数字图像第二章课件

1、第二章 数字图像处理的基本概念 2.1 人眼的视觉原理一、人眼成像晶状体视网膜人眼的机理与照相机类似： 1. 瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，从而控制进入人眼内之光通量。(照相机光圈作用) 2. 晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成像。（照相机透镜作用）3. 视细胞：视网膜上集中了大量视细胞，分为两类： 锥状细胞：明视细胞，在强光下检测亮度和颜色； 杆(柱)状细胞：暗视细胞，在弱光下检测亮度，无色彩感觉。 其中，每个锥状视细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率高，分辨细节、颜色；多个杆状视细胞连接着一个视神

2、经末梢，故分辨率低，仅分辨图的轮廓。4. 人眼成像过程 睫状体调整水晶体弧度影像聚焦至视网膜中央窝附近光敏细胞感受各自位置强度脑部识别并最终成像二、视觉亮度范围和分辨率 人眼对亮度的适应能力人眼的适应亮度范围很宽1010(最大与最小之差)：从百分之几cd/m2到几百万cd/m2。光强度单位坎德拉：1cd即指单色光源的光，在给定方向上的单位立体角内发出的发光强度。 识别亮度范围很有限：当平均亮度适中时，能分辨的亮度上、下限之比为1000：1；当平均亮度很低时，这一比值只有10：1。 （适应的范围宽，识别范围窄）。 如从亮屋到黑屋什么都看不见（需适应2030秒），从黑屋到白屋适应较快（仅需12秒）

3、。图像 “黑”“白”（ “亮”、“暗”）对比参数 对比度 : 相对对比度 : 图像对比度人眼对亮度有适应能力，因此很难判别亮度绝对值。即使相同亮度，但若背景亮度不同，人眼的主观感觉的亮度亦不一致。当背景暗时看起来要亮些，而当背景亮时看起来要暗些。马赫带效应更暗？更亮？在观察一条有均匀黑的区域和均匀白的区域形成的边界时，人们感觉到在亮度变化部位附近的暗区和亮区中分别存在一条更黑和更亮的条带，这就是所谓的“Mach带”，马赫效应。视觉系统有过高或过低估计不同亮度区域的边界值的现象。色觉人能辨别不同颜色的能力，是指视网膜对不同波长光的感受特性，物体的色是人的视觉器官受光后在大脑的一种反映。物体颜色物

4、体的色取决于物体对各种光线的吸收、反射和透视能力，分为有色物体和消色物体。消色物体指黑色、白色、灰色物体，对照明光线具有非选择性吸收能力，根据入射光的反射率的大小区分为不同的颜色75% 消色物体呈白色10%r75%消色物体呈灰色r10%消色物体呈黑色有色物体对照明光线具有选择性吸收的能力，入射光中的色光不是等量的被吸收，入射光被反射或透射后，改变了光谱成分和亮度，所以物体呈现不同的颜色光源的光谱成分对物体颜色的影响有色光照射到消色物体时，物体反射色与入射光颜色相同，两种以上有色光同时照射到消色物体上，呈加色法效应。有色光照射到有色物体时，物体的颜色呈减色法效应。谁更长一些？一样长。黑色的直线组

5、相互平行么？是的。空间错觉虚假轮廓视觉假象绝对是静止的图片！ 2.2 连续图像的描述图像可以看作是空间各点光强度的集合:对二维图像，可表示为：只考虑光的能量不考虑其波长时，图像在视觉上表现为灰度图像：式中，Vs()为相对视敏函数。考虑不同光波长的彩色效应时，图像在视觉上表现为彩色图像：式中：图像内容随时间变化的图像为运动图像，反之为静止图像。静止图像是本课程的重点研究内容。图像与二维光强度函数有关，用函数f(x,y)表示。光是能量的一种形式，故：2.3 图像数字化 图像数字化是将一幅图像转化成计算机能处理的形式数字图像的过程。把图像分割成一个个小单元（像素），并将各单元灰度用整数表示。像素属性

6、：像素位置及灰度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采样。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隔？在满足采样定理的前提下，采样间隔的大小选取要依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。一般， 图像中细节越多，采样间隔应越小。 2.3.2 量化 含义：采样图像各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换。灰度值量化后的像素灰度值一般用一个字节8 bit来表示。灰度级：一幅数字图像中不同灰度值的个数称为灰度级，用G表示。存储一幅大小为MN、灰度级数为G的图像所需的存储空间为 MNk （bit） 矩阵中的每个元素称为像素（pixel）。

7、2.3.3 数字图像的表示 灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息。彩色图像是指每个像素的信息由RGB三原色构成的图像，其中RBG是由不同的灰度级来描述的。彩色图像不能用一个矩阵来描述了，一般是用三个矩阵同时来描述。黑白图像是指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为值图像。2值图像的像素值为0、1。2.3.4 采样、量化参数与数字化图像间的关系不同采样点数对图像质量的影响 采样点数越少，采样间隔就越大，空间分辨率低，质量差，严重时出现马赛克; 采样点数越多，图像质量越好； 当量化级数一定时 不同采样点数对图像质量的影响（a）原始图像(256256

8、)；（b）采样图像1(128128)；（c） 采样图2(6464)； （d）采样图像3(3232)； （e）采样图像4(1616)；（f） 采样图像5(88) 不同量化级数对图像质量的影响 当图像的采样点数一定时，量化级数越多，图像质量越好，量化级数越少，图像质量越差，量化级数最小的极端情况就是二值图像， 图像出现假轮廓。 不同量化级别对图像质量的影响（a） 原始图像(256色)； （b） 量化图像1(64色)； （c） 量化图像2(32色)； （d） 量化图像3(16色)； （e） 量化图像4(4色)； （f） 量化图像5(2色) 2.3.5 图像数字化设备的组成及性能一、数字化器组成A采样

9、孔：保证单独观测特定的像素而不受其它部分的影响。B图像扫描机构：使采样孔按预先确定的方式在图像上移动。C光传感器：通过采样孔测量图像的每一个像素的亮度。D量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。E输出存储体：将像素灰度值存储起来。它可以是固态存储器，或磁盘等。 常用的数字化器是扫描仪和数码相机。二、扫描仪工作原理 扫描仪是图像输入的常用设备。其工作步骤是: 1.将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上; 2.启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源 通过机械传动机构在控制电路的控制下带动装着光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动来完成扫描。 3.照射到原稿上的光线经反射后穿过

10、一个很窄的缝隙，形成横向光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带，分别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号，该信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。 4.将数字电子信号传送至计算机存储起来。扫描仪的类型有很多种，按扫描仪所扫描对象来划分，可分为反射式和透射式两种。根据其组成结构，扫描仪可分为手持式、平板式和滚筒式等几种。手持式扫描仪这种扫描仪诞生于1987年，是当年使用比较广泛的扫描仪品种，最大扫描宽度为105mm，用手推动，完成扫描工作，也有个别产品采用电动方式在纸面上移动，称为自走式扫描仪。手持式扫描仪扫描

11、幅面太窄，难于操作和捕获精确图像，扫描效果也很差。1995-1996年，各扫描仪厂家相继停止生产这一产品，手持式扫描仪退出了历史的舞台。鼓式扫描仪 又称为滚筒式扫描仪。鼓式扫描仪是专业印刷排版领域应用最广泛的产品。 滚筒式扫描仪的结构特殊，它的工作原理是把原图贴放在一个有机玻璃滚筒上，让滚筒以一定的速率围绕一个光电系统旋转，探头中的亮光源发射出的光线通过细小的锥形光圈照射在原图上，一个像素一个像素地进行采样。 这种扫描仪的光学分辨率高、色深高、动态范围宽，而且输出的图像普遍具有色彩还原逼真、阴影区细节丰富、放大效果优良等特点。但它的体积大，价格也很高。平台式扫描仪 又称平板式扫描仪、台式扫描仪

12、，这种扫描仪诞生于1984年，是目前扫描仪的主流产品。 它的扫描区域为一块透明的平板玻璃，将原图放在这块玻璃平板上，光源系统通过一个传动机构作水平移动，发射出的光线照射在原图上，经反射或透射后，由接收系统接收并生成模拟信号，再通过AD转换成数字信号，直接传送到电脑，由电脑进行相应的处理，完成扫描过程。平板式扫描仪的扫描速度、精度、质量很好，已得到了很好的普及。 二、图像数字化器的性能评价项目项 目内 容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可变范围决定。灰(色)度分辨率量化为多少等级图像大小仪器允许扫描的最大图幅量测特征数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度扫描速度采样

13、数据的传输速度噪声数字化器的噪声水平(应当使噪声小于图像内的反差)其他黑白/彩色，价格,操作性能等2.4 图像灰度直方图2.4.1 概念一、定义 灰度直方图反映的是一幅图像中各灰度级像素出现的频率。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灰度直方图。它是图像的一个重要特征，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。 频率的计算式为 0132132105762567160635122675365032272416225627601232121231231221p0=5/64p1=12/64p2=18/64p3=8/64p4=1/64p5=6/64p6=9

14、/64p7=5/64ivi二、计算 该图像像元总数为8*8=64, i=0,72.4.2 直方图的性质灰度直方图只能反映图像的灰度分布情况，而不能反映图像像素的位置,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。不同的图像可对应相同的直方图。下图给出了一个不同的图像具有相同直方图的例子。 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和即为原图像的直方图。图 整幅直方图与每个区域的直方图的关系2.4.3 直方图的应用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 直方图用于判断量化是否恰当用于确定图像二值化的阈

15、值 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。 A= n为图像像素总数，vi是灰度级为i的像元出现的频率 计算图像信息量H（熵），是用来反映图像表达信息丰富的程度，反映图像的复杂程度的量值。 2.5 图像处理算法的形式 一. 基本功能形式 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。 1 单幅图像 单幅图像 ,如图(a). 2 多幅图像 单幅图像, 如图(b). 3 单（或多）幅图像 数字或符号等。 二.几种具体算法形式 1.局部处理 对于任一像素（i，j），把像素的集合（i+p,j+q），p、q取任意整数叫做该像素的邻域， 2.5

16、 图像处理算法的形式 4邻域8邻域4邻域：像素p(x,y)的4邻域是：(x+1,y)；(x-1,y)；(x,y+1)；(x,y-1)D邻域定义：像素p(x,y)的D邻域是：对角上的点(x+1,y+1)；(x+1,y-1)；(x-1,y+1)；(x-1,y-1)8邻域定义：像素p(x,y)的8邻域是：4邻域的点 D邻域的点 在对输入图像处理时，计算某一输出像素JP(i,j)值由输入图像IP（i,j）像素的小邻域N(i,j)中的像素值确定。这种处理称为局部处理，或者称邻域处理。局部处理的计算表达式为： 2.5 图像处理算法的形式 例：对一幅图象采用33模板进行局部处理 3 * 3 的像素区域R与模

17、板G的运算 R5(中心像素)=R1G1 + R2G2 + R3G3 + R4G4 + R5G5 + R6G6 + R7G7 + R8G8 + R9G9 在局部处理中，当邻域N(i,j)仅包含IP(i,j)像素时的处理称为点处理。点处理的计算表达式为： 在局部处理中，输出像素JP(i,j)的值取决于输入图像大范围或全部像素的值，这种处理称为大局处理。其计算表达式为： 2.5 图像处理算法的形式 2.迭代处理 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迭代处理。下图为图像的细化处理过程。 2.5 图像处理算法的形式 3.跟踪处理 选择满足适当条件的像素作为起始像素，检

18、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，然后决定是继续处理下面的像素，还是终止处理。这种处理形式称为跟踪处理。 2.5 图像处理算法的形式 跟踪处理有以下特点：对某个像素的处理，依赖于这以前的处理结果，从而也就依赖于起始像素的位置。为此，跟踪处理的结果与从图像哪一部份开始进行处理相关。能够根据利用在此以前的处理结果来限定处理范围，从而可能避免徒劳的处理。另外，由于限制了处理范围，有可能提高处理精度。用于边界线、等高线等线的跟踪(检测)方面。如根据搜索法检测边缘曲线。 4.窗口处理和模板处理 单独对图像中选定的矩形区域内的像素进行处理的方式叫做窗口处理。 单独对图

19、像中选定的任意形状的像素进行处理的方式叫做模板处理。 2.5 图像处理算法的形式 5.串行处理和并行处理 后一像素输出结果依赖于前面像素处理的结果，并且只能依次处理各像素而不能同时对各像素进行相同处理的一种处理形式称为串行处理。串行处理的特点是： 用输入图像的第(i,j)像素邻域的像素值和输出图像(i,j)以前像素的处理结果计算输出图像(i,j)像素的值； 处理算法要按一定顺序进行。 因此，不能同时并行计算各像素的输出值，且串行处理的顺序会影响处理结果。 2.5 图像处理算法的形式 对图像内的各像素同时进行相同形式运算的一种处理形式称为并行处理。其特点如下： 输出图像像素(i, j)的值，只用

20、输入图像的(i, j)像素的邻域像素进行计算； 各输出值可以独立进行计算。 1.组合方式组合方式是一个字长存放多个像素灰度值的方式。它能起到节省内存的作用，但导致计算量增加，使处理程序复杂。 一、 图像的数据结构最常用的方式是将图像各像素用一维或二维数组相应的各元素加以存储。除此之外，还有下列方式。 2.6 图像的数据结构与图像文件格式2.比特面方式按比特位存取像素，即将每个像素的相同比特位用一个二维数组表示，形成比特面。n个比特位的灰度图像采用比特面方式存取就有n个比特面。 n-1 2 1 0 这种结构能充分利用内存空间，但对灰度图像处理耗时多。 3.分层结构 由原始图像开始依次构成像素数愈

21、来愈少的图像，就能使数据表示具有分层性，其代表有锥形(金字塔)结构。 4.树结构对于一幅二值图像的行、列都接连不断地二等分，如果图像被分割部分中的全体像素都变成具有相同的特征时，这一部分则不再分割。用这种方法，可以把图像用树结构(4叉树)来表示。这可以用在特征提取和信息压缩等方面。 5.多重图像数据存储 在彩色图像（红、绿、兰）或同一对象用多个不同的波长拍摄的多波段图像中，每个像素包含着多个图像的信息。这类图像数据的处理，以多谱图像为例，有下列三种存储方式：逐波段存储，分波段处理时采用；逐行存储，行扫描记录设备采用；逐像素存储，用于分类。 二、图像文件格式图像文件存储格式（按不同的方式进行组织

22、或存储数字图像像素的灰度，就得到不同格式的图像文件）：BMP,PCX,GIF,TIFF,JPEG,PNG图像存储格式特征描述图像高度、宽度以及各种物理特征的数据彩色定义。每点比特数，彩色平面数以及非真彩色图像的调色板描述图像的位图数据体1. BMP位图文件主要应用于Windows,OS/2图像数据可采用压缩(或非压缩)形式存放,文件体积通常较大;可存储单色，16色，256色，及真彩色每个BMP文件只能存放一幅图像文件结构：位图文件头、位图信息头、彩色表、图象数据阵列 PCX 格式普遍用于 IBM PC 兼容计算机上。大多数 PC 软件支持 PCX 格式版本 5。版本 3 文件采用标准 VGA

23、调色板，该版本不支持自定调色板。2.PCX（Paintbrush）文件及其结构 PCX 格式支持 RGB、索引颜色、灰度和位图颜色模式 PCX 使用 RLE（重复段长度） 压缩方式。 支持位深度为1、4、8 或 24 的图象。PCX文件结构分为文件头和图象压缩数据和256色种色彩的调色板数据）。PCX的文件头全部占有128字节。一个文件中只能存储一幅图象 采用LZW(字串表压缩法)压缩算法存储图象数据可在一个文件中存储多幅彩色图象使用256种颜色，自带颜色速查表。可以错行存放 3. GIF文件格式GIF (graphics interchange format 图形交换格式）是CompuSer

24、ve公司在1987年开发的图像文件格式，版本号是GIF87a，1989年进行了扩充，扩充后的版本号定义为GIF89a。 图像文件以数据块(block)为单位来存储图像的相关信息。 4 TIFF格式 TIFF是Tagged Image File Format缩写，文件扩展名为tif或tiff，它是由Aldus和Microsoft公司于1986年开发的，TIFF文件格式是数字印前作业中使用最普遍的一种图像文件格式，得到几乎所有应用软件的支持，TIFF格式是一种比较灵活的图像格式，具有以下几个显著特点。.支持多种图像模式；支持位图、灰度图、索引色、RGB、CMYK，.可以存储多幅图像.文件内数据区没

25、有固定的排列顺序.支持多种压缩方法；TIFF图像可以选择LZW、JPEG、ZIP等多种压缩方法。.可存储多份调色板数据.图像数据可以分成几个部分分别存档1图像的特征 图像特征是图像分析的重要依据，它可以是视觉能分辨的自然特征，也可以是人为定义的某些特性或参数，即人工特征。数字图像的像素亮度、边缘轮廓等属自然特征；图像经过变换得到的频谱和灰度直方图等属人工特征。 2.7 图像的特征与噪声1）自然特征 图像是空间景物反射或辐射的光谱能量的记录，因而具有光谱特征、几何特征和时相特征。光谱特征 同一景物对不同波长的电磁波具有不同的反射率，不同景物对同一波长也可能具有不同的反射率。因而不同类型的景物在各

26、个波段的数字成像，就构成了数字图像的光谱特征。数字图像的光谱特征可用于多波段遥感，从中获得关于地理、地质、地貌等丰富的信息。 不同地物的光谱反射曲线几何特征 ：图像空间分辨率、图像纹理结构、图像变形等图像空间分辨率：指像素所代表的地面范围的大小，体现了地面物体能分辨的最小单元。图像纹理信息：影像细部的形状、大小、位置、方向及分布特征不同的类型的地形，不同类型的植被，它们相应的影像上各自具有独特的形状和分布规律。灰度在一个局部区域中的分布模式（如线条、小块、阴影），被称为纹理基元。1999年11月6日, IKONOS影像2000年1月 6日影像时相特征：同一区域不同时间的成像像片间的差别2）人工特征 图像的人工特征很多，主要包括以下几种:直方图特征灰度边缘特征 图像灰度在某个方向上的局部范围内表现出不连续性，这种灰度明显变化点的集合称为边缘。灰度边缘特征反映了图像中目标或对象所占的面积大小和形状。 线和角点特征 城市区划图中有建筑群、街道、公路、铁路、桥梁等，这些地物可用线、线相交的角点来表示。从图中提出这些特征，不仅可压缩图像，也可用于识别。角点代表的局部