工學(xué)圖像獲取與表示課件

圖像獲取與表示歡迎來到圖像獲取與表示課程！引言圖像獲取與表示圖像獲取與表示是計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)。重要性它為我們提供了將真實(shí)世界的信息數(shù)字化并進(jìn)行處理的橋梁。應(yīng)用廣泛從醫(yī)療影像到遙感監(jiān)測(cè)，圖像獲取與表示在各個(gè)領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值。圖像的定義視覺信息圖像是一種由像素組成的二維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它以數(shù)字形式捕獲和表示現(xiàn)實(shí)世界中的視覺信息。光強(qiáng)度每個(gè)像素表示一個(gè)圖像區(qū)域的亮度或顏色，通常由一個(gè)或多個(gè)數(shù)值來表示，這些數(shù)值代表了該區(qū)域的光強(qiáng)度。信息載體圖像可以被認(rèn)為是人類視覺感知的一種數(shù)字化表達(dá)方式，它是一種重要的信息載體，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。圖像表示的基本概念像素?cái)?shù)字圖像由像素構(gòu)成，每個(gè)像素代表圖像中的一個(gè)點(diǎn)，擁有特定的顏色和亮度信息。分辨率分辨率指的是圖像中像素的數(shù)量，通常以橫向像素?cái)?shù)量×縱向像素?cái)?shù)量表示，例如1920×1080。位深位深決定每個(gè)像素可以表示的顏色數(shù)量，位深越高，顏色越豐富，圖像質(zhì)量越高。光的特性波粒二象性光具有波的特性，表現(xiàn)為波動(dòng)性。同時(shí)，光也具有粒子的特性，表現(xiàn)為粒子性。電磁波譜光是一種電磁波，它在電磁波譜中占據(jù)可見光區(qū)域。不同波長(zhǎng)的光具有不同的顏色。光的反射和折射光在不同介質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，這是相機(jī)成像的基礎(chǔ)原理。相機(jī)成像原理1光線進(jìn)入鏡頭場(chǎng)景中的光線通過相機(jī)鏡頭進(jìn)入相機(jī)內(nèi)部。2光線聚焦鏡頭將光線聚焦到成像傳感器上，形成一個(gè)倒立的圖像。3傳感器捕捉光線傳感器將光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)電信號(hào)強(qiáng)度值。數(shù)字圖像采集1光學(xué)傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)2模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換將電信號(hào)數(shù)字化3圖像處理增強(qiáng)、壓縮和存儲(chǔ)圖像分辨率像素?cái)?shù)量圖像分辨率是指圖像中像素的數(shù)量，通常用寬度和高度表示，例如1920x1080像素。清晰度分辨率越高，圖像的像素?cái)?shù)量越多，圖像就越清晰，細(xì)節(jié)也越豐富。色彩模型RGB紅綠藍(lán)(RGB)色彩模型是基于光的混合，是計(jì)算機(jī)顯示器使用的標(biāo)準(zhǔn)顏色模型。HSV色調(diào)、飽和度和明度(HSV)色彩模型基于人類對(duì)顏色的感知，提供一種更直觀的顏色表示方式。YCbCr亮度、色度(YCbCr)色彩模型用于視頻壓縮，將顏色信息分離，提高壓縮效率。RGB色彩模型紅、綠、藍(lán)RGB代表紅色(Red)、綠色(Green)和藍(lán)色(Blue)。顏色混合通過組合不同比例的紅、綠、藍(lán)光，可以生成各種各樣的顏色。數(shù)字表示每個(gè)顏色通道用0到255之間的數(shù)值表示，分別代表該通道的亮度。HSV色彩模型色調(diào)(H)色調(diào)指的是色彩的純度，用角度表示，0°對(duì)應(yīng)紅色，120°對(duì)應(yīng)綠色，240°對(duì)應(yīng)藍(lán)色。飽和度(S)飽和度指的是色彩的鮮艷程度，用百分比表示，0%表示灰色，100%表示最鮮艷的顏色。明度(V)明度指的是色彩的亮度，用百分比表示，0%表示黑色，100%表示最亮的白色。YCbCr色彩模型1亮度信息Y表示亮度，Cb和Cr表示色度信息。2視頻壓縮YCbCr模型適合于視頻壓縮，因?yàn)樗梢苑蛛x亮度和色度信息，從而實(shí)現(xiàn)更高的壓縮效率。3色彩還原YCbCr模型可以有效地還原原始圖像的色彩信息，使其更接近人眼感知。圖像的量化和編碼1編碼將量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和存儲(chǔ)2量化將連續(xù)的灰度值轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字值3采樣將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)灰度圖像的表示像素值灰度圖像每個(gè)像素用一個(gè)數(shù)值表示，范圍通常為0到255，代表黑色到白色的強(qiáng)度?；叶燃?jí)灰度級(jí)表示圖像中可表示的不同灰度數(shù)量，通常為256級(jí)?；叶戎狈綀D直方圖顯示圖像中每個(gè)灰度值出現(xiàn)的頻率，用于分析圖像的亮度分布。彩色圖像的表示RGB模型每個(gè)像素由紅、綠、藍(lán)三色通道表示，每個(gè)通道的取值范圍為0-255。HSV模型用色調(diào)、飽和度和明度來表示顏色，更符合人類感知色彩的方式。YCbCr模型用于圖像壓縮，其中Y表示亮度，Cb和Cr表示色度。圖像文件格式JPEGJPEG是最常見的圖像文件格式之一，它采用有損壓縮技術(shù)，可以在保持圖像質(zhì)量的同時(shí)減小文件大小。PNGPNG是一種無損壓縮圖像文件格式，它可以保留圖像的原始數(shù)據(jù)，不會(huì)造成任何質(zhì)量損失，適用于需要高質(zhì)量圖像的場(chǎng)合。TIFFTIFF是一種靈活的圖像文件格式，它可以存儲(chǔ)各種類型的圖像數(shù)據(jù)，包括灰度、彩色和多通道圖像，廣泛應(yīng)用于專業(yè)圖像處理領(lǐng)域。BMPBMP是一種未壓縮的圖像文件格式，它存儲(chǔ)每個(gè)像素的原始數(shù)據(jù)，因此文件大小較大，但可以保留圖像的最高質(zhì)量。JPEG文件格式有損壓縮JPEG采用有損壓縮，壓縮比高，但會(huì)造成一定程度的圖像質(zhì)量損失。色彩支持支持24位真彩色，適合存儲(chǔ)照片、圖像等。廣泛應(yīng)用JPEG是互聯(lián)網(wǎng)上最常用的圖像格式，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)站、印刷等領(lǐng)域。PNG文件格式無損壓縮PNG格式使用無損壓縮算法，可以保留原始圖像的所有信息，不會(huì)丟失任何圖像數(shù)據(jù)。支持透明度PNG格式支持透明度，可以創(chuàng)建具有半透明效果的圖像，這在網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)和圖像處理中非常有用。廣泛應(yīng)用PNG格式是一種廣泛應(yīng)用的圖像格式，支持各種圖像編輯軟件，并且可以在大多數(shù)瀏覽器中顯示。TIFF文件格式1標(biāo)記圖像文件格式TIFF（TaggedImageFileFormat）是一種靈活的位圖圖像文件格式，用于存儲(chǔ)圖像、圖形和文本。2廣泛應(yīng)用廣泛應(yīng)用于印刷、出版、掃描和傳真等行業(yè)，因?yàn)樗С指叻直媛屎透哔|(zhì)量圖像。3無損壓縮TIFF文件格式支持無損壓縮，這可以減少文件大小而不會(huì)損失圖像質(zhì)量。BMP文件格式Windows位圖BMP格式由微軟開發(fā)，是最早的圖像文件格式之一，用于存儲(chǔ)Windows系統(tǒng)中的圖像。無壓縮格式BMP文件通常不進(jìn)行壓縮，導(dǎo)致文件尺寸較大，但圖像質(zhì)量保持較高。顏色深度BMP格式支持多種顏色深度，從單色到24位真彩色，提供不同程度的色彩還原度。圖像壓縮技術(shù)概述1減少數(shù)據(jù)量圖像壓縮技術(shù)通過減少圖像數(shù)據(jù)量來節(jié)省存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬。2提高效率壓縮后的圖像可以更快地加載和傳輸，從而提高用戶體驗(yàn)。3多種方法常用的圖像壓縮技術(shù)包括無損壓縮和有損壓縮。無損壓縮原始數(shù)據(jù)保留無損壓縮算法不會(huì)丟失任何原始數(shù)據(jù)信息，這意味著解壓縮后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)完全相同。壓縮率較低由于保留了所有數(shù)據(jù)，無損壓縮的壓縮率通常較低，壓縮后的文件大小可能仍然很大。適用于關(guān)鍵數(shù)據(jù)適用于需要精確保留原始數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景，例如醫(yī)學(xué)影像、科學(xué)數(shù)據(jù)和代碼。有損壓縮JPEG使用離散余弦變換（DCT）進(jìn)行壓縮，丟棄部分圖像數(shù)據(jù)，以達(dá)到較高的壓縮比。MP3使用心理聲學(xué)模型進(jìn)行壓縮，丟棄人耳不易察覺的聲音信息。圖像的存儲(chǔ)和傳輸文件格式圖像數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在各種文件格式中，例如JPEG、PNG、TIFF和BMP，每個(gè)格式都有其優(yōu)缺點(diǎn)。壓縮為了減少存儲(chǔ)空間和傳輸時(shí)間，圖像數(shù)據(jù)通常經(jīng)過壓縮處理，既有無損壓縮，也有有損壓縮。傳輸協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，例如HTTP，用于在網(wǎng)絡(luò)上有效地傳輸圖像數(shù)據(jù)，確保圖像的完整性和快速傳輸。圖像的應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)療影像醫(yī)療影像在診斷和治療疾病方面至關(guān)重要，例如X光、CT掃描和MRI。遙感影像遙感影像用于監(jiān)測(cè)環(huán)境變化、土地利用和自然災(zāi)害，例如衛(wèi)星圖像和航空攝影。工業(yè)檢測(cè)工業(yè)檢測(cè)使用圖像處理技術(shù)檢查產(chǎn)品缺陷、監(jiān)控生產(chǎn)流程，例如機(jī)器視覺和質(zhì)量控制。醫(yī)療影像診斷工具X射線、CT、MRI等影像技術(shù)可以幫助醫(yī)生診斷疾病、制定治療方案。精準(zhǔn)治療醫(yī)療影像提供更清晰的病灶信息，指導(dǎo)手術(shù)和放療等治療過程。疾病預(yù)防醫(yī)療影像可以進(jìn)行早期篩查，幫助人們提前發(fā)現(xiàn)疾病，并進(jìn)行預(yù)防。遙感影像地球觀測(cè)遙感影像可以提供全球范圍的陸地、海洋和大氣信息，為氣候變化、環(huán)境監(jiān)測(cè)和自然災(zāi)害預(yù)警提供重要數(shù)據(jù)。地圖繪制遙感影像可以用于創(chuàng)建地形圖、地質(zhì)圖、土地利用圖等，為城市規(guī)劃、資源管理和交通建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)遙感影像可以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況、病蟲害發(fā)生情況和土壤墑情，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)。工業(yè)檢測(cè)質(zhì)量控制圖像處理可以幫助識(shí)別缺陷和異常，確保產(chǎn)品質(zhì)量。維護(hù)保養(yǎng)通過圖像分析，可以識(shí)別潛在的損壞和磨損，提前進(jìn)行維護(hù)。效率提升圖像處理可以自動(dòng)化檢測(cè)流程，提高效率，減少人工成本。圖像處理技術(shù)概述1圖像增強(qiáng)提高圖像的視覺質(zhì)量，使其更易于分析和理解。2圖像分割將圖像分解為不同的區(qū)域或目標(biāo)，以便于識(shí)別和分析。3圖像識(shí)別識(shí)別圖像中的目標(biāo)、場(chǎng)景或模式，為計(jì)算機(jī)提供理解和分析圖像的能力。圖像增強(qiáng)提高圖像質(zhì)量圖像增強(qiáng)技術(shù)可以改善圖像的視覺效果，使其更清晰、更易于理解。增強(qiáng)圖像信息通過增強(qiáng)，可以突出圖像中的重要細(xì)節(jié)，便于后續(xù)的圖像處理和分析。改善圖像對(duì)比度增強(qiáng)可以調(diào)整圖像的亮度和對(duì)比度，使圖像細(xì)節(jié)更加明顯。圖像分割定義圖像分割是將圖像分成多個(gè)區(qū)域的過程，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)于不同的物體或場(chǎng)景。方法常見的圖像分割方法包括閾值分割、邊緣檢測(cè)、區(qū)域生長(zhǎng)、聚類分析等。應(yīng)用圖像分割在圖像識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)