在這三種格式中的像素排列方式。如果能夠?qū)⑷繄D像數(shù)據(jù)放在內(nèi)存或緩存中進(jìn)行處理時(shí)，上述三種排列方式?jīng)]有區(qū)別。但是，由于內(nèi)存有限，依次在內(nèi)存中讀取必要的部分圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的不同其訪問速度大不相同，即按像素單位對(duì)各通道的灰度水平進(jìn)行操作時(shí)，采用CIP格式較好；但在按各通道單位訪問時(shí)，采用CSQ格式較好；CIL格式則居于兩者之間?，F(xiàn)在是86頁\一共有115頁\編輯于星期一87彩色圖像、多通道圖像和三維圖像現(xiàn)在是87頁\一共有115頁\編輯于星期一88鄰域4-鄰域:

四個(gè)水平和垂直像素8-鄰域:4-鄰域+4對(duì)角像素0101p10101111p1111現(xiàn)在是88頁\一共有115頁\編輯于星期一89鄰接8-鄰接的模糊性!m:mixed混合的現(xiàn)在是89頁\一共有115頁\編輯于星期一90距離測(cè)量D(p,q)>=0(D(p,q)=0ifp=q)D(p,q)=D(q,p),andD(p,q)<=D(p,z)+D(q,z)D4

距離:D8

距離:歐氏距離:22122101221222222221112210122111222222212101212對(duì)于像素p,q,z,以及其坐標(biāo)(x,y),(s,t),和(u,v),D

就是一個(gè)距離函數(shù)或測(cè)度，如果現(xiàn)在是90頁\一共有115頁\編輯于星期一911.5數(shù)字圖像質(zhì)量灰度分布特性對(duì)比度噪聲分辨率銳化度（自學(xué)補(bǔ)充講義）調(diào)制傳遞函數(shù)（自學(xué)補(bǔ)充講義）現(xiàn)在是91頁\一共有115頁\編輯于星期一灰度分布特性圖像的明暗變化情況稱作灰度等級(jí)或色調(diào)，灰度等級(jí)的具體表現(xiàn)一般稱作灰度分布特性?；叶确植继匦缘暮脡模Q于中間色調(diào)的數(shù)量以及如何使用這些中間色調(diào)。如果中間色調(diào)數(shù)量少，圖像質(zhì)量將會(huì)明顯降低?；叶戎狈綀D反映了圖像灰度級(jí)的最小值、最大值、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差等各灰度分布參數(shù)，因此可以用作評(píng)價(jià)灰度分布特性的指標(biāo)。92現(xiàn)在是92頁\一共有115頁\編輯于星期一灰度分布特性不同的圖像93現(xiàn)在是93頁\一共有115頁\編輯于星期一對(duì)比度圖像的明暗差別稱作對(duì)比度。如何定義圖像的明暗程度依賴于圖像媒介。在自身不發(fā)光的情況下（稱為反射型圖像），使用數(shù)字圖像中的灰度最大值Lmax和最小值Lmin來定義對(duì)比度C94現(xiàn)在是94頁\一共有115頁\編輯于星期一對(duì)比度計(jì)算例%Contrast=(255-105)/(255+105)=41.6%25510595現(xiàn)在是95頁\一共有115頁\編輯于星期一噪聲是原本并不存在于輸入或輸出之前的圖像灰度中，也不存在于拍攝對(duì)象的亮度等原始信號(hào)中的信號(hào)。噪聲一般分為隨機(jī)噪聲和系統(tǒng)噪聲。作為與噪聲相關(guān)的圖像質(zhì)量指標(biāo)，經(jīng)常使用信噪比（SNR）。信噪比指的是信號(hào)S和噪聲N之間的比，以S/N的形式表示。96用分貝（dB）單位表示時(shí)，S和N使用振幅的平方所表示的量（能量）。(下標(biāo)p表示功率，下標(biāo)v表示幅度)現(xiàn)在是96頁\一共有115頁\編輯于星期一關(guān)于信噪比計(jì)算從數(shù)字圖像灰度的角度出發(fā)，關(guān)注信噪比時(shí)，不用分貝單位而用無單位S/N計(jì)算得出信噪比將會(huì)更容易理解。但是，涉及感性的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，建議使用分貝單位的S/N。這時(shí)因?yàn)槿烁杏X到的亮度以及聲音的大小或音質(zhì)等感覺量與所給予的刺激量的對(duì)數(shù)大體上成正比。97現(xiàn)在是97頁\一共有115頁\編輯于星期一關(guān)于信噪比計(jì)算信號(hào)S和噪聲N的定義，根據(jù)信號(hào)的認(rèn)知方式和噪聲的性質(zhì)等，有不同的方法。關(guān)于信號(hào)S，如果將信號(hào)的波形振幅記為AS，那么可以使用AS的平方平均，平均的平方，RMS值，峰值PS以及峰-峰值PPS。作為噪聲N，如將噪聲波形振幅記為AN，隨機(jī)噪聲時(shí)要使用AN的平方平均和RMS值；而脈沖噪聲時(shí)使用峰值PN和峰-峰值PPN。最常用的是功率信噪比（平方平均，常寫為SNR）和峰值信噪比（PSNR）。98現(xiàn)在是98頁\一共有115頁\編輯于星期一99NMSE(歸一化均方誤差)PMSE(峰值均方誤差)M,N:圖像尺寸，A:峰值系統(tǒng)引入的誤差為：

現(xiàn)在是99頁\一共有115頁\編輯于星期一分辨率分辨率是由空間分辨率(SpatialResolution)和灰度（密度）分辨率（DensityResolution）共同決定的?？臻g分辨率，是通過線寬和線間隔相等的周期性黑白條紋圖像上可辨別極限的線密度來定義?；叶确直媛适侵冈诨叶燃?jí)別中可分辨的最小變化（灰度梯度的一個(gè)量度）。常常把大小為M×N、灰度級(jí)數(shù)為Q（Q=2k）的數(shù)字圖像稱為空間分辨率為M×N像素、灰度分辨率為Q級(jí)（或k比特）灰度的數(shù)字圖像。100現(xiàn)在是100頁\一共有115頁\編輯于星期一101改變空間分辨率對(duì)圖像質(zhì)量的影響現(xiàn)在是101頁\一共有115頁\編輯于星期一102現(xiàn)在是102頁\一共有115頁\編輯于星期一103改變灰度分辨率對(duì)圖像質(zhì)量的影響現(xiàn)在是103頁\一共有115頁\編輯于星期一104Huang的研究觀察圖中與Crowd圖像相對(duì)應(yīng)的等偏好曲線，近于垂直，表明這類圖像的感覺質(zhì)量與所用灰度級(jí)數(shù)是近似獨(dú)立的。當(dāng)圖像細(xì)節(jié)增加時(shí)等偏好曲線變得更垂直。這個(gè)結(jié)果表明對(duì)于有大量細(xì)節(jié)的圖像可能只需要少數(shù)的灰度級(jí)。Face和Cameraman圖像的主觀質(zhì)量在空間分辨率增加的情況下，于某段間隔內(nèi)保持相同，但是灰度級(jí)數(shù)實(shí)際上在減少。FaceCameramanCrowd現(xiàn)在是104頁\一共有115頁\編輯于星期一附：Matlab簡介

MATLAB

表示

matrixlaboratory,是一種高性能的專業(yè)計(jì)算語言。以一種易用環(huán)境集成計(jì)算、可視化和編程，只要問題和解可表示成相似的數(shù)學(xué)符號(hào)，典型應(yīng)用包括:MathandcomputationAlgorithmdevelopmentDataacquisitionModeling,simulation,andprototypingDataanalysis,exploration,andvisualizationScientificandengineeringgraphicsApplicationdevelopment,includinggraphicaluserinterfacebuilding現(xiàn)在是105頁\一共有115頁\編輯于星期一在大學(xué)里,MATLAB用作標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算工具，數(shù)學(xué)、工程與科學(xué)等學(xué)科.工業(yè)上,MATLAB是研究、開發(fā)和分析的計(jì)算工具TheImageProcessingToolbox(IPT)

：是一組MATLAB函數(shù)集(稱作M函數(shù)或M-文件，擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境中的解決數(shù)字圖像處理問題的函數(shù)集.其他工具包：SignalProcessing,NeuralNetwork,FuzzyLogic,andWaveletToolboxes.現(xiàn)在是106頁\一共有115頁\編輯于星期一讀圖像f=imread(’filename’)FormatNameDescriptionRecognizedExtensionsTIFFTaggedImageFileFormat.tif,.tiffJPEGJointPhotographicExpertsGroup.jpg,.jpegGIFGraphicsInterchangeFormats.gifBMPWindowsBitmap.bmpPNGPortableNetworkGraphics.pngothersHDF,PCX,ICO,CUR,RAS,PBM,PGM,PPMImageFormat:現(xiàn)在是107頁\一共有115頁\編輯于星期一圖像類型: TheMatlabimagetoolbox支持四種圖像類型:IntensityimagesBinaryimagesIndexedimagesRGBimages現(xiàn)在是108頁\一共有115頁\編輯于星期一Readanimagefiletoamatrix:f=imread(’lena.bmp’)Filenamecanincludepath:f=imread(’d:\myimages\lena.jpg’)Getimagesize

size(f)ans=512512[mn]=size(f);現(xiàn)在是109頁\一共有115頁\編輯于星期一圖像顯示基本句法:f=imshow(f,G)where

f

isanimagearray,andGisthenumberofintensitylevelsusedtodisplayit.IfGisomitted,itdefaultsto256levels.f=imshow(f,[lowhigh])f=imshow(f,[])displaytheintensityvaluesofindividualpixelsinteractively:pixval現(xiàn)在是110頁\一共有115頁\編輯于星期一寫圖像基本句法:imwrite(f,’filename’)imwrite(f,’patientl0_runi’,’tif’)imwrite(f,’patientl0_runi.tif’)F