第2章 圖像處理基礎(chǔ)知識(shí) 課件

第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)圖像和視覺(jué)基礎(chǔ)視覺(jué)基礎(chǔ)人眼與亮度視覺(jué)顏色視覺(jué)成像基礎(chǔ)成像模型成像幾何采樣和量化圖像基礎(chǔ)像素間聯(lián)系圖像運(yùn)算圖像坐標(biāo)變換第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1圖像數(shù)字化2.2圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.3圖像文件格式2.4圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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)字化原理第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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(yīng)可見(jiàn)光的光強(qiáng)

掃描儀的圖像數(shù)字化過(guò)程原理圖

第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.CMOS傳感器

互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2數(shù)字化原理1．?dāng)?shù)學(xué)模型第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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(hào)（抽樣、量化）——數(shù)字信號(hào)2.1.2數(shù)字化原理第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)

采樣點(diǎn)陣：正方形、正三角2.1.2數(shù)字化原理圖像矩陣的特點(diǎn)：

a）

b）數(shù)字化抽樣：正方形點(diǎn)陣、三角形點(diǎn)陣、正六角形點(diǎn)陣等第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2數(shù)字化原理3.采樣定理一維采樣定理：惠特克－卡切尼柯夫－香農(nóng)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2數(shù)字化原理二維采樣定理：采樣頻率大于圖像信號(hào)最高頻率的2倍第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2數(shù)字化原理第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2數(shù)字化原理4.采樣誤差混疊噪聲

孔徑效應(yīng)：實(shí)際采樣脈沖不是理想沖擊函數(shù)，有一定的寬度，會(huì)產(chǎn)生失真插入噪聲：由采樣圖像信號(hào)恢復(fù)到原圖像，無(wú)理想濾波器（在內(nèi)頻率特性平坦，相位特性成直線(xiàn))抖動(dòng)噪聲：采樣周期為，但發(fā)射與接受端存在相位差異，稱(chēng)相位抖動(dòng)。第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)5.量化均勻量化非均勻量化:

a）基于視覺(jué)特性：對(duì)亮度值急劇變化部分無(wú)需過(guò)細(xì)分層，進(jìn)行粗量化,對(duì)亮度值平緩變化部分需過(guò)細(xì)分層，進(jìn)行細(xì)量化

b）先計(jì)算所有可能的亮度值出現(xiàn)的概率分布，對(duì)概率分布大的進(jìn)行細(xì)量化,對(duì)概率分布小的進(jìn)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?cái)?shù)實(shí)現(xiàn)量化2.1.2數(shù)字化原理第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)量化和采樣是兩個(gè)不同的概念，量化是在每個(gè)采樣點(diǎn)上進(jìn)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(gè)操作，二者緊密相關(guān)，同時(shí)完成。2.1.2數(shù)字化原理6.采樣和量化的關(guān)系第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2數(shù)字化原理第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2數(shù)字化原理第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2數(shù)字化原理第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)非均勻采樣和量化－細(xì)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(jí)數(shù)2.1.2數(shù)字化原理第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)

表示灰度級(jí)、bright,彩色,連續(xù)圖像

.如X光圖像反映人體組織吸收特性，紅外圖像反映溫度輻射特性，CCD反映可見(jiàn)光的特性在圖像建模中涉及到保真度(fidelity)：衡量處理方法好壞，清晰否？采樣、量化正交序列展開(kāi)，F(xiàn)ourier變換統(tǒng)計(jì)模型：把圖像看成一個(gè)集合的成員如均值、方差。2.1.2數(shù)字化原理第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.2

圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2.1

圖像模式2.2.2

彩色空間2.2.3

圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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(jìn)行去色處理得到（256灰度級(jí)）第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2．二值圖像

灰度圖像經(jīng)過(guò)二值化處理后的結(jié)果，兩個(gè)灰度級(jí)，只需用1bit表示。2.2.1圖像模式第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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(lán)）

RGB三基色可以混合成任意顏色。2.2.1圖像模式第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.2.2

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

三基色圖像疊加而成。第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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：第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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(lèi)——發(fā)光物體和不發(fā)光物體，發(fā)光物體稱(chēng)為有源物體，不發(fā)光物體稱(chēng)為無(wú)源物體。無(wú)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(lái)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

彩色空間第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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(diǎn)是油墨和顏料用的越多，顏色越暗（或越黑），所以將CMY稱(chēng)為三減色，而RGB稱(chēng)為三加色。第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）、強(qiáng)度（Intensity）。色調(diào)Hue：與混合光譜中主要光波長(zhǎng)相聯(lián)系飽和度Saturation：與一定色調(diào)的純度有關(guān)強(qiáng)度Intensity：與物體的反射率成正比第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)1.

一維數(shù)組方式:行×列2.多波段圖像數(shù)據(jù)結(jié)合結(jié)構(gòu)1）按各個(gè)波段存儲(chǔ)

列

行紅綠藍(lán)2.2.3

圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2）按掃描行存儲(chǔ)紅

綠

藍(lán)

…第1行3）按各個(gè)像素存儲(chǔ)

紅綠

藍(lán)

…（1，1）（1，2）2.2.3

圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.多波段圖像數(shù)據(jù)結(jié)合結(jié)構(gòu)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)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文件格式第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.3

圖像文件格式2.3.1

BMP文件格式不經(jīng)過(guò)壓縮直接按位存盤(pán)的文件格式，稱(chēng)為位圖（bitmap）。2.3.2

GIF文件格式

GIF（graphicInterchangeFormat）是由CompuServe公司設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的文件存儲(chǔ)格式，用于存儲(chǔ)圖形，也可以用來(lái)存儲(chǔ)256色圖像。擴(kuò)展名為gif。第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.3

圖像文件格式2.3.3TIFF文件格式

TIFF（TaggedImage）是相對(duì)經(jīng)典、功能很強(qiáng)的圖像文件存儲(chǔ)格式，擴(kuò)展名為tif或tiff。2.3.4JPEG文件格式由（國(guó)際）聯(lián)合圖像專(zhuān)家組（JointPhotographicExperts

Group）提出的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。擴(kuò)展名為jpg或jpeg。第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.3.5DICOM文件格式

DICOM

(DigitalImagingandCommunicationsin

Medicine)

是醫(yī)學(xué)圖像文件存儲(chǔ)格式，為各類(lèi)醫(yī)學(xué)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(xué)數(shù)字成像設(shè)備，例如CT、MR、DR、超聲、內(nèi)窺鏡、電子顯微鏡等，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)傳輸技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要組成部分。DICOM文件的常見(jiàn)擴(kuò)展名為DCM。2.3

圖像文件格式第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.4圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)2.4.1圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)2.4.2圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)2.4.1圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)歸一化方均誤差第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)峰值方均誤差等效信噪比

2.4.1

圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)f(j,k)——被變換的圖像場(chǎng)，A——f(j,k)的最大值第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究是圖像信息工程的基本技術(shù)之一。光電變換——傳輸——處理——記錄——其他變換圖像增強(qiáng)：就是為了改善圖像的主觀視覺(jué)顯示質(zhì)量圖像復(fù)原：是用于補(bǔ)償圖像的降質(zhì)，使復(fù)原后的圖像接近原像圖像編碼技術(shù):在保持被編碼圖像一定質(zhì)量的前提下，以盡量少的碼字來(lái)表示圖像，以節(jié)省信道和儲(chǔ)存器容量2.4.2

圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)基本概念圖像逼真度（Fidelity）——描述被評(píng)價(jià)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的偏離程度圖像可懂度（Intelligibility)——表示圖像能向人或機(jī)器提供信息的能力2.4.2

圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)外行、內(nèi)行主觀評(píng)價(jià)：采用目視觀察和主觀感覺(jué)評(píng)價(jià)圖像的質(zhì)量

絕對(duì)評(píng)價(jià)——標(biāo)準(zhǔn)圖像作參考。

“全優(yōu)度尺度”：非常好圖像5分好圖像4分中等圖像3分差圖像2分非常差圖像1分2.4.2

圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)第2章圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)評(píng)價(jià)——圖像好到壞分類(lèi)，比較。

“群優(yōu)度尺度”最好、稍好一批中最好的圖像7分比該批的平均水平好的圖像6分稍好于該批的平均水平圖像5分該批平均水平的圖像4分稍次于該批的平均水平圖像3分比該批的平均水平差的圖像2分一批中最差的圖像