数字图像处理PPT 第2章图像获取

1、1Digital Image Processing 数字图像处理数字图像处理2第二章第二章 图像获取图像获取34图像图像景物景物采样采样图像图像数字数字图像图像),(yxf),(yxgs),( yxgd),(yxp图图2.1 图像采集系统图像采集系统 ),(*),(),(yxpyxhyxf52.2 2.2 连续图像模型连续图像模型 6连续图像的表达式连续图像的表达式 代表像源的空间辐射能量分布代表像源的空间辐射能量分布 ),(tyxC标准观察者对图像光函数的亮度响应标准观察者对图像光函数的亮度响应光场的瞬时光亮度计量光场的瞬时光亮度计量0)(),(),(dVtyxCtyxYs相对光效函数，即人

2、视觉的光谱响应相对光效函数，即人视觉的光谱响应 )(sV7连续图像的表达式连续图像的表达式 0)(),(),(dRtyxCtyxRs0)(),(),(dGtyxCtyxGs0)(),(),(dBtyxCtyxBs标准观察者对图像的色响应标准观察者对图像的色响应82.4 2.4 图像数字化图像数字化 9n采样采样n量化量化n数字图像的表示数字图像的表示n采样、量化参数与数字化图像的关系采样、量化参数与数字化图像的关系n数字化设备数字化设备图像数字化的两个具体过程：图像数字化的两个具体过程：n采样：空间上的离散化采样：空间上的离散化n量化：灰度上的离散化量化：灰度上的离散化10)()()(xsxf

3、xfs)()()(xnTxxsTnnsnTxxfxf)()()(Ts11112 mnynyxmxyxs),(),(iyxjjviuyxvuS),(1),(yxyx1,11314 mnsynyxmxynxmfyxsyxfyxg),(),(),(),(),(),(),(),(vuSvuFvuGs iyxjsjviuFyxvuG),(1),(152.4 图像数字化 一一. .图像的采样图像的采样 定义：空间坐标定义：空间坐标(x,y)(x,y)的数字化被称为图像采样的数字化被称为图像采样 结果：确定水平和垂直方向上的像素个数结果：确定水平和垂直方向上的像素个数M M 、N N 位图图像位图图像图像分

4、辨率图像分辨率2.4 图像数字化 二二. .图像的量化图像的量化 定义：将像素灰度转换成离散的整数值的过程定义：将像素灰度转换成离散的整数值的过程 结果：将结果：将f f 映射到映射到Z Z的处理的处理Z Z的最大取值，确定像素的灰度级数的最大取值，确定像素的灰度级数G = 2G = 2m m， 如如256256T连续信号（采样、量化）连续信号（采样、量化）数字信号数字信号2.4 图像数字化 三三. .数字图像的表示数字图像的表示数字图像中的每一个像素对应于矩阵中相应的元素数字图像中的每一个像素对应于矩阵中相应的元素图像运算矩阵运算图像运算矩阵运算) 1, 1() 1 , 1()0 , 1()

5、 1, 1 () 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0() 1 , 0()0 , 0(nmfmfmfnfffnfffF2.4 图像数字化 2.4 图像数字化 四四. .采样、量化参数与数字化图像间的关系采样、量化参数与数字化图像间的关系数字化方式：均匀采样、量化数字化方式：均匀采样、量化 非均匀采样、量化非均匀采样、量化所谓所谓“均匀均匀”，指的是采样、量化为等间隔。，指的是采样、量化为等间隔。所谓所谓“非均匀非均匀”，指的是采样、量化为非等间隔，指的是采样、量化为非等间隔2.4 图像数字化 四四. .采样、量化参数与数字化图像间的关系采样、量化参数与数字化图像间的关系n非均匀的图像采样

6、非均匀的图像采样n在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样比较平滑的区域，用粗糙的采样2.4 图像数字化 四四. .采样、量化参数与数字化图像间的关系采样、量化参数与数字化图像间的关系n非均匀的图像量化非均匀的图像量化n在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区域灰度级变化比较平滑的区域n避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平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滑的区域出现假轮廓的现象图像数字化一般采用

7、均匀采样和均匀量化方式图像数字化一般采用均匀采样和均匀量化方式25即上述讨论的等间隔采样。当对采样点数目有所即上述讨论的等间隔采样。当对采样点数目有所限制时，比如说限制时，比如说NN个采样点，此时可以根据图像的特性采用自个采样点，此时可以根据图像的特性采用自适应采样方案，有可能获得更好的效果。适应采样方案，有可能获得更好的效果。 的基本思想是：在图像函数值变化较大的区的基本思想是：在图像函数值变化较大的区域采用精细的采样，在相对平滑的区域采用粗糙的采样。这种自适域采用精细的采样，在相对平滑的区域采用粗糙的采样。这种自适应采样方案又称为非均匀采样。应采样方案又称为非均匀采样。 ，一幅在均匀背景上

8、叠加了一幢房屋的图像。显然，该图，一幅在均匀背景上叠加了一幢房屋的图像。显然，该图像的背景只有极少的细节信息，用粗糙的采样来表示已经足够。另像的背景只有极少的细节信息，用粗糙的采样来表示已经足够。另一方面，图像上的房屋含有大量的细节信息，在该区域增加采样点一方面，图像上的房屋含有大量的细节信息，在该区域增加采样点就可以改善整体效果，特别是当就可以改善整体效果，特别是当N较小时尤其如此。较小时尤其如此。2.4 图像数字化 四四. .采样、量化参数与数字化图像间的关系采样、量化参数与数字化图像间的关系2.4 图像数字化 四四. .采样、量化参数与数字化图像间的关系采样、量化参数与数字化图像间的关系

9、2.4 图像数字化 四四. .采样、量化参数与数字化图像间的关系采样、量化参数与数字化图像间的关系2.4 图像数字化 四四. .采样、量化参数与数字化图像间的关系采样、量化参数与数字化图像间的关系 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。 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

10、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。32 256 256 128 128 64 64 32 3233 L=16 L=8 L=4 L=2图像的质量图像的质量1.1.平均亮度平均亮度 2.2.对比度对比度 是是指指一一幅幅图象中灰度图象中灰度反差反差的大的大小。小。 对比度对比度= =最最大亮度大亮度/ /最小最小亮度亮度3.3.清晰度清晰度 由图像边缘灰度由图像边缘灰度变化的速度来描述。变化的速度来描述。4.4.分解力或分辨率分解力或分辨率2.4 图像数字化 五五. .数字化设备数字化设备n采样孔（采样孔（Sampling aperture）n

11、图像扫描机构图像扫描机构n光传感器光传感器n量化器量化器n输出存储体输出存储体数字化器的类型很多，目前用得较多的图像数字化设备数字化器的类型很多，目前用得较多的图像数字化设备有扫描仪、数码相机和数码摄像机。有扫描仪、数码相机和数码摄像机。2.4 图像数字化 数字照相机数字照相机镜头、感光器件（镜头、感光器件（CCD或或CMOS）、）、MPU（微处理（微处理器）、内置存储器、器）、内置存储器、LCD（液晶显示器）、（液晶显示器）、PC卡（可卡（可移动存储器）和接口（计算移动存储器）和接口（计算机接口、电视机接口）等部机接口、电视机接口）等部分组成分组成 2.4 图像数字化 数字照相机数字照相机C

12、ompactFlash存储卡存储卡MemoryStick PCMCIA存储设备存储设备 2.4 图像数字化 扫描仪扫描仪常见分辨率常见分辨率2.4 图像数字化 数字化设备的性能评价数字化设备的性能评价项项 目目内内 容容空间分辨率空间分辨率单位尺寸能够采样的像素数。由采样孔径与间距的大小和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可变范围决定灰（色）度分灰（色）度分辨率辨率量化为多少等级（位深度），颜色数（色深度）量化为多少等级（位深度），颜色数（色深度）图像大小图像大小仪器允许扫描的最大图幅仪器允许扫描的最大图幅量测特征量测特征数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度数字

13、化器所测量和量化的实际物理参数及精度扫描速度扫描速度采样数据的传输速度采样数据的传输速度噪声噪声数字化器的噪声水平（应当使噪声小于图像内的反差）数字化器的噪声水平（应当使噪声小于图像内的反差）其他其他黑白黑白/彩色，价格，操作性能等彩色，价格，操作性能等422.2.5 5 数字图像的基本概念数字图像的基本概念 43) 1, 1() 1 , 1()0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0() 1 , 0()0 , 0(NMfMfMfNfffNfffM和和N为正整数为正整数矩阵中的每个元素称为图像单元，又称为图像元素，或简称矩阵中的每个元素称为图像单元，又称为图像

14、元素，或简称 44在一幅二进制图像中，每一个像素将取两个离散数值（在一幅二进制图像中，每一个像素将取两个离散数值（0或或1）中的一个。二进制图像使用中的一个。二进制图像使用uint8或双精度类型的数组来存储。或双精度类型的数组来存储。索引图像是一种把像素直接作为索引图像是一种把像素直接作为RGB调色板下标的图像。在调色板下标的图像。在MATLAB中，索引图像包含一个数据矩阵中，索引图像包含一个数据矩阵X和一个颜色映射（调和一个颜色映射（调色板）矩阵色板）矩阵map。数据矩阵可以是数据矩阵可以是unit8、unit16或双精度类型的或双精度类型的。颜色映射矩阵。颜色映射矩阵map是一个是一个m

15、3的数据阵列，其中每个元素的值的数据阵列，其中每个元素的值均为均为0,1之间的双精度浮点型数据，之间的双精度浮点型数据，map矩阵中的每一行分别表矩阵中的每一行分别表示红色、绿色和蓝色的颜色值。索引图像可把像素的值直接映射示红色、绿色和蓝色的颜色值。索引图像可把像素的值直接映射为调色板数值，每个像素的颜色通过使用为调色板数值，每个像素的颜色通过使用X的像素值作为的像素值作为map的的下标来获得，如值下标来获得，如值1指向指向map的第一行，值的第一行，值2指向第二行，以此类指向第二行，以此类推。推。45灰度图像通常由一个灰度图像通常由一个unit8、unit16或双精度类型的数组来描述或双精度

16、类型的数组来描述，其实质是一个数据矩阵，其实质是一个数据矩阵I，如式如式(2.6.1)。该矩阵中的数据均代表。该矩阵中的数据均代表了在一定范围内的灰度级，每一个元素对应于图像的一个像素点，了在一定范围内的灰度级，每一个元素对应于图像的一个像素点，通常通常0代表黑色，代表黑色，1、255或或65535（针对不同的存储类型）代表白（针对不同的存储类型）代表白色。色。多帧图像是一种包含多幅图像或帧的图像文件，又称为多页图像多帧图像是一种包含多幅图像或帧的图像文件，又称为多页图像或图像序列，主要用于需要对时间或场景上相关图像集合进行操作或图像序列，主要用于需要对时间或场景上相关图像集合进行操作的场合。

17、例如，磁谐振图像切片或电影帧等。在的场合。例如，磁谐振图像切片或电影帧等。在MATLAB中，它是中，它是一个四维数组，其中第四维用来指定帧的序号。一个四维数组，其中第四维用来指定帧的序号。46RGB图像又称为真彩图像，它是利用图像又称为真彩图像，它是利用R、G、B三个分量表示一个三个分量表示一个像素的颜色，像素的颜色，R、G、B分别代表红、绿、蓝三种不同的基本颜色，分别代表红、绿、蓝三种不同的基本颜色，通过三基色可以合成出任意颜色。所以对一个尺寸为通过三基色可以合成出任意颜色。所以对一个尺寸为M N的真彩图的真彩图像来说，在像来说，在MATLAB中则存储为一个中则存储为一个M N 3的多维数据

18、矩阵。的多维数据矩阵。RGB图像不使用调色板，每一个像素的颜色直接由存储在相应位置图像不使用调色板，每一个像素的颜色直接由存储在相应位置的红、绿、蓝颜色分量的组合来确定。每个像素的三个颜色分量都的红、绿、蓝颜色分量的组合来确定。每个像素的三个颜色分量都存储在矩阵的第三维中，如坐标存储在矩阵的第三维中，如坐标(16, 36)处的红、绿、蓝颜色值分处的红、绿、蓝颜色值分别保存在元素别保存在元素(16, 36, 2)、(16, 36, 4)和和(16, 36, 6)中。中。4748V是用于定义连接性的灰度值集合是用于定义连接性的灰度值集合在二值图像中，如果把在二值图像中，如果把 具有具有1值的像素归入连接的，则值的像素归入连接的，则V=1 4连接连接：2个像素个像素p和和r在在V中取值，且中取值，且r在在N4(p)中，则它们为中，则它们为4连接；连接；8连接连接：2个像素个像素p和和r在在V中取值，且中取值，且r在在N8(p)中，则它们为中，则它们为8连接；连接；49从具有坐标从具有坐标(x,