数字图像基础

第2章数字图像基础2.1视觉感知要素(了解）2.2光和电磁波谱(了解）2.3图像数字化（掌握）2.4图像数据结构（掌握）2.5图像文件格式(了解）2.6图像质量评价（掌握）视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价第2章数字图像基础图像和视觉基础视觉基础人眼与亮度视觉颜色视觉成像基础成像模型成像几何采样和量化图像基础像素间联系图像运算图像坐标变换视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价数字图像处理建立在数学和概率统计的基础上，但人的直觉在选择技术时起核心作用。因此要关注视觉感知。主要关注人眼中形成图像的机理和参数。以便了解人类视觉的物理限制，例如：分辨率和对照明变化的适应能力。2.1视觉感知要素视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价眼睛的构造:(球形，半径20mm,人眼包含有三层膜)眼角膜与巩膜外壳(覆盖前表面）脉络膜(前面睫状体虹膜晶状体控制进眼光量)视网膜(视网膜在后部内壁，表面的分离光接收器提供图案视觉）分为锥状体、杆状体锥状体:位于视网膜中间,对颜色灵敏度高,分辨图像细节.白昼视觉杆状体:分布在视网膜表面,无彩色感觉,在低照明度下对图像较敏感，用来给出视野内一般的总体图像.夜视觉2.1视觉感知要素视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价晶状体成像

晶状体成像与普通光学透镜原理类似,但晶状体可以根据需要调整曲率半径,分别对远处和近处的物体聚焦.远方物体，控制肌肉使晶状体扁平，近处物体，控制肌肉使晶状体变厚眼睛观察树的光学表示方法晶状体的聚焦中心与视网膜(14mm-17mm)由睫状体的韧带张力控制晶状体的扁厚2.1视觉感知要素视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价人眼对不同亮度的适应和鉴别能力亮度适应范围:1010量级

10-6ml到104ml

实验表明,主观亮度是进入眼睛亮度的对数函数亮度适应现象:

人眼并不能同时在整个范围内工作,而是利用改变整个灵敏度来完成这一大变动的.

亮度适应级：视觉系统当前的灵敏度级别2.1视觉感知要素视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价辨别光强度变化的能力

典型实验韦伯比可辨别增量的50%

图2.5用于描述亮度辨别特性的基本实验图2.6作为强度函数的典型韦伯比当背景光保持恒定时,改变其他光源亮度,从不能察觉到可以察觉间变化,一般观察者可以辨别12到24级不同强度的变化.2.1视觉感知要素视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价人眼感觉亮度并不是简单的强度函数例1:马赫带

2.1视觉感知要素视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价例2:背景变亮,相同强度的方块变暗

2.1视觉感知要素视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价视觉错觉A:正方形轮廓清晰。B:错觉的圆C:一样长度D:平行线

2.1视觉感知要素视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价古代希腊艺术家意识到空间错觉，在建筑设计中引入补偿校正技术以保持对物体及感觉的对称性。对于错觉产生的解释尽管很多，但看来只有对大脑功能进一步的认识后，才能得到满意的解释。空间错觉2.1视觉感知要素视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价电磁波谱在上节已经介绍，一端是无线电波（长），另一端是伽马射线（短）。电磁波谱可以用波长()、频率()或能量来描述

c光速h普朗克常量

波长单位m,um,nm等频率是Hz,能量是电子伏。2.2光和电磁波谱视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价电磁波是能量的一种，任何有能量的物体，都会释放电磁波。

2.2光和电磁波谱视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价人从物体感受的颜色由物体反射光决定，

若所有反射的可见光波长均衡，则物体显示白色有颜色的物体是因为吸收了其他波长的大部分能量，从而反射某段波长范围的光。没有颜色的光叫单色光，灰度级通常用来描述单色光的强度，其范围从黑到灰，最后到白。区分三个量：发光强度，光通量，亮度（主观描述，不能测量）在原理上，如果可以开发出一种传感器，能够检测由一种电磁波谱发射的能量，就可以在那一段波长上对感兴趣的物体成像。“观看”物体的波长必须小于或等于物体的尺寸。如观察水分子。其他成像：超声波（反射）、电子束、合成图像等。2.2光和电磁波谱视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价灰度和色彩彩色模型:RGB加色法CMY,CMYK减色法HSB(色泽,饱和度,明亮度)2.2光和电磁波谱视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.3.1图像传感器与数字成像2.3.2数字化原理2.3图像数字化视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价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

2.3.1图像传感器与数字成像视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.CMOS传感器

互补性金属氧化物半导体（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）2.3.1图像传感器与数字成像视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价1．数学模型2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2．采样和量化

采样：空间上的离散化量化：灰度上的离散化连续信号（抽样、量化）——数字信号2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价

采样示意图2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价

量化示意图（a）量化；(b)量化为8bit

2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价

采样点阵：正方形、正三角图像矩阵的特点：

a）

b）数字化抽样：正方形点阵、三角形点阵、正六角形点阵等2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价3.采样定理一维采样定理：惠特克－卡切尼柯夫－香农2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价二维采样定理：采样频率大于图像信号最高频率的2倍2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价4.采样误差混叠噪声

孔径效应：实际采样脉冲不是理想冲击函数，有一定的宽度，会产生失真插入噪声：由采样图像信号恢复到原图像，无理想滤波器（在内频率特性平坦，相位特性成直线)抖动噪声：采样周期为，但发射与接受端存在相位差异，称相位抖动。2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价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2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价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2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价非均匀采样和量化－细节部分，分配较多的采样－灰度突变部分，可用较少的灰度级数2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价

表示灰度级、bright,彩色,连续图像

.如X光图像反映人体组织吸收特性，红外图像反映温度辐射特性，CCD反映可见光的特性在图像建模中涉及到保真度(fidelity)：衡量处理方法好坏，清晰否？采样、量化正交序列展开，Fourier变换统计模型：把图像看成一个集合的成员如均值、方差。2.3.2数字化原理视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价像素p,坐标(x,y)的邻居

2.3.3像素间的一些基本关系视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价相邻像素对于像素p,坐标(x,y)4邻域(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)

N4(p)对角邻域(x+1,y+1),(x+1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)

ND(p)8邻域N4(p)+ND(p)N8(p)

4邻域对角邻域8邻域2.3.3像素间的一些基本关系视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价像素的连通性

--像素的连通性能够帮助简化区域、边界等概念;

--确定两个像素是否连通，看它们是否相邻以及灰度值是否满足特定的相似性准则。定义V是用于定义邻接性的灰度值集合，存在三种类型的邻接性：(1)4邻接:如果q在N4(p)集中,具有V中数值的两个像素p和q是4邻接的.(2)8邻接:如果q在N8(p)集中,具有V中数值的两个像素p和q是8邻接的.(3)m邻接(混合邻接):如果(i)q在N4(p)中,或者(ii)q在ND(p)中且集合N4(p)∩N4(q)没有V值的像素,则具有V值的像素p和q是m邻接的.2.3.3像素间的一些基本关系视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价m邻接可以消除8邻接所带来的二义性(a)像素安排(b)中心像素的8邻接像素(c)m邻接pq1pq1q2q22.3.3像素间的一些基本关系视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价对于两个图像子集S1和S2,如果S1中的某些像素与S2中的某些像素相邻,则称S1和S2是邻接的.可以定义4邻接,8邻接和m邻接2.3.3像素间的一些基本关系视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价像素p(x,y)到像素q(s,t)的通路(path):

特定的像素序列(x0,y0),(x1,y1),…,(xn,yn),其中(x0,y0)=(x,y),(xn,yn)=(s,t),且像素(xi,yi)和(xi-1,yi-1)(对于1≤i≤n)是邻接的.n是通路的长度.若(x0,y0)=(xn,yn),则通路是闭合通路.

m通路8通路2.3.3像素间的一些基本关系视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价像素p(x,y)到像素q(s,t)的连通:

令S表示一幅图像中的像素子集,如果在S中全部像素之间存在一个通路,则可以说两个像素p和q在S中是连通的.对于S中的任何像素p,S中连通到该像素的像素集叫做S的连通分量.如果S仅有一个连通分量,则集合S叫做连通集.

令R是图像中的像素子集.如果R是连通集,则称R为一个区域.

一个区域R的边界(也称为边缘或轮廓)是区域中像素的集合,该区域有一个或多个不在R中的邻点.

如果R是整幅图像,则边界由图像第一行、第一列和最后一行一列定义.

正常情况下，区域指一幅图像的子集，并包括区域的边缘.2.3.3像素间的一些基本关系视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价距离度量：对于像素p,q和z,其坐标分别为(x,y),(s,t)和(v,w),如果:D(p,q)≥0[D(p,q)=0,当且仅当p=q]D(p,q)=D(q,p)D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)

则D是距离函数或度量.

欧式距离:De(p,q)=[(x-s)2+(y-t)2]1/2(距离小于等于r的像素形成中心在（x,y）的圆)

D4距离：D4(p,q)=|x-s|+|y-t|

(距离小于等于r的像素形成中心在（x,y）的菱形)

D8距离：D8(p,q)=max(|x-s|,|y-t|)(距离小于等于r的像素形成中心在（x,y）的方形)2.3.3像素间的一些基本关系视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价线性和非线性操作令H是一种算子,其输入和输出都是图像,如果对于任何两幅图像f和g及其任何两个标量a和b有如下关系,则称H为线性算子:

H(af+bg)=aH(f)+bH(g)

对两幅图像的和应用线性算子等同于分别对图像应用该算子并各自于适当的常数相乘,然后将结果相加.不能通过检验的算子定义为非线性算子2.3.3像素间的一些基本关系视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.4.1

图像模式2.4.2

彩色空间2.4.3

图像存储的数据结构2.4图像数据结构视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价1．灰度图像

可由黑白照片数字化得到，或从彩色图像进行去色处理得到（256灰度级）2.4.1图像模式视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2．二值图像

灰度图像经过二值化处理后的结果，两个灰度级，只需用1bit表示。2.4.1图像模式视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价3．彩色图像彩色图像的数据不仅包含亮度信息，还要包含颜色信息。彩色的表示方法是多样化的。三基色模型：RGB（Red/Green/Blue，红绿蓝）

RGB三基色可以混合成任意颜色。2.4.1图像模式视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价1)RGB彩色空间：面向硬件设备的彩色模型三基色原理三基色指可以用来调配出其它颜色的红、绿、蓝三种颜色。彩色图像可由红、绿、蓝

三基色图像叠加而成。2.4.2彩色空间视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价在RGB彩色空间中，任意彩色光的配色方程式为：2.4.2彩色空间视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2)CMY彩色空间

自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类——发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，不发光物体称为无源物体。无源物体是不发出光波的物体，其颜色由该物体吸收或反射哪些光波来决定，因此采用CMY三基色相减模型和CMY彩色空间描述。2.4.2彩色空间视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价

油墨和颜料的三基色是CMY（Cyan/Magenta/Yellow，青/洋红/黄）而不是RGB，CMY三基色的特点是油墨和颜料用的越多，颜色越暗（或越黑），所以将CMY称为三减色，而RGB称为三加色。2.4.2彩色空间视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价3)HSI彩色空间

区分颜色常用的3种基本特性量：色调（Hue）、饱和度（Saturation）、强度（Intensity）。色调Hue：与混合光谱中主要光波长相联系饱和度Saturation：与一定色调的纯度有关强度Intensity：与物体的反射率成正比2.4.2彩色空间视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价彩色空间（1）视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价彩色空间（2）视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价彩色空间（3）视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价1.

一维数组方式:行×列2.多波段图像数据结合结构1）按各个波段存储

列

行红绿蓝2.4.3图像存储的数据结构视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2）按扫描行存储红绿蓝

…第1行3）按各个像素存储

红绿蓝

…（1，1）（1，2）2.多波段图像数据结合结构2.4.3图像存储的数据结构视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.5.1BMP文件格式2.5.2GIF文件格式2.5.3TIFF文件格式2.5.4JPEG文件格式2.5.5DICOM文件格式2.5图像文件格式视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.5.1

BMP文件格式不经过压缩直接按位存盘的文件格式，称为位图（bitmap）。2.5.2

GIF文件格式

GIF（graphicInterchangeFormat）是由CompuServe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256色图像。扩展名为gif。2.5图像文件格式视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.5.3TIFF文件格式

TIFF（TaggedImageFileFormat）是相对经典、功能很强的图像文件存储格式，扩展名为tif或tiff。2.5.4JPEG文件格式由（国际）联合图像专家组（JointPhotographicExperts

Group）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。扩展名为jpg或jpeg。2.5图像文件格式视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.5.5DICOM文件格式

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。2.5图像文件格式视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价2.6.1图像质量的客观评价2.6.2图像质量的主观评价2.6图像质量评价视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价归一化方均误差2.6.1图像质量的客观评价视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价峰值方均误差等效信噪比

f(j,k)——被变换的图像场，A——f(j,k)的最大值2.6.1图像质量的客观评价视觉感知要素光合电磁波谱图像数字化图像数字结构图像文件格式图像质量评价图像质量评价的研究是图像信息工程的基本技术之一。光电变换——传输——处理——记录——其他变换图像增强：就是为了改善图像的主观视觉显示质量图像复原：是用于补偿图像的降质，使复原后的图像接近原像