第2章-圖像處理基礎知識-圖像處理課件

第2章圖像處理基礎知識圖像和視覺基礎視覺基礎人眼與亮度視覺顏色視覺成像基礎成像模型成像幾何采樣和量化圖像基礎像素間聯(lián)系圖像運算圖像坐標變換第2章圖像處理基礎知識2.1圖像數(shù)字化2.2圖像數(shù)據(jù)結構2.3圖像文件格式2.4圖像質量評價2.1

圖像數(shù)字化2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.1.2數(shù)字化原理2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像1.CCD傳感器

電荷耦合器件（ChargedCoupledDevice），感應可見光的光強

掃描儀的圖像數(shù)字化過程原理圖

2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.CMOS傳感器

互補性金屬氧化物半導體（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）2.1.2數(shù)字化原理1．數(shù)學模型圖像的數(shù)字化

一般的圖像（即模擬圖像）是不能直接用數(shù)字計算機來處理的。為使圖像能在數(shù)字計算機內進行處理，首先必須將各類圖像（如照片，圖形，X光照片等等）轉化為數(shù)字圖像。所謂將圖像轉化為數(shù)字圖像或圖像數(shù)字化，就是把圖像分割成如圖所示的稱為象素的小區(qū)域．每個象素的亮度或灰度值用一個整數(shù)來表示。把圖像分割成象素的方法可以是多種多樣的，如圖所示。即每個象素所占小區(qū)域可以是正方形的，六角形的或三角形的。與之相對應的象素所構成的點陣則分別為正方形網格點陣、正三角形網格與正六角形點陣。上述各象素分割方案中，正方形網格點陣是實際常用的。對一個正方形點陣，若任一象素沿水平與垂直方向上與相鄰象素間距為1，則該象素沿斜線方向上的間距為1.414.圖像數(shù)字化2．采樣和量化

采樣：空間上的離散化量化：灰度上的離散化連續(xù)信號（抽樣、量化）——數(shù)字信號2.1.2數(shù)字化原理xy(0,0)

采樣點陣：正方形、正三角2.1.2數(shù)字化原理圖像矩陣的特點：

a）

b）數(shù)字化抽樣：正方形點陣、三角形點陣、正六角形點陣等2.1.2數(shù)字化原理3.采樣定理采樣（Sampling）:是對圖像空間坐標的離散化，它決定了圖像的空間分辨率。用一個網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。圖像的采樣2.1.2數(shù)字化原理對一幅圖像采樣時，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。均勻采樣非均勻采樣4.量化均勻量化2.1.2數(shù)字化原理量化(信號測量的精度)采樣

(a)量化(b)量化為8bit量化示意圖4.量化非均勻量化:

a）基于視覺特性：對亮度值急劇變化部分無需過細分層，進行粗量化,對亮度值平緩變化部分需過細分層，進行細量化

b）先計算所有可能的亮度值出現(xiàn)的概率分布，對概率分布大的進行細量化,對概率分布小的進行粗量化,非均勻量化可以減少量化誤差，又能用較少的比特數(shù)實現(xiàn)量化2.1.2數(shù)字化原理(a)256級灰度圖象(b)子圖(c)子圖對應的量化數(shù)據(jù)圖像量化實例圖像量化實例量化和采樣是兩個不同的概念，量化是在每個采樣點上進行的，所以必須先采樣后量化。量化和采樣是圖像數(shù)字化的不可或缺的兩個操作，二者緊密相關，同時完成。2.1.2數(shù)字化原理5.采樣和量化的關系對一幅圖像，當量化級數(shù)一定時，采樣點數(shù)對圖像質量有著顯著的影響。采樣點數(shù)越多，圖像質量越好；當采樣點數(shù)減少時，圖上的塊狀效應就逐漸明顯。同理，當圖像的采樣點數(shù)一定時，采用不同量化級數(shù)的圖像質量也不一樣。量化級數(shù)越多，圖像質量越好，當量化級數(shù)越少時，圖像質量越差，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。

2.1.2數(shù)字化原理2.1.2數(shù)字化原理非均勻采樣和量化－細節(jié)部分，分配較多的采樣－灰度突變部分，可用較少的灰度級數(shù)2.1.2數(shù)字化原理圖像頻率HighFrequencyImageLowFrequencyImageImageFrequenciesHighFrequencyImageLowFrequencyImage空間分辨率和亮度分辨率灰度圖像：單色，一元組彩色圖像：RGB三色，三元組數(shù)字圖像

圖像（水平）尺寸M：

圖像（垂直）尺寸N：

象素灰度級數(shù)G(k-bit)：

圖像所需的位數(shù)b：一幅數(shù)字化后的圖像其總數(shù)據(jù)量是：每行象素數(shù)（M）×每列象素數(shù)（N）×灰度量所占用位數(shù)(Bits)。幾種常用的圖像大小如下：

漢字：取決于字的大小，每個字可以從16×16到256×256象素；顯微鏡圖像：256×256或512×512象素；電視圖像：500～700×480象素；衛(wèi)星圖像：（單波殷）3240×2340象素；

CRT顯示器：一般640×480或1024×1024象素，2048×2048象素等4.圖像質量與采樣和量化圖像空間分辨率變化所產生的效果圖像幅度分辨率變化所產生的效果

空間和幅度分辨率同時變化所產生的效果采樣的效果空間分辨率210x250105x12570x8352x6242x50所有圖片均是256灰度級量化效果灰度級2563216842圖片大小為210x250

(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

采樣點數(shù)與圖像質量之間的關系(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

量化級數(shù)與圖像質量之間的關系2.2

圖像數(shù)據(jù)結構2.2.1

圖像模式2.2.2

彩色空間2.2.3

圖像存儲的數(shù)據(jù)結構2.2.1圖像模式1．灰度圖像

可由黑白照片數(shù)字化得到，或從彩色圖像進行去色處理得到（256灰度級）2．二值圖像

灰度圖像經過二值化處理后的結果，兩個灰度級，只需用1bit表示。2.2.1圖像模式3．彩色圖像彩色圖像的數(shù)據(jù)不僅包含亮度信息，還要包含顏色信息。彩色的表示方法是多樣化的。三基色模型：RGB（Red/Green/Blue，紅綠藍）

RGB三基色可以混合成任意顏色。2.2.1圖像模式2.2.2

彩色空間1)RGB彩色空間：面向硬件設備的彩色模型三基色原理三基色指可以用來調配出其它顏色的紅、綠、藍三種顏色。彩色圖像可由紅、綠、藍

三基色圖像疊加而成。2.2.2

彩色空間在RGB彩色空間中，任意彩色光的配色方程式為：RGB加色系統(tǒng)2)CMY彩色空間

自然界物體顏色光的形成方式將物體劃分為兩類——發(fā)光物體和不發(fā)光物體，發(fā)光物體稱為有源物體，不發(fā)光物體稱為無源物體。無源物體是不發(fā)出光波的物體，其顏色由該物體吸收或反射哪些光波來決定，因此采用CMY三基色相減模型和CMY彩色空間描述。2.2.2

彩色空間2.2.2

彩色空間油墨和顏料的三基色是CMY（Cyan/Magenta/Yellow，青/洋紅/黃）而不是RGB，CMY三基色的特點是油墨和顏料用的越多，顏色越暗（或越黑），所以將CMY稱為三減色，而RGB稱為三加色。以品紅、青、黃(Cyan,Magenta,Yellow)作為三基色所構成的顏色模型也是一種常用的顏色表示系統(tǒng)。它是一種減色系統(tǒng)。CMY減色系統(tǒng)和RGB加色系統(tǒng)顏色互為補色。所謂某顏色的補色是從白色中減去這種顏色后所得的顏色。品紅是綠色的補色，青色是紅色的補色，黃色是藍色的補色。即相加系統(tǒng)的補色就是相減系統(tǒng)的基色(R+G=黃，G+B=青，R+B=品紅）。下圖示出了CMY和RGB的關系。減法系統(tǒng)與彩色光柵顯示器RGB三支電子槍轟擊屏幕熒光粉組合光顏色不同，打印機和繪圖儀之類的硬拷貝設備是通過往紙上涂顏料來生成彩色圖片。我們通過反射光來看見顏色，這是一種減色處理。正如白色光經過品紅色物體表面的反射或透射后，光譜中綠色部分被吸收和減去，人們看到物體呈現(xiàn)品紅色，是一個減色過程。攝影的濾光鏡也是利用這一原理。打印、繪圖、印刷、膠卷以及非發(fā)光顯示器等反射體通常采用CMY減色系統(tǒng)。使用CMY減色系統(tǒng)的打印處理通過四個墨點的集合來產生顏色點。三種基色（品紅、青和黃）各使用一點，黑色也使用一點。因為品紅色、青色和黃色墨水的混合通常生成深灰色而不是黑色，所以黑色單獨包括在其中，使顏色效果更好。通過三種基色的墨水相互混合，產生不同顏色的組合。加上黑墨水后的顏色系統(tǒng)也稱為CMYB模型。2.2.2

彩色空間3)HSI彩色空間

區(qū)分顏色常用的3種基本特性量：色調（Hue）、飽和度（Saturation）、強度（Intensity）。色調Hue：與混合光譜中主要光波長相聯(lián)系飽和度Saturation：與一定色調的純度有關強度Intensity：與物體的反射率成正比2.2.2

彩色空間RGB到HIS模型的轉換1.

一維數(shù)組方式:行×列

列

行2.2.3

圖像存儲的數(shù)據(jù)結構1）按掃描行存儲紅

綠

藍

…第1行2）按各個像素存儲

紅綠

藍

…（1，1）（1，2）2.2.3

圖像存儲的數(shù)據(jù)結構2.多波段圖像數(shù)據(jù)結合結構2.3

圖像文件格式2.3.1BMP文件格式2.3.2GIF文件格式2.3.3TIFF文件格式2.3.4JPEG文件格式2.3.5DICOM文件格式2.3

圖像文件格式2.3.1

BMP文件格式不經過壓縮直接按位存盤的文件格式，稱為位圖（bitmap）。2.3.2

GIF文件格式

GIF（graphicInterchangeFormat）是由CompuServe公司設計和開發(fā)的文件存儲格式，用于存儲圖形，也可以用來存儲256色圖像。擴展名為gif。2.3

圖像文件格式2.3.3TIFF文件格式

TIFF（TaggedImageFileFormat）是相對經典、功能很強的圖像文件存儲格式，擴展名為tif或tiff。2.3.4JPEG文件格式

由（國際）聯(lián)合圖像專家組（JointPhotographicExperts

Group）提出的靜止圖像壓縮標準文件格式，是面向常規(guī)彩色圖像及其它靜止圖像的一種壓縮標準。擴展名為jpg或jpeg。2.3.5DICOM文件格式

DICOM

(DigitalImagingandCommunicationsin

Medicine)

是醫(yī)學圖像文件存儲格式，為各類醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)的存檔、傳輸和共享而起草和頒布的。DICOM格式支持幾乎所有的醫(yī)學數(shù)字成像設備，例如CT、MR、DR、超聲、內窺鏡、電子顯微鏡等，成為現(xiàn)代醫(yī)學圖像存儲傳輸技術和醫(yī)學影像學的主要組成部分。DICOM文件的常見擴展名為DCM。2.3

圖像文件格式2.4圖像質量評價2.4.1圖像質量的客觀評價2.4.2圖像質量的主觀評價2.4.1圖像質量的客觀評價歸一化方均誤差峰值方均誤差等效信噪比

2.4.1

圖像質量的客觀評價f(j,k)——被變換的圖像場，A——f(j,k)的最大值圖像質量評價的研究是圖像信息工程的基本技術之一。光電變換——傳輸——處理——記錄——其他變換圖像增強：就是為了改善圖像的主觀視覺顯示質量圖像復原：是用于補償圖像的降質，使復原后的圖像接近原像圖像編碼技術:在保持被編碼圖像一定質量的前提下，以盡量少的碼字來表示圖像，以節(jié)省信道和儲存器容量2.4.2

圖像質量的主觀評價基本概念圖像逼真度（Fi