第二章 数字图像处理基础

2.3 图像文件的格式
图像格式的共同特征：
描述图像的高、宽及各种物理特征的数据。 彩色定义。每点bit数。 描述图像的位图数据体。
文件头
位图数据
2.3 图像文件的格式
2.3.1 BMP（BitMap Picture) 文件格式
位图文件头：文件类型、大小等信息。 位图信息头：图像的高度、宽度、大小等信息。 位图数据：每个像素的颜色。
与量化有关的概念
1.表示像素明暗程度的整数称为灰度级。（或灰度值、灰度） 2.一幅数字图像中不同灰度级的个数称为灰度级数（G）。
3.G=2g，g表示存储图像灰度级数所需的比特位数（bit）。
如：灰度级数G=256，8比特量化，（0-255） >或=6比特的量化，可以满足视觉效果； 8比特量化
4.均匀量化和非均匀量化 一般使用均匀量化
而在整幅图像中扫描特定的独立像素单元； (2) 扫描器件：使采样孔以预先确定的方式在图像上移动，
按照顺序依次扫描图像的每一个像素； (3) 光传感器：测量每一像素的亮度，将光亮度转化为电流
或电压信号； (4) 量化器：将传感器输出的连续值转化为整数值； (5) 输出存储装置：将量化的灰度值以适当的格式存储。
量化级数：影响图像信息的可分辨程度。量化等级越 多，图像层次越丰富，灰度分辨率越高，质量越好；反之…
不同采样点数对图像质量的影响
不同量化级别对图像质量的影响
一些实验结论：
1.采样点数越多，图像质量越好，但占空间大。 2.当图像的采样点数一定时，量化级数越多，图像质 量越好。
对一幅图像，当量化级数g一定时，采样点数 M×N对图像质量有着显著的影响。如图2-4所示， 采样点数越多，图像质量越好； 当采样点数减少时， 图上的块状效应就逐渐明显。同理， 当图像的采样 点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一 样。如图2-5所示，量化级数越多，图像质量越好， 当量化级数越少时，图像质量越差，量化级数最小 的极端情况就是二值图像， 图像出现假轮廓。
2.3.2 其他文件格式 1. TIF图像文件格式
标记图像文件格式TIF (Tag Image File Format)， 图像文件格式最复杂，考虑了扩展性、 方便性和 可修改性，是目前流行的图像文件交换标准之一。
2. GIF图像文件格式
图形交换文件格式GIF（Graphics Interchange Format), 目的是在不同的系统平台上交流、传输图像。 它是在Web及其他联机服务上常用的一种文件格式， 图像最大不能超过64 M，颜色最多为256色。
第二章 数字图像处理的基础
讲授内容：
1. 图像数字化、数字化参数对图像质量的影响、数字化器 的性能评价； 2.图像灰度直方图的概念、性质和应用； 3.数字图像的类型 4.图像文件格式 5.几种处理算法形式
重点：数字化、灰度直方图、图像文件格式BMP 难点：数字化、直方图、图像处理算法和形式结构
位图文件头，共占14个字节
1
3
7
11
BM
文件类型 文件大小 2个字节 4个字节
保留 4个字节
位图第一个像素 的偏移量，4个字节
位图信息头，共占40个字节
15
19
23
27
位图信息头长度(40)
29
31
图像的宽度 35
ຫໍສະໝຸດ Baidu
图像的高度 位图面数(=1) 39
每个像素 是否压缩 所占的位数 （未压缩=0）
对比度 = 最大亮度 / 最小亮度。
图像的质量：清晰度
缩小尺寸
图像的质量：清晰度
降低对比度
图像的质量：清晰度
减少细微层次
图像的质量：清晰度
降低饱和度
2.1.4 图像数字化设备（数字化器）
1. 图像数字化器(如：数码相机、胶片扫描仪)的组成 (1) 采样孔：使图像数字化器能不受图像其他部分的影响，
f (0, n 1)
f (1, n 1)
f (m 1, n 1)
2.1 图像数字化
图像的数字化包括采样和量化两个过程。
2.1 图像数字化
2.1.1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。
采样孔径
2.1.2 量化
模拟图像经过采样后，离散化为像素。但像素值（即灰度 值）仍是连续量。把采样后所得的各像素的灰度值转换为整 数的过程称为量化。（从模拟量到离散量的转换）
倒数第二行 第一列像素 的颜色值.
倒数第二行 第二列像素 的颜色值.
………………………………….
文件说明 位图文件头
文件信息头 位图数据
BMP图像文件格式
属性
所占字节数
起始字节
说明
bfType bfSize bf1 bf2 bfOffBits
2
1
文件类型（“BM”）
4
3
文件大小
2
7
保留
2
9
保留
4
11
位图可以从传统的相片、幻灯片上制作出来或使用数字相机
得到。 位图又可以分成如下四种：二值图像（binary image)
、灰度图像(gray-scale image)、索引颜色图像(index color image)和真彩色图像（true color image）。
1. 二值图像 只有黑白两种颜色。
(x,y)代表： 图像上某点的空间位置
f(x,y)代表：（x，y）点处图像的灰度值
数字图像：二维矩阵——g(i,j)；
（i,j）代表： 数字图像上某像素所在的行列位置
f（i,j）代表： 像素点处的灰度值，整数
f (0,0) f (0,1)
g(i,
j)
f
(1,0)
f (1,1)
f (m 1,0) f (m 1,1)
分辨率越高，图像细节越清晰，但文件尺寸大， 处理的时间长，对设备的要求高。
位图的有关术语
打印机分辨率： 打印图像时每英寸的点数(dpi)
激光打印机的分辨率可达600～1200dpi。
位图的有关术语
屏幕分辨率： 每单位长度显示的像素或点的数量 （dpi）
屏幕分辨率取决于显示器的大小及其像素设置。 屏幕分辨率由计算机的显示卡决定
b=M*N*g（bit），B=M*N*g/8（字节） M*N是采样点数，g是量化级数 一幅1024*1024大小的图像，灰度级数256，数据量有多大？
图像的质量
亮度 对比度 主题内容的大小 细微层次 颜色饱和度
图像的质量：清晰度
降低亮度
图像的质量
对比度：是指一幅图象中灰度反差的大小
第二章 数字图像处理的基础
主要内容：
1.图像数字化 2.数字图像的类型 3.图像的格式 4.图像灰度直方图 5.处理算法形式
2.1 图像数字化
模拟图像
数字图像
概念：将图像划分为如图 所示的小方格（象元）， 并将方格内的灰度值变换 为整数
2.1 图像数字化
模拟图像：二维连续亮度函数——f(x,y);
二值图像：
I
1,0,0 0,0,1
1,1,0
灰度值只有0和1两种，没有过渡值
灰度图像：灰度级数大于2，没有彩色信息。
0,150,200
I 180,130,110
250,210,100
彩色图像：红绿蓝三分量（R、G、B）构成的图 像,每个像素包含三个分量的灰度值。
255,150,200
位图的有关术语
扫描仪分辨率： 扫描图像时每英寸的样点数(dpi) 一般扫描仪提供的方式是水平分辨率要比垂直分辨率高。 台式扫描仪的分辨率可以分为光学分辨率和输出分辨率。 扫描输仪出硬分件辨所率真是正通扫过描软到件的强化以及 图像内分插辨补率点。之光后学产分生辨的率分可辨率，大 达8约00为～光12学0分0 辨dp率i以的上3～。4倍。
43
47
图像的大小 51
位图水平分辩率
位图垂直分辩率
位图使用的 颜色数
位图使用的重要 的颜色数
位图数据
B G R B G R B G R B G R ……..
最后一行 第一列像素 的颜色值.
BG R
最后一行 第二列像素 的颜色值.
每一行总字节数是4的倍数
B G R B G R B G R ……..
2.2 数字图像的类型
静态图像可分为矢量图和位图（栅格图像）。
2.2.1 矢量图 （1）矢量图的表示方法 是用一系列绘图指令来表示一幅图。这种方法的本质 是用数学(更准确地说是几何学)公式描述一幅图像。
（2） 矢量图的优点： A、它的文件数据量很小； B、图像质量与分辨率无关，这意味着无论将图像放大或 缩小了多少次，图像总是以显示设备允许的最大清晰度显示。
2.2 数字图像的类型
各种类型位图数据在Matlab中的表示方式
灰度图像：m*n的二维矩阵 真彩色图像： m*n*3的三维矩阵 索引图像：x：二维矩阵
map：颜色表
位图的有关术语
采样点 （Sample）
像素（Pixel）
(可大可小）
位图的有关术语
图像分辨率： 每英寸图像含有的点或像素个数（dpi）
2. 图像数字化器的性能
（1）分辨率：单位尺寸能够采样的像素数，由采样孔 的大小和像素间距的大小决定；
（2）灰度级：量化为多少等级； （3）图像大小：允许输入图像的大小； （4）扫描速度：采样数据的传输速度； （5）噪声：数字化器的噪声水平。 （6）线性度：线性度是指对光强进行数字化时，灰度 正比于图像亮度的实际精确程度。
R 180,0,110
250,0,100
G
0,150,200 180,130,110
250,210,100
B
0,80,200 0,0,110
255,255,255
2.1 图像数字化
2.1.3 采样与量化参数的选择
采样间隔：影响着图像细节的再现程度，反映数字化 后的图像呈现何种的细微程度。采样间隔越大，图像的像素 数越少，空间分辨率低，质量差。严重出现像素块状的棋盘 效应；采样间隔越小，…
第一个位图数数的偏移量
biSize
4
15
文件信息头的长度
biWidth
4
19
位图的宽度（单位是象素）
biHeight
4
23
位图的高度（单位是象素）
biPlanes
2
27
位平面数（=1）
biBitCount
2
29
每个象素所占位数（=24）
biCompression
4
31
是否压缩（未压缩=0）
biSizeimage
在少数情况下，当限定图像大小时，减少灰度 级能够改善图像质量，主要在于提高图像的对比度。
当限定数字图像的大小时, 为了得到质量较好的 图像可采用如下原则：
（1） 对缓变的图像， 应该细量化， 粗采样， 以避免 假轮廓。
（2） 对细节丰富的图像， 应细采样， 粗量化， 以避 免模糊（混叠）。
图像的数据量计算：
4
biXPelsPerMeter
4
biYPelsPerMeter
4
biClrUsed
4
35
图像的大小
39
位图水平分辩率
43
位图垂直分辩率
47
位图使用的颜色数
biClrImportant
4
51
位图使用的重要的颜色数
每个象素占三个字节（RGB），数据的第一行是屏幕的最后一行上。 数据的每一行像素所占字节数目是4的倍数。
256个灰度级的图像 64个灰度级的图像 16个灰度级的图像
2.量化
255
Zi＋1
254
…
qi＋1
Zi
qi－1
128 127
…
Zi－1
1 0
连续灰度值 量化值 (整数值)
灰度标度 灰度量化
(a)
量化示意图
(b)
（a） 量化； (b) 量化为8 bit
数字图像根据灰度级数的差异，可分为：
二值图像、灰度图像和彩色图像
1 0 0 I 0 0 1
1 1 0
2. 灰度图像
在灰度图像中，像素灰度级一般用8 bit表示，所以每
个 像 素 都 是 介 于 黑 色 （ 0 ） 和 白 色 （ 255 ） 之 间 的 256
（28=256）种灰度中的一种。
0 150 200 I 120 50 180
250 220 100
行（x）
列（y）
3. 真彩色图像 “真彩色”是RGB颜色的另一种叫法。 在真彩色图像中，每一个像素由红、绿和蓝三个 字节组成， 每个字节为8bit，表示0到255之间的不 同的亮度值，这三个字节组合可以产生1670万种不同 的颜色。
4 . 索引图像 颜色预先定义的（索引颜色）。 索引颜色的图像最多只能显示256种颜色。 因此，一个像素占8bit，而这8bit的值不是颜色值， 而是颜色表中的索引值，根据索引值在颜色表中找到最终 的RGB颜色值。
（3）矢量图的缺点： 不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像，绘出来的
图像不是很逼真，同时也不易在不同的软件间交换文件。
2.2 数字图像的类型
2.2.2 位图
位图（点位图）的基本构图单位是像素。位图是通过许多
像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色属性和位置属性。
包含不同色彩信息的像素的矩阵组合构成了千变万化的图像。