宋怀波第4讲：图像处理基础知识

1、1数字图像处理数字图像处理宋怀波机械与电子工程学院2u色彩的三要素色彩的三要素 视觉所感知的一切色彩现象，都具有视觉所感知的一切色彩现象，都具有亮度、色调亮度、色调和饱和度和饱和度三种性质，这三种性质称为色彩的三要素。三种性质，这三种性质称为色彩的三要素。 亮亮 度：度：光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉。光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉。 色色 调：调：反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性。反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性。 饱和度：饱和度：指颜色的纯度，或者说指颜色的深浅程度。指颜色的纯度，或者说指颜色的深浅程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色越鲜明。对于同一色调的彩色光，

2、饱和度越深颜色越鲜明。3u色彩模型色彩模型u在进行视频图像处理时，常常涉及到用几种不同色彩在进行视频图像处理时，常常涉及到用几种不同色彩模型模型(或颜色模型或颜色模型)来表示图像的颜色。来表示图像的颜色。u使用色彩模型的目的：使用色彩模型的目的：u尽可能有效地描述颜色，以便需要时能方便选择。尽可能有效地描述颜色，以便需要时能方便选择。u各个应用领域一般使用不同的色彩模型：各个应用领域一般使用不同的色彩模型：p如计算机显示时采用如计算机显示时采用RGB模型；模型；p彩色电视信号传输时采用彩色电视信号传输时采用YUV模型；模型；p打印输出彩色图像时用打印输出彩色图像时用CMY模型模型，还有另外一些

3、色彩，还有另外一些色彩模型的表示方法。模型的表示方法。4RGB模型模型自然界常见的各种颜色，都可由红自然界常见的各种颜色，都可由红(R)、绿绿(G)、蓝蓝(B)三种颜色光按不同比例相配而成。同样，绝大多数三种颜色光按不同比例相配而成。同样，绝大多数颜色光也可以分解成红、绿、蓝三种色彩。这就是颜色光也可以分解成红、绿、蓝三种色彩。这就是色度学的基本原理色度学的基本原理三基色原理三基色原理。RGB模式产生色彩的方式称为模式产生色彩的方式称为加色法加色法，没有光是全，没有光是全黑，各色光加入后才产生色彩，越加越高，加到极黑，各色光加入后才产生色彩，越加越高，加到极限时成为白色。限时成为白色。5HSL

4、模型模型HSL (Hue, Saturation, Lightness)模型是使用模型是使用H、S和和L生成颜色。生成颜色。H为色调，改变它的数值可生成不同的颜色表示；为色调，改变它的数值可生成不同的颜色表示；S为饱和度，改变它可使颜色变亮或变暗；为饱和度，改变它可使颜色变亮或变暗；L为亮度参量。为亮度参量。HSL模型描述颜色更加自然，符合人眼对颜色的感模型描述颜色更加自然，符合人眼对颜色的感知方式，比较容易理解，但使用时不方便。知方式，比较容易理解，但使用时不方便。HSL和和RGB色彩模型之间是线性关系，使得颜色的色彩模型之间是线性关系，使得颜色的编辑十分直观方便，有助于理解这两种色彩模型编

5、辑十分直观方便，有助于理解这两种色彩模型。原始图像原始图像饱和度分量饱和度分量HSL模型模型原始图像原始图像我的结果我的结果对比结果对比结果HSL模型模型9CMY模型模型 打印时一般需要使用打印时一般需要使用CMY模型。模型。CMY模型模型(Cyan、Magenta、Yellow)是采用青、粉红、黄色三种基本颜色按一定比例合成颜是采用青、粉红、黄色三种基本颜色按一定比例合成颜色的方法。色的方法。 CMY模式：由照射在颜料上反射回来的光线所产生。颜料会吸模式：由照射在颜料上反射回来的光线所产生。颜料会吸收一部分光线，而未吸收的光线会反射出来，成为视觉判定颜收一部分光线，而未吸收的光线会反射出来，

6、成为视觉判定颜色的依据，这种色彩的产生方式称为色的依据，这种色彩的产生方式称为减色法减色法。 所有的颜料都加入后才能成为纯黑，当颜料减少时才开始出现所有的颜料都加入后才能成为纯黑，当颜料减少时才开始出现色彩，颜料全部除去后才成为白色。色彩，颜料全部除去后才成为白色。 理论上理论上CMY三基色可制作出所需要的各种颜色，但实际上同量三基色可制作出所需要的各种颜色，但实际上同量的的CMY混合后并不能产生完善的黑色或灰色，因此在印刷时必混合后并不能产生完善的黑色或灰色，因此在印刷时必须加上一个黑色须加上一个黑色(Black)，这样，又称为，这样，又称为CMYK模式模式。1. 二维数组方式二维数组方式:

7、 M行行N 列列2.多波段图像数据结合结构多波段图像数据结合结构1）按各个波段存储）按各个波段存储N 列 行红绿蓝2.2.3 图像存储的数据结构图像存储的数据结构M2）按扫描行存储）按扫描行存储红 绿 蓝 第1行3）按各个像素存储）按各个像素存储 红 绿 蓝 （1，1）（1，2）2.2.3 图像存储的数据结构图像存储的数据结构2.3 图像文件格式图像文件格式2.3.1 BMP文件格式文件格式2.3.2 GIF文件格式文件格式2.3.3 TIFF文件格式文件格式2.3.4 JPEG文件格式文件格式2.3.5 DICOM文件格式文件格式2.3.1 BMP文件格式文件格式vWindows中定义了两种

8、位图文件类型：中定义了两种位图文件类型：一般位图文件一般位图文件格式格式，设备无关位图设备无关位图文件格式。文件格式。vBMP图像文件的结构可以分为如下三个部分：图像文件的结构可以分为如下三个部分：文件文件头头（由（由位图像文件位图像文件和和位图信息头位图信息头两部分组成），两部分组成），调色调色板数据板数据，图像数据图像数据。其中：其中：文件头的长度为固定值文件头的长度为固定值54个字节；个字节；调色板数据对所有不超过调色板数据对所有不超过256色的图像模式都需要进色的图像模式都需要进行设置，即使是单色图像模式也不例外。行设置，即使是单色图像模式也不例外。 BITMAPFILEHEADER包

9、含文件类型和大小等信息，定义为：包含文件类型和大小等信息，定义为：typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORDbfType;/*代表代表BMP格式，必为格式，必为“BM”即即“0 x4d42”*/DWORD bfSize; /* BMP文件总字节数文件总字节数*/ WORD bfReserved1;/*预留，必为预留，必为0*/WORD bfReserved2; /*预留，必为预留，必为0*/ DWORD bfOffBits; /*以字节为单位，表示图像数据在文件内的起始地址，即以字节为单位，表示图像数据在文件内的起始地址，即图像数据针对文件头的偏移量图像数据

10、针对文件头的偏移量*/ BITMAPFILEHEADER 2.3.1 位图文件头位图文件头BITMAPFILEHEADERBITMAPINFOHEADER包含位图的尺寸和颜色格式等信息，其定义如下：包含位图的尺寸和颜色格式等信息，其定义如下：typedef struct tagBITMAPINFOHEADERDWORDbiSize;/*bitmapinfo结构的字节数为结构的字节数为40*/ LONGbiWidth; /*图像宽度图像宽度(像素数像素数)*/ LONG biHeight; /*图像高度图像高度(像素数像素数)*/WORDbiPlanes; /*目标设备平面数，总为目标设备平面数

11、，总为1*/WORDbiBitCount;/*每像素位数，可为每像素位数，可为1、4、8或或24*/ /*数据压缩方式，为数据压缩方式，为0(不压缩不压缩)；1(BI_RLE8)或或2(BI_RLE4)*/DWORDbiCompression;DWORDbiSizeImage; / 位图的大小，以字节表示位图的大小，以字节表示*/LONGbiXPelsPerMeter; /*设备水平分辨率设备水平分辨率,以每米像素数为单位以每米像素数为单位*/LONGbiYPelsPerMeter; /*设备垂直分辨率设备垂直分辨率,以每米像素数为单位以每米像素数为单位*/DWORDbiClrUsed;/*位

12、图使用的颜色数位图使用的颜色数,0表示所有颜色都使用表示所有颜色都使用*/ DWORDbiClrImportant;/*重要的颜色索引重要的颜色索引,0表示所有颜色均重要表示所有颜色均重要*/ BITMAPINFOHEADER2.3.2 位图信息头位图信息头BITMAPINFOHEADER图像文件头示例图像文件头示例bfType=4D42H=“BM”图像文件头示例图像文件头示例bfSize=000027A0H=10144图像文件头示例图像文件头示例Reserverd1=0图像文件头示例图像文件头示例Reserverd2=0图像文件头示例图像文件头示例bfOffset=0000003EH图像文件

13、头示例图像文件头示例biSize=00000028H=40图像文件头示例图像文件头示例biWidth=00000140H=320图像文件头示例图像文件头示例biHeight=000000FCH=252图像文件头示例图像文件头示例biPlanes=0001H图像文件头示例图像文件头示例biBitCount=0001H图像文件头示例图像文件头示例biCompression=00000000H图像文件头示例图像文件头示例biSizeImage= 00000000H图像文件头示例图像文件头示例biXpelsPerMeter=00000B12H=2834biXpelsPerMeter=00000B12H

14、=2834图像文件头示例图像文件头示例biYpelsPerMeter=00000B12H=2834biYpelsPerMeter=00000B12H=2834图像文件头示例图像文件头示例biClrUsed=00000000H图像文件头示例图像文件头示例biClrImportant=00000000H图像文件头示例图像文件头示例 如果位图的描述还需要调色板数据，则应该在如果位图的描述还需要调色板数据，则应该在BMP文件头之后定文件头之后定义一个颜色表，它义一个颜色表，它包含若干个表项包含若干个表项。其中，。其中，每一个表项定义了一种每一个表项定义了一种颜色颜色，Windows将其定义为如下的将其

15、定义为如下的RGBQUAD结构：结构：typedef tagRGBQUADBYTE rgbBlue；BYTE rgbGreen；BYTE rgbRed；BYTE rgbReserved；RGBQUAD； 注意：注意：RGBQUAD数据结构中，增加了一个保留字段，它不代表数据结构中，增加了一个保留字段，它不代表任何意义，必须取固定值任何意义，必须取固定值0。若某个调色板项为若某个调色板项为 “00，00，FF，00”，则表示该点的颜色为，则表示该点的颜色为:纯红色，纯红色，而不是纯蓝色。而不是纯蓝色。调色板数据调色板数据 位图数据阵列记录了位图中的每一个像素值。位位图数据阵列记录了位图中的每一个

16、像素值。位图数据的长度由图数据的长度由图像尺寸、像素的位数和压缩方式图像尺寸、像素的位数和压缩方式等等共同决定。共同决定。 在生成位图文件时，在生成位图文件时，Windows 从位图的左下角开从位图的左下角开始始(即即从左到右从下到上从左到右从下到上)逐行扫描位图，将位图的像逐行扫描位图，将位图的像素值一一记录下来，这些记录像素值的字节组成了位素值一一记录下来，这些记录像素值的字节组成了位图阵列。图阵列。 对于对于24位位BMP，其像素数据由蓝绿红分量组成。，其像素数据由蓝绿红分量组成。2.3.5 位图数据位图数据 图像数据图像数据文件头文件头调色板调色板rgbBLUE=49HrgbGREEN

17、=3CHrgbRED=2CHrgbReserved=00H调色板索引调色板索引=CBH =203 图像数据图像数据文件头文件头BLUE=85HGREEN=95HRED=95H 左下角位置左下角位置2.3 图像文件格式图像文件格式2.3.2 GIF文件格式文件格式 GIF（graphic Interchange Format）是由）是由CompuServe公司设计和开发的文件存储格式，用于存储图形，也公司设计和开发的文件存储格式，用于存储图形，也可以用来存储可以用来存储256色图像，扩展名为色图像，扩展名为gif。2.3 图像文件格式图像文件格式2.3.3 TIFF文件格式文件格式 TIFF（T

18、agged Image File Format）是相对经典、功）是相对经典、功能很强的图像文件存储格式，扩展名为能很强的图像文件存储格式，扩展名为tif或或tiff。2.3.4 JPEG文件格式文件格式 由（国际）联合图像专家组（由（国际）联合图像专家组（Joint Photographic Experts Group）提出的静止图像压缩标准文件格式，）提出的静止图像压缩标准文件格式，是面向常规彩色图像及其它静止图像的一种压缩标准。是面向常规彩色图像及其它静止图像的一种压缩标准。扩展名为扩展名为jpg或或jpeg。 2.3.5 DICOM文件格式文件格式 DICOM (Digital Imag

19、ing and Communications in Medicine) 是医学图像文件存储格式，为各类医学是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。 DICOM格式支持几乎所有的医学数字成像设备，格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如例如CT、MR、DR、超声、内窥镜、电子显微镜、超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。常见扩展名为的主要组成部分。常见扩展名为DCM。2.3 图像文件格式图像文件格式2.4 图像质量评价图像质量评价

20、2.4.1 图像质量的客观评价图像质量的客观评价2.4.2 图像质量的主观评价图像质量的主观评价2.4.1 图像质量的客观评价图像质量的客观评价v归一化均方误差归一化均方误差211211 ( , )( , ) ( , )JKjkJKjkf j kf j kNMSEf j k1 1 1 11 11 11 1 1 11 22 1( , ) ( , )1 1 1 11 22 11 1 1 11 11 1f j kf j kNMSEv峰值方均误差峰值方均误差21121()( , )( , ) JKjkfj kfj kJKPMSEA1010log ()PSNRPMSE 2.4.1 图像质量的客观评价图像

21、质量的客观评价PSNRPMSEf(j,k)被变换的图像场，被变换的图像场，Af(j,k )的最大值的最大值等效信噪比等效信噪比熵 v图像的熵是衡量图像信息丰富程度的一个重要指标。根据Shannon信息论的原理，一幅图像的信息熵定义为：102)(logLiiippE平均梯度 v平均梯度可以反映图像对微小细节变化的表达能力，可以用来评价图像的清晰程度。 1111222),(),() 1)(1(1MiNjjjiFijiFNMG标准差 v标准差反映了图像灰度相对于图像平均灰度的离散情况，在某种程度上，标准差可以用来评价图像对比度的大小。如果标准差越大，则图像的对比度越大，图形所包含的信息也就越多。 NMujiFstdMiNj112),(图像的清晰度 v清晰度可以反映图像对微小细节反差的表达能力，用来评价图像的清晰程度 yxyxfyxfy