第2章数字图像基础

1、数字图像处理数字图像处理Digital Image Processing 数字图像处理数字图像处理第第2章章 数字图像基础数字图像基础 主要介绍图像信号的数主要介绍图像信号的数字化以及数字图像的表字化以及数字图像的表示方式。示方式。第第2章章 数字图像基础数字图像基础2.1 图像信号的数字化图像信号的数字化2.2 数字图像表示数字图像表示安徽建筑工业学院上节知识回顾上节知识回顾一、什么是图像？一、什么是图像？二、图像质量含义二、图像质量含义三、主客观评价方法三、主客观评价方法“图图”是物体透射或反射光的分布，是是物体透射或反射光的分布，是客观存在的。客观存在的。“像像”是人的视觉系统对是人的视

2、觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或认识，图的接收在大脑中形成的印象或认识，是人的感觉。是人的感觉。“图像图像”是两者的结合。是两者的结合。图像逼真度：被评价图像与原标准图像图像逼真度：被评价图像与原标准图像的偏离程度的偏离程度 。图像可懂度：指图像能向人或机器提供图像可懂度：指图像能向人或机器提供信息的能力。信息的能力。2.1 图像信号的数字化图像信号的数字化n数字图像的描述是指如何用一个数数字图像的描述是指如何用一个数值方式来表示一幅图像。值方式来表示一幅图像。n数字图像是图像的数字表示，像素数字图像是图像的数字表示，像素是其最小的单位。是其最小的单位。xy0f (x,y)2.1 图像信号

3、的数字化图像信号的数字化n所谓的所谓的图像数字化图像数字化，是指将模拟图像经，是指将模拟图像经过离散化之后，得到用数字表示的图像。过离散化之后，得到用数字表示的图像。n图像的数字化包括空间离散化（即图像的数字化包括空间离散化（即采样采样）和明暗表示数据的离散化（即和明暗表示数据的离散化（即量化量化）。）。2.1 图像信号的数字化图像信号的数字化2.1 图像信号的数字化图像信号的数字化一、采样和量化一、采样和量化 人眼感知的景物一般是连续的模拟人眼感知的景物一般是连续的模拟图像。即空间位置的图像。即空间位置的延续性延续性和光强度和光强度变化的变化的连续性连续性。 采样采样:在空间上用有限的采样点

4、代替连续无限的在空间上用有限的采样点代替连续无限的坐标值坐标值。量化量化: :对每个取样点灰度值的离散化过程对每个取样点灰度值的离散化过程采样要满足采样要满足奈奎斯特采样定理奈奎斯特采样定理。2.1 图像信号的数字化图像信号的数字化数学知识回顾数学知识回顾函数定义：函数定义： ddyxhfyxhyxf, )y,x(fdd)y,x(),(felse0yx0)y, x(1dxdy) y, x(dxdy) y, x( 卷积定义：卷积定义： 积分性质：积分性质： 0000,yxfdxdyyyxxyxf v, udxdyvyux2 jexp 筛选性质：筛选性质： 数学知识回顾数学知识回顾一一. . 采样

5、采样一幅图像应取多少点才能完全由这些取样一幅图像应取多少点才能完全由这些取样点来重建原图像？点来重建原图像？ 样点过多，增加了用于表示这些样点的信息样点过多，增加了用于表示这些样点的信息量；样点过少，则可能会丢失原图像所包含量；样点过少，则可能会丢失原图像所包含的信息。因此最少采样点数应满足一定的约的信息。因此最少采样点数应满足一定的约束条件，即奈奎斯特采样定理束条件，即奈奎斯特采样定理。n采样采样 是指将在空间上连续的图像转换成是指将在空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集的操作。离散的采样点（即像素）集的操作。n图像是二维分布的信息，采样是在图像是二维分布的信息，采样是在 x轴和轴

6、和y轴两个方向上进行的。轴两个方向上进行的。n一般情况下，一般情况下， x轴方向与轴方向与y轴方向的采样轴方向的采样间隔相同。间隔相同。一一. 采样采样一一. 采样采样 s(x)0 x1x图图1 一维采样信号一维采样信号=n )xnx()x( s(一一)、图像信号的频谱、图像信号的频谱 实际二维的图像信号的傅立叶变换在频域上是有实际二维的图像信号的傅立叶变换在频域上是有界的，即信号的频谱的有用成分总落在一定的频界的，即信号的频谱的有用成分总落在一定的频域范围内。域范围内。 2 ()1( , )( , )2jux vyF u vf x y edxdy 2 ()1( , )( , )2jux vy

7、f x yF u v edudv 空间频率成分空间频率成分和二维图像的和二维图像的相互关系相互关系（二）二维采样定理（二）二维采样定理 图像的频谱图像的频谱Fi(u,v)在水平方向的截止频率为在水平方向的截止频率为um，在垂直方向的截止频率为，在垂直方向的截止频率为vm，则只要水，则只要水平方向的空间采样频率平方向的空间采样频率u02um，垂直方向的，垂直方向的空间采样频率空间采样频率v02vm，即采样点的水平间隔，即采样点的水平间隔为为x1/2 um,垂直间隔为垂直间隔为y1/2vm，图像，图像可被精确地恢复。可被精确地恢复。二维采样网格二维采样网格xy(a)(b)xy11二维采样网格二维采

8、样网格 ijyjyxixyxs=),(),(取样后图像在空域和频域的表示取样后图像在空域和频域的表示 令令fi(x,y)为一连续函数，频域上占有限带宽，空间为一连续函数，频域上占有限带宽，空间上无限大。理想空间取样函数对连续的图像进行上无限大。理想空间取样函数对连续的图像进行采样后的图像为：采样后的图像为： ijiijiipyjyxixyjxifyjyxixyxfyxsyxfyxf),(),(),(),(),(),(),( 在频域，它的频谱为在频域，它的频谱为F fp(x,y)= F fi(x,y)* F (S(x,y) 式中式中“*”表示卷积，表示卷积，“F”表示傅立叶变换。表示傅立叶变换。

9、 ijyjvxiuyxyxSF),(1,空域上空域上函数无穷阵列的傅立叶变换是频域中函数无穷阵列的傅立叶变换是频域中函数的无函数的无穷阵列穷阵列取样后的频谱为：取样后的频谱为： ijiijiijippvjvuiuFvuvjvuiuFyxyjvxiuyxvuFyxfFvuF),(),(1),(1),(),(),( 取样后的频谱取样后的频谱Fp(u,v)是原频谱是原频谱Fi(u,v)在在u,v平面上按照平面上按照u、v周期无限重复。周期无限重复。取样后频谱为：取样后频谱为： ijipvjvuiuFvuvuF),(),( 原始模拟图像原始模拟图像fi(x,y),其频率域上的有限傅立叶频谱为其频率域上

10、的有限傅立叶频谱为Fi(u,v)。 取样图像的频谱取样图像的频谱(b)uumvvmFi(u,v)(c)uvuvFp(u,v)(a)xumyvmmfi(x,y)图像xy例：如何从取样图像的频域信息中恢复原来例：如何从取样图像的频域信息中恢复原来图像？图像？当频谱互不交叠，采用理想的二维方形滤波器，当频谱互不交叠，采用理想的二维方形滤波器，其特性为：其特性为：elseyvxuvuH2/1,2/101),( 该方形低通滤波器的冲激响应该方形低通滤波器的冲激响应h(x,y)是是H(u,v)的的傅立叶反变换傅立叶反变换)(sin)(sin),(),(2212122121)(2yycxxcdvedueyx

11、dudvevuHyxhvyjyyuxjxxvyuxj 恢复图像的频谱恢复图像的频谱 Fr(u,v)= Fp(u,v) H(u,v)ijiijipryjyycxixxcyjxifyxhyjyxixyjxifyxhyxfyxf)(sin)(sin),(),(),(),(),(),(),( 从频域上恢复图像即对取样频谱经方形理想从频域上恢复图像即对取样频谱经方形理想滤波器后求傅立叶反变换得到恢复图像。滤波器后求傅立叶反变换得到恢复图像。恢复图像为: 重建图像重建图像fr(x,y)是原始图像是原始图像fi(x,y)通过其取样通过其取样权值为权值为sinc函数的线性组合。函数的线性组合。n满足采样定理正

12、确恢复满足采样定理正确恢复NNt 满足采样定理的采样信号频谱满足采样定理的采样信号频谱Fs(u)0u1/(b) 采样后信号频谱采样后信号频谱Fs(u)-1/ucfs(t)0(a) Nyquist采样间隔采样间隔(三三)、频谱混叠和亚采样、频谱混叠和亚采样 亚采样和混叠效应亚采样和混叠效应0tf(t)(a) 时域连续信号时域连续信号f(t)0uF(u)uc(b) 连续信号连续信号f(t)频谱频谱F(u)s(t)0t1(c) 间隔为间隔为的采样函数的采样函数s(t)-1/Ss(u)0u1/(d) 采样函数采样函数s(t)频谱频谱Ss(u)fs(t)0t(e) 采样后信号采样后信号fs(t)Fs(u

13、)0u1/(f) 采样后信号频谱采样后信号频谱Fs(u)-1/uc 过大的采样间隔导致采样信号频谱出现混叠效应过大的采样间隔导致采样信号频谱出现混叠效应用任何滤波器都用任何滤波器都无法提取信号无法提取信号亚采样导致混叠失真，通过菱形亚取样亚采样导致混叠失真，通过菱形亚取样来减少混叠失真效果来减少混叠失真效果l统计表明，自然图像频谱主要分布在以原点统计表明，自然图像频谱主要分布在以原点为中心、为中心、4个顶点在个顶点在u/v轴上的一个菱形区域。轴上的一个菱形区域。(a)菱形采样网格点 2xyxv1v2y方形网格和菱形网格采样方形网格和菱形网格采样1/yu1(b)菱形采样频谱u21/2xu2u1

14、菱形亚采样n菱形网格与间隔为菱形网格与间隔为x、y的正交取样相的正交取样相比，它在比，它在水平方向的间隔减少了一倍水平方向的间隔减少了一倍，是一种亚取样是一种亚取样n适当的滤波器适当的滤波器(菱形低通滤波器菱形低通滤波器)将其基本将其基本频谱部分滤出，以无失真（或失真较小）频谱部分滤出，以无失真（或失真较小）地恢复原图像。地恢复原图像。 (四四)：实际采样：实际采样设取样脉冲阵列是由设取样脉冲阵列是由(2I+1)(2J+1)有限个有限个相同脉冲相同脉冲p(x,y)组成即取样脉冲阵列，即：组成即取样脉冲阵列，即： IIiJJjyjyxixpyxS),(),(把把S(x,y)理解成是由有限的理解成

15、是由有限的函数阵列函数阵列d(x,y)通过冲激响应为通过冲激响应为p(x,y)的线性滤波器产生的，的线性滤波器产生的，可表示为：可表示为： IiIiJjJjyjyxixpyxpyxdyxS),(),(),(),(其中 IiIiJjJjyjyxixyxd),(),( 已取样的图像已取样的图像fp(x,y)可表示为可表示为 IIiJJjiipyjyxixpyxfyxSyxfyxf),(),(),(),(),( 根据卷积定理可得取样图像的频谱：根据卷积定理可得取样图像的频谱： Fp(u,v)=Fi(u,v)*D(u,v)P(u,v) 实际取样脉冲的频谱0 xf(x,y)0uFi(u,v)-umums

16、(x,y)0 x01xusS(u,v)-us2us-2usu0 xfp (x,y)0uFp(u,v)-umumus-us2us-2usy=0的截面FT v=0的截面FT FT l用脉宽为用脉宽为的周期序列采样，只要满足采的周期序列采样，只要满足采样定理，便可用低通滤波器从采样输出信样定理，便可用低通滤波器从采样输出信号频谱中恢复出模拟信号；号频谱中恢复出模拟信号；l在理想二维在理想二维函数序列采样的情况下，采函数序列采样的情况下，采样信号频谱的各次谐波是等幅的；样信号频谱的各次谐波是等幅的；l实际的采样信号频谱在实际的采样信号频谱在u=0和和 之内之内的包络按的包络按 函数衰减，在采样脉冲函数

17、衰减，在采样脉冲 宽度的角频率点宽度的角频率点 衰减为零。衰减为零。/2)2(uSa/2二二. 量化量化n量化量化是将各个像素所含的明暗信息离散是将各个像素所含的明暗信息离散化后，用数字来表示。一般的量化值为化后，用数字来表示。一般的量化值为整数。整数。n充分考虑到人眼的识别能力之后，目前充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊用途的图像均为非特殊用途的图像均为8bit量化，即采用量化，即采用0 255的整数来描述的整数来描述“从黑到白从黑到白”。n在在3bit以下的量化，会出现伪轮廓现象。以下的量化，会出现伪轮廓现象。 量化在图像领域通常有用途：一是量化在图像领域通常有用途：一是A/D数字化

18、数字化，另一个起到，另一个起到压缩数据压缩数据的功能。的功能。l量化有两种方式：标量量化和矢量量量化有两种方式：标量量化和矢量量化化l标量量化有两种方法：标量量化有两种方法：均匀量化均匀量化和和非非均匀量化。均匀量化。二二. 量化量化l标量量化标量量化:将图像中每一个样点的取值范将图像中每一个样点的取值范围划分成若干区间，并仅用一个数值代表围划分成若干区间，并仅用一个数值代表每个区间中所有的可能取值，每个样点的每个区间中所有的可能取值，每个样点的取值是一个标量，且独立于其他的样点取取值是一个标量，且独立于其他的样点取值。值。 l矢量量化矢量量化:将图像的每将图像的每n个像素看成一个个像素看成一

19、个n维矢量，将每个维矢量，将每个n维矢量取值空间划分为维矢量取值空间划分为若干个子空间，每个子空间用一个代表矢若干个子空间，每个子空间用一个代表矢量来表示该子空间所有的矢量值。量来表示该子空间所有的矢量值。 图像量化的图像量化的基本要求基本要求是在量化噪声对图是在量化噪声对图像质量影响可以忽略的前提下的最小量像质量影响可以忽略的前提下的最小量化层进行量化。化层进行量化。 均匀量化：对量化区间的值进行均匀划均匀量化：对量化区间的值进行均匀划分，并以量化区间的中点作为量化器的输分，并以量化区间的中点作为量化器的输出值。出值。z0z1z2z3z4z5z6z7zLfmaxfming0g1g2g3g4g

20、5g6gL-1f 标量量化线段表示标量量化线段表示 设一连续变化的变量设一连续变化的变量f，其动态变化范围，其动态变化范围fmin, fmax分成分成L个间隔，分割点为个间隔，分割点为zi (i=0,1,2,L)， zi通常称为判决电平。任何通常称为判决电平。任何f zi ,zi+1 都用量化都用量化电平电平gi来代替，即量化器可以表示成来代替，即量化器可以表示成:Q(f)=gi i=0,1,2,L1, fzi，zi+1 L个量化值需要用个量化值需要用R=log2L个比特二进个比特二进制来表示，为了使量化比特数制来表示，为了使量化比特数R取整数，取整数，量化层数一般取量化层数一般取L=2R。

21、对于均匀量化，量化间距相等，其值为对于均匀量化，量化间距相等，其值为q=zizi-1=gigi-1=B/L， q又常称为量化步又常称为量化步长，量化范围长，量化范围B=fmaxfmin。此时判决电平。此时判决电平和量化电平分别为：和量化电平分别为：zi=iq+fmin，gi=iq+q/2+fmin 如果量化变量如果量化变量f是均匀分布，即概率密度函是均匀分布，即概率密度函数数p(f)为常数为常数 ：其它0,/1)(maxminfffBfp 则当量化层数足够多或量化间隔足够则当量化层数足够多或量化间隔足够小时，均匀量化器的均方误差为小时，均匀量化器的均方误差为 ： RLizziqBLBqdffp

22、gfii2222210222121121121对于均匀量化，由于是等间隔分层，量化分层对于均匀量化，由于是等间隔分层，量化分层L越多越多或量化比特数或量化比特数R越大，量化误差越小，但是编码时占越大，量化误差越小，但是编码时占用比特数就越多。用比特数就越多。 设是输入信号的均方差值，设是输入信号的均方差值，2=B2/12，则，则量化后的信号噪声比为量化后的信号噪声比为8 .1002. 62log10log102102210RSNRRqf由量化所造成的图像失真叫做量化失真或由量化所造成的图像失真叫做量化失真或量化噪声，当量化层次小到一定程度，量量化噪声，当量化层次小到一定程度，量化误差很大，此时

23、在原先亮度值缓慢变化化误差很大，此时在原先亮度值缓慢变化区域会形成生硬的伪轮廓。区域会形成生硬的伪轮廓。n分辨率分辨率 是指映射到图像平面上的单个像是指映射到图像平面上的单个像素的景物元素的尺寸。素的景物元素的尺寸。 单位：像素单位：像素/英寸，像素英寸，像素/厘米厘米 （如：扫描仪的指标如：扫描仪的指标 300dpi） 分辨率分辨率 是指要精确测量和再现一定尺寸的图像是指要精确测量和再现一定尺寸的图像所必需的像素个数。所必需的像素个数。 单位：像素单位：像素像素像素 （如：数码相机指标（如：数码相机指标30万像素（万像素（640 480）256 1286432灰度等级不变灰度等级不变空间分辨

24、率减空间分辨率减小小64灰度灰度32灰度灰度16灰度灰度8灰度灰度4灰度灰度2灰度灰度采样采样-像素像素量化量化-灰度值灰度值2.2 数字图像表示数字图像表示数字图像有两种存储方式：点阵模式数字图像有两种存储方式：点阵模式/位图模式；位图模式；矢量图模式（一般）矢量图模式（一般）矢量图模式：矢量图模式：用一组命令来描述一幅画包含的用一组命令来描述一幅画包含的对象属性如大小、形状、位置、颜色等。对象属性如大小、形状、位置、颜色等。一般一般不用于存储自然图像文件。不用于存储自然图像文件。位图模式：位图模式：由许多像素组成，图像每一像素的由许多像素组成，图像每一像素的数据可放在以字节为单位的矩阵中。

25、数据可放在以字节为单位的矩阵中。能够精确能够精确地描述各种不同颜色模式的图像画面，比较存地描述各种不同颜色模式的图像画面，比较存储内容复杂的图像和真实的照片。储内容复杂的图像和真实的照片。数字图像的存储位图格式数字图像的存储位图格式 文件头文件头 BITMAPFILEHEADER 信息头信息头 BITMAPINFOHEADER 调色板调色板 RGBQUAD 数据区 文件头文件头 BITMAPFILEHEADER 信息头信息头 BITMAPINFOHEADER 数据区 像素的像素的RGB值值 像素的调色板索引值像素的调色板索引值真彩色模式真彩色模式索引色模式索引色模式常见位图文件格式常见位图文件

26、格式BMP格式格式(真彩色真彩色)： TIFF格式格式(真彩色真彩色) GIF格式格式(调色板索引值调色板索引值) JPEG格式格式(真彩色真彩色) PNG格式格式(各种色彩方式各种色彩方式)1.37Mb .bmp-203Kb .jpg 常见视频文件格式常见视频文件格式 AVI格式格式 DV-AVI格式格式 MOV格式格式 RM格式格式 MPEG格式等格式等 2.2 数字图像表示数字图像表示模拟彩色电视系统模拟彩色电视系统相相 关关 参参 数数PALNTSCSECAM帧频帧频 (帧帧/秒秒)253025场频场频 (场场/秒秒)506050每帧行数每帧行数 (行行/帧帧)625525625有效行

27、数有效行数 (行行/帧帧)576485576行频行频 (行行/秒秒)156251575015625行周期行周期 (微秒微秒)6463.564彩色分量彩色分量YUVYIQYUV 由由A/D变换器对模拟视频进行变换，形成复变换器对模拟视频进行变换，形成复合数字视频合数字视频(3倍或倍或4倍副载波频率倍副载波频率) 复合数字系统的取样频率复合数字系统的取样频率标准标准取样取样Bit/取样取样数据率数据率Mb/sNTSC3fsc885.9NTSC4fsc8114.5PAL3fsc8106.3PAL4fsc8141.8复合数字视频格式复合数字视频格式复合视频信号TlTht/2tTv 隔行扫描光栅波形隔行

28、扫描光栅波形行消隐行消隐场消隐场消隐行扫描周期行扫描周期场扫描周期场扫描周期帧间隔帧间隔PAL模拟电视信号带宽模拟电视信号带宽4.43MHz亮度IU和V音频fp图像载波图像载波fSC色度副载波色度副载波fa音频副载波音频副载波频率频率f1.2MHz PAL制视频信号频谱制视频信号频谱8MHz5.5MHz5MHz分量数字视频格式分量数字视频格式 1982年年10月，月，CCIR(国际无线电咨询委员会国际无线电咨询委员会)通过关于演播室彩色电视信号数字编码建议通过关于演播室彩色电视信号数字编码建议采用对亮度和两个色度信号分别编码方式，采用对亮度和两个色度信号分别编码方式，对不同制式采用单一取样频率，与彩色副载对不同制式采用单一取样频率，与彩色副载波频率无关，分别为波频率无关，分别为13.5MHz、6.75MHz。(b) NTSC制525/60, 30帧/s858像素像素525行7