第2章 数字图像处理基础

第2章数字图像处理基础2.1图像的质量2.2人类的视觉模型2.3图像的颜色2.4图像的描述2.5常见图像文件格式2.6图像的数字化2.1图像的质量1.灰度：表示图像像素明暗程度的数值。2.灰度级：表明图像中不同灰度的最大数量。2.1图像的质量3.对比度：图像最高和最低灰度级间的灰度差。2.1图像的质量空间分辨率的度量——DPI（dotperinch）DPI：每英寸内像素点数目。分辨率越高，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多3.空间分辨率：图像空间中可分辨的最小细节2.1图像的质量3.空间分辨率2.1图像的质量3.空间分辨率2.1图像的质量4.图像质量的评价2.1图像的质量2.1图像的质量PSNR的在衡量不同压缩器时的作用(PSNR值25.56时的效果)(PSNR值29.87时的效果)PSNR的在衡量不同压缩器时的作用PSNR的局限性PSNR数值都是27.123，但是单从数值上，我们并不能判断哪一幅更好。

尽管客观保真度准则提供了一种简单、方便的评估信息损失的方法，但很多图最终是供人观看的。事实上，具有相同客观保真度的不同图像，在人的视觉中可能产生不同的在视觉效果。这种情况下，用主观的方法来测量图像的质量更为合适。一种常用的方法是对1组（不少于20人）观察者显示图像，并将他们对该图像的评分取平均，用来评价一幅图像的主观质量。2.1图像的质量非常好图像5分好图像4分中等图像3分差图像2分非常差图像1分2.1图像的质量

主观评价2.2人类的视觉模型1.人类视觉构造

2.2人类的视觉模型2.视网膜的感光细胞2.2人类的视觉模型2.视网膜的感光细胞3.人眼的鉴别能力2.2人类的视觉模型3.人眼的鉴别能力

人眼的视觉残留现象1.注视图中心四个黑点15—30秒钟（不看整个图片）2.然后朝自己身边的墙壁看（白色的墙）

3.人眼的鉴别能力

人眼的错视现象：人眼对物体形状和大小的感觉因物体的布置、远近、背景条件的不同而不同。3.人眼的鉴别能力

人眼的错视现象3.人眼的鉴别能力埃舍尔的错觉艺术

莫里茨·科内利斯·埃舍尔（MauritsCornelisEscher）（1898年6月17日－1972年3月27日），荷兰版画家，因其绘画中的数学性而闻名。《遭遇》3.人眼的鉴别能力埃舍尔的错觉艺术

3.人眼的鉴别能力

人眼的同时对比现象

感知区域的亮度并不简单取决于其强度。3.人眼的分辨能力3.人眼的分辨能力贝汉转盘

颜色模式（颜色空间）是用来定义或描述颜色的一组规则。利用不同的规则，可形成不同的颜色模式。在多媒体计算机的图像处理过程中，通常使用RGB、HSI、CMYK等多种颜色模式。2.3图像的颜色

2）混色（三基色光按不同比例相加可产生混色光）

各种彩色光，都可由红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色光按不同比例相配而成；红蓝绿白黄青紫1）三基色原理1、RGB颜色模式红色+绿色=黄色红色+蓝色=紫色绿色+蓝色=青色红色+绿色+蓝色=白色所谓RGB颜色模式，就是用红（R）、绿（G）、蓝（B）三种基本颜色来表示任意彩色。根据三基色原理，在RGB颜色模式中，任意彩色光F的配色方程可写成：

F=r[R]+g[G]+b[B]其中r、g、b分别代表对应色的比例系数，[R]、[G]、[B]分别代表F色光的红绿蓝三色分量。通过三个分量的不同比例，在屏幕上合成所需的任意颜色。1、RGB颜色模式图RGB颜色模型单位立方体1、RGB颜色模式混色原理属于“加性”颜色形成方法，显示器就是采用这种原理产生颜色。在显示器屏幕的背面涂满了能发出不同色光（红、绿、蓝）的化学物点，当电子束扫描到这些点时，它们就会发光。1、RGB颜色模式2、CMY颜色模式

CMY颜色模式是采用青（Cyan）、品红（Magenta）、黄（Yellow）三种基本颜色按一定比例合成颜色的方法，绘画颜料和染料正是基于此模式。

CMY基于减色原理。它通过颜料能吸收入射光光谱中的某些成分，未吸收部分被反射，从而形成该颜料特有的颜色。当不同比例的颜料混合在一起的时候，它们吸收光谱的成分也随之改变，从而得到不同的彩色。青色颜料：吸收红光 品红颜料：吸收绿光 黄色颜料：吸收蓝光

例如：当白光照到青色颜料上，红光被吸收，返回绿光和蓝光，所以呈现青色。2、CMY颜色模式

虽然理论上利用CMY三基色混合可以制作出所需要的各种色彩，但实际上同量的CMY混合后并不能产生完善的黑色或灰色，因此在印刷时必须加上一个黑色（Black），由于字母B已经用来表示蓝色，因此黑色选用单词Black的最后一个字母“K”来表示，这样又称为CMYK颜色模式。2、CMY颜色模式彩色打印和彩色印刷都是采用CMYK彩色模式实现彩色输出的。因此，当要将显示器上的显示图像通过彩色打印机输出时，系统会自动将RGB彩色模式转换为CMYK彩色模式表示。2、CMY颜色模式

CMY与RGB的转换关系为式中：C、M、Y，R、G、B都归一化到［0，1］范围。2、CMY颜色模式3、HSI颜色模式从人的视觉系统出发，用色调（Hue）、色饱和度（Saturation或Chroma）和亮度（Intensity或Brightness）来描述色彩。它比RGB色彩空间更符合人的视觉特性，适用于图像处理和计算机视觉，可大大简化工作量。I：表示光照强度或称为亮度，它确定了像素的整体亮度，而不管其颜色是什么。3、HSI颜色模式H：表示色度，由角度表示。反映了该颜色最接近什么样的光谱波长（既彩虹中的那种颜色）0o为红色，120o为绿色，240o为蓝色。3、HSI颜色模式S：表示饱和度，是指颜色的鲜艳程度或纯度，即掺入白光的程度。饱和度参数是色环的原点到彩色点的半径长度。在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为1。在中心是中性（灰）影调，即饱和度为0。3、HSI颜色模式H、S、I可以分开处理而且相互独立3、HSI颜色模式

(1)RGB转换到HSI。首先，对取值范围为［0，255］的R、G、B值按式进行归一化处理，得到3个［0，1］范围内的r、g、b值：

HSI与RGB的转换3、HSI颜色模式则对应HSI模型中的H、S、I分量的计算公式为HSI与RGB的转换式中以上计算出的h值的范围为［0，2π］，s值的范围为［0，1］，i值的范围为［0，1］，常将其转换为［0°，360°］，［0，100］，［0，255］：HSI与RGB的转换3、HSI颜色模式

(2)HSI转换到RGB3、HSI颜色模式以上计算出的r、g、b值的范围为［0，1］，为便于理解与显示，常将其转换为［0，255］：

(2)HSI转换到RGB例题：有一像素的颜色为(100，150，200)，求其对应H、S、I值的步骤如下。

(1)归一化处理：HSI与RGB的转换

(2)计算h，由于b>g，故(3)计算s：HSI与RGB的转换3、HSI颜色模式HSI模型的应用——消除红眼

“红眼”——闪光灯照相的结果

在HSI空间可以定义红眼为2.4图像的描述

描述图像常用的基本概念1.矩阵（matrices）黑白、灰度、彩色、……2.链表（chains）3.区域邻接图4.像素距离5.像素邻域6.像素的均值和方差2.4图像的描述

2.4图像的描述

灰度图像像素的灰度级通常为8Bits，即0~255。“0”表示纯黑色，“255”表示纯白色。若各种颜色成分均按8bit量化，即每种颜色量级别是256，则可以处理？种颜色。

2.4图像的描述

2.4图像的描述

2.链表——描述目标物体的边界Referencepixel

链表编码（chaincode）2.4图像的描述

3.区域邻接图——描述一组图形及其相互关系regionadjacentgraph2.4图像的描述

4.像素距离——描述图像中像素之间的距离两个象素（i,j）和（h,k）之间的距离定义为：欧几里得距离（Euclideandistance）：小区距离（cityblockdistance）：棋盘距离（chessboarddistance）：2.4图像的描述

5.像素邻域——描述与像素相邻的其他像素4邻域—N4(p)(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)8邻域—N8(p)(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)(x+1,y+1),(x-1,y+1),(x-1,y+1),(x+1,y-1)2.4图像的描述

6.像素的均值和邻域和方差——图像的统计特性均值（Mean)方差（VARIANCE）2.5常见图像文件格式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2.5.1JPEG文件格式当前最有效和最基本的压缩格式。使用ADCT技术压缩（一种有损压缩算法），可以设置压缩比例。压缩前和压缩后文件的体积比可达到2：1至40：1。扩展名为jpg或jpeg。

2.5常见图像文件格式2.5.2

BMP文件格式

Windows自带格式，图像格式非常简单，最多能存储224种颜色的位图，无压缩，文件体积大。但是由于Windows系统的普及所以该格式应用较广。扩展名为bmp。Jpg909KBbmp5.49MB2.5常见图像文件格式2.5.2

BMP文件格式

位图：亦称为点阵图像或绘制图像，是由称作像素（图片元素）的单个点组成的。2.5常见图像文件格式2.5.2

BMP文件格式

矢量图：使用直线和曲线来描述图形，它们都是通过数学公式计算获得的。它具有颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置等属性。2.5常见图像文件格式2.5.2

BMP文件格式

位图与矢量图2.5常见图像文件格式2.5.3GIF文件格式用于网络图像传输。只能保存256种色彩（即每个像素使用一个字节来表示），且支持像素透明处理和序列动画保存。扩展名为gif。2.5常见图像文件格式2.5.4TIFF文件格式

TIFF最大色深为32bit，可采用LZW无损压缩方案存储。TIFF还可支持多层图层。2.5常见图像文件格式2.5.5DICOM文件格式

DICOM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常见图像文件格式

图像采样过程就是图像空间离散化的过程，即将空间上连续的图像变换成离散点的操作。先沿垂直方向采样，再沿水平方向采样这两个步骤完成采样操作。对于运动图像（即时间域上的连续图像），需先在时间轴上采样，再沿垂直方向采样，最后沿水平方向采样由这三个步骤完成。采样2.6图像的数字化图像的空间分辨率

由空间采样率决定的分辨图像细节的能力叫图像的空间分辨率(有些地方简称分辨率)，它直接取决于图像的像素数。对于采样来说，采样间隔越小，空间分辨率越？；采样间隔越大，空间分辨率越？。在图像采集时，采样间隔如何确定

改变空间分辨率后的图像效果

所以，要使数字图像保有一定的空间分辨率，从而不丢失原连续图像所表达的信息，图像采样间隔就必须依一定的规则选取合适的值。这个规则就是二维采样定理。

采样间隔根据采样定理确定。设图像f(x,y)的傅立叶变换F(u,v)满足：则当采样间隔△x和△y满足条件时，可由采样后的图像精确重建原图像f(x,y)。式中：uc和vc分别为在x方向和y方向的频谱宽度。定义采样函数为：

量化

采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量。图像量化过程是图像灰度幅值的离散化过程。

若连续灰度值用z来表示，对