第1章数字图像基础禹晶老师

17
数字图像的多样性
成像多样化
– 将电磁波的各个波段按照波长或频率的递增或递减顺 序依次排列形成电磁波谱。
– 电子成像可以通过几乎任何一种电磁波辐射转换成电 1mm 10mm 1cm 1m 10m 100m 0.1km 10km 100km 信号形成数字图像。
毫米波 厘米波 分米波 超短波 短波 中波 超波 超长波
参考书
“Digital Image Processing”, Rafael C. Gonzalez &
Richard E. Woods, Addison-Wesley, 2002.
数字图像处理, R.C.Gonzalez , Richard E.Woods著, 阮秋琦,
阮宇智等译, 电子工业出版社.
数字图像处理的MATLAB实现(第2版), Rafael C. Gonzalez,
Richard E. Woods, Steven L. Eddins, 阮秋琦译,清华大学出 版社.
图像工程(第2版), 章毓晋(著), 清华大学出版社
Journals & Conferences in Image Processing
35
图像数字化
若将样本量化为Q级，Q如何取值：
– Q总是取2的整数次幂， ；
– 灰度级位数越大，量化误差越小。
36
Intensity Level Resolution
量化决定灰度级分辨率，指可分辨的最小灰阶变 化。
– The more intensity levels used, the finer the level of detail discernable in an image – Intensity level resolution is usually given in terms of the number of bits used to store each intensity level


Conferences:

Grading Policy
Assignments: 30% Final Exam: 70% Total: 100%
Class Web Page
http://eol.bjut.edu.cn
Class
lectures posted Assignments distributed
33
空间分辨率与图像质量
图像插值放大仅能增加图像的像素数，不能提高 图像的空间分辨率。
双线性插值图像对比，尺寸均为256×256
34
图像数字化
量化
– 图像函数值（灰度值）的离散化（取值的数字 化） – 常见的像素的灰度级数
灰阶 白 灰度 255
灰
127
黑
0
从白到黑的 连续变化
量化
灰度级的分配
– 若信号是带限的，并且采样频率高于信号最大频率的2 倍「奈奎斯特频率」，则可以无失真地从采样信号中 完全重建出原来的连续信号。
30
图像数字化
正六边形采样网格更符合人眼的视觉特性。
视网膜上分布的视神经细胞的排列方式为正六边形 结构，且这些细胞在水平方向和垂直方向上相比在 对角方向Fra Baidu bibliotek对高频信号有更高的光敏感度。
γ射线
X射线
紫外线
红外线
微波
视频、无线电波
0.001nm
1nm
10nm
电波 可见光
紫 蓝 绿 黄 橙 红 近红外 短波红外 中红外 热红外 远红外 400nm 500nm 600nm 700nm 1300nm 3mm 8mm 14mm 1mm
依据波长排列的电磁波谱
18
成像多样性
成像方式分类：
– 反射成像是由物体表面反射的电磁波到达成像传感器 而成像；
– 常用的成像和显示设备中，灰度图像中每一个 像素的灰度级通常采用8 位表示，具有 个灰度级，每一个灰度像素占用1个字节。
灰度图像的数据表示
25
图像数据量
索引图像
– 包含颜色查找表，通过查找映射的方法表示彩 色图像的颜色。
颜色查找表通常用一个 维数为 的数组来 表示， 为索引图像的 像素值总数，每一行的 3维向量为R、G、B颜 色分量。
自然场景的空间位置和辐射度都是连续量，将连 续（模拟）信号转变为离散（数字）信号的转换 过程。 图像数字化的过程包括两个步骤
– 采样：空间坐标 – 量化：亮度值 的离散化 的离散化
数字图像（DIDITAL IMAGE）
– 空间坐标和亮度上都离散化的图像。
28
图像数字化
采样
– 图像在空间上的离散化，空间上连续的图像转换成离 散点（像素，PIXEL）
课程目的与要求
掌握数字图像处理的基本概念、原理和方法 初步运用所学知识解决实际问题 为图像处理及相关领域的研究奠定基础
Contents
数字图像的概念 数字图像的多样性 图像数据量 图像数字化
数字图像的常见失真类型
11
数字图像的成像
Images are typically generated by illuminating a scene and absorbing the energy reflected by the objects in that scene.
CVPR: Comp. Vision and Pattern Recognition ICCV: Intl Conf on Computer Vision ACM Multimedia ICIP: Intl Conf on Image Processing ECCV: European Conf on Computer Vision ICASSP: Intl Conf on Acoustics, Speech and Signal Processing
Imaging Sensor
Line of Image Sensors
Array of Image Sensors 图像是像素的二维排列
13
图像获取
数字图像的储存方式以像素为单位，
传感器阵列上每一个感光元对应数字图像中的一个 像素，
每一个像素值反映自然场景中相应成像点的亮度。
自然场景及其对应的数字图像



Journals:
IEEE T PATTERN ANALYSIS MACHINE INTELLIGENCE INTL J COMP. VISION IEEE T IMAGE PROCESSING IMAGE AND VISION COMPUTING COMPUTER VISION AND IMAGE UNDERSTANDING PATTERN RECOGNITION
image@emails.bjut.edu.cn 密码：Pattern&Image
章节安排
第1章 数字图像基础（2） 第7章 彩色图像处理（2）
第2章 数字图像处理基础（3） 第8章 数学形态学图像处理（4） 第3章 空域图像增强（5） 第4章 频域变换（3） 第5章 频域图像增强（3） 第6章 图像复原（2） 第9章 图像分割（4） 第10章 小波变换与多分辨率分析 第11章 图像压缩编码 第12章 表示与描述（2）
数字图像的成像过程
12
图像获取
Incoming energy lands on a sensor material responsive to that type of energy and this generates a voltage Collections of sensors are arranged to capture images
Number of Bits 1 2 4 Number of Intensity Levels 2 4 16
8
16
256
65,536
37
灰度级分辨率与图像质量
8位（256个灰度级）
4位（64个灰度级）
2位（4个灰度级）
1位（2个灰度级）
38
灰度级分辨率与图像质量
24位，1670万色
8位，256色
14
什么是数字图像？
数字图像用二维的亮度函数
–
–
表示
和
表示空间坐标，
的函数值，与成像于该点的
是关于坐标 光强成正比。
1 pixel
数字化的空间 位置称为像素 （Pixel）， 数字化的亮度 值称为灰度值。
15
数字图像表示
通常用二维矩阵
0 原点 1 2 . . . 采样阵列 . . .N ¡ 1
颜色深度对数字图像质量的影响
39
非均匀采样与量化
非均匀采样
– 在变化大细节多的区域——较精（密）采样
– 平坦变化缓慢区域——较粗（稀）采样
非均匀量化
– 在边界附近（灰度剧烈变化区）——量化级少 – 灰度级变化比较平滑的区域——量化级多，避免或减 少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平滑的区域 出现假轮廓的现象
– 正方形点阵结构对水平方向和垂直方向的空间位置进 行光栅化；
采样列 像素
采样行 采样 间距
图像 采样 间距
采样
29
图像数字化
假定一幅图像取M×N个采样点 – M、N一般为2的整数次幂； – M、N可以相等，也可以不等； – 对于M、N数值大小的确定：M×N满足采样定 理，重建图像就不会产生失真。 香农采样定理
– 发光成像是物体本身辐射的电磁波到达成像传感器而 成像； – 吸收成像是由于一部分透过物体的电磁波到达成像传 感器而成像。
成像 传感器 光线 发光物体 反射线 放射线 透射线 透明/半透 明物体
三种成像方式示意图
不透明物体
放射源
清华大学礼堂可见光图像
红外成像
颈椎CR图像
多光谱卫星遥感图像
日光成像
主动脉造影成像
三种成像方式的典型例子
20
数字图像的多样性
尺度多样性
– 从图像反映的实体尺寸看，可以小到电子显微镜图像， 大到航空、航天遥感图像，甚至天文望远镜图像。
• 日常观察物体或场景
• 天文望远镜
• 电子显微镜
远距离拍摄的地球和星系图像
普通数码相机拍摄的 自然场景图像
显微镜下拍摄的胎儿和细胞图像
表示一幅数字图像：
y
0 1 2
. . . . . .
M ¡ 1
像素
f (x;y)
x
其中，M×N为空间分辨率。
16
空间分辨率
The spatial resolution of an image is determined by how sampling was carried out Spatial resolution simply refers to the smallest discernable detail in an image – Vision specialists will often talk about pixel size – Graphic designers will talk about dots per inch (DPI)
40
Resolution: How Much Is Enough?
索引图像的数据表示
26
图像数据量
真彩色图像
– 每一个彩色像素用 一个3维向量来表 示，由R、G、B颜 色分量组成。 – R、G、B颜色分量 各占用8 位表示相 应颜色分量的亮度， 每一个颜色分量各 有256个灰度级， 这3个字节组合可 以产生 万种不同的颜色。
真彩色图像的数据表示
27
图像数字化
第一章 数字图像基础 Chapter 1 Digital Image Fundamentals
2学时
“One picture is worth more than ten thousand words”
教材
《数字图像处理》,
禹晶, 孙卫东, 肖创柏. 机械工 业出版社, 2015. Office: 信北402 Mail: jing.yu@bjut.edu.cn WeChat: LIONXIAO
不同尺度实体的图像
22
图像数据量
根据图像的数据量，将图像主要分为4类：
– 二值图像 – 灰度图像
– 索引图像
– 真彩色图像
23
图像数据量
二值图像
– 每一个像素仅占用1位，灰度值为0或1，其中， 0表示黑色，1表示白色， – 俗称黑白图像。
二值图像的数据表示
24
图像数据量
灰度图像
– 黑与白之间有多级灰色深度。
正方形点阵结构
正六边形点阵结构
31
空间分辨率
采样决定空间分辨率，反映图像数字化的像素密 度，以及图像的有效像素。
ISO12233标准分辨率测试卡
32
空间分辨率与图像质量
空间分辨率越低，可辨细节越差。
256×256
128×128
64×64
32×32
空间分辨率为 256×256、128×128 、64×64 、32×32的图像