第2讲 图像处理基础2010(03)

2.2.2 数字化原理
2.2.2 数字化原理
2.2.2 数字化原理
非均匀采样和量化
－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
2.2.2 数字化原理
f ( x, y) 表示灰度级、bright, 彩色 f ( x, y, ) ,连续图像
f ( x, y, , t ) .如X光图像反映人体组织吸收特性，红外图像


图像质量与分辨率无关
缺点：不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像
2.3.1 图像模式（图像类型）
位图
位图： 通过许多像素点表示一幅图像，每个像
素具有颜色属性和位置属性。
种类： LineArt)、灰度图像 (GrayScale)、索引颜色图像(Index Color)和 真彩色图像（True Color）。
2.2.2 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
颜色数： 256 ×256 ×256 （每个字节为 8 bit 时），种 1670 万 种。 象素的颜色直接存放在 图像矩阵中，显示快。
* 位图的有关术语
（1） 像素（Pixel） 在计算机中，图像是由显示器上许多光点组
成的， 将显示在显示器上的这些点（光的单元）称为像素。
（2）
每英寸图像含有多少个点或像素， 分辨率的单位为 dpi 。
2.2.2 数字化原理
（6） 采样和量化的关系
量化和采样是两个不同的概念，量化是在每个采样 点上进行的，所以必须先采样后量化。
量化和采样是图像数字化的不可或缺的两个操作，
二者紧密相关，同时完成。
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
2.2.2 数字化原理
s( x, y)
m n
( x mx, y ny) f ( x, y) f ( x, y)s( x, y)
s


o
y
y
x
x
采样间隔满足条件x ≤
1 1 和y ≤ ，此时模拟 2uc 2vc
图像的采样结果可以精确地，无失真地重建原图像
2.2.2 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)
2.2.2 数字化原理
（5）量化
均匀量化
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 b）先计算所有可能的亮度值出现的概率分布，对概率分 布大的进行细量化,对概率分布小的进行粗量化,非均匀 量化可以减少量化误差，又能用较少的比特数实现量化
连续信号（抽样、量化）——数字信号
2.1.2 数字化原理
图像矩阵的特点：
a）
0 f ( x, y)
b）数字化抽样：正方形点阵、三角形点阵、正 六角形点阵等
采样点阵：正方形、正三角、正六角形
2.2.2 数字化原理
（3） 采样定理
一维采样定理：惠特克－卡切尼柯夫－香农
（whittaker-korelnikov-shannon）采样定理。当 w ≥ 2 f c 或 f ≥ f c，则函数 f (t )的傅立叶 fc 2 或更密的样
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
2.2.1 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
SemiconduBaidu Nhomakorabeator）
（2）多波段图像数据结合结构
2）按扫描行存储
红 绿 第1行 蓝
…
3）按各个像素存储
红 绿
（1，1）
蓝
…
（1 ，2 ）
2.4 图像文件格式
2.4.1 BMP文件格式 2.4.2 GIF文件格式 2.4.3 TIFF文件格式 2.4.4 JPEG文件格式
2.4.5 DICOM文件格式
2.4 图像文件格式
只有灰度颜色而没有彩色（通常8位，256灰度级）
2.3.1 图像模式（图像类型）
2.3.1 图像模式（图像类型）
（3 ）索引图像
颜色索引矩阵（预先定义）+图像数据矩阵（索引值） 索引值（颜色数）： 最多 256 ×3 种
每一点的值通过索引矩阵查找，显示慢。
2.3.1 图像模式（图像类型）
（4）彩色图像
2.1 数字图像处理系统
硬件、软件
采集 显示 存储
通信
主机 图像处理软件
2.1 数字图像处理系统
图像输入模块 • 光敏感器件 CCD (Charge Coupled Device) • 模/数转换装置 采集卡 常见设备：电视摄像机 扫描仪 数码相机 多光谱像机 红外摄像仪 合成孔径雷达（SAR）等 图像显示模块（显卡＋显示器） 图像存储模块：硬盘、活动硬盘、光盘；磁盘阵列、磁带库、 光 盘塔；网络存储系统（ SAN NAS） 主机 ：微机、工作站、采用大型机 图像处理软件 由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成， 常用： VC++ 6.0 MATLAB 等
第2讲 数字图像处理基础知识
视觉 基础 人眼与亮度视觉
颜色视觉 成像模型 图像和视觉 基础 成像 基础
成像几何
采样和量化
图像 基础
像素间联系 图像运算
图像坐标变换
第2讲 图像处理基础知识
1 视觉感知要素 2 图像处理基础
2.1 图像处理系统 2.2 图像数字化 2.3 图像数据结构 2.4 图像文件格式
变换为0，亦即f (t )可由相隔为 本正确重构
2.2.2 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
(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
图（bitmap） 设备无关位图(deviceindependent bitmap， DIB)格式，默认的文件
扩展名是BMP或者bmp
BMP图像文件头 BITMAPFILEHEADER
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。
2.3.1 图像模式（图像类型）
（4）
每一个像素由红、绿和蓝三个字节组成。任意彩色光L
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。
人头像——要照顾层次？k大，N小（频带窄平滑，采样间隔可大）。
2.2.2 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
3 图像质量评价
1
视觉感知要素
•人眼构造
1
视觉感知要素
杆状体与锥状体
1
视觉感知要素
人眼成像
1
视觉感知要素
亮度适应
1
视觉感知要素
亮度适应
1
视觉感知要素
亮度适应
1
视觉感知要素
视觉错觉
2 图像处理基础知识
2.1 图像处理系统
2.2 图像数字化
2.3 图像数据结构
2.4 图像文件格式
2.5 图像质量评价
2.3.1 图像模式
（1）二值图像（ 线画稿） 只有黑白两种颜色（二值 ) “黑白艺术”、 “位图艺术”、 “一位元艺术”。 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。
x
适合:由黑白两色构 成而没有灰度阴 影的图像。
O y
2.3.1 图像模式（图像类型）
（2）灰度图像
反映温度辐射特性，CCD反映可见光的特性 在图像建模中涉及到
保真度(fidelity)：衡量处理方法好坏，清晰否？
采样、量化 正交序列展开，Fourier变换
统计模型：把图像看成一个集合的成员如均值、方差。
2.2.3 像素间的基本关系
邻域关系
2.2.3 像素间的基本关系
• 邻域关系
• 距离度量
2.2.2 数字化原理
2.2.2 数字化原理
2.1.2 数字化原理
(2) 采样和量化
采样：空间上的离散化 量化：灰度上的离散化
f ( x, y )
nT 抽样
f (0, 0) f (n 1, 0)
f (0, n 1) f ( n 1, n 1)
2.2.2 数字化原理
空间分辨率：矩阵M×N。 灰度分辨率：灰度2k灰度 级，k比特

像素
字节数B为 :
Q B M N ( Byte) 8
2.2.2 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）。
2.3 图像数据结构
2.3.1 图像模式
2.3.2 图像存储的数据结构
2.3.1 图像模式（图像类型）
静态图像：矢量(Vector)图和位图（Bitmap）， 位图也称 为栅格图像。
矢量图
矢量图：用一系列绘图指令来表示一幅图，如 AutoCAD中的绘图语句。 对象：图像中每一个形状都是一个完整的公式。 优点：文件数据量很小；
数字图像输入输出设备
2.2 图像数字化
2.2.1 图像传感器与数字成像 2.2.2 数字化原理
2.2.1
图像传感器与数字成像
2.2.1
图像传感器与数字成像
2.2.1
图像传感器与数字成像
2.2.1
图像传感器与数字成像
2.2.1
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
260bpi
(3) 屏幕分辨率 640×480 (4) 打印机扫描仪分辨率 (dpi) 是指打印机输出图像时每英寸的点数 显示器上每单位长度显示的像素或点的数量 ,
2.3.2 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
1）按各个波段存储
红 绿
蓝
2.3.2 图像存储的数据结构
图像文件的数据构成：文件头+ 图像数据
文件头：内容由制作该图像文件的公司决定，一般包括文 件类型、文件制作者、制作时间、版本号、 文件大小等内 容。各种图像文件的制作还涉及到图像文件的压缩方式和 存储效率等。
2.4 图像文件格式
2.4.1 BMP文件格式
不经过压缩直接按位存
盘的文件格式，称为位
2.2.2 数字化原理
（4）采样误差
混叠噪声
孔径效应：实际采样脉冲不是理想冲击函数，有一 定的宽度，会产生失真 插入噪声：由采样图像信号恢复到原图像，无理想 滤波器（在 fc 内频率特性平坦，相位特性成直线)
抖动噪声：采样周期为 T ，但发射与接受端 T 存在
相位差异，称相位抖动。