第二章数字影像获取与处理基础

第二章 数字影像获取与处理基础
本章提要 一．数字影像的定义 二．数字影像处理基础 三．模拟影像数字化 四．数字影像重采样 五．数字成像传感器
作业
一． 数字影像的定义
连续图像：像点连续，灰度分布连续 数字图像：离散数据
8 10 9 13 15 18

4
1
1 21 95 32
22 1 1 1 0 0
二． 数字影像处理基础


4）采样过程 s(x)g(x) g(x) (x kx) g(kx) (x kx)
k
k
Fourier变换对，有下述关系：
s(x)g(x) S( f )G( f ) s( x ) g( x ) S( f )G( f )
此算法称双线性插值法
y
I11
I12
x
y I
x I21
I22
该算法也可称为卷积核为三角 形函数的卷积法
W(x) 1 (x), x 1
四． 数字影像重采样
1）双线性插值法
22
I(P)
I(i, j) W(i, j)
i1 j1
I

I11

I
21
I12
I
22

W

W31 W32 W41 W42
W13 W14
W23
W24

W33 W34
W43
W44

四． 数字影像重采样
2）双三次卷积法
W11 W ( x1)W ( y1)
W44 W ( x4 )W ( y4 ) Wij W ( xi )W ( y j )
x方向:
则F与F0之比称为透过率T。
F0与F之比称为不透过率O。
三． 模拟影像数字化
为适应人眼视觉，在分析影像性能时，不直接
用透过率或不透过率表示其黑白程度，而用不透过
率的对数值表示：
D log O log 1 T
D为影像的灰度，当光线全部透过时，即透过
率等于1，则影像的灰度等于0，当光通量仅透过百
四． 数字影像重采样
3）最邻近像元法 特点： 计算简单，速度快； 不破坏原始影像的灰度信息； 精度最低；
四． 数字影像重采样
最邻近像元法最简单，计算速度 快且能不破坏原始影像的灰度信息， 但其几何精度较差。
k
2fl x
g(kx) sin 2fl (x kx)
k
2fl (x kx)
数字影像 采样函数
四． 数字影像重采样
1）双线性插值法 卷积核为三角形函数
W(x) 1 (x), x 1
W(x) 1
x -1,0 0 1,0
如果已知IA、IB、AB、AC，则：A C B
多光谱图像含义：
是利用多光谱成像设备获取的多波段图像，每个 波段图像分别记录了同一地面范围内的地物在不同波 段上的光谱辐射信息。
一． 数字影像的定义
1）数字摄影测量的数据源； 2）自动化数字摄影测量的必然要求。
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二． 数字影像处理基础
• 采样
对实际连续函数模型 离散化的量测过程
• 样点
被量测的“点”是小
IC

(1
AC AB
)

I
A
(1
BC AB
)

I
B
如果AB=1，则：y AC
y AC AB
IC (1 y) I A y IB
四． 数字影像重采样
1）双线性插值法
I (1 x)(1 y)I11 (1 x)yI12
x(1 y)I21 xyI22
I (P) W11I11 W12I12 W21I21 W22I22 (1 x)(1 y)I11 (1 x)yI12 x(1 y)I21 xyI22
加权平均值
四． 数字影像重采样
2）双三次卷积法
其卷积核是一个三次样条函数,利用内插点附近的 16个原始影像点进行计算。
二． 数字影像处理基础
5）采样定理（Nyquist频率）
采样间隔--x
x 1 2 fl
fl为截止频率
当采样间隔能使在函数g(x)中存在的最高
频率中每周期取有两个样本时，则根据采样数
据可以完全恢复原函数g(x)。
二． 数字影像处理基础
采样孔径对颗粒噪声的抑制作用可表示：
S N
4.5dD1/ 2
W11 W21
W12
W22

W11 W ( x1)W ( y1) ; W12 W ( x1)W ( y2 )
四． 数字影像重采样
1）双线性插值法
W (x1) 1 x ; W (x2 ) x ; W (y1) 1 y ; W (y2 ) y x x INT(x) y y INT( y)
/D
D 为颗粒噪声是经验值，经实际检测得到。
结论：采样孔径越大，信噪比越高，
但采样孔径太大，则降低影像分辨率及精度。
返回
• ••• • ••• • ••• • •••
三． 模拟影像数字化
T F F0
O 1 F0 TF
影像的灰度又称为光学密度。透明像片（正片或负片） 影像的灰度值，反映了它透明的程度，即透光的能力。 设投影在透明像片上的光通量为F0，透过透明像片后的 光通量为F，
96
采样间隔
二． 数字影像处理基础
（一维影像）
G( f ) g ( x)e j 2fx dx
G( f )
g(x) G( f )
fl
fl
二． 数字影像处理基础
1
0
x
1）δ-函数
( x)
2）采样函数
1, 0,
x0 x0

s( x ) ( x kx )
三． 模拟影像数字化
000 00 0 0 11 0 00 0 11 100 0 01 100 000 00 0
0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0
三． 模拟影像数字化
1）与像元的大小有关
三次样条函数：
W1(x) 1 2x2 x 3,
0
x

1

W2 (x) 4 8 x 5x2 x 3, 1 x 2
W3 (x) 0,
2 x
x
y
11 12 13 14
y
21 22 x23 24
31
y
32
I
Biblioteka Baidu
33
34
41 0 42 1 43 244 x
2）双三次卷积法
y
:
W W W
( ( (
y1 ) y2 ) y3 )
W W W
(1 (y (1
y) ) 1 y)
y 2y2 y 2y2 y3 y y2 y3
3
W ( y4 ) W (2 y) y2 y3
三． 模拟影像数字化
3）与数字图像的编码方式有关
000000 011000 011100 001100 000000
702140 314021 80 724342 8
返回
四． 数字影像重采样
当欲知不位于矩阵点（采样点）上的原始函数 g(x,y)的数值时就需进行内插，此时称为影像重采样 （resampling）。意即在原采样的基础上再一次采样。
分之一，即不透过率是100时，则影像的灰度是2，
实际航空底片的灰度一般在0.3到1.8范围之内。
三． 模拟影像数字化
方法：将像片有可能出现的最大灰度变化范围进行等分，等 分的数目称“灰度等级”；然后将每个点的灰度值在其相应 的灰度等级内取整，取整原则是四舍五入。由于计算机中数 字均用二进制表示，因此灰度等级一般都取2m （m是正整 数）。
W W W
( ( (
x1 ) x2 ) x3 )
W (1 x) W (x) 1 W (1 x)
x 2x2 x3 2x2 x3 x x2 x3
W (x4 ) W (2 x) x2 x3
四． 数字影像重采样
四． 数字影像重采样
2）双三次卷积法
44
I(P)
I(i, j) W(i, j)
i1 j1
I11 I I21
I31 I 41
I12 I 22 I 32 I 42
I13 I 23 I 33 I 43
I14
I
24

I34
I
44

W11 W12 W W21 W22
当m=1时，灰度只有黑白两级， 当m=8时，则得256个灰度级， 0为黑，255为白，每个像元素灰度值占8bit（一个字 节）。量化过程会给影像灰度带来四舍五入的0.5凑 3整误0.0差2 ，如： 将最大密度范围0-3划分64级，最大量化误差 64 可看出，量化误差与密度等级有关，密度等级越大，量 化误差越小。
33 55 1 1 32 34
72 54 36 11 11 23
一． 数字影像的定义
1）模拟影像数字化 2）数字传感器（摄影与空中摄影）
一． 数字影像的定义
18 23 78 77 68 23 45 67 78 10 45 67 89 99 86 45 34 44 55 77 23 34 45 67 88
四． 数字影像重采样
2）双三次卷积法 特点：
• 是理论上最优的Sinc函数的有效近似； • 计算量较大； • 需要附近16个像元参加计算； • 精度高
四． 数字影像重采样
3）最邻近像元法
I(P) I(N)
直接取与P(x,y)点 位置最近像元N的 灰度值为该点的灰 度作为采样值
1
2
3
4
xN INT(x 0.5) yN INT( y 0.5)
8 10 9 13 15 18

4
1
1 21 35 32
22 1 1 1 0 0
33 55 1 1 32 34
72 54 36 11 11 23
四． 数字影像重采样
1 x
2 fl
g(x) g(kx) (x kx) sin 2fl x
一． 数字影像的定义
数字影像表达形式
g0,0
g


g1,0
g m1,0
g0,1 g1,1
gm1,1
g0,n1
g1,n1


g m1,n1
x x0 i x (i 0,1,n 1) y y0 j y ( j 0,1,m 1)
一． 数字影像的定义
灰度图像含义：
是指每个像素由一量化的灰度来描述的图像， 没有
彩色信息。 若图像灰度只有两级，这样的图像称
二值图像。
一． 数字影像的定义
彩色图像含义：
是指每个像素由红、绿、蓝（分别用R、G、B 表示）三原色构成的图像，其中R、G、B是由不同 的灰度级来描述的。
一． 数字影像的定义
三． 模拟影像数字化
影像灰度的量化是把采样点上的灰度数值转换为 某一种等距的灰度级。灰度级的级数一般选用2的 指数M，当M=1时灰度只有黑白两级。当M=8时,则 得256个灰度级,其级数是介于0与255之间的一个整 数,0为黑,255为白 。
M=1
M=8
三． 模拟影像数字化
只需三个整数值（像元的行号i、列号j、灰度值序 号k）,常用矩阵来表示，矩阵中每个元素，就是数 字图像中的一个像元，这种表示形式在计算机中进 行存取是很方便的。
的区域----像素
• 采样间隔
矩形的长与宽通常称 为像素的大小
51 57 61 66 16 16 26 26 46 36 76 86 36 46 96 96 86 96 66 36 26 16 76 56 55 56 58 66 59 60 45 56 67 78 78 79 11 12 23 34 56 66
k
二． 数字影像处理基础
3）采样函数的 Fourier变换
S( f ) 1 ( f k 1 )
x k
x
s(x)
S(f)
f
x
x
-1/x
1/x
采样函数的Fourier变换仍是采样函数，并且，采
样函数的采样间隔越小，其Fourier变换的采样间隔
越大，幅度也有所变化，反之亦然。
5X6
10 X 12
三． 模拟影像数字化
2）与表示像元灰度的灰度级数有关
000 00 0 0 11 0 00
0 11 100 0 01 100 000 00 0
0 0 0 0 0 0 0 200 225 0 0 0 0 215 255 255 0 0 0 0 155 235 0 0 0 0 0 0 0 0