数字图像处理 第2章 图像处理基础知识

2.1.2 数字化原理
N 和K的关系： 1）图像质量一般随N 和K的增加而增加。在极小情况下固定的 N，减小K能改进图像质量，因为增加了图像的反差。 2) 对具有大量细节的图像通常只需要很少的灰度级数就可较好 地表示 3) k为常数的一系列图像主观看起来可以有较大的差异
2.1.2 数字化原理
非均匀采样和量化
2.3 图像文件格式
2.3.5 DICOM文件格式
DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 是医学图像文件存储格式，为各类医学图像 数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。DICOM格式 支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、 超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图像存储 传输技术和医学影像学的主要组成部分。DICOM文件的 常见扩展名为DCM。
5量化
量化是将各个像素所含的明暗信息离散化后，用数 字来表示。一般的量化值为整数。

充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊 用途的图像均为8bit量化，即用[0 255]描述 “从黑到白”。

量化阶太低，会出现假轮廓现象。
2.1.2 数字化原理
2.1.2 数字化原理
量化可分为均匀量化和非均匀量化。 均匀量化是简单地在灰度范围内等间隔量化。
1.主观亮度感觉
2.同时对比效应
3 马赫带效应
人眼对于图像上不同空间频率的成分具有不同的灵敏度。
图中各个条带本身的客观亮度是相同的,但在人的视觉中, 感到所有条带的右边比左边亮些
4 人的视觉错觉
2.2.4 图像存储的数据结构
1. 一维数组方式: M 行×N 列
N列
M行
2.多波段图像数据结合结构
2.3 图像文件格式
2.3.3 TIFF文件格式
TIFF（Tagged Image File Format）是相对经典、功能很 强的图像文件存储格式，扩展名为tif或tiff。
2.3.4 JPEG文件格式
由（国际）联合图像专家组（Joint Photographic Experts Group）提出的静止图像压缩标准文件格式，是面 向常规彩色图像及其它静止图像的一种压缩标准。扩展名 为jpg或jpeg。
－细节部分，分配较多的采样 －灰度突变部分，可用较少的灰度级数
2.2 图像数据结构
2.2.1 图像模式
2.2.2 彩色空间
2.2.3 图像存储的数据结构
2.2.1 图像模式
1．灰度图像
可由黑白照片数字化得到，或从彩色图像进行去色处 理得到（256灰度级）
2.2.1 图像模式
2．二值图像
灰度图像经过二值化处理后的结果，两个灰度级，只 需用1bit表示。
2.1.1 图像传感器与数字成像
2. CMOS传感器
互补性金属氧化物半导体（Complementary
Metal-Oxide Semiconductor）
2.1.2 数字化原理
1．数学模型
模拟图像的数学模型是一个二元函数f x, y ，f x, y 的函数值是能量的记录，是非负有界的实数，同时， 一幅实际图像的尺寸是有限的，一般定义 x, y 在某 一矩形域中 0 ≤ f x, y ≤ A 模拟图像数字化后得到数字图像。数字图像的数学 模型仍用二元函数f x, y 来表示，但此时的坐标值 和函数值是离散的，是整数值
(u 3, v 4) (u 3, v 4) f c1 3, f c1 4时为0， f x0 3, f y0 4 1 5 2 f x0 或2 f y0 0.2 不满足采样定理，有混频现象 采样频率：f s f xs f ys 奈奎斯特频率：不混叠时采样中的最低限 2 f x0， 2 f y0
2.3.5 DICOM文件格式
2.3 图像文件格式
2.3.1 BMP文件格式
不经过压缩直接按位存盘的文件格式，称为位图 （bitmap）。
2.3.2 GIF文件格式
GIF（graphic Interchange Format）是由CompuServe公司 设计和开发的文件存储格式，用于存储图形，也可以用来 存储256色图像。扩展名为gif。
1 1 1 1
1 1 1 1
1 1 1 1
1 1 f ( j, k ) 1 1
1 2 2 1
1 2 2 1
1 1 1 1
2.4.1 图像质量的客观评价
峰值方均误差 PMSE
2.4 图像质量评价
2.4.1 图像质量的客观评价 2.4.2 图像质量的主观评价
2.4.1 图像质量的客观评价
归一化方均误差 NMSE
NMSE
[ f ( j, k ) f ( j, k )]
j 1 k 1
J
K

2
[ f ( j, k )]
j 1 k 1JK来自21 1 f ( j, k ) 1 1
2.2.1 图像模式
3．彩色图像
彩色图像的数据不仅包含亮度信息，还要包含颜色信息。 彩色的表示方法是多样化的。
三基色模型：RGB（Red / Green / Blue，红绿蓝） RGB三基色可以混合成任意颜色。
2.2.2 彩色空间
1)RGB彩色空间：面向硬件设备的彩色模型
三基色原理三基色指可以用来
2.1.2 数字化原理
二维采样定理：采样频率大于图像信号最高频率的2倍
例：f ( x, y ) 2 cos 2π(3x 4 y ), x y 0.2 F (u, v ) 带宽



2 cos 2π(3x 4 y )e j 2 π ( xu yv )dxdy
f x, y 采样 f x, y 量化 空间离散的像素矩阵 对信号的幅度进行离散分层的过程
2.1.2 数字化原理
M 、N ——图像尺寸 G ——每个像素所具有的离散灰度级数（不同灰度值的个数） M =2m N 2n G 2k N N点采样，每点灰度级G级，G 2k ，占k 位。 存一幅图像所需的位数（bit） B M NK 128 128 6 98304 (12) 512 512 8 2097152 (256)
调配出其它颜色的红、绿、蓝 三种颜色。 彩色图像可由红、绿、蓝 三基色图像叠加而成。
2.2.2 彩色空间
在RGB彩色空间中，任意彩色光 L 的配色方程式为：
L r[R] g[G] b[B] 其中， r[R]、g[G]、b[B]为彩色光L的三基色分量或 百分比。
2.2.2 彩色空间
图像采样
图像采样与量化
数字化结果
2.1.2 数字化原理
采样时注意采样间隔的选取， •采样间隔太小，则增大数据量； •太大，则会发生频率的混叠现象。
2.1.2 数字化原理
2.1.2 数字化原理
问题:以多大的采样间隔进行采样为好？
2.1.2 数字化原理
3. 采样定理
空间采样奈奎斯特定律 不小于2倍最高频率采样可以完全恢复。
2)CMY彩色空间
自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类—
— 发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，
不发光物体称为无源物体。无源物体是不发出光波的
物体，其颜色由该物体吸收或反射哪些光波来决定， 因此采用CMY三基色相减模型和CMY彩色空间描述。
2.2.2 彩色空间
油 墨 和 颜 料 的 三 基 色 是 CMY （ Cyan / Magenta / Yellow ，青 / 洋红 / 黄）而不是 RGB ， CMY 三基色的 特点是油墨和颜料用的越多，颜色越暗（或越黑）， 所以将CMY称为三减色，而RGB称为三加色。
非均匀量化是对像素出现频度低的部分量化间隔取大 ，而对频度高的部分量化间隔取小。
一般情况下，对灰度变化比较平缓的部分用比较多的 量化级；在灰度变化比较剧烈的地方用比较高的分辨 率。
2.1.2 数字化原理
非均匀量化
a）基于视觉特性：对亮度值急剧变化部分无需过细分层， 进行粗量化,对亮度值平缓变化部分需过细分层，进行细 量化
2.1.2 数字化原理
2.1.1 图像传感器与数字成像
1. CCD传感器
电荷耦合器件（Charged Coupled Device），感应可 见光的光强
逐 行 扫 描 采 样 量 化 扫 描 灰 行 度 像 整 素 数 值 对 应 扫 描 线 的 行 像 素
...
数 字 化 扫描仪的图像数字化过程原理图
2.2.2 彩色空间
3)HSI彩色空间
区分颜色常用的3种基本特性量：色调（Hue）、饱和度 （Saturation）、强度 （Intensity）。
色调Hue：与混合光谱中主要光波长相联系 饱和度Saturation ：与一定色调的纯度有关 强度Intensity：与物体的反射率成正比
2.2.3图像信息技术中的视觉研究
������ 主观亮度感觉
眼睛对光强的响应是非线性的。一块光强为Ⅰ+ΔⅠ 的小块被背景强度Ⅰ所包围，则可觉察的差值ΔⅠ是 Ⅰ的函数,即对视觉敏感的是对比度，而不是亮度值 本身。 ������ 韦伯定理：如果一个物体的亮度与其周围背景 Ⅰ有刚刚可觉察得到的差别,则它们的比值是Ⅰ的函 数。其在一定的亮度范围内，近似不变，为常数值 0.02，这称为韦伯比。即： ΔI/I=0.02 (常数)
2.1.2 数字化原理
总数据量N N k 位二进制数据 当总存储容量一定时，N 与k怎么分配效果才最佳？ 解： 无一般方法，取决于具体图像。当纹理细节多时N大，k小。 当层次要求多时，则k大，N小。 例如： 群众场面——纹理丰富？k小，N大（频带宽，采样间隔要小， 不丢细节）。