数字图像处理的基本概念

量化等级越多，所 得图像层次越丰富，灰 度分辨率高，图像质量 好，但数据量大； 量化等级越少，图 像层次欠丰富，灰度分 辨率低，会出现假轮廓 现象，图像质量变差， 但数据量小。 但在极少数情况下 对固定图像大小时，减 少灰度级能改善质量， 产生这种情况的最可能 原因是减少灰度级一般 会增加图像的对比度。 例如对细节比较丰富的 图像数字化。
1.局部处理 邻域 对于任一像素（i，j），该像素 周围的像素构成的集合{（i+p,j+q）， p、q取合适的整数}，叫做该像素的邻 域。如图2.5.2（a）。 常用的邻域如图2.5.2（b）、(c), 分别表示中心像素的4-邻域、8-邻域。
图2.5.2 像素的邻域
局部处理
对输入图像IP（i,j）处理时，某一输出像素JP(i,j) 值由输入图像像素（i,j)及其邻域N(IP(i,j))中的像素值 确定。这种处理称为局部处理。
2.3.3 量化参数与数字化图像间的关系
数字化方式可分为均匀采样、量化和非均匀 采样、量化。 所谓“均匀”，指的是采样、量化为等间 隔方式。图像数字化一般采用均匀采样和均匀 量化方式。 非均匀采样是根据图象细节的丰富程度改 变采样间距。细节丰富的地方，采样间距小， 否则间距大。 非均匀量化是对图像层次少的区域采用间 隔大量化，而对图像层次丰富的区域采用间隔 小量化。 采用非均匀采样与量化，均会使问题复杂 化，因此很少采用。
v0=5/64 v1=12/64 v2=18/64 v3=8/64 v4=1/64 v5=5/64 v6=8/64 v7=5/64
vi
i
2.4.2 直方图的性质
①灰度直方图只能反映图像的灰度分布情况，而 不能反映图像像素的位置,即丢失了像素的位置 信息。 ②一幅图像对应唯一的灰度直方图，反之不成立。 不同的图像可对应相同的直方图。图2.4.2给出 了一个不同的图像具有相同直方图的例子。
鼓式扫描仪 又称为滚筒式扫描仪。鼓式扫描仪是专业印刷排版领域应用 最广泛的产品。 滚筒式扫描仪的结构特殊，它的工作原理是把原图贴放在一 个有机玻璃滚筒上，让滚筒以一定的速率围绕一个光电系统旋 转，探头中的亮光源发射出的光线通过细小的锥形光圈照射在 原图上，一个像素一个像素地进行采样。 这种扫描仪的光学分辨率高、色 深高、动态范围宽，而且输出的图 像普遍具有色彩还原逼真、阴影区 细节丰富、放大效果优良等特点。 但它的体积大，价格也很高。
大局处理 在局部处理中，输出像素JP(i,j)的值取决于输入图 像大范围或全部像素的值，这种处理称为大局处理。如图 ２.5.6。
其计算表达式为：
图2.5.6 大局处理
JP(i, j ) G (G( IP(i, j )))
(2.5 3)
2.迭代处理
目的：
1. 熟悉本章基本概念和图像处理算法形式，了解图像的特 征； 2.重点掌握图像数字化图像灰度直方图的基本概念及应用、 图像数据结构与特征
2.2 成象模型
3-D客观场景到2-D 成像平面的中心投影。 物方点空间坐标与对应 的像方点坐标满足几何 透视变换关系（共线条 件）。 f(x，y)---理想成像面坐标点（x，y） 的亮度 i(x，y)---照度分量 r(x，y)---反射分量，则 f(x，y)＝i(x，y)×r(x，y) 其中 ：0< i(x，y)< ∞ ， 0 <r(x，y)<1
2.3.1采样
将空间上连续的图像变换成离散点的操作称为采样。 采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。 当对图像进行实际的抽样时，怎样选择各抽样点的 间隔是个非常重要的问题。关于这一点，图像包含何种 程度的细微的浓淡变化，取决于希望忠实反映图像的程 度。
不同形状的采样孔径
采样方式:有缝、无缝和重迭
下图是一幅图像的灰度直方图。 频率的计算式为
灰度图像的直方图
彩色图像的分波段直方图
二、计算
该图像像元总数为8*8=64, i=[0,7]
0 0 1 2 3 2 1 3 1 5 6 6 2 2 2 1 3 7 0 7 2 5 3 2 2 6 6 5 7 6 2 3 1 2 3 3 2 2 1 1 3 5 5 6 4 7 2 2 2 6 1 5 1 6 1 2 1 7 2 0 6 0 2 1
数字图像根据灰度级数的差异可分为：黑白图像、 灰度图像和彩色图像。
黑白图像
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或1。
例如
1 0 0 I 0 0 1 1 1 0
灰度图像
灰度图像是指灰度级数大于2的图像。但它不包 含彩色信息。 0 150 200 I 120 50 180 250 220 100
2.3图像数字化
图像数字化是将一幅画面转化成计算机能处理 的形式——数字图像的过程。
模拟图像
数字图像
正方形点阵
具体来说，就是把一幅图画分割成如图2.3.1所示 的一个个小区域（像元或像素），并将各小区域 灰度用整数 来表示，形成一幅点阵式的数字图像。它包括采样和量化两 个过程。像素的位置和灰度就是像素的属性。
2.3.4 数字化器
数字化器必须能够将图像划分为若干像素并分别给它们地 址，能够度量每一像素的灰度并量化为整数，能够将这些整数 写入存储设备。 一、数字化器组成 A．采样孔：保证单独观测特定的像素而不受其它部分的影响。 B．图像扫描机构：使采样孔按预先确定的方式在图像上移动。 C．光传感器：通过采样孔测量图像的每一个像素的亮度。 D．量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。 E．输出存储体：将像素灰度值存储起来。它可以是固态存储 器，或磁盘等。 常用的数字化器是扫描仪、数码相机和数码摄像机。
局部处理的计算表达式为
JP(i, j ) N ( N ( IP(i, j )))
例如 对一幅图象采用3×3模板进行卷积运算。
点处理 在局部处理中，当输出值JP(i,j)仅与IP(i,j)有关， 则称为点处理，如图2.5.5。
图2.5.5 点处理
点处理的计算表达式为：
JP(i, j) p (IP(i, j)) (2.5 2)
平台式扫描仪 又称平板式扫描仪、台式扫描仪，这种扫描仪诞生于 1984年，是目前扫描仪的主流产品。 它的扫描区域为一块透明的平板玻璃，将原图放在这 块玻璃平板上，光源系统通过一个传动机构作水平移动， 发射出的光线照射在原图上，经反射或透射后，由接收系 统接收并生成模拟信号，再通过A／D转换成数字信号，直 接传送到电脑，由电脑进行相应的处理，完成扫描过程。 平板式扫描仪的扫描速度、精度、质量很好，已得到了很 好的普及。
数字化器的噪声水平(应当使噪声小于图像内的反差) 黑白/彩色，价格,操作性能等
2.4图像灰度直方图
2.4.1 概念 一、定义
灰度直方图反映的是一幅图像中各灰度级像素出现 的频率。以灰度级为横坐标，纵坐标为灰度级的频率， 绘制频率同灰度级的关系图就是灰度直方图。它是图像 的一个重要特征，反映了图像灰度分布的情况。
二、扫描仪工作原理 扫描仪是图像输入的常用设备。其工作步骤是: 1.将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上; 2.启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源 通过机械传动机构在控制电路的控制下带动装着光学系统和 CCD的扫描头与图稿进行相对运动来完成扫描。 3.照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成 横向光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜 ，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带，分 别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号， 该信号又被A/D变换器转变为数字 电子信号。 4.将数字电子信号传送 至计算机存储起来。
彩色图像
彩色图像是指每个像素由R、G、B分量构成的图 像，其中R、B、G是由不同的灰度级来描述。
255 240 240 R 255 0 80 255 0 0
0 160 80 G 255 255 160 0 255 0
80 160 0 B 0 0 240 255 255 255
2.5图像处理算法的形式 2.5.1图像处理基本功能的形式
按图像处理的输出形式，图像处理的基本功能可分 为三种形式。 1）单幅图像 → 单幅图像 ,如图2.5.1(a)。
2）多幅图像 →单幅图像, 如图2.5.1(b)。
3）单（或多）幅图像→ 数字或符号等，如图2.5.1(c)。
2.5.2图像处理的几种具体算法
G 2g 一般来说，
，g就是表示存储图像像素灰度
值所需的比特位数。 若一幅数字图像的量化灰度级数G=256=28 级，灰 度取值范围一般是0~255的整数，由于用8bit就能表示 灰度图像像素的灰度值，因此常称8 bit 量化。 从视觉效果来看，采用大于或等于6比特位量化的 灰度图像，视觉上就能令人满意。 一幅大小为M×N、灰度级数为G的图像所需的存储 空间，即图像的数据量，大小为 M×N×g （bit）
扫描仪的类型有很多种，按扫描仪所扫描对象来划分，可 分为反射式和透射式两种。根据其组成结构，扫描仪可分为手 持式、平板式和滚筒式等几种。
手持式扫描仪 这种扫描仪诞生于1987年，是当年使用比较广泛的扫描仪 品种，最大扫描宽度为105mm，用手推动，完成扫描工作， 也有个别产品采用电动方式在纸面上移动，称为自走式扫描仪。 手持式扫描仪扫描幅面太窄，难于操作和捕获精确图像， 扫描效果也很差。1995 ~1996年，各扫描仪厂家相继停止生 产这一产品，手持式扫描仪退出了历史的舞台
第二章 基本概念
第二章
讲解内容
1. 图像数字化概念、数字化参数对图像质量的影响、 数 字化器性能评价 2. 图像灰度直方图的基本概念、计算、 性质及其应用 3.数字图像处理算法形式与数据结构 4.图像图像文件格式与特征 重点：图像数字化、图像灰度直方图和图像文件BMP格式 难点：图像数字化、直方图应用、图像分层结构数据 教学法：灵活应用示例法、启发式、提问法等
图2.4.2 不同的图像具有相同直方图 ③一幅图像分成多个区域，多个区域的直方图之 和即为原图像的直方图。
2.4.3 直方图的应用
①用于判断图像量化是否恰当
(a) 恰当量化
(b)未能有效利用
(c)超过了动态范围
图2.4.4直方图用于判断量化是否恰当
②用于确定图像二值化的阈值
0 g ( x, y ) 1
均匀量化效果示意图
非均匀量化效果示意图
图像的质量
1.平均亮度
2.对比度 是指一幅图象中灰度反差的大小。 对比度=最大亮度/最小亮度
3.清晰度 由图像边缘灰度 变化的速度来描述。
4.分解力或分辨率
一般来说，采 样间隔越大，所得 图像像素数越少， 空间分辨率低，质 量差，严重时出现 像素呈块状的国际 棋盘效应； 采样间隔越小， 所得图像像素数越 多，空间分辨率高， 图像质量好，但数 据量大。
图像数字化器的性能评价项目
项 目 内 容
空间分辨率
灰(色)度分 辨率 图像大小
量测特征
单位尺寸能够采样的像素数。由采样孔径与间距的大 小和可变范围决定。 量化为多少等级(位深度),颜色数(色深度) 仪器允许扫描的最大图幅 数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度
扫描速度
噪声 其他
采样数据源自文库传输速度
f ( x, y ) T f ( x, y ) T
具有二峰性的灰度图象
③当影像上目标的灰度值比其它部分灰度值大或者灰 度区间已知时，可利用直方图统计图像中物体的面 积。 A= n vi
i T
(2.4-3)
④ 计算图像信息量H（熵）
L1 i 0
H Pi log2 Pi
（2.4-4）
2.3.2量化 经采样图像被分割成空间上离散的像素，但其灰度 是连续的，还不能用计算机进行处理。 将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫量化。
表示像素明暗程度的整数称为像素的灰度级（或灰 度值或灰度）。
一幅数字图像中不同灰度级的个数称为灰度级数， 用G表示。
灰度级数就代表一幅数字图像的层次。图像数据的 实际层次越多视觉效果就越好。