數字圖像處理02-圖像數字化

數字圖像處理02-圖像數字化第一頁，共90頁。Outline圖像的感知和獲取圖像的采樣和量化圖像的數字化設備圖像的分類與表示圖像像素間的基本關系圖像的彩色空間第二頁，共90頁。

Aboutvision人眼視覺過程第三頁，共90頁。Aboutvision人眼的機理與照相機類似：（1）瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中間的圓孔稱為瞳孔，其直徑可調節(jié)，控制進入人眼內之光通量(照相機光圈作用)。（2）晶狀體：瞳孔后是一扁球形彈性透明體，其曲率可調節(jié)，以改變焦距，使不同距離的圖在視網膜上成象((照相機透鏡作用))。（3）視細胞：視網膜上集中了大量視細胞，分為兩類:第四頁，共90頁。Aboutvision錐細胞和柱細胞： 錐細胞：數量少，對顏色很敏感（大約6.5x106個） 錐細胞視覺：明視覺或亮光視覺主要集中在中央凹，只在高照度下提供視覺響應（明視覺），能識別景物的細節(jié) 柱細胞：數量多，分辨率比較低（大約130x106個）

不感受顏色并對低照度較敏感 柱細胞視覺：暗視覺或微光視覺布滿整個視網膜，在低照度下桿狀細胞提供視覺響應，并且對形狀和運動敏感（暗視覺）第五頁，共90頁。Aboutvision每個視網膜接收單元都與一個神經元細胞借助突觸（synapse）相連 每個神經元細胞借助其它的突觸與其它細胞連接，從而構成光神經（opticalnerve）網絡 光神經進一步與大腦中的側區(qū)域（sideregionofthebrain）連接，并到達大腦中的紋狀皮層（striatedcortex） 對光刺激產生的響應經過一系列處理最終形成關于場景的表象，從而將對光的感覺轉化為對景物的知覺第六頁，共90頁。Aboutvision整體的視覺過程第七頁，共90頁。Aboutvision人眼的視覺特性刺激強度與感覺的關系：人眼的視覺效果是由可見光刺激人眼引起的。如果光的輻射功率相同而波長不同，則引起的視覺效果也不同。亮度對比和顏色對比：視覺的主觀亮度取決于視野中心（目標）與周圍環(huán)境之間光照的相對強度。人類視覺系統(tǒng)對亮度變化的感知比對亮度本身要敏感 人類視覺系統(tǒng)對光強度的響應不是線性的，而是對數形式的（對暗光時亮度的增加比對亮光時亮度的增加更敏感）第八頁，共90頁。Aboutvision（1）馬赫（Mach）帶效應

基于視覺系統(tǒng)有趨向于過高或過低估計不同亮度區(qū)域邊界值的現象（2）同時對比度現象人眼對某個區(qū)域感覺到的亮度不僅僅依賴它的強度，而與環(huán)境亮度有關。側抑制（siderestrain）通常是指相鄰神經元（nervecell）之間的相互抑制作用。表現在，當刺激某個神經元使之興奮之后，再刺激另一個與之相鄰的神經元時，后者的反應對于前者的反應有抑制作用。第九頁，共90頁。Seeinggrayasblackorwhite第十頁，共90頁。Aboutvision視覺的空間性質——視覺的空間頻率特性：空間頻率是指視像空間變化的快慢。明亮的圖像（清晰明快的畫面）意味著有大量的高頻空間成分；模糊的圖像只有低頻空間成分。視覺的時間特性使視覺圖像建立起來是需要時間的，而視覺圖像建立起來之后，即使把目標圖像拿走，視覺反應也要持續(xù)一段時間。因此而產生視覺的運動感覺。運動感覺：視覺的運動感覺與人對刺激信號的反應有關。刺激信號的出現與消失或改變都影響反應時間。光消失反應比光出現反應時間短；光強度增加比光強度減弱時間長。第十一頁，共90頁。TheCornsweetedge…evenhardertoexplain?SinauerAssociates,Inc.第十二頁，共90頁。第十三頁，共90頁。Aboutvision視覺運動的規(guī)律（習慣）：①人眼的水平運動比垂直運動快，更易跟蹤水平運動的物體；②看圓形的畫面總是習慣沿順時針方向看，所以對順時針方向運動的物體的反應較逆時針運動物體快；③在偏離距離相同的情況下，人眼對視野中四個象限的觀察率依次為：左上、右上、左下、右下；④視線習慣于從左到右和從上到下看等。第十四頁，共90頁。?SinauerAssociates,Inc.第十五頁，共90頁。Aboutvision主觀輪廓和空間錯覺主觀輪廓：

指實際上并不存在、只是主觀上認為存在的某景物的輪廓線。它是從整個圖形數據得到的概念（如圖）?？臻g錯覺：物體的整體面貌和結構強烈地影響著人們對它的感知。通常有兩類：基于形狀和方向；基于長度和面積。第十六頁，共90頁。Aboutvision第十七頁，共90頁。Aboutvision第十八頁，共90頁。Aboutvision第十九頁，共90頁。Aboutvision第二十頁，共90頁。Aboutvision第二十一頁，共90頁。Aboutvision第二十二頁，共90頁。弗雷澤螺旋Aboutvision第二十三頁，共90頁。Aboutvision第二十四頁，共90頁。Aboutvision第二十五頁，共90頁。Aboutvision人眼對顏色的感知特性視覺系統(tǒng)對顏色和亮度的響應特性曲線（各個波長的光的強度相等）第二十六頁，共90頁。對象光光源攝像單元A/D轉換單元圖像存儲單元計算機圖像獲取第二十七頁，共90頁。場景成像的三種主要傳感器裝置單元成像傳感器：如光敏二極管，通過x-y方向二維掃描，形成二維圖像。線成像傳感器：如線CCD、平板掃描儀等,只需一維掃描，形成二維圖像。陣列成像傳感器：如電荷耦合器（ChargeCoupledDevice,CCD）、互補金屬氧化物半導體（CMOS）。兩者都是利用感光二極管進行光電轉換，將圖像轉換為數字數據，其主要差異是數據傳送方式不同。圖像獲取第二十八頁，共90頁。Digitalization圖像數字化是將模擬圖像經過離散化后，得到用數字表示的圖像的過程。第二十九頁，共90頁。第三十頁，共90頁。SamplingandQuantization大多數傳感器的輸出是連續(xù)電壓波形為了產生一幅數字圖像，需要把連續(xù)的感知數據轉化為數字形式這包括兩種處理：采樣和量化采樣：圖像空間坐標的數字化——空間采樣，即空間坐標的離散化(x,y)(r,c)

量化：圖像函數值（灰度/色度值）的數字化——灰（色）度量化，即灰度的離散化

f(x,y)I(r,c)第三十一頁，共90頁。采樣定理：設連續(xù)信號x(t)的頻譜為X(f)，頻譜中最大頻率是fm，以采樣間隔T（對應的采樣頻率為fS）采樣得到離散信號x(nT)，若滿足：

2fm≤fS

則，可以由離散信號x(nT)完全確定連續(xù)信號x(t)。當采樣頻率等于2fm時，稱為奈奎斯特頻率。Sampling第三十二頁，共90頁。采樣定理：空域頻譜連續(xù)信號與頻譜高采樣頻率時，采樣信號與頻譜低采樣頻率時，采樣信號與頻譜Sampling第三十三頁，共90頁。采樣時注意事項：采樣間隔太小，則增大數據量；間隔太大，則會發(fā)生頻率的混疊現象。（滿足采樣定理）采樣保持：一般不做特殊說明都是采用0階保持的方式，即一個像素的值是其局部區(qū)域亮度（顏色）的均值。Sampling第三十四頁，共90頁。Sampling給定一副連續(xù)圖像f(x,y)進行數字化處理，要求采用M×N數組（或排列模式）等距采樣來近似原始的f(x,y)M=2mN=2nM×N稱為數字圖像的空間分辨率MN第三十五頁，共90頁。Quantization這時對“柵格化”的f(x,y)中的每個“方格”進行賦值，這個過程就是量化過程，而當所賦的值同樣也是整數時，那么f(x,y)就是一幅數字圖像I(r,c)，且是坐標和灰度值都是整數的2-D函數。此時，I(r,c)的取值范圍就是圖像量化的量級G，G=2k，而G則稱為數字圖像的灰度級或灰度分辨率G-1frequency此時，一幅數字圖像的大小的計算方法如下：M×N×log2G(bit)第三十六頁，共90頁。把采樣后所得的各像素的灰度值從模擬量到離散量的轉換稱為圖像灰度的量化。即：灰度的離散化。充分考慮到人眼的識別能力之后，目前非特殊用途的圖像均為8bit量化，即用0-255描述“從黑到白”。Quantization第三十七頁，共90頁。空間分辨率（與采樣頻率有關）兩種定義：圖像空間中可分辨的最小細節(jié)，一般用單位長度上采樣的像素數目表示。

單位：像素/英寸，像素/厘米再現一定尺寸的圖像所必需的像素個數:

單位：像素×像素如：數碼相機指標30萬像素（640×480）。第三十八頁，共90頁。EffectofsamplingontheimagequalityA1024×1024,8-bitimagesubsampleddowntosize32×32pixels.Thenumberofallowablegraylevelswaskeptat256.采樣間隔越大，空間分辨率就越小，獲得像素個數就越少，圖像質量越差第三十九頁，共90頁。Continued第四十頁，共90頁。Continued第四十一頁，共90頁?；叶确直媛剩ㄅc量化位數有關）圖像灰度級中可分辨的最小變化。一般用灰度級或比特數表示?；叶确直媛试礁?，圖像質量越好；灰度分辨率越低，圖像質量越差，會出現虛假輪廓。256灰度級16灰度級4灰度級第四十二頁，共90頁。第四十三頁，共90頁。Effectofquantizationontheimagequality量化間隔越大，灰度分辨率越低，圖像的層次感越少，圖像質量也越差灰度級≤16級時，在灰度緩變區(qū)常會出現一些幾乎看不出來的非常細的山脊狀結構，這種效應引起虛假輪廓(falsecontouring)

。第四十四頁，共90頁。采樣——空間分辨率空間分辨率越高，圖像質量越好；空間分辨率越低，圖像質量越差，會出現馬賽克效應。

(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，圖像越逼真；灰度分辨率越低，圖像會出現虛假輪廓。第四十五頁，共90頁。Nonuniformsamplingandquantization采用等間隔的方式進行采樣和量化，稱為均勻采樣和均勻量化為了保證圖像的視覺質量，可以根據圖像自身的特性利用自適應的方式進行采樣和量化例如,在灰度變化劇烈的區(qū)域可以采用密集的采樣間隔，以保證繼承原始圖像中對應位置較完整的細節(jié)；而對于灰度變化緩慢的區(qū)域則可以采用稀疏的采樣間隔對于圖像灰度級被要求很小的情況下，較始于采用非均勻量化來分配灰度級第四十六頁，共90頁。Digitaldevices圖像數字化設備：掃描儀、數碼相機、攝像機與圖像采集卡等圖像處理計算機：PC、工作站等圖像存儲設備：磁盤、光盤、硬盤等圖像輸出設備：顯示器、打印機等第四十七頁，共90頁。Digitaldevices數碼相機的工作原理感光器是數碼相機的核心，也是最關鍵的技術。數碼相機成像部件的主要部分就是感光器。目前數碼相機的核心成像部件有兩種：一種是廣泛使用的CCD（電荷藕合）元件；另一種是CMOS（互補金屬氧化物導體）器件。第四十八頁，共90頁。Continued圖像傳感器電荷藕合器件CCD（ChargeCoupledDevice）高感光度的半導體材料,CCD由許多感光單位組成，以百萬像素為單位。受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。CCD的組成主要是由一個類似馬賽克的網格、聚光鏡片以及電子線路矩陣所組成.互補性氧化金屬半導體CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶負電）和P（帶正電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。第四十九頁，共90頁。CCD與CMOS的工藝區(qū)別：CCD：工作時，上百萬個像素感光后會生成上百萬個電荷，所有的電荷全部經過一個“放大器”進行電壓轉變，形成電子信號。因此，這個“放大器”就成為了一個制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，當數據量大時就發(fā)生信號“擁堵”。CMOS：每個像素點都有一個單獨的放大器轉換輸出，能夠在短時間內處理大量數據。第五十頁，共90頁。CCD與CMOS的性能差異：靈敏度：CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。成本：CMOS傳感器集成度高，CCD成本高。分辨率：相同尺寸的傳感器，CCD優(yōu)于CMOS。功耗：CCD功耗遠高于CMOS傳感器；噪聲：CMOS傳感器的噪聲高于CCD；總之，CCD在靈敏度、分辨率、噪聲控制方面優(yōu)于CMOS，而CMOS則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步，兩者差異有逐漸縮小的態(tài)勢，如CCD在功耗上作改進；CMOS則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應用于更高端的圖像產品。第五十一頁，共90頁。Continued數碼攝像機3CCD優(yōu)于單CCD的原因是由于單CCD采用馬賽克分色原理，容易引起偽色和摩爾紋干擾，影響成像質量。3CCD則對RGB三種光線分開接受和處理，將三個CCD芯片分別用來處理三原色，即為三原色提供附加色光譜，從而解決了單CCD的偽色問題。

使用3CCD的數碼攝像機在光射到芯片上以前，先通過棱鏡，把光線按RGB顏色分開，結果得到清脆、干凈、明快的顏色。第五十二頁，共90頁。第五十三頁，共90頁。數字圖像矩陣二維的數字圖像可以用二維整數矩陣來描述。矩陣中，每一個元素代表一個像素，具有位置屬性和顏色（灰度）屬性。分辨率為M×N的圖像表示為:Category第五十四頁，共90頁。經過采樣、量化后，得到數字圖像，以位圖的形式保存到計算機。分為四種位圖：二值圖像（binaryimage）灰度圖像（gray-scaleimage）索引圖像（indexcolorimage）真彩色圖像（truecolorimage）Category第五十五頁，共90頁。Category黑白圖像(blackandwhiteimageorbinaryimage)圖像的每個像素只能是黑或白，沒有中間的過渡，故又稱為二值圖像。二值圖像的像素值為0或1?！岸怠眻D像只有黑、白兩色第五十六頁，共90頁。Continued灰度圖像(grayimage)灰度圖像是指灰度級數大于2的圖像。但它不包含彩色信息。像素灰度級一般為8bit，所以每個像素都是介于黑色（0）和白色（255）之間的256種灰度中的一種；量化位數為n時，灰度范圍為：0~2n-1?！盎叶取眻D像具有256級灰度第五十七頁，共90頁?；叶葓D像（grayimage）灰度圖像描述示例第五十八頁，共90頁。Continued真彩色圖像(turecolorimage)真彩色圖像是指每個像素由R、G、B分量構成的圖像，其中R、B、G是由不同的灰度級來描述。每個字節(jié)為8bit，表示0到255之間的不同的亮度值；真彩色圖像一般是用三個矩陣同時來描述；第五十九頁，共90頁。Continued索引圖像索引圖像既包括存放圖像數據的二維矩陣，還包括一個顏色索引矩陣（稱為MAP），因此稱為索引圖像，又稱為映射圖像。MAP矩陣也可以由二維數組表示，矩陣大小由存放圖像的矩陣元素的值域（灰度值范圍）決定。若矩陣元素值域為0~255，則MAP矩陣的大小為256×3，矩陣的三列分別為R、G、B值。圖像矩陣的每一個灰度值對應于MAP中的一行，如某一像素的灰度值為64，則表示該像素與MAP矩陣的第64行建立了映射關系，該像素在屏幕上的顯示顏色由MAP矩陣第64行的[RGB]疊加而成。第六十頁，共90頁。1、像素的鄰域和鄰接

4鄰域:像素p(x,y)具有4個水平和垂直的相鄰像素，坐標分別為:(x+1,y)、(x-1,y)、(x,y+1)、(x,y-1)，這個像素集稱為p的4鄰域，用N4(p)表示。

4鄰接：如果q在N4(p)中，則像素p和q是4鄰接的。qRelationshipbetweenpixels第六十一頁，共90頁。1、像素的鄰域和鄰接對角鄰域:坐標為:(x+1,y+1),(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)，用ND(p)表示。

8鄰域:

N8(p)=ND(p)+N4(p)8鄰接：如果q在N8(p)中，則像素p和像素q是8鄰接的。qqRelationshipbetweenpixels第六十二頁，共90頁。Relationshipbetweenpixels像素的鄰域(NeighborsofaPixel)注意：p在邊緣時其鄰域象素落在圖像外，需作特殊處理第六十三頁，共90頁。2、像素的連接對兩個像素而言，是否連接需要考慮兩點：（1）在空間上是否接觸（鄰接關系）；（2）它們的某個屬性（如灰度值）是否滿足某個特定的相似準則（如，灰度相等或同在一個灰度集中取值）。

設用V表示定義連接的灰度值集合例1，二值圖像中，灰度為1的像素間的連接，V=｛1｝例2，32個灰度級的圖像中，考慮灰度值位于8-15之間的兩個像素間的連接，則取灰度集合V=｛8,¨¨,15｝Relationshipbetweenpixels第六十四頁，共90頁。2、像素的連接設用V表示定義連接的灰度值集合，V=｛1｝

4-連接：兩個像素p和r在V中取值，且r在N4（p）中，則它們是4-連接的。

8-連接：兩個像素p和r在V中取值，且r在N8（p）中，則它們是8-連接的。Relationshipbetweenpixels第六十五頁，共90頁。2、像素的連接

m-連接（混合連接）兩像素p和r在V中取值，滿足下面任一條件，稱像素p和r是m連接：（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-連接實質：同時存在4連接和8連接時，優(yōu)先采用4-連接，屏蔽8連接；m-連接的引入是為了消除采用8連接常出現的多路問題。011010001011010001011010001Relationshipbetweenpixels第六十六頁，共90頁。3、像素的連通性在像素連接的基礎上，進一步討論像素的連通；像素間的通路：從坐標(x,y)的像素p到坐標(s,t)的像素q的一條通路由一系列像素坐標（x0,y0）,···,（xn,yn）組成；且序列中相鄰的兩像素具有鄰接性。其中，n為通路長度；根據采用的鄰接定義不同，可分為4-通路，8通路。通路建立了兩個像素之間的空間聯(lián)系；Relationshipbetweenpixels第六十七頁，共90頁。3、像素的連通性

像素間的連通：如果通路上所有像素的灰度值均滿足某個特定的相似準則，則兩個像素p和q是連通的。根據采用的連接定義不同，可分為4-連通，8連通,m-連通。Relationshipbetweenpixels第六十八頁，共90頁。4、像素間的距離度量定義：給定3個像素p、q、z，如果下列條件滿足，則D是距離量度函數：（1）D(p,q)≥0，(D(p,q)=0，當且僅當

p=q)

（2）D(p,q)=D(q,p)

（3）D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)；

Relationshipbetweenpixels第六十九頁，共90頁。4、像素間的距離度量設像素p(x,y)，像素q(s,t)；根據定義，給出三種距離度量函數：歐氏（Euclidean）距離：與(x,y)的De距離小于或等于某個值d的象素都包括在以(x,y)為中心以d為半徑的圓中。第七十頁，共90頁。4、像素間的距離度量城區(qū)（City-block）距離：與(x,y)的D4距離小于或等于某個值d的象素組成以(x,y)為中心的菱形。Relationshipbetweenpixels第七十一頁，共90頁。4、像素間的距離度量棋盤（Chessboard）距離：與(x,y)的D8距離小于或等于某個值d的象素組成以(x,y)為中心的正方形。Relationshipbetweenpixels第七十二頁，共90頁。Continued像素間的距離點p和q之間的歐氏（Euclidean）距離:點p和q之間的城區(qū)（city-block）距離:點p和q之間的棋盤（chessboard）距離:第七十三頁，共90頁。顏色空間1、顏色概念顏色是人的視覺系統(tǒng)對可見光的感知結果。物體由于構成和內部結構的不同，受光線照射后，一部分光線被吸收，其余的被反射或投射出來。由于物體的表面具有不同的吸收光線與反射光的能力，反射光不同，眼睛就會看到不同的顏色。顏色通常使用光的波長來定義，用波長定義的顏色叫做光譜色。第七十四頁，共90頁。1、顏色概念國際照明委員會(CIE)定義了顏色的特性：色調（hue）:色調用于區(qū)別顏色的種類。色調是視覺系統(tǒng)對一個區(qū)域所呈現顏色的感覺。如紅、橙、黃、綠、青、藍、靛、紫等。飽和度（saturation）:飽和度是顏色的純潔性，用來區(qū)別顏色的程度。當一種顏色滲入其他光成分愈多時，顏色愈不飽和。明度（brightness）:明度是視覺系統(tǒng)對可見物體輻射或者發(fā)光多少的感知屬性。顏色空間第七十五頁，共90頁。顏色空間1、顏色概念亮度是用反映視覺特性的光譜敏感函數加權之后得到的輻射功率，用單位面積上反射或者發(fā)射的光的強度表示。由于明度很難度量，通?？梢杂昧炼葋矶攘?。

第七十六頁，共90頁。顏色空間2、顏色空間的表示和轉換顏色常用顏色空間來表示。顏色空間是用一種數學方法形象化表示顏色，人們用它來指定和產生顏色。顏色空間中的顏色通常用代表3個參數的3維坐標來描述，其顏色要取決于所使用的坐標。在多媒體計算機系統(tǒng)中，常常涉及到用幾種不同的顏色空間表示圖形和圖像的顏色，以對應于不同的場合和應用，各種顏色空間可以方便地進行轉換。第七十七頁，共90頁。Aboutcolor將光譜中不能再分解的可見光稱為單色光，由單色光混合而成的光稱為混合光。而紅、綠、藍三色可以混合成自然界中的任何一種顏色，因此稱紅、綠、藍為三基色。產生波長不同的光所需要的三基色值第七十八頁，共90頁。Aboutcolor彩色物理學中的一個非常重要的發(fā)現就是“自然界的絕大多數顏色都可以由適當選擇的三種基色混合產生。這就是所謂的三基色原理，這一原理首先由Maxwell在1855年給出證明的

第七十九頁，共90頁。Aboutcolor發(fā)射光源能發(fā)射光（太陽、TV監(jiān)視器、燈）對顏色的感知依賴于發(fā)射光的頻率遵循加色原理：R+G+B=White反射光源反射入射光