数字图像处理02-图像数字化

数字图像处理02-图像数字化第一页，共90页。Outline图像的感知和获取图像的采样和量化图像的数字化设备图像的分类与表示图像像素间的基本关系图像的彩色空间第二页，共90页。

Aboutvision人眼视觉过程第三页，共90页。Aboutvision人眼的机理与照相机类似：（1）瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，控制进入人眼内之光通量(照相机光圈作用)。（2）晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成象((照相机透镜作用))。（3）视细胞：视网膜上集中了大量视细胞，分为两类:第四页，共90页。Aboutvision锥细胞和柱细胞： 锥细胞：数量少，对颜色很敏感（大约6.5x106个） 锥细胞视觉：明视觉或亮光视觉主要集中在中央凹，只在高照度下提供视觉响应（明视觉），能识别景物的细节 柱细胞：数量多，分辨率比较低（大约130x106个）

不感受颜色并对低照度较敏感 柱细胞视觉：暗视觉或微光视觉布满整个视网膜，在低照度下杆状细胞提供视觉响应，并且对形状和运动敏感（暗视觉）第五页，共90页。Aboutvision每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触（synapse）相连 每个神经元细胞借助其它的突触与其它细胞连接，从而构成光神经（opticalnerve）网络 光神经进一步与大脑中的侧区域（sideregionofthebrain）连接，并到达大脑中的纹状皮层（striatedcortex） 对光刺激产生的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光的感觉转化为对景物的知觉第六页，共90页。Aboutvision整体的视觉过程第七页，共90页。Aboutvision人眼的视觉特性刺激强度与感觉的关系：人眼的视觉效果是由可见光刺激人眼引起的。如果光的辐射功率相同而波长不同，则引起的视觉效果也不同。亮度对比和颜色对比：视觉的主观亮度取决于视野中心（目标）与周围环境之间光照的相对强度。人类视觉系统对亮度变化的感知比对亮度本身要敏感 人类视觉系统对光强度的响应不是线性的，而是对数形式的（对暗光时亮度的增加比对亮光时亮度的增加更敏感）第八页，共90页。Aboutvision（1）马赫（Mach）带效应

基于视觉系统有趋向于过高或过低估计不同亮度区域边界值的现象（2）同时对比度现象人眼对某个区域感觉到的亮度不仅仅依赖它的强度，而与环境亮度有关。侧抑制（siderestrain）通常是指相邻神经元（nervecell）之间的相互抑制作用。表现在，当刺激某个神经元使之兴奋之后，再刺激另一个与之相邻的神经元时，后者的反应对于前者的反应有抑制作用。第九页，共90页。Seeinggrayasblackorwhite第十页，共90页。Aboutvision视觉的空间性质——视觉的空间频率特性：空间频率是指视像空间变化的快慢。明亮的图像（清晰明快的画面）意味着有大量的高频空间成分；模糊的图像只有低频空间成分。视觉的时间特性使视觉图像建立起来是需要时间的，而视觉图像建立起来之后，即使把目标图像拿走，视觉反应也要持续一段时间。因此而产生视觉的运动感觉。运动感觉：视觉的运动感觉与人对刺激信号的反应有关。刺激信号的出现与消失或改变都影响反应时间。光消失反应比光出现反应时间短；光强度增加比光强度减弱时间长。第十一页，共90页。TheCornsweetedge…evenhardertoexplain©SinauerAssociates,Inc.第十二页，共90页。第十三页，共90页。Aboutvision视觉运动的规律（习惯）：①人眼的水平运动比垂直运动快，更易跟踪水平运动的物体；②看圆形的画面总是习惯沿顺时针方向看，所以对顺时针方向运动的物体的反应较逆时针运动物体快；③在偏离距离相同的情况下，人眼对视野中四个象限的观察率依次为：左上、右上、左下、右下；④视线习惯于从左到右和从上到下看等。第十四页，共90页。©SinauerAssociates,Inc.第十五页，共90页。Aboutvision主观轮廓和空间错觉主观轮廓：

指实际上并不存在、只是主观上认为存在的某景物的轮廓线。它是从整个图形数据得到的概念（如图）。空间错觉：物体的整体面貌和结构强烈地影响着人们对它的感知。通常有两类：基于形状和方向；基于长度和面积。第十六页，共90页。Aboutvision第十七页，共90页。Aboutvision第十八页，共90页。Aboutvision第十九页，共90页。Aboutvision第二十页，共90页。Aboutvision第二十一页，共90页。Aboutvision第二十二页，共90页。弗雷泽螺旋Aboutvision第二十三页，共90页。Aboutvision第二十四页，共90页。Aboutvision第二十五页，共90页。Aboutvision人眼对颜色的感知特性视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线（各个波长的光的强度相等）第二十六页，共90页。对象光光源摄像单元A/D转换单元图像存储单元计算机图像获取第二十七页，共90页。场景成像的三种主要传感器装置单元成像传感器：如光敏二极管，通过x-y方向二维扫描，形成二维图像。线成像传感器：如线CCD、平板扫描仪等,只需一维扫描，形成二维图像。阵列成像传感器：如电荷耦合器（ChargeCoupledDevice,CCD）、互补金属氧化物半导体（CMOS）。两者都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据，其主要差异是数据传送方式不同。图像获取第二十八页，共90页。Digitalization图像数字化是将模拟图像经过离散化后，得到用数字表示的图像的过程。第二十九页，共90页。第三十页，共90页。SamplingandQuantization大多数传感器的输出是连续电压波形为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据转化为数字形式这包括两种处理：采样和量化采样：图像空间坐标的数字化——空间采样，即空间坐标的离散化(x,y)(r,c)

量化：图像函数值（灰度/色度值）的数字化——灰（色）度量化，即灰度的离散化

f(x,y)I(r,c)第三十一页，共90页。采样定理：设连续信号x(t)的频谱为X(f)，频谱中最大频率是fm，以采样间隔T（对应的采样频率为fS）采样得到离散信号x(nT)，若满足：

2fm≤fS

则，可以由离散信号x(nT)完全确定连续信号x(t)。当采样频率等于2fm时，称为奈奎斯特频率。Sampling第三十二页，共90页。采样定理：空域频谱连续信号与频谱高采样频率时，采样信号与频谱低采样频率时，采样信号与频谱Sampling第三十三页，共90页。采样时注意事项：采样间隔太小，则增大数据量；间隔太大，则会发生频率的混叠现象。（满足采样定理）采样保持：一般不做特殊说明都是采用0阶保持的方式，即一个像素的值是其局部区域亮度（颜色）的均值。Sampling第三十四页，共90页。Sampling给定一副连续图像f(x,y)进行数字化处理，要求采用M×N数组（或排列模式）等距采样来近似原始的f(x,y)M=2mN=2nM×N称为数字图像的空间分辨率MN第三十五页，共90页。Quantization这时对“栅格化”的f(x,y)中的每个“方格”进行赋值，这个过程就是量化过程，而当所赋的值同样也是整数时，那么f(x,y)就是一幅数字图像I(r,c)，且是坐标和灰度值都是整数的2-D函数。此时，I(r,c)的取值范围就是图像量化的量级G，G=2k，而G则称为数字图像的灰度级或灰度分辨率G-1frequency此时，一幅数字图像的大小的计算方法如下：M×N×log2G(bit)第三十六页，共90页。把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。即：灰度的离散化。充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊用途的图像均为8bit量化，即用0-255描述“从黑到白”。Quantization第三十七页，共90页。空间分辨率（与采样频率有关）两种定义：图像空间中可分辨的最小细节，一般用单位长度上采样的像素数目表示。

单位：像素/英寸，像素/厘米再现一定尺寸的图像所必需的像素个数:

单位：像素×像素如：数码相机指标30万像素（640×480）。第三十八页，共90页。EffectofsamplingontheimagequalityA1024×1024,8-bitimagesubsampleddowntosize32×32pixels.Thenumberofallowablegraylevelswaskeptat256.采样间隔越大，空间分辨率就越小，获得像素个数就越少，图像质量越差第三十九页，共90页。Continued第四十页，共90页。Continued第四十一页，共90页。灰度分辨率（与量化位数有关）图像灰度级中可分辨的最小变化。一般用灰度级或比特数表示。灰度分辨率越高，图像质量越好；灰度分辨率越低，图像质量越差，会出现虚假轮廓。256灰度级16灰度级4灰度级第四十二页，共90页。第四十三页，共90页。Effectofquantizationontheimagequality量化间隔越大，灰度分辨率越低，图像的层次感越少，图像质量也越差灰度级≤16级时，在灰度缓变区常会出现一些几乎看不出来的非常细的山脊状结构，这种效应引起虚假轮廓(falsecontouring)

。第四十四页，共90页。采样——空间分辨率空间分辨率越高，图像质量越好；空间分辨率越低，图像质量越差，会出现马赛克效应。

(a)256×256(b)64×64(c)32×32(d)16×16

量化——灰度分辨率灰度分辨率越高，图像越逼真；灰度分辨率越低，图像会出现虚假轮廓。第四十五页，共90页。Nonuniformsamplingandquantization采用等间隔的方式进行采样和量化，称为均匀采样和均匀量化为了保证图像的视觉质量，可以根据图像自身的特性利用自适应的方式进行采样和量化例如,在灰度变化剧烈的区域可以采用密集的采样间隔，以保证继承原始图像中对应位置较完整的细节；而对于灰度变化缓慢的区域则可以采用稀疏的采样间隔对于图像灰度级被要求很小的情况下，较始于采用非均匀量化来分配灰度级第四十六页，共90页。Digitaldevices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、工作站等图像存储设备：磁盘、光盘、硬盘等图像输出设备：显示器、打印机等第四十七页，共90页。Digitaldevices数码相机的工作原理感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相机成像部件的主要部分就是感光器。目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。第四十八页，共90页。Continued图像传感器电荷藕合器件CCD（ChargeCoupledDevice）高感光度的半导体材料,CCD由许多感光单位组成，以百万像素为单位。受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及电子线路矩阵所组成.互补性氧化金属半导体CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带负电）和P（带正电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。第四十九页，共90页。CCD与CMOS的工艺区别：CCD：工作时，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变，形成电子信号。因此，这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”，所有电荷由单一通道输出，当数据量大时就发生信号“拥堵”。CMOS：每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，能够在短时间内处理大量数据。第五十页，共90页。CCD与CMOS的性能差异：灵敏度：CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。成本：CMOS传感器集成度高，CCD成本高。分辨率：相同尺寸的传感器，CCD优于CMOS。功耗：CCD功耗远高于CMOS传感器；噪声：CMOS传感器的噪声高于CCD；总之，CCD在灵敏度、分辨率、噪声控制方面优于CMOS，而CMOS则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者差异有逐渐缩小的态势，如CCD在功耗上作改进；CMOS则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品。第五十一页，共90页。Continued数码摄像机3CCD优于单CCD的原因是由于单CCD采用马赛克分色原理，容易引起伪色和摩尔纹干扰，影响成像质量。3CCD则对RGB三种光线分开接受和处理，将三个CCD芯片分别用来处理三原色，即为三原色提供附加色光谱，从而解决了单CCD的伪色问题。

使用3CCD的数码摄像机在光射到芯片上以前，先通过棱镜，把光线按RGB颜色分开，结果得到清脆、干净、明快的颜色。第五十二页，共90页。第五十三页，共90页。数字图像矩阵二维的数字图像可以用二维整数矩阵来描述。矩阵中，每一个元素代表一个像素，具有位置属性和颜色（灰度）属性。分辨率为M×N的图像表示为:Category第五十四页，共90页。经过采样、量化后，得到数字图像，以位图的形式保存到计算机。分为四种位图：二值图像（binaryimage）灰度图像（gray-scaleimage）索引图像（indexcolorimage）真彩色图像（truecolorimage）Category第五十五页，共90页。Category黑白图像(blackandwhiteimageorbinaryimage)图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的过渡，故又称为二值图像。二值图像的像素值为0或1。“二值”图像只有黑、白两色第五十六页，共90页。Continued灰度图像(grayimage)灰度图像是指灰度级数大于2的图像。但它不包含彩色信息。像素灰度级一般为8bit，所以每个像素都是介于黑色（0）和白色（255）之间的256种灰度中的一种；量化位数为n时，灰度范围为：0~2n-1。“灰度”图像具有256级灰度第五十七页，共90页。灰度图像（grayimage）灰度图像描述示例第五十八页，共90页。Continued真彩色图像(turecolorimage)真彩色图像是指每个像素由R、G、B分量构成的图像，其中R、B、G是由不同的灰度级来描述。每个字节为8bit，表示0到255之间的不同的亮度值；真彩色图像一般是用三个矩阵同时来描述；第五十九页，共90页。Continued索引图像索引图像既包括存放图像数据的二维矩阵，还包括一个颜色索引矩阵（称为MAP），因此称为索引图像，又称为映射图像。MAP矩阵也可以由二维数组表示，矩阵大小由存放图像的矩阵元素的值域（灰度值范围）决定。若矩阵元素值域为0~255，则MAP矩阵的大小为256×3，矩阵的三列分别为R、G、B值。图像矩阵的每一个灰度值对应于MAP中的一行，如某一像素的灰度值为64，则表示该像素与MAP矩阵的第64行建立了映射关系，该像素在屏幕上的显示颜色由MAP矩阵第64行的[RGB]叠加而成。第六十页，共90页。1、像素的邻域和邻接

4邻域:像素p(x,y)具有4个水平和垂直的相邻像素，坐标分别为:(x+1,y)、(x-1,y)、(x,y+1)、(x,y-1)，这个像素集称为p的4邻域，用N4(p)表示。

4邻接：如果q在N4(p)中，则像素p和q是4邻接的。qRelationshipbetweenpixels第六十一页，共90页。1、像素的邻域和邻接对角邻域:坐标为:(x+1,y+1),(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)，用ND(p)表示。

8邻域:

N8(p)=ND(p)+N4(p)8邻接：如果q在N8(p)中，则像素p和像素q是8邻接的。qqRelationshipbetweenpixels第六十二页，共90页。Relationshipbetweenpixels像素的邻域(NeighborsofaPixel)注意：p在边缘时其邻域象素落在图像外，需作特殊处理第六十三页，共90页。2、像素的连接对两个像素而言，是否连接需要考虑两点：（1）在空间上是否接触（邻接关系）；（2）它们的某个属性（如灰度值）是否满足某个特定的相似准则（如，灰度相等或同在一个灰度集中取值）。

设用V表示定义连接的灰度值集合例1，二值图像中，灰度为1的像素间的连接，V=｛1｝例2，32个灰度级的图像中，考虑灰度值位于8-15之间的两个像素间的连接，则取灰度集合V=｛8,¨¨,15｝Relationshipbetweenpixels第六十四页，共90页。2、像素的连接设用V表示定义连接的灰度值集合，V=｛1｝

4-连接：两个像素p和r在V中取值，且r在N4（p）中，则它们是4-连接的。

8-连接：两个像素p和r在V中取值，且r在N8（p）中，则它们是8-连接的。Relationshipbetweenpixels第六十五页，共90页。2、像素的连接

m-连接（混合连接）两像素p和r在V中取值，满足下面任一条件，称像素p和r是m连接：（1）r在N4(p)中；（2）若r在ND(p)中，且集合N4(p)∩N4(r)不包含V中取值的像素。

m-连接实质：同时存在4连接和8连接时，优先采用4-连接，屏蔽8连接；m-连接的引入是为了消除采用8连接常出现的多路问题。011010001011010001011010001Relationshipbetweenpixels第六十六页，共90页。3、像素的连通性在像素连接的基础上，进一步讨论像素的连通；像素间的通路：从坐标(x,y)的像素p到坐标(s,t)的像素q的一条通路由一系列像素坐标（x0,y0）,···,（xn,yn）组成；且序列中相邻的两像素具有邻接性。其中，n为通路长度；根据采用的邻接定义不同，可分为4-通路，8通路。通路建立了两个像素之间的空间联系；Relationshipbetweenpixels第六十七页，共90页。3、像素的连通性

像素间的连通：如果通路上所有像素的灰度值均满足某个特定的相似准则，则两个像素p和q是连通的。根据采用的连接定义不同，可分为4-连通，8连通,m-连通。Relationshipbetweenpixels第六十八页，共90页。4、像素间的距离度量定义：给定3个像素p、q、z，如果下列条件满足，则D是距离量度函数：（1）D(p,q)≥0，(D(p,q)=0，当且仅当

p=q)

（2）D(p,q)=D(q,p)

（3）D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)；

Relationshipbetweenpixels第六十九页，共90页。4、像素间的距离度量设像素p(x,y)，像素q(s,t)；根据定义，给出三种距离度量函数：欧氏（Euclidean）距离：与(x,y)的De距离小于或等于某个值d的象素都包括在以(x,y)为中心以d为半径的圆中。第七十页，共90页。4、像素间的距离度量城区（City-block）距离：与(x,y)的D4距离小于或等于某个值d的象素组成以(x,y)为中心的菱形。Relationshipbetweenpixels第七十一页，共90页。4、像素间的距离度量棋盘（Chessboard）距离：与(x,y)的D8距离小于或等于某个值d的象素组成以(x,y)为中心的正方形。Relationshipbetweenpixels第七十二页，共90页。Continued像素间的距离点p和q之间的欧氏（Euclidean）距离:点p和q之间的城区（city-block）距离:点p和q之间的棋盘（chessboard）距离:第七十三页，共90页。颜色空间1、颜色概念颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果。物体由于构成和内部结构的不同，受光线照射后，一部分光线被吸收，其余的被反射或投射出来。由于物体的表面具有不同的吸收光线与反射光的能力，反射光不同，眼睛就会看到不同的颜色。颜色通常使用光的波长来定义，用波长定义的颜色叫做光谱色。第七十四页，共90页。1、颜色概念国际照明委员会(CIE)定义了颜色的特性：色调（hue）:色调用于区别颜色的种类。色调是视觉系统对一个区域所呈现颜色的感觉。如红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等。饱和度（saturation）:饱和度是颜色的纯洁性，用来区别颜色的程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时，颜色愈不饱和。明度（brightness）:明度是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。颜色空间第七十五页，共90页。颜色空间1、颜色概念亮度是用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率，用单位面积上反射或者发射的光的强度表示。由于明度很难度量，通常可以用亮度来度量。

第七十六页，共90页。颜色空间2、颜色空间的表示和转换颜色常用颜色空间来表示。颜色空间是用一种数学方法形象化表示颜色，人们用它来指定和产生颜色。颜色空间中的颜色通常用代表3个参数的3维坐标来描述，其颜色要取决于所使用的坐标。在多媒体计算机系统中，常常涉及到用几种不同的颜色空间表示图形和图像的颜色，以对应于不同的场合和应用，各种颜色空间可以方便地进行转换。第七十七页，共90页。Aboutcolor将光谱中不能再分解的可见光称为单色光，由单色光混合而成的光称为混合光。而红、绿、蓝三色可以混合成自然界中的任何一种颜色，因此称红、绿、蓝为三基色。产生波长不同的光所需要的三基色值第七十八页，共90页。Aboutcolor彩色物理学中的一个非常重要的发现就是“自然界的绝大多数颜色都可以由适当选择的三种基色混合产生。这就是所谓的三基色原理，这一原理首先由Maxwell在1855年给出证明的

第七十九页，共90页。Aboutcolor发射光源能发射光（太阳、TV监视器、灯）对颜色的感知依赖于发射光的频率遵循加色原理：R+G+B=White反射光源反射入射光