數(shù)字圖像處理課件第二章數(shù)字圖像基礎(chǔ)ppt

1、數(shù)字圖像處理第二章共八十三頁第2章 數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)(jch)(Basics Knowledge of Digital Image Processing) 2.1人類視覺(shju)與色度學(xué)基礎(chǔ)(Visual System of Human Beings) 2.2數(shù)字圖像的基礎(chǔ)知識(Basics of Digital Image) 共八十三頁2.1人類(rnli)的視覺與光度學(xué)基礎(chǔ)(Visual System of Human Beings) 視覺是人類最高級的感知器官，所以，毫無疑問圖像在人類感知中扮演著重要角色。人類視覺的產(chǎn)生很復(fù)雜，除了光源對眼睛的刺激還需要人腦對光刺激的解釋。人感受到

2、的物體顏色主要取決于反射光的特性。如果物體比較均衡地反射各種光譜，則看起來是白色的；如果物體對某些光譜反射的較多，則看起來物體就呈現(xiàn)相對應(yīng)的顏色。然而人類感知只限于(xiny)電磁波譜的視覺波段，成像機(jī)器則可以覆蓋幾乎全部電磁波譜。研究圖像處理首先要了解人類的視覺感知系統(tǒng)。 共八十三頁2.1.1視覺系統(tǒng)的基本(jbn)構(gòu)造(Basic Structure of Visual System) 基本(jbn)構(gòu)造 人眼橫截面簡圖 眼睛的基本特性：眼睛對光的感覺-光覺；對顏色的感覺-色覺。人眼的構(gòu)造相當(dāng)于一架攝像機(jī)或照相機(jī)。前面，是由角膜、晶狀體、前房，后房、玻璃體所共同組成的具備鏡頭功能的組合，把

3、物體發(fā)出的光線聚焦到后面的相當(dāng)于膠卷的用于檢測光線的視網(wǎng)膜上。 共八十三頁人眼的形狀像一個小球，通常稱為眼球。眼球內(nèi)具有特殊的折光系統(tǒng)，使進(jìn)入眼內(nèi)的可見光匯聚在視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜上含有感光的桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞，這些感光細(xì)胞把接受(jishu)到的色光信號傳到神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，再由視神經(jīng)傳到大腦皮層枕葉視覺神經(jīng)中樞，產(chǎn)生色感。眼球壁有三層膜組成：角膜與鞏膜、脈絡(luò)膜和視網(wǎng)膜（簡稱網(wǎng)膜）。 人眼(rn yn)的構(gòu)造眼球共八十三頁人眼的構(gòu)造(guzo)角膜角膜(cornea)：如同相機(jī)的濾鏡眼球最前端是透明(tumng)的角膜，它是平均折射率為1.336的透明(tumng)體，俗稱眼白，微向前突出，曲率半徑前

4、表面約7.7毫米，后表面約6.8毫米，光由這里折射進(jìn)入眼球而成像。 共八十三頁人眼(rn yn)的構(gòu)造晶狀體晶狀體，水晶體 (lens)：如同相機(jī)的鏡片。晶狀體在眼睛(yn jing)正面中央，光線投射進(jìn)來以后，經(jīng)過它的折射傳給視網(wǎng)膜。所謂近視眼、遠(yuǎn)視眼、老花眼以及各種色彩、形態(tài)的視覺或錯覺，大部分都是由于水晶體的伸縮作用所引起。它像一種能自動調(diào)節(jié)焦距的凸透鏡一樣。共八十三頁人眼(rn yn)的構(gòu)造視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜 (retina)：如同底片。視網(wǎng)膜是視覺接收器的所在，它本身也是一個復(fù)雜的神經(jīng)中心。眼睛的感覺為網(wǎng)膜中的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞所致。視桿細(xì)胞能夠感受弱光的刺激，但不能分辨顏色，視錐細(xì)胞在強(qiáng)

5、光下反應(yīng)靈敏，具有辯別顏色的本領(lǐng)。某些動物（如雞）因視桿細(xì)胞較少，所以在微光下，它們的視覺很差，成為夜盲。也有些(yuxi)動物（如貓和貓頭鷹）因視桿細(xì)胞很多，所以能在夜間活動。 共八十三頁視覺(shju)過程人的視覺(shju)過程的流圖共八十三頁光接收細(xì)胞：視錐細(xì)胞（也稱中央凹）：600700萬，既能感光、又能感色、對顏色敏感。可以充分識別圖像細(xì)節(jié)，每個細(xì)胞接一個神經(jīng)末端(m dun)，又叫適亮視覺（photopic vision）、白晝視覺。視覺(shju)原理視桿細(xì)胞（桿狀細(xì)胞）：750015000萬，只能感光、不能感色。幾個桿狀細(xì)胞聯(lián)到同一個神經(jīng)末梢，分辨率低，提供視野的整體視象，不

6、感受顏色，對低照度敏感。 夜視覺。夜盲癥就是由于桿狀體缺陷造成的。共八十三頁 強(qiáng)光作用下，錐狀體起作用。 既有明亮感，又有彩色感 （明視覺） 兩者有明確的分工： 弱光作用下，桿狀體起主作用 。只 有明暗感沒有彩色感 。 （暗視覺） 錐狀細(xì)胞大致將電磁光譜的可見光部分分為三個波段：紅、綠、藍(lán)。由于這種原因，這三種(sn zhn)顏色被稱為三基色。 人類視覺對顏色的主觀感覺可以直觀地用色調(diào)、色飽和度和亮度來表述。 共八十三頁圖像形成(xngchng)的幾何關(guān)系圖眼睛(yn jing)中圖像的形成 問：1、人眼中，是否像普通照相機(jī)那樣調(diào)焦？若不是則如何實(shí)現(xiàn)距離的正確聚焦？2、人眼聚焦后，如何將圖像信

7、息傳遞給大腦？答：當(dāng)眼睛適當(dāng)?shù)鼐劢箷r(shí)，來自眼睛外部物體的光在視網(wǎng)膜上成像。視網(wǎng)膜圖像反射到中央凹，由光接收器的相對刺激作用產(chǎn)生感覺，把輻射來的能量變?yōu)殡娒}沖，最后由大腦判斷。反射視網(wǎng)膜圖像中央凹電脈沖人腦判讀共八十三頁2.1.2亮度(lingd)適應(yīng)和鑒別(Intensity Adaption and Identification) 光強(qiáng)度與主觀亮度的關(guān)系(gun x)曲線主觀亮度和主觀適應(yīng)性 由于數(shù)字圖象以客觀亮度顯示圖象，人眼以主觀亮度感受取得視覺，所以人眼的亮度適應(yīng)性影響了圖象處理的結(jié)果。人眼的視覺系統(tǒng)能適應(yīng)的光的亮度等級從可以看見的昏暗到眩目相差能達(dá)到1010等級。但是人眼并不能同時(shí)在

8、這么大的范圍內(nèi)看清物體，而只能在同一時(shí)間內(nèi)適應(yīng)一個小的亮度變化范圍（106等級）。共八十三頁Basic experimental setup used to characterize brightness discrimination圖2.5用于描述亮度辨別特性(txng)的基本實(shí)驗(yàn) 圖2.6作為強(qiáng)度(qingd)函數(shù)的典型韋伯比 在一定條件下，一個視覺系統(tǒng)當(dāng)前的敏感度叫做亮度適應(yīng)級。這個敏感度是用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證的。在實(shí)驗(yàn)中，逐漸增加光照射的強(qiáng)度I，改變量為I，達(dá)到多個觀察者能感知的程度， 當(dāng)有一半的人感知增加時(shí)，I/I成為Weber ratio,作為視覺系統(tǒng)當(dāng)前的敏感度。在很強(qiáng)的光下，需要改變較

9、強(qiáng)的光照射才能使多個觀察者感知；相反，在較弱的光下，些微的光強(qiáng)度變換就會使人感知。低照度下，韋伯比大，亮度辨別力差亮度增加，韋伯比下降，亮度辨別力改善共八十三頁共八十三頁Typical Weber ratio as a function of intensity所謂“馬赫帶效應(yīng)（Mach band effect）”是指視覺的主觀感受在亮度有變化的地方出現(xiàn)虛幻的明亮或黑暗的條紋，馬赫帶效應(yīng)的出現(xiàn)是人類的視覺系統(tǒng)造成(zo chn)的。生理學(xué)對馬赫帶效應(yīng)的解釋是：人類的視覺系統(tǒng)有增強(qiáng)邊緣對比度的機(jī)制。馬赫帶效應(yīng)(xioyng)示圖 共八十三頁Some well-know optical illus

10、ions視覺(shju)錯覺圖例共八十三頁optical illusions視覺(shju)錯覺圖例(b)共八十三頁獲取場景的圖像首先要將場景通過投影轉(zhuǎn)換成平面上的亮度；其次為了(wi le)用計(jì)算機(jī)加工還需將連續(xù)的亮度模式通過采樣和量化轉(zhuǎn)換成離散形式，即數(shù)字圖像。在將場景轉(zhuǎn)換成亮度模式中，與圖像f(x,y)表達(dá)的兩部分內(nèi)容相對應(yīng)，需考慮到兩部分內(nèi)容。(1)幾何學(xué)：要解決從圖像中的什么地方可以找到場景中目標(biāo)的投影位置（x,y）(2)光度學(xué)：要解決圖像中的目標(biāo)有多亮，以及該亮度與目標(biāo)的光學(xué)性質(zhì)和成像系統(tǒng)的關(guān)系，這就確定了在（x,y）處的灰度值。在獲取可被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字圖像時(shí)，前者與采樣有關(guān)而后

11、者與量化有關(guān) 。2.1.3光度學(xué)共八十三頁共八十三頁2.1.3光度學(xué)-電磁波譜光是一種特殊的電磁輻射，它可以被人感知。而研究各種( zhn)電磁輻射強(qiáng)弱和度量的學(xué)科稱為輻射度學(xué)，光度學(xué)可看作輻射度學(xué)的一個特殊分支。光度學(xué)主要研究可見光的強(qiáng)弱和度量。電磁波譜如下所示：光學(xué)(gungxu)譜段可見光譜段：指輻射能對人眼產(chǎn)生目視刺激而形成光亮感的譜段，跨越范圍約為：共八十三頁電磁波譜可用波長 、頻率(pnl) 和能量E來描述。 其中c為光速彩色譜可分為6個主區(qū)域：紫、藍(lán)、綠、黃、橘黃和紅色。每種顏色不是突然終止(zhngzh)的，而是混合平滑的過渡到另一種顏色的。共八十三頁輻射度學(xué)中一個最基本的量是

12、輻射通量或輻射功率，單位：瓦。在光度學(xué)中，使用光通量表示光輻射的功率或光輻射量。光通量：光源以電磁波的形式(xngsh)輻射出且人眼能感受到的光功率。用表示，單位為流明(lm)。實(shí)際上，光通量是指光源在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的光能多少，可以看作類似于其它量的流速，如：每秒多少米，每分鐘多少毫升等。2.1.3光度學(xué)-基礎(chǔ)知識共八十三頁 N de B dAd2發(fā)光強(qiáng)度 設(shè)某個點(diǎn)光源向各個方向都均勻輻射，則光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在包含給定方向的立體角元d內(nèi)傳輸?shù)墓馔縟與該立體角元之商，即： 立體角：指從一點(diǎn)（立體角頂點(diǎn)）出發(fā)通過一條閉合曲線上所有點(diǎn)的射線圍成的空間部分，所以(suy)立體角表

13、示由頂點(diǎn)看閉合曲線時(shí)的視角。 發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉(cd)。 1lm定義：發(fā)光強(qiáng)度為1cd的均勻(jnyn)點(diǎn)光源在一球面立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。共八十三頁亮度是指畫面的明亮程度，它取決于單位面積的發(fā)光強(qiáng)度，單位是坎德拉每平米(cd/m2)亮度是人對光的強(qiáng)度的感受。它是一個主觀的量。與亮度不同，由物理定義(dngy)的客觀的相應(yīng)的量是光強(qiáng)。這兩個量在一般的日常用語中往往被混淆。照度：入射到某表面的光通量密度（或照射到單位面積上的光通量）。單位為勒克斯lx，用每單位面積的流明數(shù)表示。2.1.3光度學(xué)-基礎(chǔ)知識共八十三頁2.2數(shù)字圖像基礎(chǔ)數(shù)字圖像:連續(xù)的模擬圖像采樣和量化而得。組成數(shù)字圖像的基本(

14、jbn)單位是像素，所以數(shù)字圖像是像素的集合。像素為元素(yun s)的矩陣，像素的值代表圖像在該位置的亮度，稱為圖像的灰度值。數(shù)字圖像像素具有整數(shù)坐標(biāo)和整數(shù)灰度值，I（i，j）Digital image, pixel, gray-level共八十三頁2.2數(shù)字圖像基礎(chǔ)-圖像模式灰度圖像:是數(shù)字圖像最基本的形式，灰度圖像可以由黑白照片數(shù)字化或者對彩色圖像進(jìn)行去色處理得到?；叶葓D像只表達(dá)圖像的亮度信息而沒有顏色信息，因此，灰度圖像的每個像素點(diǎn)上只包含一個量化的灰度值，用來表示改點(diǎn)的亮度水平。通常用一個字節(jié)來存儲灰度值。 如果灰度值用一個字節(jié)表示，則可以表示的正整數(shù)范圍為：0255，即像素灰度值在

15、此區(qū)間取值，灰度級為256。 人眼對灰度的分辨能力通常在2060級，因此以字節(jié)為單位，既保證了人眼的分辨力，又符合計(jì)算機(jī)的習(xí)慣。 在特殊應(yīng)用(yngyng)中，可能采用更高的灰度級，比如CT，采用12位或16位。共八十三頁灰度級灰度圖像(128x128)及其對應(yīng)(duyng)的數(shù)值矩陣125,153,158,157,127, 70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133, 60,133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,1

16、50,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115, 88, 49,155,163, 95,112,123,101,137,108, 81, 71, 63, 81,137,142,146,152,159,161,159,154,138, 81, 78, 84,114, 95,167, 69, 85, 59, 65, 43, 85, 34, 69, 78,104,101,117,132,134,149,160,165,158,143,114, 99, 57, 45, 51, 57,（僅列出一部分(26x31)）共八十三頁-二值圖像：是灰度圖像經(jīng)過二值化處理(ch

17、l)后的結(jié)果，二值圖像只有兩個灰度級0和1，理論上只需要一位二進(jìn)制位來表示。在文字識別、圖樣識別等應(yīng)用中，灰度圖像一般要經(jīng)過二值化處理得到二值圖像，二值圖像中的黑或者白用來表示不需要進(jìn)一步處理的背景和需要進(jìn)一步處理的前景目標(biāo)，以便于對目標(biāo)進(jìn)行識別。2.2數(shù)字圖像基礎(chǔ)(jch)-圖像模式共八十三頁彩色圖象可以(ky)用紅、綠、藍(lán)三元組的二維矩陣來表示。 通常，三元組的每個數(shù)值也是在0到255之間，0表示相應(yīng)(xingyng)的基色在該象素中沒有，而255則代表相應(yīng)的基色在該象素中取得最大值，這種情況下每個象素可用三個字節(jié)來表示。彩色圖象(128x128)及其對應(yīng)的數(shù)值矩陣（僅列出一部分(25x3

18、1)）(207,137,130) (220,179,163) (215,169,161) (210,179,172) (210,179,172) (207,154,146) (217,124,121) (226,144,133) (226,144,133) (224,137,124) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (227,151,136) (230,170,154) (231,178,163) (231,178,163) (231,178,163) (236,187,171) (236,187,171) (239,195,176) (23

19、9,195,176) (240,205,187) (239,195,176) (231,138,123) (217,124,121) (215,169,161) (216,179,170) (216,179,170) (207,137,120) (159, 51, 71) (189, 89,101) (216,111,110) (217,124,121) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (226,159,142) (237,159,135) (237,159,135) (231,178,163) (236,187,171) (231,178,

20、163) (236,187,171) (236,187,171) (236,187,171) (239,195,176) (239,195,176) (236,187,171) (227,133,118) (213,142,135) (216,179,170) (221,184,170) (190, 89, 89) (204,109,113) (204,115,118) (189, 85, 97) (159, 60, 78) (136, 38, 65) (160, 56, 75) (204109113)(227151136)(226159142)(237159135)(227151136)共八

21、十三頁彩色圖像：彩色圖像的數(shù)據(jù)不僅包含亮度信息，還包括顏色信息。顏色的表示方法是多樣的，最常見的是三基色模型，例如RGB（紅綠藍(lán)）三基色模型。常規(guī)的彩色圖像都是用RGB三基色來表示的，每個像素包括紅綠藍(lán)三種顏色的數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)用1個字節(jié)(z ji)表示，則每個像素的數(shù)據(jù)為3個字節(jié)(z ji)，這就是人們常說的24位真彩色。2.2數(shù)字圖像基礎(chǔ)-圖像(t xin)模式共八十三頁Color images have 3 values per pixel; monochrome images have 1 value per pixel.紅，綠，藍(lán)三分量(fn ling)強(qiáng)度(qingd)分量2.12

22、彩色圖像和單色圖像共八十三頁2.2 數(shù)字圖像基礎(chǔ)(jch)-圖像的數(shù)據(jù)量假定圖像(t xin)尺寸為M、N，每個像素所具有的離散灰度級數(shù)為G這些量分別取為2的整數(shù)冪m，n，k，即M=2m，N=2n，G=2k存儲這幅圖像所需的位數(shù)是： b = MNk 如果圖像是正方形？b=N2k思考：存儲一幅大小為256*256，灰度級為256的圖像，需要 KB空間。共八十三頁2.2數(shù)字圖像(t xin)基礎(chǔ)-圖像(t xin)的獲取(Image Acquisition) 圖像的數(shù)學(xué)描述圖像獲取即圖像的數(shù)字化過程，包括掃描、采樣和量化。圖像獲取設(shè)備由5個部分組成：采樣孔，掃描機(jī)構(gòu)(jgu)，光傳感器，量化器和輸

23、出存儲體。關(guān)鍵技術(shù)有：采樣成像技術(shù)； 量化模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。 共八十三頁2.2 圖像(t xin)的獲取-數(shù)學(xué)描述(Image Digitalization and Representation) 一幅圖像可以被看作是空間各點(diǎn)光強(qiáng)度的集合。圖像有單色與彩色、平面與立體(lt)、靜止與動態(tài)、自發(fā)光與反射（透射）等區(qū)別。 任一幅圖像，根據(jù)它的光強(qiáng)度(亮度、密度或灰度)的空間分布，均可以用下面的函數(shù)形式來表達(dá).對于二維圖像，可以把光強(qiáng)度I看作是隨空間坐標(biāo)（x, y）、光線波長 和時(shí)間t變化的連續(xù)函數(shù)： I = f (x, y, , t) 共八十三頁如果只考慮光的能量而不考慮其波長圖像在視覺上表現(xiàn)為灰色影

24、像-灰度圖像： I = f (x, y, t) 靜止灰度圖像： I = f (x, y) 一般地，一個完整的圖像處理系統(tǒng)輸入和顯示的都是便于人眼觀察的連續(xù)圖像（模擬圖像）。為便于數(shù)字存儲(cn ch)和計(jì)算機(jī)處理可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D）將連續(xù)圖像變?yōu)閿?shù)字圖像 。 共八十三頁matrix數(shù)字圖像可以用矩陣(j zhn)的形式表示為： 共八十三頁 圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個(lin )過程。 取樣 ：對空間連續(xù)坐標(biāo)(x, y)的離散化 量化 ：幅值 f (x, y)的離散化 設(shè)一幅連續(xù)圖像f(x,y)經(jīng)過數(shù)字化后，可以用一個離散數(shù)據(jù)量所組成的矩陣，即用二維數(shù)組表示為：2.2 圖像(t xin

25、)的獲取-數(shù)字化過程(Image Digitalization and Representation) 共八十三頁An example of the digital image acquistion process圖像(t xin)數(shù)字化 2.2 圖像(t xin)的獲取-數(shù)字化過程(Image Digitalization and Representation) 共八十三頁 矩陣的元素稱為數(shù)字圖像的像素或像元。圖像數(shù)字化過程(guchng)可表示如下： 代表經(jīng)過量化后的像素值。 2.2 圖像(t xin)的獲取-數(shù)字化過程(Image Digitalization and Represent

26、ation) 連續(xù)信號抽樣、量化數(shù)字信號共八十三頁1、采樣圖像在空間上的離散化稱為采樣。用空間上部分點(diǎn)的灰度值代表圖像，這些點(diǎn)稱為采樣點(diǎn)。圖像是一種二維分布的信息，為了對它進(jìn)行采樣操作，需要先將二維信號變?yōu)橐痪S信號，再對一維信號完成采樣。具體做法是，先沿垂直方向按一定間隔從上到下順序地沿水平方向直線掃描，取出各水平線上灰度值的一維掃描。然后，再對一維掃描線信號按一定間隔采樣得到離散信號，即先沿垂直方向采樣，再沿水平方向采樣，通過這兩個步驟完成采樣操作。對于(duy)運(yùn)動圖像，即時(shí)間域上的連續(xù)圖像，需要先在時(shí)間軸上采樣，再沿垂直方向采樣，最后沿水平方向采樣，由這三個步驟完成。 2.2 圖像(t

27、xin)的獲取-數(shù)字化過程(Image Digitalization and Representation) 共八十三頁 用矩陣?yán)碚?lln)表示數(shù)字圖像 采樣(ci yn)示意圖共八十三頁當(dāng)對一幅圖像采樣時(shí)，若每行（橫向）像素為M個，每列（縱向）像素為N個，則圖像大小為MXN個像素。一般來說，采樣間隔(jin g)越大，所得圖像像素?cái)?shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)馬賽克效應(yīng)；采樣間隔越小，所得圖像像素?cái)?shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。 共八十三頁Sampling圖像(t xin)的采樣圖像(t xin)的采樣示例 共八十三頁2、量化模擬圖像經(jīng)過采樣后，在時(shí)間和空間上離散化

28、為像素。但經(jīng)過采樣所得到(d do)的像素值仍是連續(xù)量。把采樣后所得的各像素的灰度值從模擬量到離散量的轉(zhuǎn)換稱為圖像灰度的量化。一幅圖像中不同灰度值的個數(shù)稱為灰度級，像素灰度取值范圍為0255之間的整數(shù)，像素值量化后用一個字節(jié)（8位）來表示。如圖所示，把黑灰白連續(xù)變化的灰度值量化為256級灰度值，灰度值的范圍為0255，表示亮度從深到淺，對應(yīng)圖像中的顏色為從黑到白。2.2 圖像的獲取(huq)-數(shù)字化過程(Image Digitalization and Representation) 共八十三頁量化等級越多，所得圖像層次(cngc)越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大；量化等級越少，圖

29、像層次欠豐富，灰度分辨率低，會出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量小. 共八十三頁Quantization圖像(t xin)的量化示例 圖像(t xin)的量化共八十三頁 （ a）256級 （b）128級 （c）64級 （d）32級 （e）16級 （f）8級 （g）2級 采樣點(diǎn)一定量化級數(shù)變化對圖像質(zhì)量(zhling)的影響 共八十三頁一般情況下，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時(shí)，為了得到質(zhì)量較好的圖像對采樣和量化可以采用(ciyng)如下原則：（1）對緩變圖像，應(yīng)該細(xì)量化，粗采樣，以避免假輪廓；（2）對細(xì)節(jié)豐富的圖像，應(yīng)該細(xì)采樣，粗量化，以避免模糊（即混疊）。 對于彩色圖像，是按照顏色成分紅（R）、

30、綠（G）、藍(lán)（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8位量化，即每種顏色量化級別是256，則可以處理 256256256=16777216種顏色。共八十三頁50圖像(t xin)景物(jngw)成像系統(tǒng)采樣圖像采樣子系統(tǒng)數(shù)字圖像量化器圖2.1 圖像采集系統(tǒng) 共八十三頁2.2 圖像的獲取(huq)-圖像數(shù)字化設(shè)備(Image Digitalization and Representation) 將模擬圖像數(shù)字化成為(chngwi)數(shù)字圖像，需要某種圖像數(shù)字化設(shè)備。常見的數(shù)字化設(shè)備有數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、數(shù)字化儀等。數(shù)碼相機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖共八十三頁CCD掃描儀原理(yunl)結(jié)構(gòu)共八十三頁2.2 圖像的

31、獲取(huq)-圖像數(shù)字化設(shè)備(Image Digitalization and Representation) 圖像數(shù)字化設(shè)備由如下幾種模塊(m kui)組成：采樣孔、圖像掃描機(jī)構(gòu) 、光傳感器 、量化器 、輸出存儲體 圖像數(shù)字化硬件示意圖共八十三頁（1）采樣孔：使數(shù)字化設(shè)備能夠單獨(dú)地觀測特定的圖像元素而不受圖像其他部分的影響。孔徑越小，成像后空間分辨率越高。（2）掃描機(jī)構(gòu)：使采樣孔能夠按照(nzho)預(yù)先確定的方式在圖像上移動，從而按照(nzho)順序觀測到每一個像素。將二維空間的圖像信號轉(zhuǎn)換為一維時(shí)間的圖像信號。（3）光傳感器：起光電轉(zhuǎn)換作用，通過采樣檢測圖像的每一像素的亮度并轉(zhuǎn)化為模擬電

32、信號。目前圖像傳感器一般為CCD傳感器和CMOS傳感器。（4）量化器：將傳感器輸出的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為整數(shù)值。典型的量化器是A/D轉(zhuǎn)換電路，它產(chǎn)生一個與輸入電壓或電流成比例的數(shù)值。（5）輸出存儲裝置：將量化器產(chǎn)生的灰度值按適當(dāng)格式存儲起來，以用于計(jì)算機(jī)后續(xù)處理。共八十三頁共八十三頁 圖像數(shù)字化器的性能(xngnng)評價(jià)性 能含 義空間分辨率單位尺寸能夠采樣的像素?cái)?shù)。由采樣孔徑與間距的大小和可變范圍決定（采樣過程中選擇和產(chǎn)生）灰（色）度分辨率量化的等級數(shù)（位深度）、顏色數(shù)（色深度）圖像大小儀器允許掃描的最大圖幅量測特征數(shù)字化器所測量和量化的實(shí)際物理參數(shù)及精度掃描速度采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度噪聲數(shù)字化器的噪

33、聲水平（應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差）其他黑白/彩色、價(jià)格、操作性能等共八十三頁圖像(t xin)輸出設(shè)備 數(shù)字圖像的顯示是圖像數(shù)字化的逆過程（D/A）。圖像顯示方法有兩種類型：永久性的和暫時(shí)性的。永久性顯示方法通過永久性地改變紀(jì)錄媒體的光吸收特性(txng)而在紙、膠片或其他永久媒體上產(chǎn)生圖像的硬拷貝。暫時(shí)性顯示方法則在顯示屏上產(chǎn)生一幅暫時(shí)性的圖像。在多媒體技術(shù)中，顯示器和其他圖像輸出設(shè)備（如打印機(jī)、膠片紀(jì)錄儀、靜電繪圖儀等）都可以看成為輸出顯示媒體。顯示器是典型的暫時(shí)顯示設(shè)備，而打印機(jī)等永久顯示設(shè)備。共八十三頁1.圖像分辨率圖像分辨率是指每英寸圖像含有(hn yu)多少個點(diǎn)或像素。單位主要有

34、ppi和dpi。 ppi(pixel per inch)表示單位面積的像素?cái)?shù)量。圖像ppi越高，畫面細(xì)節(jié)越豐富，因?yàn)閱挝幻娣e的像素?cái)?shù)量更多，畫面更細(xì)膩。在總像素值不變的情況下，將ppi調(diào)高，圖像實(shí)際打印尺寸變小，調(diào)高的上限為300dpi/每英寸。比它再高也不能提高打印質(zhì)量。dpi（dots per inch）表示圖像每英寸含有多少個點(diǎn)。在數(shù)字圖像中，分辨率大小直接影響圖像的質(zhì)量。分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)越清晰，但產(chǎn)生的文件尺寸越大，同時(shí)處理的時(shí)間也越長，對設(shè)備的要求也越高。因此在制作圖像時(shí)，要根據(jù)需要合理選擇分辨率。圖像的尺寸、圖像的分辨率和圖像文件的大小三者之間有著密切的聯(lián)系。圖像的尺寸越大，圖

35、像的分辨率越高，圖像文件也就越大。調(diào)整圖像的大小和分辨率即可改變圖像文件的大小。2.2 圖像(t xin)的獲取-分辨率(Image Digitalization and Representation) 共八十三頁2.屏幕分辨率 顯示器上每單位(dnwi)長度顯示的像素或點(diǎn)的數(shù)量稱為屏幕分辨率。通常也是以每英寸數(shù)(dpi)來表示。屏幕分辨率取決于顯示器的大小及其像素設(shè)置，屏幕分辨率由計(jì)算機(jī)的顯示卡決定，標(biāo)準(zhǔn)的VGA顯示卡的分辨率是640480點(diǎn)（像素），即水平方向640點(diǎn)（像素），垂直方向480點(diǎn)（像素）?，F(xiàn)在高性能的顯示卡已經(jīng)能夠支持12801024像素以上的高分辨率。 共八十三頁3.打印機(jī)

36、分辨率 打印機(jī)分辨率又稱為輸出分辨率，是指打印機(jī)輸出圖像時(shí)每英寸的點(diǎn)數(shù)(dpi)。打印機(jī)分辨率決定了輸出圖像的質(zhì)量，打印機(jī)分辨率越高，可以減少打印的鋸齒邊緣，在灰度的半色調(diào)(s dio)表現(xiàn)上也會較為平滑。打印機(jī)的分辨率可達(dá)300dpi，甚至720dpi，此時(shí)需用特殊紙張；而較老機(jī)型的激光打印機(jī)分辨率通常在300360dpi之間。由于超微細(xì)碳粉技術(shù)的成熟，新的激光打印機(jī)的分辨率可達(dá)6001200dpi，作為專業(yè)排版輸出已經(jīng)綽綽有余。色彩鮮艷，景物清晰的數(shù)碼照片就是很好的應(yīng)用實(shí)例。共八十三頁共八十三頁描述分辨率的單位有：（dpi點(diǎn)每英寸）、lpi（線每英寸）和ppi（像素每英寸）。但只有l(wèi)pi是

37、描述光學(xué)分辨率的尺度的。雖然dpi和ppi也屬于分辨率范疇內(nèi)的單位，但是他們的含義與lpi不同。而且lpi與dpi無法換算，只能(zh nn)憑經(jīng)驗(yàn)估算。另外，ppi和dpi經(jīng)常都會出現(xiàn)混用現(xiàn)象。但是他們所用的領(lǐng)域也存在區(qū)別。從技術(shù)角度說，“像素”只存在于電腦顯示領(lǐng)域，而“點(diǎn)”只出現(xiàn)于打印或印刷領(lǐng)域。共八十三頁2.3 像素間的基本(jbn)關(guān)系(Basic Relationships between Pixels) 鄰域：對于任意像素(X, Y)，像素集合 (x+m, y+n); 其中(qzhng)m、n取適當(dāng)?shù)恼麛?shù) 稱為該像素的鄰域。4-鄰域 (X-1, y), (x+1, y), (x,

38、y-1), (x, y+1) (x-1,y)(x, y-1)p(x, y-1)(x+1,y)記為對角鄰域，記為ND(p) 共八十三頁8-鄰域(ln y) (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) 記為N8(p) N8(p) ND(p) 共八十三頁鄰接 如果任意兩個像素相互存在于對方(dufng)的4- / 8-鄰域中，則稱這兩個像素相互4- / 8-鄰接?；旌相徑樱?-鄰接（4-adjacent）8-鄰接（8-adjacent）011010001共八十三頁令V是用于

39、定義鄰接性的灰度值集合。 考慮三種類型的鄰接性：（a）4鄰接：如果q在 集中(jzhng)，具有v中數(shù)值的兩個像素p和q是4鄰接的。（b）8鄰接：如果q在 集中，則具有v中數(shù)值的兩個像素p和q是8鄰接的。（c）m鄰接（混合鄰接）：如果(i)q在 集中，或者(ii)q在 中且集合 沒有v值的像素。則具有v值的像素p和q是鄰接的。共八十三頁混合連接可以避免8-連接造成的多路問題(wnt)。兩個象素集合的連通是指它們在指定的鄰域內(nèi)有一條通路。例如圖中的左上角和右下角按4-連接是不連通的；按m-連接是連通的；按8-連接是連通的,但是(dnsh)道路不是唯一的。連通性為了確定兩個像素是否連通，必須確定它

40、們是否相鄰及它們的灰度是否滿足特定的相似性準(zhǔn)則（它們的灰度值是否相等在同一個灰度值集合中取值）。 共八十三頁像素之間的聯(lián)系常與像素在空間的接近程度(chngd)有關(guān)。像素在空間的接近程度(chngd)可以用像素之間的距離來度量。為測量距離需要定義距離度量函數(shù)。距離 設(shè)p、q、r是某個集合S的元素，滿足下列性質(zhì)（距離的三定理）的函數(shù)D稱為距離函數(shù)：D(p, q)0（當(dāng)且僅當(dāng)p = q時(shí)，D(p, q) = 0）D(p, q) = D(q, p)D(p, r) D(p, q) + D(q, r)2.3 像素間的基本(jbn)關(guān)系-距離(Basic Relationships between Pix

41、els) 共八十三頁 距離(jl)常用距離：設(shè)任意(rny)兩點(diǎn)(x, y)和(s, t)歐氏距離： 4-鄰域距離(城區(qū)距離city-block):8-鄰域距離 (棋盤距chessboard):共八十三頁歐氏距離(jl) 4-鄰域距離(jl) 8-鄰域距離(jl) 3 3 3 3 3 3 3 3 5 2 5 3 2 3 3 2 2 2 2 2 35 2 1 2 5 3 2 1 2 3 3 2 1 1 1 2 32 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 3 3 2 1 0 1 2 35 2 1 2 5 3 2 1 2 3 3 2 1 1 1 2 3 5 2 5 3 2 3 3 2 2 2 2

42、2 3 3 3 3 3 3 3 3 3共八十三頁2.4像素(xin s)間聯(lián)系 距離(jl)計(jì)算示例在下圖圖中，兩個像素p和q之間的DE距離為 （見圖(a)），D4距離為 （見圖(b)），D8距離為 （見圖(c)） 共八十三頁數(shù)字圖像處理中所用(su yn)的數(shù)學(xué)工具（1）陣列與矩陣包含一幅或多幅圖像(t xin)的陣列操作是以逐像素為基礎(chǔ)操作的。前以提到，圖像可以等價(jià)的看成是矩陣，很多情況下圖像是以矩陣?yán)碚搱?zhí)行的。所以必須搞清楚陣列和矩陣的區(qū)別。（2）線性操作和非線性操作線性：求和算子非線性：最大值操作共八十三頁圖像的四則運(yùn)算中是逐個像點(diǎn)進(jìn)行的，圖像間的操作是陣列操作的。加法常用來去除噪音，

43、減法(jinf)常用在醫(yī)學(xué)成像，乘除法常用來矯正圖像中的灰度陰影。常用的邏輯運(yùn)算有：（1）與（AND）（2）或（OR）（3）補(bǔ)（NOT)以上運(yùn)算既可用于整幅圖像的運(yùn)算，也可以用于鄰域運(yùn)算。例如，一點(diǎn)及其-鄰域的算術(shù)平均作為該點(diǎn)的新值?，F(xiàn)在常用算術(shù)和邏輯運(yùn)算的單元ALU來加速運(yùn)算。算術(shù)(sunsh)和邏輯運(yùn)算共八十三頁 代數(shù)運(yùn)算(yn sun)的意義 在數(shù)字圖像處理技術(shù)中，代數(shù)運(yùn)算具有非常廣泛的應(yīng)用和重要的意義。 圖像相加也可用于將一幅圖像的內(nèi)容疊加到另一幅圖像上，從而實(shí)現(xiàn)二次曝光（double-exposure）。 圖像相減運(yùn)算可用于消除一幅圖像中所不需要的加性圖案，加性圖案可能是緩慢變化的背景陰影、周期性噪聲，或在圖像上每一像素點(diǎn)均已知的附加污染等。 減法運(yùn)算還可用于檢測同一(tngy)場景的兩幅圖像之間的變化。共八十三頁加法運(yùn)算加法運(yùn)算通常用于平均值降噪等多種場合。圖像相加一般(ybn)用于對同一場景的多幅圖像求平