数字图像处理复习资料(11春季).doc

数字图像处理课程复习大纲上大（11春季） 已扩展第1章 绪论要求：掌握数字图像处理理论及技术的基础性概念；掌握数字图像处理这门学科的基本理论及技术架构；熟悉其应用领域，硬件系统及设备1.1.数字图像及应用数字图像，各种电磁波谱及各种图像成像技术，以及图像处理在各种行业当中的应用，不同波段的图像，图像类型，图像应用领域1. 信息是事物存在的一种形式，数据是信息的“符号”载体；2. 图像：用各种观测系统以不同的形式和手段观测世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体3. 图像在计算机里的表示形式就是所谓的“数字图像”。4. 数字图像处理的应用主要有三方面的因素需要考虑：存储器的容量，计算速度，传输带宽。5. 图像的分类：按灰度分：二值图像和多灰度图像；按色彩分：单色图像和彩色图像；按运动分类：静态图像和动态图像；按时空分布分类：二维图像，三维图像和多维图像。6. 图像处理的基本内容：图像信息的获取，图像的存储，图像的传输，图像处理。1.2.图像工程概述图像处理3层次，数字图像处理于其他学科的关系1. 图像工程的三个层次：图像理解，图像分析，图像处理；2. 图像：主要特点为由一系列的具有不同灰度值的像素所组成；图形：主要特点为由一组数学公式描述。1.3.图像表示和显示图像与函数，像素，图像的矩阵表示，图像的解析表示，图像输出设备1. 一幅图像一般可以用一个2-D函数f(x, y)来表示（计算机中为一个2-D数组）。2. 一幅图像可分解为许多个单元。每个基本单元叫做图像元素，简称像素。3. 将一个区域分成3*3个单元以输出10种不同的灰度。用“区域”来代替“像素”。4. 抖动技术：通过调节或变动图像的幅度值来改善量化过粗图像的显示质量。1.4.数字图像存储格式存储器件，图像文件格式 主题词：不同波段的图像，数字图像，数字图像处理系统，图像成像技术；3-D图像，彩色图像，多光谱图像，立体图像，序列图像，深度图像，纹理图像，投影重建图像，合成图像；图像处理，图像分析，图像理解；图像的矩阵表示，半调输出，抖动技术，BMP，GIF，TIFF，JPEG 1.图像文件格式：一种是矢量形式，另一种是光栅形式。BMP格式，GIF 格式，TIFF格式，JPEG格式； 2.图像文件一般由文件头、色调数据和像素数据三部分组成。 文件头用于存放图像的特征参数及其存放位置和文字注解等。它有固定 格式（bmp格式）及灵活格式（tif格式）两大类。 色调数据是指16色和256色彩色显示模式下的调色板数据，真彩色图 像则不需要色调数据。有些图像文件格式中色调数据放在文件头中。 像素数据以位图的形式存放，有压缩、不压缩之分； BMP位图文件可看成由4个部分组成：位图文件头，位图信息头、彩色 表和定义位图的字节阵列； 第2章 图像采集要求：掌握图像数字化过程，数字图像的基本参数。2.1几何成像基本模型1. 空间场景观察窗目标投影投影位置(x,y)处的“信息属性”；2. 3D点投影后的图像平面坐标：x=X/(-Z),y=Y/(-Z)3. 3-D点投影后的图像平面坐标：投影变换矩阵，逆投影变换矩阵；4. 世界坐标系统，摄影机坐标系统，像平面坐标系统，计算机图像坐标系统，齐次坐标；2.2 亮度成像模型1.光源沿某个方向的亮度是用在该方向上的单位投影面积在单位立体角（其单位是球面度，sr）内发出的光通量来衡量的，单位是cd/m2（坎德拉每平方米），其中cd是发光强度的单位，1cd=1 lm/sr。2.被光线照射的表面上的照度用照射在单位面积上的光通量来衡量，单位是lx（勒克斯，也有用lux的），1 lx=1 lm/m2 。3.光通量：光源在单位时间内发出的光亮总和称为光源的光通量。光亮与人眼对光的敏感程度有关，不仅仅由光的能量决定。4.单色图像f()在坐标(x, y)处的亮度值称做图像在该点的灰度值。5.2-D亮度函数：f(x,y)=i(x,y)r(x,y)照度函数，反射函数2.3 采样和量化图像的数字化（采样，量化，编码；数学表示；图像的基本描述参数）以及由数字化引申的其他概念：放大、收缩、各种分辨率、像素深度、像素间的基本关系等等1.在图像“像场”里取一个直角坐标原点O, 建立直角坐标系xOy,则图像可以用一个二元函数来表示：z=f(x,y)。 z表示像场里(x,y)点的“图像属性值”。2.对x,y,z进行离散化，则全部抽样值共同构成一个离散函数，不妨还用z=f(x,y)来表示。 3.像素:图像的最小信息单位，通常是一个整数，其大小称为像素值。灰度级:表示像素明暗程度的整数量称为灰度级。层次(灰度级数):表示灰度级的数量。4.图像分辨率：指组成一幅图像的像素密度，也就是图幅参数。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。5.显示分辨率：指显示屏上能够显示出的像素数目。像素深度：指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的分辨率。二值图像，只有两种灰度.2.4 像素间联系 主题词：光度学，几何成像基本模型，坐标系统，投影变换，逆投影变换；亮度成像模型，照度分量，反射分量，照度，亮度；图像的数字化，采样，量化，编码，图像的数学表示，放大、收缩，图像分辨率，显示分辨率，像素深度，灰度值，灰度级，邻域，邻接，像素距离，通路，连通分支 1.邻域：在一定意义下，与该像素相邻的像素的集合，33邻域，5 5邻域； 2.4-连通分支;8-连通分支;欧氏距离,D4距离,D8距离,D8=De=D4 3.平移变换矩阵,平移变换的逆矩阵,旋转变换矩阵,旋转变换的逆矩阵;第3章 空域图像增强要求：了解图像增强的目的；掌握图像增强的几个典型方法：直方图技术，平滑，锐化；掌握彩色图像的增强技术3.1 灰度映射空间域方法、频率域方法、灰度变换、位图（位图与数据隐藏）；1.图象增强:频域处理法和空域处理法;2.源图象r与目标图象的灰度级s,r与s之间的关系由变换函数T表示,则s=T (r) 称为灰度映射(变换);3.2 图像运算：算数运算；逻辑运算1.位面图：由表示象素的各字节的相同位所组成的二值图象。3.3 直方图修正直方图均衡技术，直方图规定化处理（懂原理即可）1. 图象灰度直方图是反映一幅图象中的灰度级与出现这种灰度级的像素的概率之间的关系的图形.2. 直方图的数学解释：直方图反映了图象的像素的灰度分布;直方图的作法:a)将图象的灰度级归一化,rk=k/(L-1);b)计算各灰度级的像素频数(或概率),pr(rk)=nk/n;c)作图;3. 直方图均衡化算法:1)统计图象中各灰度级像素个数nk;2)计算直方图中应变量的值：pk=nk/(MN);3)计算累计直方图中应变量的值：sk=pk;4)取整Sk=int(L-1)sk;5)确定映射对应关系：kSk;4.直方图均衡化的优点是：能够自动地增强整个图像的对比度；缺点是图像处理的结果总是得到全局均衡化的直方图。在直方图规定化方法中，用户可以指定需要的规定化函数来得到特殊的增强功能；3.4 空间域滤波l 原理和分类l 图像平滑：邻域平均法；中值滤波法l 图像锐化：梯度算子锐化，拉普拉斯锐化，模板锐化主题词：直方图，灰度映射，位图（位图与数据隐藏），空间域方法，卷积，图像求反，阈值切分，直方图均衡化处理，直方图规定化处理，图像平滑，图像锐化，滤波模板，线形滤波器、非线性滤波器 1.中值滤波原理：将数字图象中的每个像素的值用其邻域中的各像素的中间值替。线性滤波器：g(x,y)=w(x,y)*f(x,y);w(x,y)为卷积核 2.G(f)为f的离散梯度G(f)=，Robert算子G(f)=If(x,y)-f(x+1,y+1)I+If(x+1,y)-f(x,y+1)I 拉普拉斯算子：G(f)=f(x+1,y)+f(x-1,y)+f(x,y+1)+f(x,y-1)-4f(x,y)第4章 彩色图像处理要求：掌握建立颜色模型的意义和目的；彩色三要素，三基色原理；常见颜色模型，计算机表示颜色的方法，颜色模型之间的变换，彩色图像增强4.1 三基色与色度图1. 灰度分辨能力：大约64级灰度;颜色分辨能力：能区分超过200种颜色2. 色光的颜色只与光的波长“分布”有关。3.三基色原理：自然界中的绝大部分色光都可以用特殊选定的三种基本单色光复合而成。红色（波长700.00nm),绿色（波长546.1nm)和蓝色（波长435.8nm)4.红+蓝=品红,红+绿=黄,绿+蓝=青,R+G+B=W5.C=G+B=W-R(减红原色）,M=R+B=W-G(减绿原色）,Y=R+G=W-B(减蓝原色）;印刷行业，以色料减色法为基础的基本模型为CMY;CMYK,其中K是黑色6.色度图(1)在色度图中每点都对应一种可见的颜色(2)在色度图轮廓上的点代表纯颜色，移向中心表示混合的白光增加而纯度减少(3)在色度图中，过C点直线端点的两彩色互补(4)在色度图轮廓上的各点具有不同的色调(5)在色度图中连接任两端点的直线上的各点表示将这两端点所代表的彩色相加可组成的一种新彩色7.一种色彩可以用它的三个要素表征：色调(Hue)，饱和度（Saturation)，亮度(Intensity)I,S,H求法4.2 彩色模型及转换HIS,RGB,YCrCb,YUV,CMYK,YIQ等1.色调：它表明颜色的种类，取决于主波长；饱和度：表示颜色浓淡的物理量。通常用混入白光量的比例来度量。亮度（辉度）：人眼所感受到的颜色明暗程度的物理量。2.在彩色电视制式中，使用YUV和YIQ模型来表示彩色图像；YCrCb用在图像压缩方面。是前两种模型的数字表现形式。YCrCb用在图像压缩方面。是前两种模型的数字表现形式。4.3 伪彩色增强= 1.对原来灰度图像中不同灰度值的区域赋予不同的彩色以更明显地区分它们是一种常用的彩色增强方法。因为这里原图是无彩色的，所以人工赋予的彩色常称为伪彩色。2.频域滤波：根据图像中各区域的不同频率含量给区域赋予不同的颜色；4.4 真彩色增强主题词：颜色模型，三基色原理，配色实验，色彩三要素（色调，饱和度，亮度），颜色模型转换，补色，减基色，色度图，图像的锐化（代码），第5-6章 图像变换和频域图像增强要求：掌握二维DFT的表示形式，性质，物理意义；掌握图像的傅立叶变换的频谱分布；掌握图像的余弦变换的频谱分布；掌握图像变换在图像处理技术中的理论价值；掌握图像处理的分类方法5.1 傅立叶变换l 傅立叶变换在图像处理中的应用:图像的傅立叶变换下的频谱分布，图像的余弦变换下的频谱分布l 数字图像处理的方法（“空间域法”与“变换域法”概念）l 空间域与变换域1.平移定理；f(x,y) F(u,v);f(x-a,y-b) exp-j2(au+bv)/NF(u,v); f(x,y)expj2(cx+dy)/N F(u-c,v-d)2.图像的能量主要集中在低频区，其高频区的幅值很小或趋于零，对于大多数无明显颗粒噪音的图像来说，低频区集中了85%以上的能量。图像中如果存在有明显的颗粒噪音，或明显的细节亮度跳跃变化，则变换后，高频数据增加，分布增多。3.5.3 余弦变换第六章6.1 低通滤波器6.2 高通滤波器主题词：图像变换，傅立叶变换，快速傅立叶变换，频谱分解，低频数据，高频数据，傅立叶变换的物理意义，余弦变换，算法复杂度，共轭对称性，周期性，平均值性质，傅立叶反变换，低通滤波器，高通滤波器第9-10章 图像编码要求：掌握图像编码的分类；掌握图像编码的性能参数；了解图像编码的国际标准；掌握统计编码，变换编码，预测编码的原理9.1 图像压缩和数据冗余9.1图像编码的必要性l 图像编码的分类1. 图像编码与压缩，本质上来说，就是对图像源数据按一定的规则进行变换和组合，从而达到以尽可能少的代码来表示尽可能多的数据信息。压缩通过编码来实现，或者说编码带来压缩的效果，所以，一般把此项处理称之为压缩编码。2. 图像编码的必要性：一幅模拟图像必须经过脉码调制（PCMPulse Code Modulation)才能变成数字图像。（PCM有时也指对信号进行采样、量化并以适当码字将其编码的各个过程的总称）3. 设一幅活动图像的空间分辨率为N,灰度分辨率为b, 时间分辨率为fB, 则在实时传输过程中，该图像在传输通道里的传输率至少应该为=NbfB,若N=512*512, b=8, fB=25, 则=52.4Mbps4. 图像编码的目的：节省存储空间；减少传输时间；利于处理，降低处理成本。5. a)从应用角度分类:静止图像编码，活动图像编码，二值图像编码b)从信息保持程度角度分类,有损压缩（保真度编码，特征抽取编码）无损压缩（信息保持压缩，熵保持压缩）c)从具体的编码技术角度分类:空域法，变换域法,预测编码，变换编码，统计编码，等9.2 图像保真度l 制定这些准则的目的，客观保真度准则，主观保真度准则1. 图像品质的核心问题是逼真度问题。经过处理的图像（包括经过压缩编码后的图像）与一个标准图像之间的偏差可以作为图像逼真度（保真度）的度量。这一偏差，包括亮度，色度，分辨率以及某些心理物理学参数。设f(x,y)是输入图像，f(x,y)是输出图像, 定义偏差e(x,y)=f(x,y)-f(x,y)2.9.3 编码定理l 编码的性能参数：l 平均信息熵，平均码字长，信息冗余度1. H(d)图像的平均信息熵(单位：比特/像素),R(d)平均编码长度(单位：比特/像素)，编码效率：H(d)/R(d),冗余度：1-H(d)/R(d)2. 1）H(d)R(d)时，一定可以设计出某种平均码字长更短的无失真编码方法。2）平均码字长小于H(d)的无失真编码方法不存在.3. 概率大的灰度级用短码字，概率小的，用长码字。4. 信源编码:通过对表示信息的数据体的形式的变换,祛除数据冗余,从而达到以尽可能少的数据代码表示尽可能多的信息的目的,实现数据压缩目标.5. 信道编码:主要指用于确保信道传输可靠性和安全性的各类纠错编码、密码（加密）、信息隐藏等。通过信道编码，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生 . 9.4 变长编码l 哈夫曼编码，算术编码10.1 预测编码l DPCM1. 预测编码，就是根据“过去”的时刻的像素值，运用一种模型，预测当前的像素值，预测编码通常不直接对信号编码，而是对预测误差进行编码。当预测比较准确，误差较小时，即可达到编码压缩的目的。2. 原理：对图像的一个像素的离散幅度的真实值，利用其相邻象素的相关性，预测它的下一个象素的可能值，再求两者差，对这种具有预测性质的差值，量化，编码，就可以达到压缩的目的。3. 在预测编码中，最常用的是差分脉码调制（DPCM)，算术编码的解码过程是借助对信源符号的编码过程进行的。；10.2 变换编码余弦变换编码，JPEG1.10.3/4图像编码的国际标准JBIG, JPEG, MPEG, H.26x 主题词：平均信息熵，平均码字长，信息冗余度，压缩率（比），相对信息冗余度，JBIG，JPEG，MPEG，H.26x，变换编码，统计编码，