遥感数字图像第二章讲课教案

1、第二章 数字图像处理基础 遥感数字图像第二章第二章 数字图像处理基础 数字化器的性能n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；n灰度级：量化为多少等级；n图像大小：允许输入图像的大小；n扫描速度：采样数据的传输速度；第二章 数字图像处理基础 n噪声：数字化器的噪声水平。n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，图像数字化设备的线性度是一个重要的性能指标，非线性的数字化器会影响后续处理的有效性。 第二章 数字图像处理基础 图像数字化器的类型主要包括:n数码相机n胶片扫描仪第二章 数字图像处理基础 二. 图像数字化器的组成主要包括:n人

2、工光源n光传感器n扫描装置第二章 数字图像处理基础 三、图像的采样和量化n图像数字化：指将模拟图像经过离散化之后，得到用数字表示的图像。n模拟图像：照片、电视、录象、电影。 数学表达式： 二维分布函数，t表示时间变量。模拟图像数字图像离散化),(tyxf第二章 数字图像处理基础 数字图像：用矩阵来描述的。1, 11 , 10, 11, 11 , 10, 11, 01 , 00, 0,nmmmnniiiiiiiiinmII第二章 数字图像处理基础 第二章 数字图像处理基础 第一步：空间采样 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。由于图像是二维分布的信息，所以采样是在x轴和y轴

3、两个方向上进行。数字化过程第二章 数字图像处理基础 n图像采样n采样处理：将xy平面分配到一个网格上。xy平面平面(a,b)第二章 数字图像处理基础 第二章 数字图像处理基础 与采样相关的概念(分辨率)分辨率 传感器摄像的精确度。通常指要精确测量和再现一定尺寸的图像所必需的像素个数。单位：像素*像素第二章 数字图像处理基础 分辨率 320 x240第二章 数字图像处理基础 分辨率 160 x120第二章 数字图像处理基础 分辨率 80 x60第二章 数字图像处理基础 第二章 数字图像处理基础 图象尺寸：127*176分辨率：(a)127*176 (b)63*88 (c)31*44 (d)15*

4、22 第二章 数字图像处理基础 256256646432321616第二章 数字图像处理基础 第二步：量化 将各像素的明暗信息离散化，用数字表示像素点信息称为图像的量化。 量化值一般用整数来表示。考虑人眼的识别能力，目前非特殊用途的图像均为8bit量化，即用0255描述“黑白”。第二章 数字图像处理基础 图2-3 量化示意图（a） 量化； (b) 量化为8 bit 连续灰度值 量化值 (整数值)灰度标度 灰度量化Zi1ZiZi1qi1qi125525412812710(a)(b)第二章 数字图像处理基础 n图像的量化与数字图象的质量256256灰度级灰度级6464灰度级灰度级1616灰度级灰度

5、级128128灰度级灰度级第二章 数字图像处理基础 对于彩色图像，是按照颜色成分红（R）、绿（G）、蓝（B）分别采样和量化的。若各种颜色成分均按8 bit量化，即每种颜色量级别是256， 则可以处理256256256=16 777 216种颜色。 第二章 数字图像处理基础 四. 常用图像数字化设备o数字相机o扫描仪o数字摄像机第二章 数字图像处理基础 数码相机的组成o镜头oCCD（电荷藕合器件 ）oA/D（模/数转换器）oMPU（微处理器） o内置存储器oLCD（液晶显示器）oPC卡（可移动存储器）o接口（计算机接口、电视机接口） 数字相机前面板 数字相机背面板 第二章 数字图像处理基础 第二

6、章 数字图像处理基础 数码相机的工作原理 (1)镜头将光线会聚到感光器件CCD上； (2)CCD是半导体器件，它代替了普通相机中胶卷的位置； (3)CCD的功能是光强信号转变为不同强度的电信号，得到拍摄景物的图像信息； (4)ADC将模拟信号到数字信号的转换； (5)MPU(微处理器)对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG、BMP格式，并将图像文件被存储在内置存储器中； (6)LCD显示查看拍摄照片； 部分数字相机还提供连接计算机和电视机的接口。 第二章 数字图像处理基础 扫描仪结构图1 第二章 数字图像处理基础 扫描仪结构图2第二章 数字图像处理基础 1 1上盖上盖：主要是将

7、要扫描的原稿压紧，以防止扫描灯光线泄露。2 2原稿台原稿台：主要是用来放置扫描原稿的地方，其四周设有标尺线以方便原稿放置，并能及时确定原稿扫描尺寸。中间为透明玻璃，称为稿台玻璃。3 3光学成像部分光学成像部分：它是扫描仪的核心部件，其精度直接影响扫描图像的还原逼真程度。它包括以下主要部件：灯管、反光镜、镜头以及电荷耦合器件(CCD)。 扫描仪各部分的功能第二章 数字图像处理基础 4 4光电转换部分光电转换部分：是指扫描仪内部的主板，它是一块安置有各种电子元件的印刷电路板。它是扫描仪的控制系统，在扫描仪扫描过程中，它主要完成CCD信号的输入处理，以及对步进电机的控制，5 5机械传动装置机械传动装

8、置：主要包括步进电机、驱动皮带、 滑动导轨和齿轮组。扫描仪各部分的功能第二章 数字图像处理基础 典型数字摄像机第二章 数字图像处理基础 五. 胶片扫描o 胶片扫描的概念o 常用胶片扫描设备o 胶片扫描仪的性能指标第二章 数字图像处理基础 1. 胶片扫描的概念n胶片扫描在图像数字化过程中占有重要地位。n胶片扫描是对来自胶片上的信息进行数字化的过程，使这些信息能由计算机读取、处理和应用。n胶片是指投影仪、普通相机或胶片记录仪中使用的包括胶片、幻灯片、底片等在内的各种感光材料，它们能生成图像或影像。 第二章 数字图像处理基础 1) 1) 透射率和光密度透射率和光密度 101121TIIT左边物体的透

9、射率为: 左边物体的光密度: 1112110lg1lglgDTTIID光密度和透射率示意图 第二章 数字图像处理基础 2)2) 摄影过程o胶片显影o胶片对光的响应o乳化剂的特性o胶片分辨率3)照相复制第二章 数字图像处理基础 2. 常用胶片扫描设备n胶片扫描仪n胶片纪录仪n鼓式扫描仪第二章 数字图像处理基础 3. 胶片扫描仪的性能指标n介质n光学分辨率n色深度和动态范围第二章 数字图像处理基础 三、图像的灰度直方图n定义n性质n用途第二章 数字图像处理基础 图像灰度直方图的定义 灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中该灰度级的像素个数。即：横坐标表示灰度级，纵坐标表示图像中该灰度级出现的个数

10、。第二章 数字图像处理基础 1234565456214123456643221166466345666146623136466灰度直方图第二章 数字图像处理基础 灰度直方图另一种定义方式灰度直方图另一种定义方式n在下页图示中，有一条灰度级为在下页图示中，有一条灰度级为D1的轮廓线，的轮廓线，在更高的灰度级在更高的灰度级D2处还画有第二条轮廓线。处还画有第二条轮廓线。nA1表示第一条轮廓线所包围区域的面积，同样，表示第一条轮廓线所包围区域的面积，同样，A2表示第二条轮廓线所包围的区域的面积。表示第二条轮廓线所包围的区域的面积。第二章 数字图像处理基础 第二章 数字图像处理基础 n在一幅连续图像中

11、，将具有灰度级在一幅连续图像中，将具有灰度级D的所有轮的所有轮廓线所包围的面积，称为灰度级廓线所包围的面积，称为灰度级D的阈值面积的阈值面积函数，用函数，用A(D)表示，则直方图可定义为：表示，则直方图可定义为： )()()()(lim0DAdDdDDDADADHD第二章 数字图像处理基础 n对于离散函数，固定对于离散函数，固定D为为1，则上述定义变为：，则上述定义变为： H(D)=A(D)-A(D+1) 第二章 数字图像处理基础 设r代表图像中像素灰度级，作归一化处理后，r将被限定在0, 1之内。在灰度级中，r=0代表黑，r=1代表白。对于一幅给定的图像来说，每一个像素取得0, 1区间内的灰

12、度级是随机的，即r是随机变量。假定对每一瞬间，它们是连续的随机变量，则可以用概率密度函数pr(r)来表示原始图像的灰度分布。若横轴代表灰度级r，纵轴代表灰度级的概率密度函数pr(r)，这样就可以针对一幅图像在该坐标系中作出一条曲线。这条曲线在概率论中就是概率密度曲线，如图所示。 第二章 数字图像处理基础 图像灰度分布概率密度函数 Pr(r)r10Pr(r)10r(a)(b)第二章 数字图像处理基础 n直方图表明每一个灰度有多少个象素第二章 数字图像处理基础 第二章 数字图像处理基础 图像灰度直方图的性质n直方图是一幅图像中各像素灰度值出现次数直方图是一幅图像中各像素灰度值出现次数（或频数）的统

13、计结果，它只反映该图像中不（或频数）的统计结果，它只反映该图像中不同灰度值出现的次数（或频数），而未反映某同灰度值出现的次数（或频数），而未反映某一灰度值像素所在位置。也就是说，它只包含一灰度值像素所在位置。也就是说，它只包含了该图像中某一灰度值的像素出现的概率，而了该图像中某一灰度值的像素出现的概率，而丢失了其所在位置的信息。丢失了其所在位置的信息。 第二章 数字图像处理基础 p 任一幅图像，都能唯一地确定出一幅与它对应的直方图， 但不同的图像，可能有相同的直方图。也就是说，图像与直方图之间是多对一的映射关系。如图就是一个不同图像具有相同直方图的例子。 第二章 数字图像处理基础 空间信息丢失

14、第二章 数字图像处理基础 (a)(b) 图像与直方图间的多对一关系图像与直方图间的多对一关系 第二章 数字图像处理基础 图像灰度直方图的用途n 用于判断图像量化是否恰当 直方图给出了一个简单可见的指示，用来判断一幅图象是否合理的利用了全部被允许的灰度级范围。一般一幅图应该利用全部或几乎全部可能的灰度级，否则等于增加了量化间隔。丢失的信息将不能恢复。第二章 数字图像处理基础 l 观察直方图可以看观察直方图可以看出不合适的数字化出不合适的数字化第二章 数字图像处理基础 较暗图象的直方图 P (r k) r k第二章 数字图像处理基础 较亮图象的直方图 P (r k) r k第二章 数字图像处理基础

15、 对比度较低图象的直方图 P (r k) r k第二章 数字图像处理基础 对比度较高图象的直方图 P (r k) r k第二章 数字图像处理基础 n 边界阈值选取 假设某图象的灰度直方图具有二峰性，则表明这个图象的较亮的区域和较暗的区域可以较好地分离，取这一点为阈值点，可以得到好的二值处理的效果。第二章 数字图像处理基础 选取146为阈值的二值化第二章 数字图像处理基础 灰度图具有二峰性第二章 数字图像处理基础 具有二峰性的灰度图的2值化第二章 数字图像处理基础 灰度分布效果比较示意图第二章 数字图像处理基础 四、图像的文件格式四、图像的文件格式数字图像通常有两种表示形式: 位 图矢量图第二章

16、 数字图像处理基础 位图和矢量图的比较位图和矢量图的比较(1)(1)1、点位图由像素构成，矢量图由对象构成 点位图的基本构图单位是像素，像素包含了色彩信息。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。 矢量图形指由代数方程定义的线条或曲线构成的图形。 如:表示一个圆形，矢量图像保存了一个画圆的命令、圆心的坐标、半径的长度等等。欲显示该圆，矢量绘图软件则根据圆的坐标、半径等信息，经过方程式计算，将圆“画”在屏幕上。 矢量图像由许多矢量图形元素构成，这些图形元素称为“对象”。第二章 数字图像处理基础 2、点位图面向像素像素绘画，矢量图面向对象“构画” 两种图像的构成方式不同，其绘画方式也

17、存在差别。 点位图是通过改变像素的色彩实现绘画和画面的修改。点位图软件提供了模拟手绘习惯的工具实现绘画。这些手绘工具在图像上移动，即可改变相应位置上像素的色彩。 矢量图操纵的是基本的图形（对象），以Corel Draw为例,如图所示,选择贝赛尔曲线工具，用鼠标在页面上定出一些节点，节点之间有线段，构成一个封闭图形。用修改工具把这个图形调整圆滑。然后选择色彩，该图形即可填充上工整的色彩。这个新产生的图形在矢量图像中，就是一个基本的矢量图形对象。 位图和矢量图的比较（位图和矢量图的比较（2 2）第二章 数字图像处理基础 3、点位图受到像素和分辨率的制约，而矢量图形不存在这些制约 点位图是由像素阵列

18、构成的图像，像素的多少和分辨率决定图像的质量。在用点绘图软件开始一幅新作品时，首先应确定图像的长宽大小和分辨率，一旦确定下来，以后要改变分辨率，就会影响图像的质量。另外点位图的缩放也会影响图像的质量。 位图和矢量图的比较（位图和矢量图的比较（3 3）第二章 数字图像处理基础 矢量图形和设备无关，即和分辨率无关。 因为矢量图由数学公式和一些参数决定。图形的放大缩小以及分辨率的改变，仅仅是参数的相对变化，重新计算后再显示出来，依然保持精细的图像质量。当然，这些内部计算，用户是看不出来的，用户也不用理会。如图，一幅矢量图形无论怎样放大，边线依然平滑。而在绘画过程中，则可以任意放大若干倍（甚至上万倍）

19、，精确细致地描绘任意细节。如图第二章 数字图像处理基础 第二章 数字图像处理基础 4、点位图修改麻烦，矢量图形修改随心所欲 点位图的编辑受到限制。点位图是像素的排列，局部移动或改变会影响到其他部分的像素(包括前面讲的对图像进行放大)。 虽然矢量图形的作画方式特别（如前述例子），但是在修改方面却是比点位图更胜一筹。在矢量图形中，一个图形对象的改变，不会影响其他图形对象。位图和矢量图的比较（位图和矢量图的比较（4 4）第二章 数字图像处理基础 图1是一幅点位图漫画，这位女孩的腰部画得太粗了，要修改苗条。在Painter中，可以选择一种笔工具，再选择和背景相同的颜色。把腰部多余的部分涂掉，如图2.

20、然后再选择黑色，用钢笔工具把边线补上,如图3;如用鼠标，很难把握精度，修改起来更麻烦。如果一次修改不满意，还要重复上面的步骤继续修改。 第二章 数字图像处理基础 基本相同的一幅Corel Draw矢量图漫画。同样是要修改女孩的腰部。很简单，选择修改工具，如图2拖拉一下腰部曲线的节点就可以把腰部调细了，如图3.不满意，再调整一下即可(这种调整修改不会影响到其他图形对象，可以随意修改).第二章 数字图像处理基础 5、点位图难以重复使用，矢量图形可以随意重复使用 在漫画创作中，尤其在漫画故事创作中，若能重复使用一些图像元素，可以大大提高创作效率。而点位图的重复使用相对比较困难。因为图像元素的重复使用

21、必然涉及图像元素的放大缩小和修改，这些正是点位图的弱点。 相反，矢量图形是以图形对象为基础，图形对象相对独立，而且放大缩小和修改都方便，可以十分随意地重复使用。例如，可以把人物的头部作为一个图形对象。只需要套上不同的身躯，就可以作出不同衣着和动态的形象了。 位图和矢量图的比较（位图和矢量图的比较（5 5）第二章 数字图像处理基础 6、点位图效果丰富，矢量图形效果单调机械 点位图可以表现任何复杂形象，这是矢量图形的弱点。像云雾、自然界的树林花丛、山脉等，矢量图形很难生动表现。利用Painter等点位图软件，却可以很轻易地制作出来。 在漫画中，经常要绘画渲染气氛的背景。矢量图形只能勉强表现较机械的放射线等。若利用Painter等点位图软件，绘画者可以根据自己的创意，创作千变万化的背景效