数字图像处理-z2图像的基本知识.ppt

1 第二章图像的基本知识 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述计算机图像数据处理彩色图像简介 2 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 图象获取也就是图像的数字化过程 即将图像采集到计算机中的过程 主要涉及成像及模数转换 A DConverter 技术 曾经是很昂贵的 一直是挡在普通用户面前的难以逾越的主要障碍之一 随着计算机与微电子特别是固体成像设备 电荷耦合设备CCD ChargeCoupledDevices 的快速发展 使得图象获取设备的成本显著降低 因而越来越普及 目前已成为高档微机的内置设备 3 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 以CCD技术为核心 目前图象获取设备有黑白摄象机 彩色摄象机 扫描仪 数字相机等 性能与价格主要取决于CCD的规格 如尺寸等 除了这些常见的类型外 目前有许多厂商提供各种其它的专用设备 如显微摄象设备 红外摄象机 高速摄象机 胶片扫描器等等 此外 遥感卫星 激光雷达等设备提供其它类型的数字图象 4 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 目前 图象的数字化设备可分为两类 一类是基于图象采集卡或图象卡将模拟制式的视频信号 RS170 CCIR黑白电视信号 PAL NTSC彩色电视信号 S Video视频信号等 采集到计算机 另一类是摄象机本身带有数字化部件可以直接将数字图象通过计算机端口 如并口 USB接口 或标准设备 如磁盘驱动器 传送进计算机 5 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 图像的数学表示 一幅图像所包含的信息首先表现为光的强度 即一幅图像可看成是空间各个点坐标上的光强度i的集合 其普遍数学表达式为 它可以代表一幅运动的 t 彩色 多光谱 立体 x y z 图像 其中静止图像 黑白图像 平面图像 6 由于运动图像可用 静止 图像序列表示 彩色图像可以分解成三基色图像 三维图像可由二维重建 本课程主要研究静止 平面 黑白图像 即 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 7 图像的特点 1 空间有界 2 亮度有界 由于f x y 的值是能量的记录 故其是非负有界的实数 综上 因为人的视野有限 所以 人看到的平面图像是一个二元 有界 非负的连续 指模拟光学图像 函数 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 图像在某点处的函数值称为图像在该点的灰度值或亮度 8 计算机中数字图像的表示是模拟光学图像的数字化结果 在计算机中可用一矩阵表示 其中f m n 称为图像元素 简称像素 pixel 其取值为灰度 grey 一幅图像的灰度种类称为灰度级 greylevel 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 9 一幅M N个像素的数字图像 其像素灰度值可以用M行 N列的矩阵G表示 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 10 一幅图像必须要在空间和灰度上都离散化才能被计算机处理 问题 采样频率 密度 取多大合适 采样以多少个等级表示样本的亮度值为最好 量化 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 空间坐标的离散化空间采样 灰度的离散化灰度量化 11 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 采样定理 若函数f x y 的傅立叶变换F u v 在频域中的一个有限区域外处处为零 设uc和vc为其频谱宽度 只要采样间隔满足条件 x 1 2uc y 1 2vc就能由f x y 的采样值fs x y 精确的 无失真地重建f x y 12 图像的采样空间坐标 x y 的数字化被称为图像采样确定水平和垂直方向上的像素个数N M实际中为了便于计算机处理 通常取M 2m N 2n M N 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 13 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 图像的量化取值的数字化被称为图像灰度级量化量化处理 将f映射到Z的处理Z的最大取值 确定像素的灰度级数G 2m 如256 f 14 分辨率变化对图像的影响概念1 图像分辨率 区分细节的程度 2 影响因素 采样点数 M N 和灰度级数 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 15 空间分辨率1 采样点数 采样间隔 空间分辨率 2 G不变 图像中各细节区域边缘出现 棋盘 马赛克 效应 即像素粒子变粗 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 16 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 图不同采样点数对图像质量的影响 a 原始图像 256 256 b 采样图像1 128 128 c 采样图像2 64 64 d 采样图像3 32 32 e 采样图像4 16 16 f 采样图像5 8 8 17 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 265x180 133x90 66x45 33x22 18 幅度分辨率1 G 图像幅度分辨率 2 M N不变 G 灰度渐变成突变 出现虚假轮廓 有木刻画效果 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 19 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 图不同量化级别对图像质量的影响 a 原始图像 256色 b 量化图像1 64色 c 量化图像2 32色 d 量化图像3 16色 e 量化图像4 4色 f 量化图像5 2色 20 非均匀采样灰度级变化大区域精确采样 平滑区域粗采样 非均匀量化灰度级变化剧烈处 人眼分辨力差 边界附近较少灰度级 平缓区域较多灰度级 避免假轮廓一般都采用均匀采样和量化 特殊用途才会用到非均匀采样和量化 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 21 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 假定图像取M N个样点 量化等级数为G 2n 则存储一幅数字图像所需的位数为 22 图像获取 图像的数字化 数字图像的描述 矢量图法 点位图法 黑白图像640 480 1bit 307200bit 37 5KB 灰度图像640 480 8bit 300KB 彩色图像640 480 24bit 900KB 用一系列计算机指令来表示和描述一幅画 如画点 画线 画曲线 画圆 画矩形等 把一幅图像分成许许多多的像素 每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色 亮度和属性 23 计算机图像数据处理 24 M N 8 计算机图像数据处理 25 彩色图像简介 彩色模型 HIS 色度 饱和度 亮度 彩色空间 RGB彩色空间 由于计算机彩色监视器的输入需要RGB三个彩色分量 通过三个分量的不同比例 在显示器屏幕上合成所需要的任意颜色 所以不管用什么形式的彩色空间 最后的输出一定要转换成RGB彩色空间 就人眼的彩色视觉而言 用色度 饱和度 亮度更接近于人对彩色的解释和认识 采用HIS彩色空间能够减少彩色图像处理的复杂性 从而增加快速性 26 真彩色 伪彩色 假彩色定义 能真实反映自然界物体本来颜色的图像叫真彩色图像 表示 RGB8 8 8 即24位真彩 彩色图像简介 27 真彩色 伪彩色 假彩色定义 灰度图像之灰度 彩色目的 改善视觉效果 提高分辨率 检测能力 彩色图像简介 28 真彩色 伪彩色 假彩色定义 彩色 多光谱图像 彩色目的 1 把景物映射成特定的颜色 使之更引人注目 2 形成与人眼彩色感觉灵敏度相匹配之颜色 3 可见光之外之多光谱图像 由假彩色再现 彩色图像简介 29 Matlab数字图像处理 TheImageProcessingToolboxisacollectionofMATLABfunctions calledM functionsorM files thatextendthecapabilityoftheMATLABenvironmentforthesolutionofdigitalimageprocessingproblems 30 Including Spatialimagetransformations Morphologicaloperations Neighborhoodandblockoperations Linearfilteringandfilterdesign Transforms Imageanalysisandenhancement Imageregistration Deblurring Regionofinterestoperations 31 Matlab内建图像 C MATLAB toolbox images imdemos皆为MatlabHelp中范例的原始图像 使用时只需直接在指令中输入文件名 即可使用 适用于观察影像处理结果 32 图像格式 IndexedimagesIntensity grayscale imagesBinaryimagesRGB true color images 33 读取图像 imread 功用 将图像加载并存成array格式备用用法 I map imread filename I imread filename ex I imread pout tif I为指向影像的变量不指定变数 则为ans 34 写入图像 imwrite 功能 将影像写入成档案用法 imwrite I filename format ex imwrite I pout jpg JPEG 35 图像显示 imshow 功用 开启一个窗口显示影像用法 imshow I imshow I map Figure imshow 功用 开启一个新窗口显示影像用法 figure imshow I 36 图像显示 imshow I low high imshow I 功用 displaysIasagrayscaleintensityimage specifyingthedatarangeforI TheminimumvalueinIisdisplayedasblack andthemaximumvalueisdisplayedaswhite 37 图像显示 功能 cursoronimagetoshowpixelvalues用法 imshow I pixval 38 图像信息 Imagesize size ex I imread saturn png size I M N size I M 影像I的高N 影像I的宽 39 图像信息 whos功用 displayinformationaboutanimage ex whosIImfinfo filename 功用 displayinformationaboutimagefile ex info imfinfo saturn png 40 常用操作 反相imcomplement 功用 Thenegativeofanimage ex J imcomplement g imshow J 41 常用操作 旋转影像imrotate I angle 功用 Torotateanimage ex I imread pout tif J imrotate I 35 imshow J 42 图像的基本知识 物理图像数字图像 43 图像的基本知识 图像的分类 灰度图像 特殊的情况二值图像 彩色图像 44 45 图像的基本知识 灰度图像I f x y x y 点的空间坐标 实数 f 点 x y 的幅度 亮度 强度或灰度 46 图像的基本知识 数字图像 对x y和f进行离散化数字 离散 化过程 采样 坐标 空间 离散化量化 函数值 灰度 的离散化 47 图像的基本知识 图像和矩阵的联系 灰度图像 二维矩阵思考 1 白 0 黑101000001101110000图像 000011111100111000 48 图像的基本知识 49 数字图像处理 50 图像代数和几何运算 代数运算 两幅图像间的点对点的运算 加 减 乘 除几何运算 改变图像中象素间相对位置关系 平移 缩放 旋转 坐标变换 多幅图像空间配准和镶嵌 51 lenna bmp 52 图像的统计特征 成像过程的随机性和成像对象的复杂性决定了图像具有随机信号的性质 基本统计指标多维统计特征 53 基本统计指标 直方图熵 信息量 灰度平均值灰度中值灰度众数灰度标准差灰度值域 54 定义 灰度直方图 histogram 是灰度级的函数 描述的是图像中每种灰度级像素的个数 反映图像中每种灰度出现的频率 横坐标是灰度级 纵坐标是灰度级出现的频率 图像及其灰度直方图的例 512象素 512象素 55 56 57 58 灰度直方图 59 灰度直方图 灰度级的函数 描述的是图像中该灰度级的象素个数 横坐标是灰度级 纵坐标是某灰度出现的频率 60 灰度直方图用途 1 数字化参数一般一幅数字图像应该利用全部或几乎全部可能的灰度级 对直方图做快速检查 2 边界阈值选择使用轮廓线确定简单物体的边界的方法 称为阈值化 对物体与背景有较强对比的景物的分割特别有用 例双峰直方图 61 灰度直方图 图4 23不同图像对应相同的直方图a 图像的直方图b 对应的几种不同的图像 62 灰度直方图 灰度直方图性质 1 直方图是一幅图像中各象素灰度值出现次数 或频数 的统计结果 它只反映该图像中不同灰度值出现的次数 或频数 而未反映每一灰度值象素所在位置 也就是说 它只包含了该图像中某一灰度值的象素出现的概率 而丢失了其所在位置的信息 2 任一幅图像 都能唯一地算出一幅与它对应的直方图