二 数字图像处理基础PPT课件

.,1,讲授内容：1.图像数字化、数字化参数对图像质量的影响、数字化器的性能评价；2.图像灰度直方图的概念、性质和应用；3.数字图像的类型4.图像文件格式5.几种处理算法形式重点：数字化、灰度直方图、图像文件格式BMP难点：数字化、直方图、图像处理算法和形式结构,第二章数字图像处理的基础,.,2,第二章数字图像处理的基础,主要内容：,1.图像数字化2.数字图像的类型3.图像的格式4.图像灰度直方图5.处理算法形式,.,3,2.1图像数字化,概念：将图像划分为如图所示的小方格（象元），并将方格内的灰度值变换为整数,.,4,模拟图像：二维连续亮度函数f(x,y);(x,y)代表：f(x,y)代表：数字图像：二维矩阵g(i,j)；（i,j）代表：f（i,j）代表：,2.1图像数字化,图像上某点的空间位置,（x，y）点处图像的灰度值,数字图像上某像素所在的行列位置,像素点处的灰度值，整数,.,5,2.1图像数字化,图像的数字化包括采样和量化两个过程。,.,6,将空间上连续的图像变换成离散点的操作称为采样。采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。,2.1图像数字化,2.1.1采样,采样孔径,.,7,2.1.2量化,模拟图像经过采样后，离散化为像素。但像素值（即灰度值）仍是连续量。把采样后所得的各像素的灰度值转换为整数的过程称为量化。（从模拟量到离散量的转换）,.,8,与量化有关的概念,1.表示像素明暗程度的整数称为灰度级。（或灰度值、灰度）2.一幅数字图像中不同灰度级的个数称为灰度级数（G）。3.G=2g，g表示存储图像灰度级数所需的比特位数（bit）。如：灰度级数G=256，8比特量化，（0-255）或=6比特的量化，可以满足视觉效果；8比特量化4.均匀量化和非均匀量化一般使用均匀量化,.,9,256个灰度级的图像,16个灰度级的图像,64个灰度级的图像,.,10,量化示意图（a）量化；(b)量化为8bit,连续灰度值量化值(整数值),灰度标度灰度量化,Z,i,1,Z,i,Z,i,1,q,i,1,q,i,1,255,254,128,127,1,0,(,a,),(,b,),2.量化,.,11,数字图像根据灰度级数的差异，可分为：二值图像、灰度图像和彩色图像二值图像：灰度值只有0和1两种，没有过渡值灰度图像：灰度级数大于2，没有彩色信息。,.,12,彩色图像：红绿蓝三分量（R、G、B）构成的图像,每个像素包含三个分量的灰度值。,.,13,2.1.3采样与量化参数的选择采样间隔：影响着图像细节的再现程度，反映数字化后的图像呈现何种的细微程度。采样间隔越大，图像的像素数越少，空间分辨率低，质量差。严重出现像素块状的棋盘效应；采样间隔越小，量化级数：影响图像信息的可分辨程度。量化等级越多，图像层次越丰富，灰度分辨率越高，质量越好；反之,2.1图像数字化,.,14,不同采样点数对图像质量的影响,.,15,不同量化级别对图像质量的影响,.,16,1.采样点数越多，图像质量越好，但占空间大。2.当图像的采样点数一定时，量化级数越多，图像质量越好。对一幅图像，当量化级数g一定时，采样点数MN对图像质量有着显著的影响。如图2-4所示，采样点数越多，图像质量越好；当采样点数减少时，图上的块状效应就逐渐明显。同理，当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一样。如图2-5所示，量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量越差，量化级数最小的极端情况就是二值图像，图像出现假轮廓。在少数情况下，当限定图像大小时，减少灰度级能够改善图像质量，主要在于提高图像的对比度。比如：在对细节丰富的图像进行数字化时。,一些实验结论：,.,17,当限定数字图像的大小时,为了得到质量较好的图像可采用如下原则：（1）对缓变的图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓。（2）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，以避免模糊（混叠）。,图像的数据量计算：b=M*N*g（bit），B=M*N*g/8（字节）M*N是采样点数，g是量化级数一幅1024*1024大小的图像，灰度级数256，数据量有多大？,.,18,图像的质量,亮度对比度主题内容的大小细微层次颜色饱和度,.,19,图像的质量：清晰度,降低亮度,.,20,图像的质量,对比度：是指一幅图象中灰度反差的大小对比度=最大亮度/最小亮度。,.,21,图像的质量：清晰度,缩小尺寸,.,22,图像的质量：清晰度,降低对比度,.,23,图像的质量：清晰度,减少细微层次,.,24,图像的质量：清晰度,降低饱和度,.,25,1.图像数字化器(如：数码相机、胶片扫描仪)的组成(1)采样孔：使图像数字化器能不受图像其他部分的影响，而在整幅图像中扫描特定的独立像素单元；(2)扫描器件：使采样孔以预先确定的方式在图像上移动，按照顺序依次扫描图像的每一个像素；(3)光传感器：测量每一像素的亮度，将光亮度转化为电流或电压信号；(4)量化器：将传感器输出的连续值转化为整数值；(5)输出存储装置：将量化的灰度值以适当的格式存储。,2.1.4图像数字化设备（数字化器）,.,26,2.图像数字化器的性能（1）分辨率：单位尺寸能够采样的像素数，由采样孔的大小和像素间距的大小决定；（2）灰度级：量化为多少等级；（3）图像大小：允许输入图像的大小；（4）扫描速度：采样数据的传输速度；（5）噪声：数字化器的噪声水平。（6）线性度：线性度是指对光强进行数字化时，灰度正比于图像亮度的实际精确程度。,.,27,静态图像可分为矢量图和位图（栅格图像）。,2.2数字图像的类型,2.2.1矢量图（1）矢量图的表示方法是用一系列绘图指令来表示一幅图。这种方法的本质是用数学(更准确地说是几何学)公式描述一幅图像。,.,28,（2）矢量图的优点：A、它的文件数据量很小；B、图像质量与分辨率无关，这意味着无论将图像放大或缩小了多少次，图像总是以显示设备允许的最大清晰度显示。,（3）矢量图的缺点：不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像，绘出来的图像不是很逼真，同时也不易在不同的软件间交换文件。,.,29,2.2.2位图位图（点位图）的基本构图单位是像素。位图是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色属性和位置属性。包含不同色彩信息的像素的矩阵组合构成了千变万化的图像。位图可以从传统的相片、幻灯片上制作出来或使用数字相机得到。位图又可以分成如下四种：二值图像（binaryimage)、灰度图像(gray-scaleimage)、索引颜色图像(indexcolorimage)和真彩色图像（truecolorimage）。,2.2数字图像的类型,.,30,1.二值图像只有黑白两种颜色。,.,31,2.灰度图像在灰度图像中，像素灰度级一般用8bit表示，所以每个像素都是介于黑色（0）和白色（255）之间的256（28=256）种灰度中的一种。,.,32,行（x）,列（y）,.,33,3.真彩色图像“真彩色”是RGB颜色的另一种叫法。在真彩色图像中，每一个像素由红、绿和蓝三个字节组成，每个字节为8bit，表示0到255之间的不同的亮度值，这三个字节组合可以产生1670万种不同的颜色。,.,34,.,35,4.索引图像颜色预先定义的（索引颜色）。索引颜色的图像最多只能显示256种颜色。因此，一个像素占8bit，而这8bit的值不是颜色值，而是颜色表中的索引值，根据索引值在颜色表中找到最终的RGB颜色值。,.,36,2.2数字图像的类型,各种类型位图数据在Matlab中的表示方式灰度图像：m*n的二维矩阵真彩色图像：m*n*3的三维矩阵索引图像：x：二维矩阵map：颜色表,.,37,位图的有关术语,采样点（Sample）,.,38,分辨率越高，图像细节越清晰，但文件尺寸大，处理的时间长，对设备的要求高。,位图的有关术语,.,39,激光打印机的分辨率可达6001200dpi。,位图的有关术语,.,40,屏幕分辨率取决于显示器的大小及其像素设置。屏幕分辨率由计算机的显示卡决定,位图的有关术语,.,41,一般扫描仪提供的方式是水平分辨率要比垂直分辨率高。台式扫描仪的分辨率可以分为光学分辨率和输出分辨率。,扫描仪硬件所真正扫描到的图像分辨率。光学分辨率可达8001200dpi以上。,输出分辨率是通过软件强化以及内插补点之后产生的分辨率，大约为光学分辨率的34倍。,位图的有关术语,.,42,图像格式的共同特征：描述图像的高、宽及各种物理特征的数据。彩色定义。每点bit数。描述图像的位图数据体。文件头位图数据,2.3图像文件的格式,.,43,2.3.1BMP（BitMapPicture)文件格式,位图文件头：文件类型、大小等信息。位图信息头：图像的高度、宽度、大小等信息。位图数据：每个像素的颜色。,2.3图像文件的格式,.,44,位图文件头，共占14个字节,文件类型2个字节,BM,文件大小4个字节,保留4个字节,位图第一个像素的偏移量，4个字节,13711,.,45,.,46,位图信息头，共占40个字节,位图信息头长度(40),位图面数(=1),图像的宽度,图像的高度,每个像素所占的位数,位图水平分辩率,是否压缩（未压缩=0）,图像的大小,位图垂直分辩率,位图使用的颜色数,位图使用的重要的颜色数,.,47,.,48,位图数据,最后一行第一列像素的颜色值.,最后一行第二列像素的颜色值.,倒数第二行第一列像素的颜色值.,倒数第二行第二列像素的颜色值.,每一行总字节数是4的倍数,.,.,49,BMP图像文件格式,.,50,1.TIF图像文件格式,标记图像文件格式TIF(TagImageFileFormat)，图像文件格式最复杂，考虑了扩展性、方便性和可修改性，是目前流行的图像文件交换标准之一。,2.3.2其他文件格式,.,51,2.GIF图像文件格式,图形交换文件格式GIF（GraphicsInterchangeFormat),目的是在不同的系统平台上交流、传输图像。它是在Web及其他联机服务上常用的一种文件格式，图像最大不能超过64M，颜色最多为256色。,GIF图像文件采取LZW压缩算法，存储效率高。GIF主要是为数据流而设计的一种传输格式，而不是作为文件的存储格式。,.,52,3.PCX文件,PCX文件格式是最早使用的图像文件格式之一，各种扫描仪扫描得到的图像几乎都能保存成PCX格式。结构较简单，存取速度快，压缩比适中。,.,53,4.JPEG图像格式,联合图像专家组JPEG(JointPhotographersExpertsGroup)是第一个国际数字图像压缩标准，主要是为了解决专业摄影师所遇到的图像信息过于庞大的问题。JPEG有较高的压缩比和良好的图像质量，使得它广泛应用于多媒体和网络程序中。JPEG和GIF成为HTML语法选用的图像格式。,JPEG通过有选择地减少数据来压缩文件大小，会弃用数据，故JPEG压缩为有损压缩。,.,54,遥感图像常用格式,主要是二进制格式文件。常用的遥感图像存储格式有：通用格式BSQ：先按照波段分块，再按行列顺序排列BIL：先按行分块，再按波段顺序排列BIP：按列分块，再按波段顺序排列特殊格式HDF：美国NCSATIFF：通用性强，应用最广GEOTIFF：添加地理信息标签,.,55,.,56,2.4图像灰度直方图,在数字图像处理中，灰度直方图是最简单且最有用的工具，可以说，对图像的分析和处理方法，绝大多数都离不开直方图。,.,57,2.4.1概念灰度直方图反映的是一幅图像中各个灰度级像素出现的频率。,2.4图像灰度直方图,横坐标：灰度级i纵坐标：具有该灰度级的像素出现的频率,.,58,0,1,2,3,7/16,i,vi,.,59,练习：绘制图像灰度直方图,讨论:直方图形状与图像亮度之间的关系?直方图形状与图像对比度之间的关系?,.,60,较亮图象的直方图,vi,i,.,61,较暗图象的直方图,vi,i,.,62,对比度较高图象的直方图,P(rk),rk,.,63,对比度较低图象的直方图,P(rk),rk,.,64,灰度图的灰度直方图,.,65,彩色图的灰度直方图,.,66,2.4图像灰度直方图,2.4.2灰度直方图的性质,（一）直方图是一幅图像中各像素灰度值出现次数（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），而未反映某一灰度值像素所在位置。（二）任一幅图像，都能惟一地确定出一幅与它对应的直方图，但不同的图像，可能有相同的直方图。,.,67,直方图:,对应的图像:,2.4.2灰度直方图的性质,.,68,（三）由于直方图是对具有相同灰度值的像素统计得到的，因此，一幅图像各子区的直方图之和就等于全图的直方图。,2.4图像灰度直方图,2.4.2灰度直方图的性质,.,69,2.4图像灰度直方图,2.4.3灰度直方图的应用举例,（一）用于判断图像量化是否恰当：直方图给出了一个简单可见的指示，用来判断一幅图象是否合理的利用了全部被允许的灰度级范围。一般一幅图应该利用全部或几乎全部可能的灰度级，否则等于增加了量化间隔。丢失的信息将不能恢复。,.,70,2.4图像灰度直方图,(a)恰当量化(b)未能有效利用动态范围(c)超过了动态范围,(a),(b),(c),.,71,观察直方图可以看出不合适的数字化,.,72,2.4图像灰度直方图,（二）直方图的形状和位置反映图像的质量。（亮度、对比度的不同）,2.4.3灰度直方图的应用举例,.,73,四个基本的图像类型和对应的直方图,暗,亮,低对比度,高对比度,.,74,2.4图像灰度直方图,（三）边界阈值选取：假设某图象的灰度直方图具有二峰性，则表明这个图象的较亮的区域和较暗的区域可以较好地分离，取这一点为阈值点，可以得到好的二值处理的效果。,2.4.3灰度直方图的应用举例,.,75,2.4图像灰度直方图,.,76,选取146为阈值的二值化,.,77,2.4图像灰度直方图,2.4.3灰度直方图的应用举例四,均匀分布,特定直方图分布,.,78,直方图均衡化,均衡化前后直方图比较,.,79,.,80,.,81,原始图像,规定直方图,规定化后直方图,规定化后的图像,2.4图像灰度直方图,.,82,当物体部分的灰度值比其它部分灰度值大时，可利用直方图统计图像中物体的面积。A=式中n为图像像素总数，vi是图像灰度级为i的像素出现的频率。,2.4图像灰度直方图,2.4.3灰度直方图的应用,.,83,计算图像信息量H（熵）Pi是图像灰度级为i的像素出现的频率，图像的灰度范围在0，L-1。,2.4图像灰度直方图,2.4.3灰度直方图的应用,.,84,直方图小结,直方图是各像素灰度值出现次数（或频数）的统计结果，丢失像素的空间位置信息观察直方图可以指出不合适的数字化。简单物体的面积IOD可以通过图象的直方图来求得。直方图的形状和位置与图象的质量有关,.,85,2.5图像处理算法的形式,一.图像处理基本功能的形式按图像处理的输出形式，图像处理的基本功能可分为三种形式。1单幅图像单幅图像,如图(a).2多幅图像单幅图像,如图(b).3单（或多）幅图像数字或符号等。,.,86,二.图像处理的几种具体算法形式1.局部处理对于任一像素（i，j），把像素的集合（i+p,j+q），p、q取任意整数叫做该像素的邻域，N(i,j),2.5图像处理算法的形式,.,87,2.5图像处理的算法形式,（1）p的4邻域坐标为(x,y)的像素p有4个水平和垂直的相邻像素，坐标分别为:(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)，这个像素集称为p的4邻域，用N4(p)表示。,.,88,（2）p的4个对角邻像素坐标分别为:(x+1,y+1),(x-1,y+1),(x-1,y-1),(x+1,y-1)，用ND(p)表示。,（3）p的8邻域N4(p)+ND(p)。,.,89,随堂练习：4邻域、对角邻域、8邻域,.,90,在对输入图像处理时，计算某一输出像素JP(i,j)值由输入图像IP（i,j）像素的小邻域N(i,j)中的像素值确定。这种处理称为局部处理，或者称邻域处理。局部处理的计算表达式为,2.5图像处理算法的形式,在局部处理中，当邻域N(i,j)仅包含IP(i,j)像素时的