數(shù)字圖像處理采樣量化圖像格式

數(shù)字圖像處理采樣量化圖像格式第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1視覺感知要素

人的直覺和分析在選擇一種技術(shù)時起到核心作用。這種選擇常常是主觀的視覺判斷。大概了解一下人類的視覺感知應(yīng)作為學(xué)習(xí)數(shù)字圖像的第一步。

1.人眼中形成圖像的機理與參數(shù)；

2.了解人類視覺的物理限制。第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2光和電磁波譜

原理上，如果可以開發(fā)出一種傳感器，它可檢測由一種電磁波譜發(fā)射的能量，就可以在那一波段上對感興趣的事件成像?！坝^看”一個物體的電磁波的波長必須小于或等于物體的尺寸。其它還有超聲波圖像，電子顯微鏡的電子束和用于圖形和可視化的合成圖像。

第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3圖像感知和獲取2.3.1用單個傳感器獲取圖像

最熟悉的是光二極管，輸出電壓波形與光成正比。單個傳感器為了產(chǎn)生二維圖像，在傳感器和成像區(qū)之間，還必須在x和y方向有相對位移（例：滾筒掃描）。第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2用帶狀傳感器獲取圖像例：平板掃描儀航空成像計算機斷層掃描。第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3用傳感器陣列獲取圖像傳感器陣列第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個過程。設(shè)連續(xù)圖像f(x,y)經(jīng)數(shù)字化后，可以用一個離散量組成的矩陣g(i,j)（即二維數(shù)組）來表示。

2．4圖像數(shù)字化技術(shù)

第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

矩陣中的每一個元素稱為像元、像素或圖像元素。而g(i,j)代表(i,j)點的灰度值，即亮度值。以上數(shù)字化有以下幾點說明：（1）由于g(i,j)代表該點圖像的光強度，而光是能量的一種形式，故g(i,j)必須大于零，且為有限值，即：0＜g(i,j)＜∞。

第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）數(shù)字化采樣一般是按正方形點陣取樣的，除此之外還有三角形點陣、正六角形點陣取樣。（3）以上是用g(i,j)的數(shù)值來表示(i,j)位置點上灰度級值的大小，即只反映了黑白灰度的關(guān)系，如果是一幅彩色圖像，各點的數(shù)值還應(yīng)當(dāng)反映色彩的變化，可用g(i,j,λ)表示，其中λ是波長。如果圖像是運動的，還應(yīng)是時間t的函數(shù)，即可表示為g(i,j,λ,t)。第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1采樣

圖像在空間上的離散化稱為采樣。也就是用空間上部分點的灰度值代表圖像，這些點稱為采樣點。采樣行采樣列像素行間隔采樣間隔采樣示意圖第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

采用方法和原則：采樣間隔的大小選取要依據(jù)原圖像中包含的細微濃淡變化來決定。一般，圖像中細節(jié)越多，采樣間隔應(yīng)越小。根據(jù)一維采樣定理，若一維信號g(t)的最大頻率為ω，以T≤1/2ω為間隔進行采樣，則能夠根據(jù)采樣結(jié)果g(iT)(i=…,-1,0,1，…)完全恢復(fù)g(t)，即式中第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2量化

模擬圖像經(jīng)過采樣后，在時間和空間上離散化為像素。但采樣所得的像素值（即灰度值）仍是連續(xù)量。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。第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

量化示意圖（a）量化；(b)量化為8bit

連續(xù)灰度值量化值(整數(shù)值)灰度標(biāo)度灰度量化Zi＋1ZiZi－1qi＋1qi－125525412812710……(a)(b)第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月量化方法和原則：

等間隔量化（均勻量化）——適合像素灰度值在黑白范圍較均勻分布的圖像。

非等間隔量化（非均勻量化）——對圖像中像素灰度值頻繁出現(xiàn)的灰度值范圍，量化間隔取小一些，而對那些像素灰度值極少出現(xiàn)的范圍，則量化間隔取大一些。第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3采樣與量化參數(shù)的選擇

采樣時行、列的采樣點與量化時每個像素量化的級數(shù)，既影響數(shù)字圖像的質(zhì)量，也影響該數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的大小。假定圖像取M×N個樣點，每個像素量化后的灰度二進制位數(shù)為k，一般k總是取為2的整數(shù)冪，則存儲一幅數(shù)字圖像所需的二進制位數(shù)b為當(dāng)M=N時，第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

k一定時采樣點數(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。

N2一定時量化級數(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，圖像出現(xiàn)假輪廓。第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月胡昂[1965]實驗：實驗方法選取一組細節(jié)多少不同的、不同N、k的圖象讓觀察者根據(jù)他們的主觀質(zhì)量感覺給這些圖象排序?qū)嶒灲Y(jié)論隨著采樣分辨率和灰度級的提高，主觀質(zhì)量也提高對有大量細節(jié)的圖象，質(zhì)量對灰度級需求相應(yīng)降低改變N和k如何影響圖像第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月曲線1：細節(jié)較少的人臉圖象等同偏愛曲線按主觀質(zhì)量遞增的順序被從左向右排列45k3264128256N質(zhì)量第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月曲線2：細節(jié)中等多的攝影師圖象45k3264128256N質(zhì)量第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月曲線3：細節(jié)較多的球賽觀眾圖像45k3264128256N質(zhì)量第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)一般，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時,為了得到質(zhì)量較好的圖像可采用如下原則：（1）對緩變的圖像，應(yīng)該細量化，粗采樣，以避免假輪廓。（2）對細節(jié)豐富的圖像，應(yīng)細采樣，粗量化，以避免模糊。對于彩色圖像，是按照顏色成分——紅、綠、藍分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8bit量化，即每種顏色量級別是256，則可以處理2563=16777216種顏色。第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.4放大和收縮數(shù)字圖像放大和收縮數(shù)字圖像這個題目關(guān)系到采樣和量化，因為放大可看做過采樣，收縮可看做欠采樣。放大要求執(zhí)行兩步操作：創(chuàng)立新的像素位置和對這些新位置賦灰度值。最近鄰域內(nèi)插和4個最鄰近點的雙線性內(nèi)插。圖像收縮可以與放大相類似的方法操作。

最近鄰域內(nèi)插法

雙線性內(nèi)插方法

第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.5圖像數(shù)字化設(shè)備常見的數(shù)字化設(shè)備有數(shù)字相機、掃描儀、數(shù)字化儀等。

1.圖像數(shù)字化設(shè)備的組成為完成采樣和量化功能，圖像數(shù)字化設(shè)備必須包含以下五個部分：

(1)采樣孔(Samplingaperture)：使數(shù)字化設(shè)備能夠單獨地觀測特定的圖像元素而不受圖像其他部分的影響。

(2)圖像掃描機構(gòu)：使采樣孔按照預(yù)先確定的方式在圖像上移動，從而按順序觀測每一個像素。第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)光傳感器：通過采樣檢測圖像的每一像素的亮度，通常采用CCD陣列。

(4)量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。典型的量化器是A/D轉(zhuǎn)換電路，它產(chǎn)生一個與輸入電壓或電流成比例的數(shù)值。

(5)輸出存儲裝置：將量化器產(chǎn)生的灰度值按適當(dāng)格式存儲起來，以用于計算機后續(xù)處理。第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.圖像數(shù)字化設(shè)備的性能

(1)像素大小采樣孔的大小和相鄰像素的間距是兩個重要的性能指標(biāo)。如果數(shù)字化設(shè)備是在一個放大率可變的光學(xué)系統(tǒng)上，那么對應(yīng)于輸入圖像平面上的采樣點大小和采樣間距也是可變的。

(2)圖像大小圖像大小即數(shù)字化設(shè)備所允許的最大輸入圖像的尺寸。第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)線性度對光強進行數(shù)字化時，灰度正比于圖像亮度的實際精確程度是一個重要的指標(biāo)。非線性的數(shù)字化設(shè)備會影響后續(xù)過程的有效性。

(4)噪聲數(shù)字化設(shè)備的噪聲水平也是一個重要的性能參數(shù)，數(shù)字化設(shè)備中固有的噪聲卻會使圖像的灰度發(fā)生變化。因此數(shù)字化設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲是圖像質(zhì)量下降的根源之一，應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差點(即對比度)。第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5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。矢量圖是用一系列繪圖指令來表示一幅圖，其本質(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。圖像中每一個形狀都是一個完整的公式，稱為一個對象。對象是一個封閉的整體，所以定義圖像上對象的變化和對象與其他對象的關(guān)系對計算機來說是簡單的，所有這些變化都不會影響到圖像中的其他對象。第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

優(yōu)點：文件數(shù)據(jù)量很小；圖像質(zhì)量與分辨率無關(guān)。

缺點：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；不易在不同的軟件間交換文件。第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

位圖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。優(yōu)點：

具有豐富的層次和色彩

。缺點：

缺少靈活性，分辨率固定；文件數(shù)量大。

第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.1位圖

1.線畫稿（LineArt

）

2.灰度圖像(GrayScale)3.索引圖像(IndexColor)4.真彩色圖像（TrueColor）第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2位圖的有關(guān)術(shù)語

1.像素（Pixel）、點（Dot）和樣點（Sample）

在計算機中，圖像是由顯示器上許多光點組成的，將顯示在顯示器上的這些點（光的單元）稱為像素。掃描一幅圖像時，掃描儀將源圖像看成由大量的網(wǎng)格組成，然后在每一個網(wǎng)格里取出一點，用該點的顏色值來代表這一網(wǎng)格里所有點的顏色值，這些被選中的點就是樣點。第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.分辨率

1）圖像分辨率圖像分辨率是指每英寸圖像含有多少個點或像素，分辨率的單位為dpi。圖像的尺寸、圖像的分辨率和圖像文件的大小三者之間有著密切的聯(lián)系：圖像的尺寸越大，圖像的分辨率越高，圖像文件也就越大。所以，調(diào)整圖像的大小和分辨率即可改變圖像文件的大小。第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）屏幕分辨率

顯示器上每單位長度顯示的像素或點的數(shù)量稱為屏幕分辨率。通常以每英寸點數(shù)(dpi)來表示。屏幕分辨率取決于顯示器的大小及其像素設(shè)置。屏幕分辨率由計算機的顯示卡決定。

3）打印機分辨率又稱輸出分辨率，是指打印機輸出圖像時每英寸的點數(shù)(dpi)。打印機分辨率也決定了輸出圖像的質(zhì)量，打印機分辨率越高，可以減少打印的鋸齒邊緣，在灰度的半色調(diào)表現(xiàn)上也會較為平滑。打印機的分辨率可達300－1200dpi。第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

4）掃描儀分辨率

單位長度上采樣的像素個數(shù)。臺式掃描儀的分辨率可以分為光學(xué)分辨率和輸出分辨率。光學(xué)分辨率是掃描儀硬件所真正掃描到的圖像分辨率，可達800～1200dpi以上。輸出分辨率是通過軟件強化以及內(nèi)插補點之后產(chǎn)生的分辨率，大約為光學(xué)分辨率的3～4倍（4800－6400dip）。1000DPI1600DPI1000象素1600象素1英寸原稿第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6圖像文件格式

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)。文件頭的內(nèi)容由制作該圖像文件的公司決定，一般包括文件類型、文件制作者、制作時間、版本號、文件大小等內(nèi)容。各種圖像文件的制作還涉及到圖像文件的壓縮方式和存儲效率等。

第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.7色度學(xué)基礎(chǔ)與顏色模型2.7.1色度學(xué)基礎(chǔ)

人類感光細胞的敏感曲線第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)人眼的結(jié)構(gòu)，所有顏色都可看作是三種基本顏色——示紅（R）、綠（G)和藍（B)按照不同的比例組合而成。為了建立標(biāo)準(zhǔn)，國際照度委員會(CIE)早在1931年就規(guī)定三種基本色的波長分別為R：700nm，G：546.1nm，B：435.8nm。

第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.7.2顏色模型

為了科學(xué)地定量描述和使用顏色，人們提出了各種顏色模型。目前常用的顏色模型按用途可分為兩類，一類是面向諸如視頻監(jiān)視器、彩色攝像機或打印機之類的硬件設(shè)備的RGB模型。另一類面向以彩色處理為目的的HSI模型，另外，在印刷工業(yè)上和電視信號傳輸中，經(jīng)常使用CMYK和YUV色彩系統(tǒng)。第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.RGB模型在RGB模型立方體中，原點所對應(yīng)的顏色為黑色，它的三個分量值都為零。距離原點最遠的頂點對應(yīng)的顏色為白色，它的三個分量值都為1。從黑到白的灰度值分布在這兩個點的連線上，該線稱為灰色線。立方體內(nèi)其余各點對應(yīng)不同的顏色。彩色立方體中有三個角對應(yīng)于三基色——紅、綠、藍。剩下的三個角對應(yīng)于三基色的三個補色——黃色、青色（藍綠色）、品紅（紫色）。

第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月RGB模型單位立方體第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.HSI模型

HSI模型是Munseu提出的，它反映了人的視覺系統(tǒng)觀察彩色的方式，在藝術(shù)上經(jīng)常使用HSI模型。HSI模型中，H表示色調(diào)(Hue)，S表示飽和度(Saturation)，I表示亮度(Intensity，對應(yīng)成像亮度和圖像灰度)。這個模型的建立基于兩個重要的事實：①I分量與圖像的彩色信息無關(guān)；②

H和S分量與人感受顏色的方式是緊密相聯(lián)的。這些特點使得HSI模型非常適合借助人的視覺系統(tǒng)來感知彩色特性的圖像處理算法。