数字图像表示及其处理课件

第2章数字图像表示及其处理本章重点：图像的数字化以及数字化图像表示方法图像存储格式2.1人眼成像过程2.2简单的图像形成模型2.3图像的数字化2.4数字图像的基本类型2.5数字图像的基本文件格式第2章数字图像表示及其处理2.1人眼成像过程人眼是一个平均半径为20mm的球状器官。它由三层薄膜包围。最外层是坚硬的蛋白质膜，其中，位于前方的大约1／6部分为有弹性的透明组织，称为角膜，光线从这里进入眼内。其余5／6为白色不透明组织，称为巩膜，作用是巩固和保护整个眼球。中间一层由虹膜和脉络膜组成。虹膜的中间有一个圆孔，称为瞳孔。它的大小可以由连接虹膜的环状肌肉组织来调节，以控制进入眼睛内部的光通量大小，其作用和照相机中的光圈一样。最内一层为视网膜，它的表面分布有大量光敏细胞。2.2简单的图像形成模型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:I=(x,y,z,λ,t)。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)=i(x,y)r(x,y)

这里0<i(x,y)<0<r(x,y)<1

反射分量限制在0和1之间。i(x,y)的性质取决于照射源，而r(x，y)取决于成像物体的特性。2.3图像的数字化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。数字化过程包括三个步骤：扫描、采样和量化。2.3.1采样采样（Sampling）: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量化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。量化的方法包括：分层量化、均匀量化和非均匀量化。分层量化是把每一个离散样本的连续灰度值只分成有限多的层次。均匀量化是把原图像灰度层次从最暗至最亮均匀分为有限个层次，如果采用不均匀分层就称为非均匀量化。(a)量化(b)量化为8bit量化示意图对一幅图像，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：

(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

采样点数与图像质量之间的关系(a)(b)(c)(d)(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

量化级数与图像质量之间的关系2.4.1二值图像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lenna图像2.4.2灰度图像灰度图像是包含灰度级的图像，如64级，256级等。如当像素灰度级用8bit表示时，每个像素的取值就是256种灰度中的一种，即每个像素的灰度值为0到255中的一个。通常，用0表示黑，255表示白，从0到255亮度逐渐增加。2.4.3索引图像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。2.5数字图像的基本文件格式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。文件头的内容一般包括文件类型、文件制作者、制作时间、版本号、文件大小等内容。各种图像文件的制作还涉及到图像文件的压缩方式和存储效率等。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。2.5.1BMP图像文件格式第一部分为位图文件头BITMAP，它是一个结构体，其定义如下：typedefstructtagBITMAP{WORD bfType;DWORD bfSize;WORD bfReserved1;WORD bfReserved2;DWORD bfOffBits;}BITMAP;这个结构的长度是固定的，为14个字节（WORD为无符号16位二进制整数，DWORD为无符号32位二进制整数）。

这个结构的长度是固定的，为40个字节（LONG为32位二进制整数）。其中，biCompression的有效值为BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDS。第三部分为调色板(Palette)。真彩色图像不需要调色板。调色板实际上是一个数组，共有biClrUsed个元素。数组中每个元素的类型是RGBQUAD结构，占4个字节，其定义如下：typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue; //该颜色的蓝色分量

BYTErgbGreen; //该颜色的绿色分量

BYTErgbRed; //该颜色的红色分量

BYTErgbReserved; //保留值}RGBQUAD;参数指针由一个2字节的整数和其后的一系列12字节参数域构成，最后以一个长整型数结束。若最后的长整型数为0，表示文件的参数指针表到此为止，否则该长整数为指向下一个参数指针表的偏移。

2.5.3GIF图像文件格式GIF（GraphicsInterchangeFormat）文件的全称是图形交换文件格式。该形式存储的文件主要是为不同的系统平台交流和传输图像提供方便,是在Web及其他联机服务上常用的一种文件格式，用于HTML文档中的索引颜色图像。图像最大不能超过64M，颜色最多为256色。GIF图像文件采取LZW压缩算法，存储效率高，支持多幅图像定序或覆盖，交错多屏幕绘图以及文本覆盖。GIF主要是为数据流而设计的一种传输格式，而不是作为文件的存储格式。GIF有五个主要部分以固定顺序出现，所有部分均由一个或多个块(block)组成。每个块第一个字节中存放标识码或特征码标识。这些部分的顺序为：文件标志块、逻辑屏幕描述块、可选的“全局”色彩表块(调色板)、各图像数据块（或专用的块）以及尾块（结束码）。2.5.4PCX图像文件格式PCX文件格式由ZSoft公司设计,是最早使用的图像文件格式之一。PCX支持256种颜色，结构较简单，存取速度快，压缩比适中，适合于一般软件的使用。PCX格式支持RGB、索引颜色、灰度和位图颜色模式，支持RLE压缩方法，图像颜色的位数可以是1、4、8或24。PCX图像文件由三个部分组成：文件头、图像数据和256色调色板。2.5.5JPEG图像格式JPEG(JointPhotographer’sExpertsGroup)即静止图像压缩标准,是由ISO和CCITT为静态图像所建立的第一个国际数字图像压缩标准，主要是为了解决专业摄影师所遇到的图像信息过于庞大的问题。JPEG格式支持24位颜色，并保留照片和其他连续色调图像中存在的亮度和色相的显著和细微的变化。2.6小结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。当一幅图像为平面单色静止图像时，图像可以用二维函数f(x,y)来表示，它是一个有界函数。