成像图像基础

颜色空间RGB加混色颜色空间彩色图像可由红、绿、蓝三基色图像叠加而成,红、绿、蓝越多，颜色越亮。第一页，共56页。2RGBImageDataRedChannelGreenChannelFullColorImageBlueChannel第二页，共56页。CMY减混色颜色空间CMY减混色颜色空间CMY油墨和颜料用的越多，颜色越暗。WhitelightPigmentlayersReflectinglayer(whitepaper)GreenRedBlueBlackWhiteCyanYellowMagentaCyanMagentaYellowBlack第三页，共56页。4CMYImageDataFullColorImageCyanImage(1-R)MagentaImage(1-G)YellowImage(1-B)第四页，共56页。HSI颜色空间也称为视觉生理模型：色调（H，Hue）色饱和度（S，Saturation）明度（I，Intensity）例如：孟塞尔颜色系统应用：设计，试衣网第五页，共56页。HSI颜色空间也称为视觉生理模型：色调（H，Hue）色饱和度（S，Saturation）明度（I，Intensity）例如：孟塞尔颜色系统应用：设计，试衣网第六页，共56页。7HSIImageDataHueChannelSaturationChannelIntensityChannelFullImage第七页，共56页。RGB到HIS空间的转换第八页，共56页。HSI到RGB空间的转换第九页，共56页。YUV和RGB之间转换PAL制式彩色电视使用YUV模型其中，Y为亮度，U、V为色度。下式可实现与RBG间的转换：

Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.169R-0.331G+0.5B第十页，共56页。图像数字化图像传感器与数字成像

数字化原理第十一页，共56页。

图像传感器与数字成像1.CCD传感器

电荷耦合器件（ChargedCoupledDevice），感应可见光的光强

扫描仪的图像数字化过程原理图

第十二页，共56页。图像传感器与数字成像2.CMOS传感器

互补性金属氧化物半导体（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）应用范围：低端领域：监控，聊天高端领域：专业单反数码相机第十三页，共56页。数字化原理1．数学模型第十四页，共56页。2．采样和量化

采样：空间上的离散化量化：灰度上的离散化数字化原理f连续信号（抽样、量化）——数字信号第十五页，共56页。

采样点阵：正方形、正三角数字化原理图像矩阵的特点：

数字化采样：正方形点阵、三角形点阵、正六角形点阵等第十六页，共56页。数字化原理3.二维采样定理：采样频率大于图像信号最高频率的2倍第十七页，共56页。非均匀采样和均匀采样－细节部分，分配较多的采样数字化原理均匀采样非均匀采样第十八页，共56页。5.量化均匀量化非均匀量化:

a）基于视觉特性：对亮度值急剧变化部分无需过细分层，进行粗量化,对亮度值平缓变化部分需过细分层，进行细量化

b）先计算所有可能的亮度值出现的概率分布，对概率分布大的进行细量化,对概率分布小的进行粗量化,非均匀量化可以减少量化误差，又能用较少的比特数实现量化数字化原理f第十九页，共56页。量化和采样是两个不同的概念，量化是在每个采样点上进行的，所以必须先采样后量化。量化和采样是图像数字化的不可或缺的两个操作，二者紧密相关，同时完成。6.采样和量化的关系数字化原理第二十页，共56页。图像空间分辨率变化所产生的效果数字化原理第二十一页，共56页。图像幅度分辨率变化所产生的效果

数字化原理第二十二页，共56页。空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果数字化原理第二十三页，共56页。

图像（水平）尺寸M：

图像（垂直）尺寸N： 象素灰度级数G(k-bit)： 图像数字化后所需的位数b：数字化原理第二十四页，共56页。几种常用的图像大小如下：

汉字：取决于字的大小，每个字可以从16×16到256×256象素；

显微镜图像：256×256或512×512象素；

电视图像：500～700×480象素；

CRT显示器：一般640×480或1024×1024象素，2048×2048象素等数字化原理第二十五页，共56页。图像分辨率

图像中每单位长度上的像素数目，称为图像的分辨率，其单位为像素/英寸（PPI）或是像素/厘米。在相同尺寸的两幅图像中，高分辨率的图像包含的像素比低分辨率的图像包含的像素多。72像素10像素图像的尺寸、图像的分辨率和图像文件的大小三者之间有着密切的联系。图像的尺寸越大，图像的分辨率越高，图像文件也就越大。调整图像的大小和分辨率即可改变图像文件的大小。第二十六页，共56页。屏幕分辨率

屏幕分辨率是显示器上每单位长度显示的点的数目（DPI）。屏幕分辨率取决于显示器大小及其像素设置。当图像分辨率高于显示器分辨率时，屏幕中显示的图像比实际尺寸大。25dpi150dpi300dpi图2-3不同分辨率之比较第二十七页，共56页。输出分辨率打印机分辨率输出分辨率是照排机或打印机等输出设备产生的每英寸的油墨点数（dpi）。打印机的分别率在720dpi以上的，可以使图像获得比较好的效果。

CTP分辨率印刷机分辨率（LPI）第二十八页，共56页。二值图像

黑白图象，二值图，每个像素点由1位二进制数据表示1第二十九页，共56页。灰度图像

灰度图象，8位二进制表示每个像素点2第三十页，共56页。彩色图像

彩色图象，24位二进制表示每个像素点，RGB3第三十一页，共56页。图像数据量计算

图像数据量大小=像素总数×图像深度÷8例如，一幅640×480的256色图像大小为:640×480×8／8=307200字节第三十二页，共56页。数字图像处理中的lenna莱娜(lenna)图在数字图像处理学习与研究中颇为知名，常被用作数字图像处理各种实验的例图。该图原本是刊于1972年11月号花花公子杂志上的一张裸体插图照片的一部分，这期花花公子也是历年来最畅销的一期，销量达7,161,561本。1973年6月，美国南加州大学的信号图像处理研究所的一个助理教授和他的一个研究生打算为了一个学术会议找一张数字照片，而他们对于手头现有成堆"无聊"照片感到厌烦。事实上他们需要的是一个人脸照片，同时又能让人眼前一亮。这时正好有人走进实验室，手上带着一本当时的花花公子杂志，结果故事发生了……而限于当时实验室设备和测试图片的需要，lenna的图片只抠到了原图的肩膀部分。第三十三页，共56页。数字图像处理中的lennaLenna女士现在仍住在她的家乡瑞典，拥有一个有三个孩子的家庭，并且在国家酒类专卖局工作。在1988年的时候，她接受了瑞典一些计算机相关出版社的访问，她对于她的照片有这样的奇遇感到非常的惊奇与兴奋。这是她首次得知她的照片被应用在计算机行业。Lenna于1997年被邀请为嘉宾，参加了数字图像科学技术50周年学术会议。在该会议上，Lenna成了最受欢迎的人之一，她做了关于自己介绍的简要发言，并被无数的fans索取签名。

莱娜图在图像压缩算法是最广泛应用的标准测试图——她的脸部与裸露的肩部已经变成了事实上的工业标准。然而，这张图像的使用也引起了一些争议。一些人担心它的色情内容；《花花公子》杂志曾经威胁要起诉对莱娜图未经授权的使用。不过这家杂志已经放弃了这种威胁，取而代之的是鼓励因为公众利益使用莱娜图。

戴维·C·蒙森,IEEE图像处理汇刊的主编,在1996年1月引用了两个原因来说明莱娜图在科研领域流行的原因：1.该图适度的混合了细节、平滑区域、阴影和纹理，从而能很好的测试各种图像处理算法。2.Lenna是个美女，对于图象处理界的研究者来说，美女图可以有效的吸引他们来做研究。第三十四页，共56页。

图像文件格式一般的图像文件结构主要都包含有文件头、文件体和文件尾等三部分：软件ID软件版本号图像分辨率图像尺寸图像深度彩色类型编码方式压缩算法图像数据彩色变换表用户名注释开发日期工作时间第三十五页，共56页。图像文件格式分类位图图像位图图像也叫点阵图像，它是由许多单独的小方块组成的，这些小方块又称为像素点，每个像素点都有特定的位置和颜色值。像素点越多，图像的分辨率越高，相应地，图像的文件量也会随之增大。使用放大工具放大后，可以清晰地看到像素的小方块形状与不同的颜色。原始效果放大后的效果

Image，是由输入设备捕捉的实际场景画面，静止图像由一些排列成行和列的点组成（即像素点）。第三十六页，共56页。图像文件格式分类矢量图形

矢量图也叫向量图，它是一种基于图形的几何特性来描述的图像。矢量图中的各种图形元素称为对象，每一个对象都是独立的个体，都具有大小、颜色、形状、轮廓等属性。矢量图与分辨率无关，可以将它设置为任意大小，其清晰度不变，也不会出现锯齿状的边缘。

原始效果放大后的效果

Graphic，是一组点、线、面等的大小、形状及位置、维数的指令集合第三十七页，共56页。BMP格式TIFF格式GIF格式JPEG格式EPS格式PSD格式：DICOM文件格式常用的图像文件格式第三十八页，共56页。BMP

常用文件格式Bitmap，Microsoft公司开发，用于Windows环境

文件头信息头实际数据扩展名采用“.bmp”文件描述单一(静止)图像(3)索引RGB(1)用于表现打印、显示用图像

(2)不适于网络传送

(3)不适于提供印刷文件用途第三十九页，共56页。Tiff/Tif

常用文件格式TagImageFileFormat，Aldus公司开发，用于精确描述图像的场合

(1)平面设计作品的最佳表现形式

(2)用于提供印刷文件(3)不适于网络传送文件头标识信息区图像数据应用

(1)扩展名采用“.tif”(2)文件描述单一(静止)图像

(3)彩色模式:21(单色)

~232(4)支持多平台(PC&Macintosh)(5)可采用多种压缩数据格式特点第四十页，共56页。TIFF格式TIFF格式是标签图像格式。可以用于PC、Macintosh以及UNIX工作站3大平台，是这3大平台上使用最广泛的绘图格式。用TIFF格式存储时应考虑到文件的大小，因为TIFF格式的结构要比其他格式更复杂。但TIFF格式支持24个通道，能存储多于4个通道的文件格式。TIFF格式还允许使用PhotoshopCS3中的复杂工具和滤镜特效。TIFF格式非常适合于印刷和输出。第四十一页，共56页。GIF

常用文件格式GraphicsInterchangeFormat,CompuServe公司开发,用于屏显和网络应用特点用于屏幕显示图像和电脑动画(2)用于网络传送(3)不适于保存高质量印刷文件(1)扩展名采用“.gif”(2)具有87a、89a两种格式

87a——描述单一(静止)图像

89a——描述多帧图像

(3)彩色模式:28(256色)(4)采用改进的LZW压缩算法文件头逻辑屏幕描述图像数据结束标志调色板信息第四十二页，共56页。GIF格式

GIF图像格式还增加了渐显方式，也就是说，在图像传输过程中，用户可以先看到图像的大致轮廓，然后随着传输过程的继续而逐步看清图像中的细节部分，从而适应了用户的"从朦胧到清楚"的观赏心理。由于8位存储格式的限制，使其不能存储超过256色的图像。

最适合在图片颜色总数少于256色的使用。GIF格式，文体体积小，而且清晰度非常高。第四十三页，共56页。JPEG/JPG

常用文件格式JointPhotographicExpertsGroup，联合专家小组开发，用于彩色图像的存储和网络传送应用特点(1)用于保存表现自然景观的图像(2)用于网络传送(3)不适于表现有明显边界的图形(4)不适用于高质量印刷文件(1)扩展名采用“.jpg”(2)采用有损压缩编码形式，数据量小(3)彩色模式:(真彩色)(4)经解压缩，方可显示图像，显示速度慢第四十四页，共56页。EPS格式

EPS格式可以用于存储矢量图形，几乎所有的矢量绘制和页面排版软件都支持该格式。在Photoshop中打开其他应用程序创建的包含矢量图形的EPS文件时，Photoshop会对此文件进行栅格化，将矢量图形转换为位图图像。EPS格式支持Lab、CMYK、RGB、索引颜色、灰度和位图色彩模式，不支持Alpha通道。但该格式支持剪贴路径。第四十五页，共56页。PNG格式PNG（portablenetworkgraphic，便携网络图像）图像由于受到W3C（WorldWideWebConsortium）组织的大力推荐，目前已经在网络上逐渐推广。它既可以采用无损压缩算法，又可以采用有损压缩算法，以期在质量与文件大小之间找到最好的平衡，同时又支持真彩色。目前较高版本的浏览器，都支持PNG格式的图像。第四十六页，共56页。PSD格式PSD格式格式是Photoshop自身的专用文件格式，能够支持从线图到CMYK的所有图像类型，但由于在一些图形处理软件中没有得到很好的支持，所以其通用性不强。PSD格式格式能够保存图像数据的细小部分，如图层、附加的遮膜通道等PhotoshopCS3对图像进行特殊处理的信息。第四十七页，共56页。DICOM

(DigitalImagingandCommunicationsin

Medicine)

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。DICOM格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、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的主要组成部分。DICOM文件的常见扩展名为DCM。DICOM文件格式第四十八页，共56页。选择合适的图像文件存储格式选择合适的图像文件存储格式：用于印刷：TIFF、EPS；出版物：PDF；Internet图像：GIF、JPEG、PNG；用于PhotoshopCS3工作：PSD、PDD、TIFF医学应用：DICOM文件格式第四十九页，共56页。图像质量评价图像质量的客观评价图像质量的主观评价第五十页，共56页。图像质量的客观评价归一化方均误差第五十一页，共56页。峰值方均误差等效信噪比

图像质量的客观评价f(j,k)——被变换的图像场，A——f(j,k)的最大值第五十二页，共56页。图像质量评价的研究是图像信息工程的基本技术之一。光电变