第一章 数字图像处理基础知识

第一章数字图像处理基础知识大纲1、数字图像简介2、图像采样和量化3、简单图像处理1、数字图像简介数字图像简介“图”是客观世界物体反射或透射光的分布，是客观世界的反映。而“像”则是人类视觉系统对图的响应，是人的大脑的印象或认识，是人的感觉的一种。图像（image）是图和像的有机结合，既反映物体的客观存在，又体现人的感知因素。图像处理旨在针对特定任务，提升图像的可理解性。对光的操作可理解为图的处理，如拍照时的闪光灯补光操作、单反相机的镜头滤镜等。对成像结果的处理，可以理解为像的操作，如大家常用的美颜相机软件内的各种操作。本书讲述的内容均属于像的处理。数字图像由二维的元素组成，每个元素包含一个坐标以及一个响应值，每个元素称为数字图像的一个像素。数字图像是由像素组成的二维排列，可以用像素构成的二维矩阵来表示。对于灰度图像而言，每个像素可以用一个整数值来表示，通常其数值范围在之间，其中0表示最低亮度(黑)、255表示最高亮度(白)，其它值表示中间灰度。而彩色图像则是由红、绿、蓝三色元组矩阵来表示，通常三元组的每个数值也是0到255之间数字图像简介彩色图像则是由红、绿、蓝三色元组矩阵来表示，通常三元组的每个数值也是0到255之间数字图像简介数字图像处理是指借助计算机强大的运算能力对以数字形式存储的图像进行去噪、特征提取、增强等技术对图像进行加工、处理的方法。图像处理方法主要的目的包括如下三个方面：一、提升图像的视觉感知质量，如通过亮度、彩色等变换操作，抑制图像中某些成分，提升图像中特定成分的表现力，以改善图像的视觉感知效果。二、对图像中感兴趣区域或特征进行提取，这些信息可以作为图像分类、分割或语义标注的依据，为进一步计算机图像分析提供便利。提取的特征按照表示方式的不同可以分为空域特征和频域特征两大类。按照提取特征所表达的图像信息的不同，可以将提取出来的特征分为颜色特征、边界特征、区域特征、纹理特征、形状特征及图像结构特征等。三、为方便图像的存储和传输，对图像进行变换、编码和压缩。为了减少图像的存储空间，降低图像在网络传输中的时间耗费，使用各类编码方法对图像进行编码，然后使用如JPEG、BMP等压缩标准对图像进行压缩。2、图像数字化图像数字化图像的数字化是将连续模拟图像转化为计算机可处理的离散数字图像的过程，该过程包括两种操作：采样和量化。采样：图像空间坐标的离散化，决定了图像的空间分辨率。量化：图像响应幅值的离散化，决定了图像的灰度分辨率。采样和量化是将模拟图像转化为数字图像的两个最重要操作。数字图像采样和量化示意图，(a)图像采样，映射到离散坐标。(b)图像量化，映射到离散响应值图像数字化图像采样，就是将一幅在空间上连续分布的模拟图像分割成MXN网格，每个网格称为一个像素。根据香农采样定理，只要采样的频率大于被采样信号最高频率的两部，就可以由采样信号对原始信号的形态进行完整恢复。图像采样可以看作是对原始图像信号的一种数字化逼近。图像采样是对图像空间位置的数字化，采样需要确定水平和垂直方向上分割出像素的数量，该数量又称为图像的分辨率。图像采样结果，分辨率分别为(600x400)、(120x80)、(30x20)、(5x4)图像数字化模拟图像经过采样后，在空间上实现了离散化，并形成像素。但采样所得的像素值(即灰度值)依旧是连续量。把采样后所得的各像素的灰度值从连续量到离散量的转换称为图像灰度的量化。图像采样将图像的空间域限定为有限的离散坐标，而图像量化则将图像的响应值限定为有限的离散数值。不同数量灰度级量化对图像质量的影响图像数字化二维矩阵是表示数字图像的重要数学形式。一幅图像可以表示为矩阵，矩阵中的每个元素称为图像的像素。每个像素都有它自己的位置和值，值是这一位置像素的颜色或者强度。一般而言，我们可以直接用二维矩阵A来表示量化后的图像会更为方便数字图像表示图像数字化按照图像矩阵表示形式的不同，大致可以分为二值图像、灰度图像、彩色图像三类。二值图像也称单色图像或1位图像，即颜色深度为1的图像。颜色深度为1表示每个像素点仅占1位，一般用0表示黑，1表示白。灰度图像是包含灰度级（亮度）的图像，每个像素由8位组成，其值范围从0~255，表示256种不同的灰度级。与二值图像相比，灰度图像可以呈现出图像的更多细节信息。彩色图像与灰度图像类似，每个像素也会呈现0-255等256个灰度级。与灰度图像不同的是，彩色图像每个像素由三个8位灰度值组成，分别对应红、绿、蓝三个颜色通道典型二值图像及其矩阵表示3、简单数字图像处理简单数字图像处理数字图像的本质是一个多维矩阵，数字图像处理的本质是对多维矩阵的操作。按照处理对象的不同，可将数字图像处理分为黑白图像处理、灰度图像处理、彩色图像处理。按照处理方法进行划分，可以分为空间域处理与频率域处理。按照处理策略不同，又可以分为全局处理与局部处理。数字图像处理的一般步骤简单数字图像处理亮度操作：亮度也称为灰度，它是颜色的明暗变化范围，常用0％～100％(由黑到白)表示。一般数字图像的像素亮度从0-255，可以通过对像素构成矩阵的灰度值进行操作，达到调整图像亮度的目的。对比度操作：对比度指的是图像暗和亮的落差值，即图像最大灰度级和最小灰度级之间的差值。图像对比度调整简单数字图像处理图像运算是以图像为单位对图像进行的数学操作，是数字图像信号处理的基础，运算对象以像素点为基本单位，运算结果为一幅灰度分布与原图像不同的新图像。基本的图像运算包括算术和逻辑运算。常见的算术运算包括点运算、