第2讲数字图像表示及其处理教程

数字图像处理技术-2016-01数字图像处理技术Digital

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Processing任课教师吴媛媛E_mail:

yuanyuanwu29@163.com1第2讲数字图像表示及其处理数字图像处理技术-2016-012.1人眼成像过程2.2简单的图像形成模型（本章重点）2.3图像的数字化（本章难点）2.4数字图像的存储类型（本章重点）2.5数字图像的基本文件格式22.1人眼成像过程数字图像处理技术-2016-01视网膜接受光的能量并形成视觉图案（确定成像的亮度或颜色）（1）视锥细胞：数量少；空间分辨率高；对颜色很敏感；并对亮光较敏感。锥细胞视觉：明视觉或亮光视觉。（2）视杆细胞：数量多；分辨率比较低；不感受颜色；并对低照度较敏感。杆细胞视觉：暗视觉或微光视觉锥少彩高亮；杆多低暗3(1)发光强度(I)(Intensity)：光源发光的功率称为发光强度。其单位主要有如下两种：

烛光功率（CandlePower,CP)：

1cp是指标准蜡烛发出的光。标准蜡烛是用鲸脑油制成，重1/6磅，燃烧率为120格令（1格令＝0.0648克）的蜡烛。新烛光(Candle,cd)：

1cd就是“全幅射体”加温到铂的熔点（2024K）时从1平方厘米表面面积上发出的光的1/60。

在实用中可以认为1cp=1cd。数字图像处理技术-2016-012.1.1光学预备知识4

(2)光通量

(φ)

光通量是每秒钟内光流量的度量。其单位是流明(lumen--lm)。

流明是指与1cd的光源相距单位距离，并与入射光相垂直的单位面积上每秒钟流经的光流量叫１流明。

(3)照度

(E)(illumination)

入射到某表面的光通量密度称为该表面的照度。用每单位面积的流明数来表示。数字图像处理技术-2016-0152.1.1光学预备知识(4)反射(5)透射(6)亮度(L)

这个概念用来说明物体表面发光的量度。光可以由一个面光源直接幅射出来，也可以由入射光照射下的某表面反射出来。亮度对其两者均适用。

数字图像处理技术-2016-0162.1.1光学预备知识数字图像处理技术-2016-01被测量国际单位缩写发光强度(I)新烛光（坎德拉）cd光通量

(φ)流明lm照度

(E)勒克斯lm/m2

,lx亮度(L)新烛光/平方米cd/m2国际（SI）单位制的4个主要度量单位72.1.1光学预备知识2.2简单的图像形成模型数字图像处理技术-2016-01一幅图像实际上记录的是物体辐射能量的空间分布，这个分布是空间坐标、时间和波长的函数，即:当一幅图像为平面单色静止图像时，空间坐标变量z,波长λ和时间变量t可以从函数中去除，一幅图像可以用二维函数f(x,y)来表示:

f(x,y)与i(x,y)和r(x,y)都成正比。

表示照射分量(irradiation

component)。表示反射分量(reflection

component)。8的值由光源决定，取值范围亮度（brightness/lumiance）单位投影面积上的发光强度单位：cd/m2照度（illumination）一个被光线照射的表面上的照度定义为照射在单位面积上的光通量。设面元dS上的光通量为dΦ

，则此面元上的照度E为：单位：lx（勒[克斯]），1lx=1lm/m2说明照度：是光源对物体辐射的一种量度亮度：观察者对物体表面光强的量度照射分量(irradiation

component)数字图像处理技术-2016-0191011的值是由场景中的目标特性所决定的，取值为其典型物质的典型值如下：黑天鹅绒

---0.01；不锈钢---0.65；白色墙---0.80；镀银金属

---0.90；白雪

---0.98；

数字图像处理技术-2016-01反射分量(reflection

component)122.3图像的数字化数字图像处理技术-2016-01数字图像可以理解为对二维函数f(x，y)进行采样和量化(即离散处理)后得到的图像，因此，通常用二维矩阵来表示一幅数字图像。将一幅图像进行数字化的过程就是在计算机内生成一个二维矩阵的过程。13数字图像处理技术-2016-01图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice）目前市面上大部分相机使用的影像传感器是CCD，即电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。14对一幅图像采样时，若每行（即横向）像素为N个，每列（即纵向）像素为M个，则图像大小为M×N个像素，从而f(x,y)构成一个M×N实数矩阵：每个元素为图像f(x,y)的离散采样值，称之为像元或像素。(Pixel)

数字图像处理技术-2016-01像素（Pixel）15数字图像处理技术-2016-01图像矩阵的可视方式像素中心像素区域像素幅值图像矩阵的可视化16

采样:对图像空间坐标的离散化，它决定了图像的空间分辨率。用一个网格把待处理的图像覆盖，然后把每一小格上模拟图像的各个亮度取平均值，作为该小方格中点的值；或者把方格的交叉点处模拟图像的亮度值作为该方格交叉点上的值。图像的采样2.3.1采样（Sampling）数字图像处理技术-2016-0117(a)量化(b)量化为8bit数字图像处理技术-2016-01把采样后所得的各像素灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。量化是对图像幅度坐标的离散化，它决定了图像的幅度分辨率。2.3.2量化18

(a)256级灰度图象(b)子图(c)子图对应的量化数据图像量化实例数字图像处理技术-2016-0119

(a)采样点256×256时的图像(b)采样点64×64时的图像(c)采样点32×32时的图像(d)采样点16×16时的图像

(a)(b)(c)(d)数字图像处理技术-2016-01采样点数变化20(a)量化为2级的Lena图像(b)量化为16级的Lena图像(c)量化为256级的Lena图像

数字图像处理技术-2016-01(a)(b)(c)量化级数变化21数字图像处理技术-2016-0122将量化级为256的图像分别转换为量化级为2和量化级为16的图像3426156200253316823433681301451341561561790011001100111111（0~127）0

（128~255）1

（0~15）0

（16~31）1

……

(240~255)

1632912231014348989911习题练习：256级：0~2552级：0、116级：0~15256级：0~255对一幅图像，当量化级数一定时，采样点数对图像质量有着显著的影响。采样点数越多，图像质量越好；当采样点数减少时，图上的块状效应就逐渐明显。当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一样。量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量越差。量化级数最小的极端情况就是二值图像，图像会出现假轮廓。采样点数和量化级数的关系：数字图像处理技术-2016-0123数字图像处理技术-2016-01图像所需的储存空间数字图像

图像（水平）尺寸M：图像（垂直）尺寸N：像素灰度级数G(k-bit)：图像所需的位数b：24例：存储1幅3232，16个灰度级的图需要多少bit

？解：16

=

24

，16个灰度级需要4个bit表示，

b

=

32

32

4

=

4,096bit存储1幅128128，64个灰度级的图需要多少bit？解：16

=

26

，16个灰度级需要6个bit表示，

b

=

128

128

6

=

98,304bit存储1幅512512，256个灰度级的图需要多少bit？解：16

=

28

，16个灰度级需要8个bit表示，

b

=

512

512

8

=

2,097,152bit数字图像处理技术-2016-01习题练习：2.4数字图像的存储类型数字图像处理技术-2016-01计算机一般采用两种方式存储静态图像：向量处理（Vector），也称矢量存储模式。位映射（Bitmap），即位图存储模式；矢量图只存储图像内容的轮廓部分，而不是存储图像数据的每一点。位图也称为栅格图像，是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色属性和位置属性。灰度图像(gray-scaleimage)二值图像(binaryimage)索引颜色图像(indexcolorimage)真彩色图像（truecolorimage）26二值图像(binaryimage)二值图像也叫黑白图像，就是图像像素只存在0,1两个值。二进制的lena图像数字图像处理技术-2016-0127灰度图像(gray-scaleimage)灰度图像是包含灰度级的图像，如64级，256级等。通常，用0表示黑，255表示白，从0到255亮度逐渐增加。数字图像处理技术-2016-01256灰度级的lena图像28索引图像(indexcolorimage)索引图像把像素值直接作为索引颜色的序号。根据索引颜色的序号就可以找到该像素的实际颜色。当把索引图像读入计算机时，索引颜色将被存储到调色板中。调色板是包含不同颜色的颜色表，每种颜色以红，绿，蓝三种颜色的组合来表示。调色板的单元个数是与图像的颜色数一致的。256色图像有256个索引颜色，相应的调色板就有256个单元。数字图像处理技术-2016-01索引图像29数字图像处理技术-2016-01真彩色图像（truecolorimage）真彩色图是指图像中的每个像素值都分成R、G、B三个基色分量，每个基色分量直接决定其基色的强度，这样产生的色彩称为真彩色。但其实自然界的色彩是不能用任何数字归纳的，这些只是相对于人眼的识别能力，这样得到的色彩可以相对人眼基本反映原图的真实色彩，故称真彩色。30数字图像处理技术-2016-01位图像类型归纳31数字图像有多种存储格式，每种格式一般由不同的开发商支持。因此，要进行图像处理，必须了解图像文件的格式，即图像文件的数据构成。每一种图像文件均有一个文件头，在文件头之后才是图像数据。常用的图像文件存储格式主要有BMP文件、JPG文件、PCX文件、TIFF文件以及GIF文件等。2.5数字图像的基本文件格式数字图像处理技术-2016-0132BMP：Bitmap位图的简写，Windows操作系统中的标准图像文件格式GIF：GraphicsInterchangeFormat图形交换格式的缩写，压缩比高，磁盘空间占用较少，但是不能存储超过256色的图像。JPEG：由联合照片专家组（JointPhotographicExpertsGroup）开发并以命名为“ISO10918-1”，它用有损压缩方式去除冗余的图像和彩色数据，获取得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像。PNG：PortableNetworkGraphics可移植网络图形是一种新兴的网络图像格式，是目前保证最不失真的格式，它汲取了GIF和JPG二者的优点，存贮形式丰富，兼有GIF和JPG的色彩模式；它的另一个特点能把图像文件压缩到极限以利于网络传输，但又能保留所有与图像品质有关的信息。TIFF：TagImageFileFormat标记图像文件格式，是Mac中广泛使用的图像格式，它的特点是图像格式复杂、存贮信息多，非常有利于原稿的复制。PSD：PhotoshopDocument（PSD）PhotoShop专用格式，是Photoshop进行平面设计的一张“草稿图”，里面包含有各种图层、通道、遮罩等多种设计的样稿，以便于下次打开文件时可以修改上一次的设计。数字图像处理技术-2016-0133数字图像处理技术-2016-01例：BMP图像文件格式以BMP文件为例子，看看一个具体的文件格式是如何表示图像保存图像的ABmpfile文件信息头图像信息头调色板图像数据...34文件信息头偏移长度名称描述02bfTypeASCII码“BM”24bfSize文件长度62bfReserved082bfReserved0104bfOffbits图像开始偏移量数字图像处理技术-2016-01例：BMP图像文件格式35图像信息头偏移长度名称描述144biSize信息头大小184biWidth图像宽度224biHeight图像高度262biPlanes图像位平面数目282biBitCount像素位数目数字图像处理技术-2016-01例：BMP图像文件格式36图像信息头（接上）偏移长度名称描述304biCompressin压缩类型344biSizeImage压缩图像大小384biXPelsPerMeter水平分辨率424biYPelsPerMeter垂直分辨率464biClrUsed彩色数目504biClrImportant“重要颜色”数目数字图像处理技术-2016-01例：BMP图像文件格式37数字图像处理技术-2016-01例：BMP图像文件格式图像信息头（接上）偏移长度名称描述544×NbmiColors调色板N由biBitCount（像素位数目）决定38调色板调色板数据紧接在图像信息之后，用于说明位图的颜色，它有若干个表项，每个表项是4个域组成的结构体，确定了一种颜色组成BYTErgbBlue;蓝色的亮度值。此值0～255BYTErgbGreen;绿色的亮度值。此值0～255BYTErgbRed;红色的亮度值。此值0～255BYTErgbReserved;此值必须0调色板中表项的个数由图像所使用的颜色数决定数字图像处理技术-2016-01例：BMP图像文件格式39调色板数据若不是真彩色图像，表项的个数与图像使用的颜色数相同，每个表项对应了一种颜色若图像为真彩色，每个像素所占的位数biBitCount=24，则图像数据的每3个字节代表一个像素，这3个字节分别定义了像素颜色中蓝、绿、红的亮度，因而就省去了调色板。数字图像处理技术-2016-01例：BMP图像文件格式40图像数据图像数据也叫位图阵列，它记录了图像的每一个像素值，在生成图像文件时，Windows从图像的左下角开始(从左到右，从下到上)逐行扫描图像，将图像的像素值一一记录下来，这些记录像素的字节组成了图像数据（位图阵列）。图像的宽度（以字节为单位）必须是4的倍数，倘若不到4的倍数则必须要用0补足。虽然BMP的图像数据有BI_RLE8及BI_RLE4两种压缩格式，但是使用的人却极少，几乎所有的BMP档都是采用没有压缩的格式来储存图像数据数字图像处理技术-2016-01例：BMP图像文件格式41