第1章 数字图像处理概述

第1章数字图像处理概述1第1章数字图像处理概述什么是数字图像数字图像处理系统的基本组成结构数字图像处理的术语数字图像处理的应用数字图像处理的基本方法和基本数据结构小结第1章数字图像处理概述21、 图像基本概念

图像和数字图像图像的表达

第1章数字图像处理概述3（1）什么是图像用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体“图”是物体投射或反射光的分布，“像”是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成的印像或反映。图像是自然界景物的客观反映。举例：人眼所见照片电视电影第1章数字图像处理概述4人眼所见第1章数字图像处理概述5照片第1章数字图像处理概述6电视电影第1章数字图像处理概述7像素第1章数字图像处理概述8第1章数字图像处理概述9第1章数字图像处理概述10

像素100×120第1章数字图像处理概述11（2）图像的表达图像表示

2-D数组

f(x,y)

x，y：2-D空间XY中坐标点的位置

f：代表图像在(x,y)的性质F的数值

f，x，y的值可以是任意实数

性质F:可对应不同物理量

灰度图像里用灰度表示第1章数字图像处理概述12

图像的表达图像表示

矩阵

矢量

第1章数字图像处理概述13（3）图片感知在画图软件中放大图像像素的概念第1章数字图像处理概述14数字图像(灰度)数字图像是指由被称作像素的小块区域组成的二维矩阵。将物理图像行列划分后，每个小块区域称为像素（pixel）。每个像素包括两个属性：位置和灰度。对于单色即灰度图像而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0到255之间，即可用一个字节来表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度。第1章数字图像处理概述15物理图像与数字图像的对应第1章数字图像处理概述16灰度级第1章数字图像处理概述17数字图像举例(灰度)125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,

150,160,165,160,164,165,167,

175,175,166,133,60,133,154,158,100,116,120,97,74,54,74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115,88,49,

灰度图像数值矩阵(前两行)128×12826×31第1章数字图像处理概述18数字图像(彩色)彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。通常，三元组的每个数值也是在0到255之间，0表示相应的基色在该像素中没有，而255则代表相应的基色在该像素中取得最大值，这种情况下每个像素可用三个字节来表示。三基色原理：绝大多数颜色可以分解成红、绿、蓝三种色光。感知画图-》颜色-》编辑颜色-》规定自定义颜色第1章数字图像处理概述19例题在一幅真彩色的数字图像中，每个像素采用

D

个比特来表示。A．8B．10C．16 D．24第1章数字图像处理概述20数字图像举例(彩色)128×12825×31(207,137,130)(220,179,163)(215,169,161)(210,179,172)(210,179,172)(207,154,146)(217,124,121)(226,144,133)(226,144,133)(224,137,124)(227,151,136)(227,151,136)(226,159,142)(227,151,136)(230,170,154)(231,178,163)(231,178,163)(231,178,163)(236,187,171)(236,187,171)(239,195,176)(239,195,176)(240,205,187)(239,195,176)(231,138,123)第1章数字图像处理概述21RGB色彩模式RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一第1章数字图像处理概述22RGB色彩模式RGB色彩模式使用RGB模型为图像中每一个像素的RGB分量分配一个0~255范围内的强度值。例如：纯红色R值为255，G值为0，B值为0；灰色的R、G、B三个值相等（除了0和255）；白色的R、G、B都为255；黑色的R、G、B都为0。RGB图像只使用三种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上重现16777216种颜色。第1章数字图像处理概述23R、G、B三基色

彩色空间

第1章数字图像处理概述24举例2彩色原图红色分量绿色分量蓝色分量第1章数字图像处理概述25（4）图像的数据量计算灰度图像彩色图像视频第1章数字图像处理概述26例题计算一幅分辨率为2048×1024的24位真彩色图像未压缩前的数据量（结果以MB为单位）第1章数字图像处理概述27内容回顾像素图像数字图像（灰度、彩色）RGB色彩模式图像表达第1章数字图像处理概述28（5）图像的数字化连续图像、离散图像图像数字化就是将连续图像离散化。图像数字化包括取样和量化两个部分。取样：空间上的离散化

在空间上分割成M×N个网格（空间分辨率）量化：亮度上的离散化

把取样点上对应的亮度连续变化区间

转换为单个数码的过程第1章数字图像处理概述29数字图像

图像（水平）尺寸M：

图像（垂直）尺寸N：

象素灰度级数G(k-bit)： 图像所需的位数b：

空间分辨率和幅度分辨率第1章数字图像处理概述30图像分辨率与存储和处理数字图像是对连续场景的近似为达到较好的近似，需要多少个采样和灰度级呢？理论上，MNG越大，近似越好但图像的数据量随MNG的增加而迅速增加，故采样和灰度级数也不能太大第1章数字图像处理概述31

图象质量与采样和量化图像空间分辨率变化所产生的效果第1章数字图像处理概述32512*512第1章数字图像处理概述33256*256第1章数字图像处理概述34128*128第1章数字图像处理概述3564*64第1章数字图像处理概述3632*32第1章数字图像处理概述3716*16第1章数字图像处理概述38图像幅度分辨率变化所产生的效果第1章数字图像处理概述39256级第1章数字图像处理概述4064级第1章数字图像处理概述4116级第1章数字图像处理概述428级第1章数字图像处理概述434级第1章数字图像处理概述442级第1章数字图像处理概述45空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果第1章数字图像处理概述46图像质量与采样和量化仅减少空间分辨率，图中各区域的边缘处看到棋盘模式，并在全图看到像素粒子变粗的现象仅减小灰度级数，达到一定程度，会出现虚假轮廓同时减小空间分辨率和灰度级数，图像质量的退化比单独变化空间分辨率或灰度级时要更快。第1章数字图像处理概述47

对采样和量化的讨论采样实际中采样值的选择常受到采集装置的影响和限制实际中选择采样值的一个重要因素是看需要观察到图像中哪个尺度的细节量化量化级数的选择基于2个因素人类视觉系统的分辨率要满足具体应用所需要的分辨率文档——2值图像图像打印—16个灰度级屏幕显示—更多灰度级医学图像—8比特的灰度级不够用第1章数字图像处理概述48例题模拟图像转换为数字图像，需经过两个步骤，分别是

D。A．采样和编码 B．量化和编码C．采样和存储 D．采样和量化第1章数字图像处理概述49例题假设一幅数字图像成像时采了MN个样，那么图像的空间分辨率是

C。A．M B．NC．M×N D．M+N第1章数字图像处理概述50例题一幅图像必须要在空间上和灰度上都离散化才能被计算机处理。空间坐标的离散化叫做采样，它确定了图像的

A。A．空间分辨率 B．幅度分辨率C．颜色深度 D．图像质量第1章数字图像处理概述512、数字图像处理（1）图像处理：对图像信息进行加工处理和分析，以满足①人的视觉、心理需要；②实际应用或某种目的（如机器识别）的要求。着重强调在图像之间进行的变换，广义上泛指各种图像技术；狭义上指对图像进行各种加工（处理），达到：①改善人的视觉效果②为自动识别打基础③压缩编码第1章数字图像处理概述522、数字图像处理图像处理分类①模拟处理（光学处理）：光学透镜处理、光学照相等。优点：实时处理，速度快；缺点：精度低，灵活度差，难有判断功能。②数字（计算机）处理：用数字计算机处理。优点：精度高、内容丰富、方法易变、灵活度高；缺点：处理速度较慢。③光电结合处理：用光学方法处理运算量巨大的频谱变换等,而用计算机对其频谱进行处理分析。随着集成光学的发展，在光学计算机出现以后，图像处理技术会出现全新的巨大突破。第1章数字图像处理概述532、数字图像处理利用数字计算机或其它高速、大规模集成数字硬件，对从图像信息转换来的数字电信号进行某些运算或处理，以期提高图像质量或达到人们所要求的某些预期效果。对被噪声污染的图像去除噪声对信息微弱的图像进行增强失真图像的几何校正从遥感图片中辨别农作物、森林、湖泊和军事设施等第1章数字图像处理概述543、图像处理相关学科和领域第1章数字图像处理概述55

图像处理相关学科和领域主要相关学科：

图形学：原指用图形、图表、绘图等形式表 达数据信息的科学，而计算机图形学 研究的就是如何利用计算机技术来产 生这些形式 图像模式识别：试图把图像分解成可用符号 较抽象地描述的类别

计算机视觉：主要强调用计算机实现人的视 觉功能，目前的研究内容主要与图像 理解相结合

第1章数字图像处理概述564、数字图像处理系统数字图像处理系统由图像数字化设备、图像处理计算机和图像输出设备组成，如下图所示：第1章数字图像处理概述57系统构成框图第1章数字图像处理概述58数字图像处理系统的组成部分图像数字化设备：扫描仪、数码相机、摄像机与图像采集卡等。图像处理计算机：PC、工作站等。图像输出设备：打印机等。图像输入设备日益向高速度、高分辨率、多功能、智能化方向发展。第1章数字图像处理概述59图像输入设备扫描仪平板式、手持式、滚筒式摄像机输入速度快、灵敏度高、使用方便第1章数字图像处理概述605、数字图像处理的术语数字化和显示：将一幅图像从原有形式转换为数字形式。显示是数字化的逆过程。扫描：对象素的寻址。采样、采样密度：对应象素灰度值的测量。通常转变为电压值。量化：将电压值用一个整数表示。灰度分辨率：图像中包含的灰度级数。对比度：图像中灰度反差的大小。噪声：通常在数字化过程中引入的误差。第1章数字图像处理概述61调色板调色板（palette）：图像的色彩索引表。若图像的色彩数远小于全色彩数时，当每个像素的值用色彩索引表的位置表示就可以大大节约存储空间。这种技术长用于各种图像的存储格式中，如bmp,tif,gif等。举例计算数据量

第1章数字图像处理概述62HSI模型HSI模型基于人类对颜色的感觉，HSI模型描述颜色的三个基本特征。第1章数字图像处理概述63HSI模型H：色相是从物体反射或透过物体传播的颜色。在0到360度的标准色轮上，色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是由颜色名称标识的，比如红、橙或绿色。S：饱和度，有时也称彩度，是指颜色的强度或纯度。饱和度表示色相中灰成分所占的比例，用从0%（灰色）到100%（完全饱和）的百分比来度量。在标准色轮上，从中心向边缘饱和度是递增的。I：亮度是颜色的相对明暗程度，通常用从0%（黑）到100%（白）的百分比来度量。第1章数字图像处理概述64彩色原图H分量S分量I分量第1章数字图像处理概述656、数字图像的存储行扫描存储以行扫描顺序，自左向右，从上到下将图像的每个像素顺序存储在字节矩阵中交叉存储方式即隔行存储或隔行隔列存储。前者叫一维交叉，后者叫二维交叉。交叉存储的优点是显示时即使没有读出全部图像数据，也可构成原始图像的近似轮廓。显然，这种存储方式非常适合于强调传输速度、对图像精度要求不很苛刻的系统。第1章数字图像处理概述66交叉存储方式第1章数字图像处理概述67数字图像的存储有损压缩存储方式存储时记录图像主体特征信息，忽略部分冗余、附属信息。这种方法存储的图像与原始图像不完全一致，但失真度在允许的范围内矢量存储方式矢量存储方式只记录图像的轮廓（向量）部分，而不是存储图像中每个点的信息，换句话说，它仅仅存储原始图像中的一些比较高级的图形结构（如线段，弧，圆等）。这种文件格式中存储的图像内容实际为一系列的绘图命令，指示应用程序如何操作，从而构成原始图第1章数字图像处理概述68例题以下描述“显示时即使没有读出全部图像数据，也可构成原始图像的近似轮廓”是

数字图像存储方式的特点：A．行扫描存储B．位平面存储方式C．交叉存储方式D．矢量存储方式第1章数字图像处理概述69数字图像文件组成识别信息文件识别--图像文件识别码和版本代号。文件识别码用以判断文件格式--版本代号用于指定同类文件属于第几代产品，不同版本的同一类图像文件其数据结构有所区别图像识别图像识别信息通常包括图像的宽度和高度、一个图像像素所需的比特数与彩色位平面数、数据压缩格式和调色板个数。图像数据第1章数字图像处理概述70常用图像文件格式GIF Compuserve网上图像在线传输改进的LZW压缩法PNG WWW网络图像传输 改进的LZⅡ压缩法BMP Windows RLE4、RLE8或不压缩 JPEG 存储照片类图像有损编码压缩AVI 多媒体（音视频图像）数字化视频压缩WMF Windows第1章数字图像处理概述71常用图像文件格式分类常用图像文件可分为两类：位图文件--TGA、PCX、TIFF、GIF、PNG、BMP、JPEG、AVI矢量文件--WMF、PostScript第1章数字图像处理概述727、数字图像处理的应用随着微电子与计算机技术的高速发展，图像数字化设备如CCD摄像机、扫描仪、数码相机、图像采集卡的成本大大降低，普通的微机已经可以胜任部分图像处理任务，使得图像处理的应用越来越广泛，可以预见在不久的将来，图像及视频处理的应用将与目前语音处理的应用一样变得日益普及和重要。第1章数字图像处理概述73主要应用航天航空生物医学工程通讯领域工业军事公安文化艺术……第1章数字图像处理概述74应用领域示例(1) 视频通信：可视电话，电视会议，按需电视，远程教育；(2) 文字档案：文字识别，过期档案复原，邮件分捡，支票，签名 辫伪，办公自动化；(3) 生物医学：红白学球计数，染色体分析、X光、CT、MRI、 PET图像分析，医学手术模拟规划，远程医疗；(4) 遥感测绘：巡航导弹制导，无人驾驶飞机飞行，精确制导，矿 藏勘探，资源探测，气象预报，自然灾害监测；(5) 工业生产：工业检测，工业探伤，自动生产流水线监控，移动 机器人，无损探测，金相分析，印刷板质量检验， 精细印刷品缺陷检测；(6) 军事公安：雷达图像分析、巡航导弹路径规划/制导，罪犯脸 形合成、识别，指纹、印章的鉴定识别；(7) 交通管理：太空探测、航天飞行、公路交通管理。第1章数字图像处理概述75应用1：航空航天登月、火星照片处理飞机遥感、卫星遥感气象预报第1章数字图像处理概述76阿波罗登月第1章数字图像处理概述79应用2：生物医学工程CT、MRI（核磁共振）、B超显微图像：红细胞、白细胞、染色体的分析X光、心电图……第1章数字图像处理概述80第1章数字图像处理概述81第1章数字图像处理概述82第1章数字图像处理概述85应用3：通讯领域发展趋势：多媒体通讯电话、电视、计算机三网合一第1章数字图像处理概述86应用4：工业印刷电路板机器人视觉零件检测邮政信件的自动检测……第1章数字图像处理概述91应用