数字图像处理第二章基本概念

1、第二章 基本概念吴华玲东华理工大学第二章 讲解内容 1. 图像数字化概念、数字化参数对图像质量的影响、数字化器性能评价 2. 图像灰度直方图的基本概念、计算、 性质及其应用 3.数字图像处理算法形式与数据结构 4.图像图像文件格式与特征重点：图像数字化、图像灰度直方图和图像文件BMP格式难点：图像数字化、直方图应用、图像分层结构数据教学法：灵活应用示例法、启发式、提问法等目的： 1. 熟悉本章基本概念和图像处理算法形式，了解图像的特征； 2.重点掌握图像数字化图像灰度直方图的基本概念及应用、图像数据结构与特征第二章 基本概念2.3 2.3 图像数字化图像数字化2.4 2.4 图像灰度直方图图像

2、灰度直方图2.5 2.5 数字图像处理算法的形式数字图像处理算法的形式2.6 2.6 图像的数据结构与文件格式图像的数据结构与文件格式2.7 2.7 图像的特征图像的特征2.3 2.3 图像数字化图像数字化2.3 图像数字化图像数字化把一幅图画分割成如图所示的一个个小区域（把一幅图画分割成如图所示的一个个小区域（像元像元或或像素像素），并），并将各小区域将各小区域 灰度用整数来表示，形成一幅点阵式的数字图像。灰度用整数来表示，形成一幅点阵式的数字图像。2.3 图像数字化图像数字化 图像数字化图像数字化是将一幅画面转化成计算机能处理的形式是将一幅画面转化成计算机能处理的形式数字图像的过程。数字图

3、像的过程。 模拟图像模拟图像 数字图像数字图像 正方形点阵正方形点阵 它包括采样和量化两个过程。像素的位置和灰度就是像素的它包括采样和量化两个过程。像素的位置和灰度就是像素的属性。属性。 2.3.1采样 将空间上连续的图像变换成离散点的操作称为将空间上连续的图像变换成离散点的操作称为采样采样。采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。 当对图像进行实际的抽样时，怎样选择各抽样点的间当对图像进行实际的抽样时，怎样选择各抽样点的间隔是个非常重要的问题。关于这一点，图像包含何种程度隔是个非常重要的问题。关于这一点，图像包含何种程度的细微的浓淡变化，取决于

4、希望忠实反映图像的程度。的细微的浓淡变化，取决于希望忠实反映图像的程度。 不同形状的采样孔径不同形状的采样孔径2.3.2 2.3.2 量化量化 经采样图像被分割成空间上离散的像素，但其灰度是经采样图像被分割成空间上离散的像素，但其灰度是连续的，还不能用计算机进行处理。连续的，还不能用计算机进行处理。 将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫量化量化。 表示像素明暗程度的整数称为像素的表示像素明暗程度的整数称为像素的灰度级灰度级（或（或灰度灰度值值或或灰度灰度）。）。 一幅数字图像中不同灰度级的个数称为一幅数字图像中不同灰度级的个数称为灰度级数灰度级数，用，用G

5、G表示。表示。 采样方式采样方式:有缝、无缝和重迭有缝、无缝和重迭 一般来说，一般来说， ，g g就是表示存储图像像素灰度就是表示存储图像像素灰度值所需的比特位数。值所需的比特位数。 若一幅数字图像的量化灰度级数若一幅数字图像的量化灰度级数G=256=2G=256=28 8级，灰度级，灰度取值范围一般是取值范围一般是02550255的整数，由于用的整数，由于用8 8bitbit就能表示灰度就能表示灰度图像像素的灰度值，因此常称图像像素的灰度值，因此常称8 8 bit bit 量化。量化。 从视觉效果来看，采用大于或等于从视觉效果来看，采用大于或等于6 6比特位量化的比特位量化的灰度图像，视觉上

6、就能令人满意。灰度图像，视觉上就能令人满意。 一幅大小为一幅大小为MMN N、灰度级数为灰度级数为G G的图像所需的存储的图像所需的存储空间，即图像的空间，即图像的数据量数据量，大小为，大小为 MMN Ng g （bitbit）gG2 数字图像根据灰度级数的差异可分为：黑白图像、数字图像根据灰度级数的差异可分为：黑白图像、灰度图像和彩色图像。灰度图像和彩色图像。黑白图像黑白图像 图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的过渡，图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的过渡，故又称为二值图像。二值图像的像素值为故又称为二值图像。二值图像的像素值为0 0或或1 1。例如011100001I灰度图像灰度图像

7、灰度图像灰度图像是指灰度级数大于是指灰度级数大于2 2的图像。但它不包的图像。但它不包含彩色信息。含彩色信息。彩色图像彩色图像 彩色图像彩色图像是指每个像素由是指每个像素由R R、G G、B B分量构成的分量构成的图像，其中图像，其中R R、B B、G G是由不同的灰度级来描述。是由不同的灰度级来描述。00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B100220250180501202001500I2.3.3 量化参数与数字化图像间的关系 数字化方式可分为均匀采样、量化和非均匀采样、数字化方式可分为均匀采样、量化和非

8、均匀采样、量化。量化。 所谓所谓“均匀均匀”，指的是采样、量化为等间隔方式。，指的是采样、量化为等间隔方式。图像数字化一般采用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。 非均匀采样是根据图象细节的丰富程度改变采样非均匀采样是根据图象细节的丰富程度改变采样间距。细节丰富的地方，采样间距小，否则间距大。间距。细节丰富的地方，采样间距小，否则间距大。 非均匀量化是对图像层次少的区域采用间隔大量非均匀量化是对图像层次少的区域采用间隔大量化，而对图像层次丰富的区域采用间隔小量化。化，而对图像层次丰富的区域采用间隔小量化。 采用非均匀采样与量化，均会使问题复杂化，因采用非均匀采样与

9、量化，均会使问题复杂化，因此很少采用。此很少采用。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.分辨率分辨率 采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率采样间隔越大，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低，质量差，严重时出现像素呈块状的国际棋盘效应；应； 采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨率采样间隔越小，所得图像像素数越多，空

10、间分辨率高，图像质量好，但数据量大。高，图像质量好，但数据量大。 量化等级越多，所量化等级越多，所得图像层次越丰富，得图像层次越丰富，灰度分辨率高，图灰度分辨率高，图像质量好，但数据像质量好，但数据量大；量大； 量化等级越少，图量化等级越少，图像层次欠丰富，灰像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出度分辨率低，会出现假轮廓现象，图现假轮廓现象，图像质量变差，但数像质量变差，但数据量小。据量小。2.3.4 数字化器 数字化器必须能够将图像划分为若干像素并分别给它们地数字化器必须能够将图像划分为若干像素并分别给它们地址，能够度量每一像素的灰度并量化为整数，能够将这些整址，能够度量每一像素的灰度并量化为整数

11、，能够将这些整数写入存储设备。数写入存储设备。数字化器组成数字化器组成: :A A采样孔采样孔B B图像扫描机构图像扫描机构C C光传感器光传感器D D量化器量化器E E输出存储体输出存储体 常用的数字化器是扫描仪、数码相机和数码摄像机。常用的数字化器是扫描仪、数码相机和数码摄像机。 图像数字化器的性能评价项目图像数字化器的性能评价项目项项 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。小和可变范围决定。灰灰( (色色) )度分度分辨率辨率量化为多少等级量化为多少等级( (位深度位深度),),颜色

12、数颜色数( (色深度色深度) )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数字化器的噪声水平( (应当使噪声小于图像内的反差应当使噪声小于图像内的反差) )其他其他黑白黑白/ /彩色，价格彩色，价格, ,操作性能等操作性能等 2.4 2.4 图像灰度直方图图像灰度直方图2.4 图像灰度直方图2.4.1 概念一、定义一、定义 灰度直方图反映一幅图像中各灰度级像素出现的灰度直方图反映一幅图像中各灰度级像素出现

13、的频率。以灰度级为横坐标，纵坐标为灰度级的频率，频率。以灰度级为横坐标，纵坐标为灰度级的频率，绘制频率同灰度级的关系图就是绘制频率同灰度级的关系图就是灰度直方图灰度直方图。它是图。它是图像的一个重要特征，反映了图像灰度分布的情况。像的一个重要特征，反映了图像灰度分布的情况。下图是一幅图像的灰度直方图。下图是一幅图像的灰度直方图。 频率的计算式为频率的计算式为 nnvii灰度图像的直方图彩色图像的分波段直方图0132132105762567160635122675365032272416225627601232121231231221v0=5/64v1=12/64v2=18/64v3=8/64v

14、4=1/64v5=5/64v6=8/64v7=5/64ivi二、计算二、计算 该图像像元总数为该图像像元总数为8 8* *8=64,8=64, i i=0,7=0,72.4.2 2.4.2 直方图的性质直方图的性质灰度直方图只能反映图像的灰度分布情况，而不能灰度直方图只能反映图像的灰度分布情况，而不能反映图像像素的位置反映图像像素的位置, ,即丢失了像素的位置信息。即丢失了像素的位置信息。一幅图像对应唯一的灰度直方图，反之不成立。不一幅图像对应唯一的灰度直方图，反之不成立。不同的图像可对应相同的直方图。同的图像可对应相同的直方图。不同的图像具有相同直方图一幅图像分成多个区域，多个区域的直方图之

15、和即一幅图像分成多个区域，多个区域的直方图之和即为原图像的直方图。为原图像的直方图。2.4.3 直方图的应用用于判断图像量化是否恰当用于判断图像量化是否恰当 (a) 恰当量化 (b)未能有效利用 (c)超过了动态范围 图2.4.4直方图用于判断量化是否恰当用于确定图像二值化的阈值用于确定图像二值化的阈值 TyxfTyxfyxg),(1),(0),(具有二峰性的灰度图象当影像上目标的灰度值比其它部分灰度值大或者灰度当影像上目标的灰度值比其它部分灰度值大或者灰度区间已知时，可利用直方图统计图像中物体的面积。区间已知时，可利用直方图统计图像中物体的面积。 A= (2.4-3) 计算图像信息量计算图像

16、信息量H H（熵）熵） （2.4-4） Tiivn102logLiiiPPH2.5 2.5 图像处理算法的形式图像处理算法的形式2.5 2.5 图像处理算法的形式图像处理算法的形式 2.5.1 2.5.1 图像处理基本功能的形式图像处理基本功能的形式 按图像处理的输出形式，图像处理的基本功能按图像处理的输出形式，图像处理的基本功能可分为三种形式。可分为三种形式。单幅图像单幅图像 单幅图像单幅图像 , ,如图如图( (a) a)。 多幅图像多幅图像 单幅图像单幅图像, , 如图如图 ( (b)b)。单（或多）幅图像单（或多）幅图像 数字或符号数字或符号等，如图等，如图 ( (c) c)。2.5.

17、2 2.5.2 图像处理的几种具体算法图像处理的几种具体算法1. 1.局部处理局部处理 邻域邻域 对于任一像素（对于任一像素（i i，j j），），该像素周围的该像素周围的像素构成的集合像素构成的集合 （i+p,j+qi+p,j+q），），p p、q q取合取合适的整数适的整数 ，叫做该像素的，叫做该像素的邻域邻域。如图。如图2.5.22.5.2（a a）。）。 常用的邻域如图常用的邻域如图2.5.22.5.2（b b）、）、(c),(c),分别分别表示中心像素的表示中心像素的4- 4-邻域、邻域、8- 8-邻域邻域。图图2.5.2 2.5.2 像素的邻域像素的邻域对输入图像对输入图像IPIP

18、（i,j i,j）处理时，某一输出像素处理时，某一输出像素JP(i,jJP(i,j) )值由输值由输入图像像素（入图像像素（i,j i,j) )及其邻域及其邻域N(IP(i,jN(IP(i,j) )中的像素值确定。这中的像素值确定。这种处理称为种处理称为局部处理局部处理。 局部处理的计算表达式为局部处理的计算表达式为),(),(jiIPNjiJPN例如例如 对一幅图象采用对一幅图象采用3 33 3模板进行卷积运算。模板进行卷积运算。点处理点处理 在局部处理中，当输出值在局部处理中，当输出值JP(i,jJP(i,j) )仅与仅与IP(i,jIP(i,j) )有关，有关，则称为则称为点处理点处理，

19、如图，如图2.5.52.5.5。点处理的计算表达式为：点处理的计算表达式为：)25 . 2(),(),(jiIPjiJPp图图2.5.5 2.5.5 点处理点处理 大局部处理大局部处理 在局部处理中，输出像素在局部处理中，输出像素JP(i,jJP(i,j) )的值取决于输入图像大范围或的值取决于输入图像大范围或全部像素的值，这种处理称为全部像素的值，这种处理称为大局部处理大局部处理。如图。如图5.65.6。其计算表达式为其计算表达式为：)35.2(),(),(jiIPGjiJPG图图2.5.6 2.5.6 大局处理大局处理 2. 2.迭代处理迭代处理 反复对图像进行某种运算直至满足给定的条件，

20、从而得到输出反复对图像进行某种运算直至满足给定的条件，从而得到输出图像的处理形式称为图像的处理形式称为迭代处理迭代处理。如。如2.5.72.5.7图像的细化处理过程。图像的细化处理过程。 3. 3.跟踪处理跟踪处理 选择满足适当条件的像素作为起始像素，检查输入图像和已选择满足适当条件的像素作为起始像素，检查输入图像和已得到的输出结果，求出下一步应该处理的像素，进行规定的处理，得到的输出结果，求出下一步应该处理的像素，进行规定的处理，然后决定是继续处理下面的像素，还是终止处理。这种处理形式然后决定是继续处理下面的像素，还是终止处理。这种处理形式称为称为跟踪处理跟踪处理。 4.4.窗口处理和模板处

21、理窗口处理和模板处理 对图像的处理，一般采用对整个画面进对图像的处理，一般采用对整个画面进行处理，但也有只对画面中特定的部分进行行处理，但也有只对画面中特定的部分进行处理的情况。这种处理方式的代表有处理的情况。这种处理方式的代表有窗口处窗口处理和模板处理理和模板处理。图图2.5.82.5.8窗口处理窗口处理 单独对图像中选定的矩单独对图像中选定的矩形区域内的像素进行处理形区域内的像素进行处理的方式叫做的方式叫做窗口处理窗口处理 模板模板：任意形状的区域；：任意形状的区域；模板平面模板平面：一个和处理图：一个和处理图像相同大小的二维数组，像相同大小的二维数组，用来存储模板信息。一用来存储模板信息

22、。一般是一幅二值图像；般是一幅二值图像；模板处理模板处理：边参照模板平：边参照模板平面边对图象进行某种操面边对图象进行某种操作。作。 希望单独处理任意形状的区域时，可采用模板处理。希望单独处理任意形状的区域时，可采用模板处理。 若模板成矩形区域，则与窗口处理具有相同的效果，但窗若模板成矩形区域，则与窗口处理具有相同的效果，但窗口处理与模板处理不同之处是后者必须设置一个模板平面。口处理与模板处理不同之处是后者必须设置一个模板平面。 2.7 2.7 图像的特征图像的特征2.7 2.7 图像的特征图像的特征1 1图像的特征图像的特征1 1）自然特征）自然特征 光谱特征光谱特征 几何特征几何特征 时相特征时相特征 2 2）人工特征人工特征 直方图特征直方图特征 灰度边缘特征灰度边缘特征 线、角点、线、角点、 纹理特征纹理特征 图像的特征有很多，按提取特征的范围大小又可分