数字图像第一章_图像技术基础(12-9-25).ppt

第1章图像技术基础 1 1图像和像素1 2像素间联系 重点 难点 1 3图像坐标变换1 4图像显示1 5采样和量化1 6图像存储与格式1 7图像技术及分类 1 1图像和像素 讨论 1 这几个英文单词 Image Picture Graphics是否表示同一个意思 2 图像与图象是否表示同一个意思 什么是图像 Image 用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的 可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体 现在多用此单词表示离散的数字图像 Picture 早期的图像用这个单词表示 现在多用于表示模拟类型的图像 Graphics 是指图形 通常由点 线 面 体等几何元素和灰度 色彩 线型 线宽等非几何属性组成 图像 泛指2D 3D图片 照片等一类的平面或数字图形 图象 一般指数学中图 如函数图象一类的图 图象 广义 抽象 图像 狭义 具体 1 图像与数字图像 图像类型 广义 图片 动画 绘图 文字 档 狭义 单幅 序列图像 静止 运动图像 视频 2 D 3 D 彩色 立体对 多光谱 多视场图像 灰度 深度 纹理图像 2 D数组f x y x y 2 D空间XY中坐标点的位置f 代表图像在 x y 的性质F的数值f x y的值可以是任意实数现实世界 T x y z t t表示时间变量 表示频谱变量 波长 性质F 可对应不同物理量灰度图像里用灰度表示 图像表示 数字图像是指由被称作像素的小块区域组成的二维矩阵 将物理图像行列划分后 每个小块区域称为像素 pixel 2 像素和表示 每个像素包括两个属性 位置和灰度 对于单色即灰度图像而言 每个象素的亮度用一个数值来表示 通常数值范围在0到255之间 即可用一个字节来表示 0表示黑 255表示白 而其它表示灰度级别 灰度级 灰度图像 128x128 及其对应的数值矩阵 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 74 118 146 148 150 145 157 164 157 158 162 165 171 155 115 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 仅列出一部分 26x31 彩色图象可以用红 绿 蓝三元组的二维矩阵来表示 通常 三元组的每个数值也是在0到255之间 0表示相应的基色在该象素中没有 而255则代表相应的基色在该象素中取得最大值 这种情况下每个象素可用三个字节来表示 彩色图象 128x128 及其对应的数值矩阵 仅列出一部分 31x25 207 137 130 220 179 163 215 169 161 210 179 172 210 179 172 207 154 146 217 124 121 226 144 133 226 144 133 224 137 124 227 151 136 227 151 136 226 159 142 227 151 136 230 170 154 231 178 163 231 178 163 231 178 163 236 187 171 236 187 171 239 195 176 239 195 176 240 205 187 239 195 176 231 138 123 217 124 121 215 169 161 216 179 170 216 179 170 207 137 120 159 51 71 189 89 101 216 111 110 217 124 121 227 151 136 227 151 136 226 159 142 226 159 142 237 159 135 237 159 135 231 178 163 236 187 171 231 178 163 236 187 171 236 187 171 236 187 171 239 195 176 239 195 176 236 187 171 227 133 118 213 142 135 216 179 170 221 184 170 190 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 2 像素和表示 图像表示矩阵矢量 空间排列规律1 像素邻域 邻接 2 像素间的距离 1 2像素间联系 4连接8连接M连接 1 2像素间联系 1 像素的邻域邻域 像素 邻近像素 近邻像素 根据对一个坐标为 x y 的像素p的近邻像素的不同定义 可以得到由不同近邻像素所组成的不同的相应邻域 常用的像素邻域主要有如下3种 1 4 邻域N4 p 2 对角邻域ND p 3 8 邻域N8 p 1 2像素间联系 1 2像素间联系 1 2像素间联系 1 2像素间联系 邻域 N4 p 像素 x y 的4邻域 x 1 y x 1 y x y 1 x y 1 ND p 像素 x y 的对角邻域 x 1 y 1 x 1 y 1 x 1 y 1 x 1 y 1 N8 p 像素 x y 的8邻域N4 p ND p 1 2像素间联系 2 连接和连通 adjacency 邻接 邻域 vs connectivity 连接 邻接仅考虑像素间的空间关系两个像素是否连接 1 是否接触 邻接 2 灰度值是否满足某个特定的相似准则 同在一个灰度值集合V中取值 1 2像素间联系 1 4 连接两个像素p和q在V中取值且q在N4 p 中 则它们为4 连接 1 2像素间联系 2 8 连接两个像素p和q在V中取值且q在N8 p 中 则它们为8 连接 8 邻域 1 2像素间联系 1 2像素间联系 两种连接4连接8连接连接比邻域 邻接 要求更高 不仅要考虑空间关系 还要考虑灰度关系 连通如果p和q不 直接 邻接 但它们均在另一个像素的相同邻域中 4邻域 8邻域或D邻域 且这3个像素的灰度值均满足某个特定的相似准则 则称p和q是连通的 只要两个像素p和q间有一系列连接的像素 则它们是连通的 1 2像素间联系 例 1 令V 0 1 4连通 8连通 2 令V 1 2 4连通 8连通 连通连接是连通的一种特例通路由一系列依次连接的像素组成从具有坐标 x y 的像素p到具有坐标 s t 的像素q的一条通路由一系列具有坐标 x0 y0 x1 y1 xn yn 的独立像素组成 这里 x0 y0 x y xn yn s t 且 xi yi 与 xi 1 yi 1 邻接 其中1 i n n为通路长度4 连通 8 连通 4 通路 8 通路 1 2像素间联系 通路建立了两个像素p和q之间的空间关系 当n 1时 两个连通的像素也是连接的 例题 1 令V 0 1 计算p与q之间的4通路 8通路的长度 最短 2 令V 1 2 重复上述计算 像素集合的邻接和连通对2个图像子集S和T来说 如果S中的一个或一些像素与T中的一个或一些像素邻接 则可以说2个图像子集S和T是邻接的 例题 两个图像子集S1和S2 对于V 1 目标像素为1 确定它们是4连接还是8连接 S1 S2 小结 邻域 邻接 空间接触连接 接触 灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值连通 灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值 有通路但不一定接触 1 2像素间联系 3 像素间的距离距离量度函数 满足下列条件3个像素p q r 坐标 x y s t u v 1 两个像素之间的距离总是正的 2 距离与起终点的选择无关 3 最短距离是沿直线的 1 2像素间联系 距离量度函数 1 欧氏 Euclidean 距离 2 城区 city block 距离 3 棋盘 chessboard 距离 距离量度函数等距离轮廓图案D4距离D8距离 距离量度函数距离计算示例 p6 DE 5D4 7D8 4 用距离定义邻域考虑在空间点 xp yp 的像素p4 邻域 N4 p 8 邻域 N8 p 练习 如右图像子集 其中像素p和q的值均为1 令V 1 2 分别计算4连通 8连通时像素p和q间的距离 邻域连通距离 1 2像素间联系 1 3图像坐标变换 1 平移变换2 尺度变换3 旋转变换4 级联5 反变换 变换表达 图像坐标变换 imagecoordinatetransform 将像素从图像中的一处移动到另一处 从而改变图像的布局 V是包含原坐标的矢量 v 是由变换后坐标组成的矢量 对不同的变换 变换矩阵A中的数值不同 坐标变换示例 平移变换 平移前的图像 平移后的图像 尺度 缩放 变换 沿X轴 Y轴 Z轴 旋转变换 图像旋转 级联变换 对一个坐标为v的点的平移 放缩 旋转变换可表示为 见P7公式1 3 7用单个变换矩阵的方法可对点矩阵v变换这些矩阵的运算次序一般不可互换 坐标变换反变换 知识回顾 1 数字图像处理的基本概念2 像素间的联系邻域 空间接触连接 接触 灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值连通 灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值 有通路但不一定接触3 图像坐标变换 半调 halptone 输出多数打印设备仅能直接显示输出二值图 为了在这些设备上输出灰度图像常采用一种称为半调输出 halftoning 的技术 原理 利用人眼的集成特性 在每个像素位置打印一个其尺寸反比于该像素灰度的黑圆点 即在亮的图像区域打印的点小 而在暗的区域打印的点大 或者说通过控制二值点模式的形式 包括数量 尺寸 形状等 来获得视觉上不同的灰度感觉 1 4图像显示 调制模板每个输出单元内包含若干个基本二值点每个模板对应一个输出单元2 2 5种灰度 3 3 10种灰度 抖动 dithering 输出技术f x y d x y 半调技术牺牲图像的空间点数而增加图像的灰度级数要保持细节 灰度级数就有限 2 抖动技术 原始图像 随机小噪声 a 原始图像 b 半调输出图 c d 利用抖动技术进行改善的结果 1 5采样和量化 空间采样 sampling 空间坐标的离散化灰度量化 quantization 灰度的离散化空间分辨率幅度分辨率 58 59 图像的量化就是将采样后图像的每个样点的取值范围分成若干区间 并仅用一个数值代表每个区间中的所有取值 均匀采样 非均匀采样 1 5采样和量化 图像采集装置 CCD CMOS CID 为采集数字图像 需要两种装置 器件 1 对某个电磁能量谱波段 如X射线 紫外线 可见光 红外线等 敏感的物理器件 它能产生与所接受到的电磁能量成正比的 模拟 电信号 2 数字化器 它能将上述 模拟 电信号转化为数字 离散 的形式 数字图像图像 水平 尺寸M 图像 垂直 尺寸N 像素灰度级数G k bit 图像所需的位数b 1 图像数据量 y x 对连续图像f x y 进行数字化 空间上 图像抽样 幅度上 灰度级量化 x方向 抽样M行y方向 每行抽样N点整个图像共抽样M N个像素点一般取M N 2n 64 128 256 512 1024 2048 数字图像存储1幅32 32 16个灰度级的图需要4 096bit存储1幅128 128 64个灰度级的图需要98 304bit存储1幅512 512 256个灰度级的图需要2 097 152bit 空间分辨率 图像中可辨别的最小细节 采样间隔决定的 MXN幅度分辨率 灰度级分辨率 在灰度级别中可分辨的最小变化 G 2 图像质量与数据量 图像空间分辨率变化所产生的效果 p12 13 图像幅度分辨率变化所产生的效果 空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果 讨论 图像采集越密集越好 量化级数越多越好 对采样和量化的讨论 1 图像数据量由空间分辨率和幅度分辨率决定 2 采样值取决于需要观察到图像中哪个尺度的细节 量化值取决于人类视觉系统的分辨率和应用场合 3 灰度尖锐的过渡区采用较密的采样 用较少的灰度级 在灰度平滑的过渡区采用较稀的采样 用较多的灰度级 1 6图像存储与格式 图像存储器件图像文件格式图像文件格式是记录和存储影像信息的格式 对数字图像进行存储 处理 传播 必须采用一定的图像格式 也就是把图像的像素按照一定的方式进行组织和存储 把图像数据存储成文件就得到图像文件 图像文件格式决定了应该在文件中存放何种类型的信息 文件如何与各种应用软件兼容 文件如何与其它文件交换数据 1 6图像存储与格式 图像存储器件图像文件格式 1 BMP BitMaP 格式 2 GIF GraphicsInterchangeFormat 格式 3 TIFF TaggedImageFormatFile 格式 4 JPEG JointPhotographicExpertGroup 格式 1 6图像存储与格式 图像文件格式 1 BMP BitMaP 格式BMP格式支持RGB 索引颜色 灰度和位图颜色模式 2 GIF GraphicsInterchangeFormat 格式GIF 图像交换格式 是一种LZw压缩格式 用来最小化文件大小和电子传递时间 3 TIFF TaggedImageFormatFile 格式几乎所有的桌面扫描仪都可以生成TIFF图像 而且TIFF格式还可加入作者 版权 备注以及自定义信息 存放多幅图像 4 JPEG JointPhotographicExpertGroup 格式JPEG是目前所有格式中压缩率最高的格式 目前大多数彩色和灰度图像都使用JPEG格式压缩图像 压缩比很大而且支持多种压缩级别的格式 图象 广义 抽象 图像 狭义 具体 人类从外界 客观世界 获得的信息约有75 来自视觉系统图像工程三层次 图像处理 图像 图像 图像分析 图像 数据 图像理解 图像 解释 1 7图像技术及分类 1 7图像技术及分类 数字图像处理的三个层次 1 图像处理 对图像进行各种加工 以改善图像的视觉效果 强调图像之间进行的变换 图像处理是一个从图像到图像的过程 2 图像分析 对图像中感兴趣的目标进行提取和分割 获得目标的客观信息 特点或性质 建立对图像的描述 以观察者为中心研究客观世界 图像分析是一个从图像到数据的过程 3 图像理解 研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系 得出对图像内容含义的理解及原来客观场景的解释 以客观世界为中心 借助知识 经验来推理 认识客观世界 属于高层操作 符号运算 1 7图像技术及分类 图像工程是一门交叉学科研究方法上 与数学 物理学 光学 生理学 心理学 电子学 计算机科学相互借鉴 研究范围上 与计算机图形学 模式识别 计算机视觉相互交叉 小结 1 基本概念像素采样 量化空间分辨率 幅度分辨率2 像素间联系邻域连接 连通距离3 图像坐标变换 谢谢 BMP格式 BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式 使用非常广 它采用位映射存储格式 除了图像深度可选以外 因此 BMP文件所占用的空间很大 BMP文件存储数据时 图像的扫描方式是按从左到右 从下到上的顺序 由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准 因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式 典型的BMP图像文件由四部分组成 1 位图文件头数据结构 它包含BMP图像文件的类型 显示内容等信息 2 位图信息数据结构 它包含有BMP图像的宽 高 压缩方法 以及定义颜色等信息 3 调色板 这个部分是可选的 有些位图需要调色板 有些位图 比如真彩色图 24位的BMP 就不需要调色板 4 位图数据 这部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同 在24位图中直接使用RGB 而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引值 JPEG格式 JPEG是JointPhotographicExpertsGroup 联合图像专家组 的缩写 文件后辍名为 jpg 或 Jpeg JPEG本身只有描述如何将一个影像转换为字节的数据串流 streaming 但并没有说明这些字节如何在任何特定的储存媒体上被封存起来 jpeg jpg是最常用的图像文件格式 由一个软件开发联合会组织制定 是一种有损压缩格式 能够将图像压缩在很小的储存空间 图像中重复或不重要的资料会被丢失 因此容易造成图像数据的损伤 尤其是使用过高的压缩比例 将使最终解压缩后恢复的图像质量明显降低 如果追求高品质图像 不宜采用过高压缩比例 但是JPEG压缩技术十分先进 它用有损压缩