-第2章 图像处理基础

均匀量化效果示意图
非均匀量化效果示意图
注意，图像灰度值分布的概率密度函数是因图而异的，所以 不可能找到一个适用于个各种不同图像的最佳非等间隔量化方案， 实用上，一般都采用等间隔量化。
（3）空间和灰度级分辨率
采样值是决定一幅图像空间分辨率的主要参数，空间分辨率 是图像中可辨别的最小细节。灰度级分辨率是指在灰度级别中可 分辨的最小变化。但是，在灰度级中，测量分辨率的变化是一个 高度主观的过程。 由于硬件方面的考虑，灰度级数通常是2的整数次幂。大多 数情况该值取 8 bit，在某些特殊的灰度值增强的应用场合可能用 到 16 bit。有时，也会用到 10或 12 bit精度数字化系统，但这些 都不是常规系统。
特点:
（l）TIFF格式图像文件的扩展名是.tif。 （2）支持从单色模式到32bit真彩色模式的所有图像。
（3）不针对某一个特定的操作平台，可用于多种操作平台和应用 软件。 （4）适用多种机型，可相互转换和移植。 （5）数据结构是可变的，文件具有可改写性，使用者可向文件中 写相关信息。 （6）具有多种数据压缩方式，解压缩过程复杂。
若连续浓淡值用z来表示，则对于满足zi≦z≦zi+1的z值都量化为整数值qi。 qi称 为像素的灰度值。 黑 黑 色 灰 色 1 白 色 量化值 (整数值) (a)量化 白 色 0 254 255 255 254 0 1
qi+1 色
ZI+1
qi
ZI
灰 色
128
128
qi-1
ZI-1
连续的 灰度值
从白到黑的 灰度标度 灰度级分配 连续变化 (b)把从白到黑灰度量化为8比特
彩色图像假轮廓现象示意图
2.4 数字图像文件的存储格式
数字图像在计算机中是以文件的形式存储的。常见的图像数据 格式包括BMP格式、TIFF格式、TGA格式、GIF格式、PCX格式以及 JPEG格式等。
1．BMP格式的图像文件
BMP是Bitmap的缩写，意为“位图” BMP格式的图像文件是微软公司特意 为Windows环境应用图像设计的。Biblioteka 4．按照图像是否随时间变换分类
按照图像是否随时间变换分类，可分为静止与活动图像。 （1）静止图像 （2）活动图像 面等。 不随时间而变换的图像，如各类图片等。 随时间而变换的图像，如电影和电视画
5．按照图像所占空间和维数分类
按照图像所占空间和维数分类，可分为二维和三维图像。
（1）二维图像
（2）三维图像 摄像头完成。
文件头 逻辑屏幕描述
调色板数据区
图像数据区
4个图像数据 结束标志区
可选
图像数据区的内容有2类，一类是纯粹的图像数据：一类是 用于特殊目的的数据块（包含专用应用程序代码和不可打印 的注释信息）。在GIF89a格式的图像文件中，如果一个文件 中包含多个图像，图像数据区将依次重复数据块序列。结束 标志区的作用主要是标记整个数据流的结束。
主要特点:
（l）GIF格式图像文件的扩展名是.gif。 （2）对于灰度图像表现最佳。 （3）具有 GIF87a和 GIF89a 2个版本。GIF89a版本允许一 个文件存储多个图像，可实现动画功能。 （4）采用改进的LZW压缩算法处理图像数据。 （5）调色板数据有通用调色板和局部调色板之分，有不同 的颜色取值。 （6）不支持 24 bit彩色模式，最多存储 256色。
2．按照图像亮度等级分类
按照图像亮度等级分类，可分为二值图像和灰度图像。 （1）二值图像 只有黑白两种亮度等级的图像。 （2）灰度图像 有多重亮度等级的图像。
3．按照图像的光谱分类
按照图像的光谱特性分类，可分为彩色图像和黑白图像。 （1）彩色图像 图像上的每个点有多于1个的局部特性，如在彩色摄影 中的图像，每个像点就有分别对应3个亮度值。 （2）黑白图像 每个像点只有一个亮度值分量，如黑白照片等。
2．TIFF格式的图像文件 文件格式:
文件头（IFH） 8B
标志信息（IFD） nx12B
文件头必须位于与0相对的位置 图像数据 且不能移动，在标志信息区目录中 有很多由12个字节组成的标志信息 内容包括指示标志信息的代号、数 据类型说明、数据值、文件数据量等。图像数据区是真正存 放图像数据的部分，该区的数据指明了图像使用何种压缩方 法、如何排列数据、如何分割数据等内容。
80 160 0 B 0 0 240 255 255 255
2.3 图像信号的数字化
数字图像可以由以下三种途径得到： （1）将传统的可见光图像经过数字化处理转换为数字图像，例如 将一幅照片通过扫描仪输入到计算机中，扫描的过程实质上就 是一个数字化的过程。 (2) 应用各种光电转换设备直接得到数字图像，例如卫星上搭载 的推帚式扫描仪和光机扫描仪可以直接获取地表甚至地下物体 的图像并实时存入存储器中。 （3）直接由二维离散数学函数生成数字图像。
当人眼每度视角内像素超过20对后，便无法察觉数字图像 与连续图像的差别。每度视角内像素点对越少则图像上的块状 效应越明显。
2.量化参数
随图像量化级数的减少，灰度级分辨率下降。图像会逐渐 失去灰度平滑变化的特点。原来灰度平滑变化的部分，由于量 化级数减少而使灰度产生较大的差别而导致图上出现假轮廓。 假轮廓随量化级数的减少而越来越明显。量化级数最小极 端情况就是二值图像。 对人眼来说,量化级别大于32时就能得到满意的视觉效果。
1．按照图像的存在形式分类
按照图像的存在形式分类，可分为实际图像与抽象图像。 （1）实际图像 通常为二维分布，又可分为可见图像和不可见图像。可见 图像指人眼能够看到并能接受的图像，包括图片、照片、图、 画、光图像等。不可见图像如温度、压力、高度和人口密度 分布图等。 （2）抽象图像 如数学函数图像，包括连续函数和离散函数。
平面图像，如照片等。
空间分布的图像，一般使用2个或者多个
2.2 图像的表示
I=f(x,y)
2.2.l 图像信号的表示
图像的亮度可用多变量函数表示:
I=f(x,y,z,λ,t)
式中:依次为空间某点的坐标、光的波长；t为时间轴坐标。
2.2.2 数字图像的表示
一幅M*N个像素的数字图像,其像素灰度值可用M行 N 列的矩阵来表示,对数字图像的各种处理就可以变成对矩 阵的各种运算。 把数字图像左上角的像素定为(1,1)个像素,右下角的象 素定为(M,N)个像素。数字图像中的像素与二维数组中的各 元素一一对应。
文件头
调色板数据
文件格式:
文件大小约=文件头十像素个数十灰度级数 彩色文件大小=文件头十像素个数x颜色数 颜色数： 16色 4 bit 256色 1 B 65526色 2 B
图像数据
1677万色
3 B
主要特点如下:
（1）BMP格式的图像文件以.bmp作为文件扩展名。 （2）图像数据可选择采用压缩形式存放。 （3）当使用者决定采用压缩格式存放BMP格式的图像时， 使用游程编码RLE4压缩方式，可得到16色模式的图像；若 采用RLES压缩方式，则得到256色的图像。 （4）可以多种彩色模式保存图像，如 16色、256色、24 bit真彩色，最新版本的32 bit真彩色。 （5）数据排列顺序与其他格式的图像文件不同，从图像左 下角为起点存储图像，而不是以图像的左上角。 （6）调色板数据结构中，RGB 3基色数据的排列顺序恰好 与其他格式文件的顺序相反。
垂直方向 的采样
(扫描线)
各扫描线上 对应一条 采样 量化 整数值 的系列 N 象 素 扫描线 像素
静止图像 时间轴方向 的采样 垂直方向 的采样
（扫描线）
M像素 数字图像 （M*N像素）
运动图像 （模拟） 对空间坐标的数字化 （含时间轴方向） 对灰度值的 数字化
在进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要的问题。 它决定了采样后的图像忠实地反映原图像的程度。 采样间隔大小的选取要根据原图像中包含何种程度的细微浓 淡变化来确定。 一般,图像中细节越多，则采样间隔应越小。
4．JPEG格式的图像文件
文件采用有损编码，编码后与原始图像有很大差别，但不易觉察。 文件格式: 有2种，一种是被广泛使用的JFIF格式，它包含一个常驻的JPEG数据流， 其作用是提供解码所需的数据，而不是要使用外部数据；另一种是把 JPEG图像压缩保存到TIFF格式的文件中，它在保存和读出时，很容易受 外部条件的限制和影响，目前还未得到广泛的应用。 主要特点: （l）JPEG格式图像文件的扩展名是.jpg。 （2）适用广泛，大多数图像类型都可以进行JPEG编码。 （3）对于使用计算机绘制的具有明显边界的图形，图像处理效果不佳。 （4）对于数字化照片和表达自然景观的色彩丰富的图片，具有非常好 的处理效果。 （5）使用JPEG格式的图像文件时，需要解压缩过程。
（1）均匀量化
均匀量化最简单，最易于实现。把这个灰度动态变化范围均 匀分为k等份。每一层赋予1个固定的码字,其量化过程就是把图像 像素的样本灰度与各层灰度的判决值r0，r1相比较，凡落在相邻2 层之间的像素即赋予该层的值q.
（2）非均匀量化
为了减少量化误差，引入了非等间隔量化的方法。其基本思 想是对一幅图像中像素灰度值频繁出现的灰度值范围，量化间隔 小一些，而对那些像素灰度值极少出现的灰度范围，则量化间隔 大一些。 即根据一幅图像具体的灰度值分布的概率密度函数，按总的量 化误差最小的原则来进行量化。
灰度图像描述示例
3．彩色图像
彩色图像是指每个像素的信息由 RGB三原色构成的图像，其中RGB 是由不同的灰度级来描述的。
255 240 240 R 255 0 80 255 0 0
0 160 80 G 255 255 160 0 255 0
垂直方向的采样扫描线各扫描线上对应一条采样量化整数值扫描线像素的系列静止图像时间轴方向扫描线m像素的采样数字图像mn像素垂直方向运动图像的采样模拟对空间坐标的数字化对灰度值的含时间轴方向数字化在进行采样时采样点间隔的选取是一个非常重要的问题
第二章
图像处理基础
2.1 图像的分类
图像与其他的信息形式相比，具有直观、具体、生动等诸 多显著的优点，可以按照图像的表现形式、生成方法等对其 进行不同的划分。
2.2.2 数字图像的表示
N像素
f(0,0) f(0,1) … f(0,n-1) f(1,0) f(1,1) … f(0,n-1)
M像素 像素 F= ： ：
f(m-1,0) f(m-1,1) …f(m-1,n-1)
数字图像 矩阵表示(M行N列矩阵)
一幅M*N个像素的数字图像的矩阵表示
1． 黑白图像
3. 采样与量化参数的选择
一幅图像在采样时行、列的采样点数与量化时每个像素量化 的级数既影响到图像的质量，又影响该图像的数据量。采样值是 决定一幅图像空间分辨率的主要参数，空间分辨率是图像中可辨 别的最小细节。灰度级分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变 化。
(1) 采样参数
量化级数一定时，采样点数不同对图像质量有影响: 当每行 的采样点数减少时，图像上的块状效应就逐渐明显,空间分辨率下 降。
2量化 经过采样，模拟图像已在时间、空间上离散化为像素。但采 样结果所得的像素的值仍是连续量。把采样点上对应的亮度连 续变化区间转换为单个特定数码的过程，称为量化，即采样点 亮度的离散化。 采样后的图像只是在空间上被离散化，成为样本的阵列， 但是由于原图像f(x,y）是连续图像，因此每个像素还是可能取 值为无穷多个值。为了进行计算机处理，必须把无穷多个离散 值约简为有限个离散值，即量化
将图像转化为数字图像称图像数字化，就是把图像分割成一个个 的称为像素的小区域，每个像素的亮度或灰度值用一个整数来表示。
数字图像
像素（采样点）
数字化
灰度 亮度等 的分布
图像（模拟图像）
数字图像
正方形点阵
1 采样
采样就是把在时间上和空间上连续的图像转换成为离散 的采样点（即像素）集的一种操作。由于图像是一种二维分 布的信息，为要对它完成采样操作，就需要将二维信号变为 一维信号，再对一维信号完成采样。 具体做法: 先沿垂直方向，按一定间隔以上到下顺序地沿水 平方向直线扫描取出各行的上灰度值。而后再对该一维扫描 线信号按一定间隔采样得到离散信号。 对于运动图像，还需先在时间轴上采样，即先沿垂直方向 采样,再沿画面垂直方向采样，最后再沿画面水平方向上采样 这样三步完成采样的操作。 若采样结果每行像素为M个，每列像素为N个则整幅图像 大小为M*N个像素。
是指图像的每个像素只能是黑或白， 没有中间的过渡，故又称为二值图像。 二值图像的像素值为0、1。
1 I 0 1
0 0 1
0 1 0
2．灰度图像
灰度图像是指每个像素的信息由一 个量化的灰度级来描述的图像，没有 彩色信息。
0 150 200 I 120 50 180 250 220 100
3．GIF格式的图像文件
GIF主要是为网络传输和BBS用户使用图像文件 而设计的。 文件格式: 文件头是一识别GIF格式数据流的数据块，用以 区分早期版本和新版本。逻辑屏幕描述区定义了与 图像尺寸、彩色深度，指明调色板数据属于全局调 色板还是局部调色板。若是全局调色板，则生成一 个24bit的RGB全局调色板，一个基色占一个字节。