第2讲数字图像处理系统

1、数字图像处理系统数字图像处理系统数字图像类型数字图像类型图像文件格式图像文件格式第二讲第二讲 数字图像处理系统数字图像处理系统 数字化数字化一、一、 数字图像处理系统概述数字图像处理系统概述 硬件、软件硬件、软件 采集采集 显示显示 存储存储 通信通信 主机主机 图像处理软件图像处理软件 2. 图像输入卡（采集卡）图像输入卡（采集卡） 安装于计算机主板扩展槽中，主要包括：安装于计算机主板扩展槽中，主要包括： 图像存储器单元图像存储器单元 显示查找表（显示查找表（LUT）单元）单元 CCD摄像摄像头接口头接口(A/D) 监视器接口监视器接口(D/A) PC机总线接口机总线接口过程：过程： 采集图

2、像数据采集图像数据 A/D 存储单元存储单元D/A 监视器监视器 (一个或三个通道一个或三个通道)* 高档卡还包括卷积滤波、高档卡还包括卷积滤波、FFT（快速傅立叶变换）等图像（快速傅立叶变换）等图像处理专用的快速部件。处理专用的快速部件。1. 图像采集模块图像采集模块光敏感器件光敏感器件 CCD (Charge Coupled Device) 模模/数转换装置数转换装置常见设备：电视摄像机常见设备：电视摄像机 扫描仪扫描仪 数码相机数码相机 多光谱像机多光谱像机 红外摄像仪红外摄像仪 合成孔径雷达（合成孔径雷达（SAR）等）等 扩 展 口图 像 存 储 器8个图 像 存 储 器8个图 像 存

3、 储 器8个图 像 存 储 器8个BUS-SWITCHBUS-SWITCH图 像 存 储 器VGA3图 像 存 储 器3个A/DSALA2MAPD/APCIBUSVGA监 视 器视 频 输 入黑 白 ： 6 CH彩 色 ： 2 CH图 像 总 线8 bit4GPB-K硬件结构方框图 3. 图像显示模块（显卡显示器）图像显示模块（显卡显示器） 显卡：显卡：记忆和保存图像的地方记忆和保存图像的地方 PC机多采用机多采用800600或或1024768个像素点。通常在图像个像素点。通常在图像处理装置中，处理装置中， 灰度值红灰度值红(R)、 绿绿(G)、 蓝蓝(B)各各占占8位（位（bit），）， 共

4、计共计24位，可以表示位，可以表示1670万种颜色万种颜色真彩色显示卡。真彩色显示卡。 硬盘、软盘、硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等盘、活动硬盘、光盘、磁带等 ；在海量图像存储备份系统中，磁盘阵列、磁带库、光在海量图像存储备份系统中，磁盘阵列、磁带库、光 盘塔等存储设备；盘塔等存储设备；网络存储系统：网络存储系统： SAN NASSAN NAS4. 图像存储模块图像存储模块5. 图像通信模块图像通信模块 图像通信就是把图像传送到远方终端。图像通信就是把图像传送到远方终端。6. 6. 主机主机 以微机、工作站、图像卡、外设以微机、工作站、图像卡、外设采用大型机采用大型机7. 7. 图像处

5、理软件图像处理软件 由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成常用：常用： VC+ 6.0 MATLAB 等数字图像处理的先决条件之一：将连续图像离散化，转换为数数字图像处理的先决条件之一：将连续图像离散化，转换为数字图像。字图像。 图像的数字化包括：采样、量化图像的数字化包括：采样、量化二、二、 图像数字化表示图像数字化表示(a)(b)1. 采样采样采样采样: 图像在空间上的离散化图像在空间上的离散化 静态：先沿垂直方向采样，静态：先沿垂直方向采样， 再沿水平方向采样；再沿水平方向采样； 运动：先在时间轴上采样，再沿垂直方向采样，最后运动

6、：先在时间轴上采样，再沿垂直方向采样，最后沿水沿水 平方向采样。平方向采样。图像大小：图像大小： 若每行（即横向）像素为若每行（即横向）像素为M个，每列（即纵向）像个，每列（即纵向）像素为素为N个，则图像大小为个，则图像大小为MN个像素。个像素。采样间隔：间隔大小的选取依据原图像中包含的细微浓淡变化采样间隔：间隔大小的选取依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的来决定。它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的程度。（采样定理）程度。（采样定理）采样行采样列像素行间隔采样间隔* 模拟图像经过采样后，在时间和空间上离散化为像素。模拟图像经过采样后，在时间和

7、空间上离散化为像素。但采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量但采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量 。2. 量化量化 采样后所得各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换采样后所得各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换连 续 灰 度 值 量 化 值 (整 数 值 )灰 度 标 度 灰 度 量 化Zi 1ZiZi 1qi 1qi 125525412812710(a)(b)Qi 像素的灰度值，像素的灰度值，z与与qi的差称为量化误差，灰度级：的差称为量化误差，灰度级：8bits(0-255) 等间隔量化等间隔量化 非等间隔量化非等间隔量化色度学色度学连续图像A-B取样A-B取样量化投影到一阵列取样和量化

8、3. 3. 采样、量化参数与数字图像间的关系采样、量化参数与数字图像间的关系 对一幅图像，当量化级一定时，采样点数越多，图像质量越对一幅图像，当量化级一定时，采样点数越多，图像质量越好；好； 当采样点数减少时，图上的块状效应就逐渐明显。当采样点数减少时，图上的块状效应就逐渐明显。 当图像的采样点数一定时，量化级数越多，图像质量越好，当图像的采样点数一定时，量化级数越多，图像质量越好，QNMb)(8ByteQNMB二进制位数二进制位数字节数字节数不同采样点数对图像质量的影响不同采样点数对图像质量的影响（a）原始图像）原始图像(256256)；（；（b）采样图像）采样图像1(128128)；（；（

9、c） 采采样图像样图像2(6464)； （d）采样图像）采样图像3(3232)； （e）采样图像）采样图像4(1616)；（；（f） 采样图像采样图像5(88) 1024x1024512x512-1024x1024128x12864x6432x32256x256-1024x1024不同量化级别对图像质量的影响不同量化级别对图像质量的影响（a） 原始图像原始图像(256色色)； （b） 量化图像量化图像1(64色色)； （c） 量化量化图像图像2(32色色)； （d） 量化图像量化图像3(16色色)； （e） 量化图像量化图像4(4色色)； （f） 量化图像量化图像5(2色色) 当限定数字图像的

10、大小时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为了得到质量较好的图像可采用如下原则：原则： （1） 对缓变的图像，对缓变的图像， 应该细量化，应该细量化， 粗采样，粗采样， 以避免假轮廓。以避免假轮廓。 （2） 对细节丰富的图像，对细节丰富的图像， 应细采样，应细采样， 粗量化，粗量化， 以避免模糊以避免模糊（混叠）。（混叠）。 对于彩色图像，按照颜色成分对于彩色图像，按照颜色成分红（红（R）、绿（）、绿（G）、蓝）、蓝（B）分别采样和量化。若各种颜色成分均按分别采样和量化。若各种颜色成分均按8 bit量化，即每量化，即每种颜色量级别是种颜色量级别是256， 则可以处理则可以

11、处理256256256=16 777 216种种颜色。颜色。 4. 4. 图像表示图像表示灰度分辨率：灰度2k灰度级，k比特l空间分辨率：矩阵空间分辨率：矩阵MN。l像素像素)(8ByteQNMB字节数B为 :5 .图像数字化设备图像数字化设备 （功能：采样和量化）（功能：采样和量化）1) 组成组成 (1) 采样孔采样孔(Sampling aperture)： 使数字化设备能够单独地观测使数字化设备能够单独地观测特定的图像元素而不受图像其他部分的影响。特定的图像元素而不受图像其他部分的影响。(2) 图像扫描机构：图像扫描机构： 使采样孔按照预先确定的方式在图像上移动，使采样孔按照预先确定的方式

12、在图像上移动，从而按顺序观测每一个像素。从而按顺序观测每一个像素。 (3) 光传感器：光传感器： 通过采样检测图像的每一像素的亮度，通过采样检测图像的每一像素的亮度， 通常采通常采用用CCD阵列。阵列。 ( 4 ) 量 化 器 ： 将 传 感 器 输 出 的 连 续 量 转 化 为 整 数 值 。量 化 器 ： 将 传 感 器 输 出 的 连 续 量 转 化 为 整 数 值 。 如如A/D转换电路转换电路 (5) 输出存储装置：将量化器产生的灰度值按适当格式存储起来输出存储装置：将量化器产生的灰度值按适当格式存储起来。 扫描仪扫描仪 数码照相机数码照相机 数码摄像机数码摄像机 红外热像仪红外热

13、像仪 摄像头摄像头+图像采集卡图像采集卡 2）常见图像数字化设备）常见图像数字化设备:扫描仪：平台式、手持式、滚筒式三类扫描仪：平台式、手持式、滚筒式三类 光源光源 、聚光、反、聚光、反射或透射光、倍射或透射光、倍增管放大后、图增管放大后、图像信号、分辨率像信号、分辨率高（高（12000dpi12000dpi），颜色深度为，颜色深度为36bit36bit要求不高的应用要求不高的应用环境，携带方便环境，携带方便，价格便宜。易，价格便宜。易产生失真，分辨产生失真，分辨率低，多为几十率低，多为几十至几百至几百dpi 滚筒式扫描仪常滚筒式扫描仪常用于大幅面图像用于大幅面图像输入，如大型工输入，如大型工

14、程图、程图、CAD图等图等。它通过滚筒带。它通过滚筒带动图像旋转和扫动图像旋转和扫描头相对位移实描头相对位移实现扫描。现扫描。 ChromaGraph S 3400滚筒式扫描仪滚筒式扫描仪 配备三个不同型号的滚筒，能灵活地处理很宽配备三个不同型号的滚筒，能灵活地处理很宽范围的透射和反射原稿范围的透射和反射原稿数码相机数码相机遥感图像获取设备遥感图像获取设备光学摄影设备光学摄影设备: 摄像机、摄像机、 多光谱像机等；多光谱像机等； 红外摄影设备红外摄影设备: 红外辐射计、红外辐射计、 红外摄像仪、红外摄像仪、 多通道红外多通道红外扫描仪、扫描仪、 多光谱扫描仪（多光谱扫描仪（MSS）；）；微波设

15、备微波设备:微波微波辐射计、辐射计、 侧视雷达、侧视雷达、 真空孔径雷达、真空孔径雷达、 合成合成孔径雷达孔径雷达(SAR)。图像数字化器件的性能评价项目图像数字化器件的性能评价项目项项 目目内内 容容空间分辨率空间分辨率单位尺寸能够采样的像素数。由采样孔径与间距单位尺寸能够采样的像素数。由采样孔径与间距的大小和可变范围决定的大小和可变范围决定。灰灰(色色)度分辨度分辨率率量化为多少等级量化为多少等级(位深度位深度),颜色数颜色数(色深度色深度)图像大小图像大小仪器允许扫描的最大图幅仪器允许扫描的最大图幅量测特征量测特征数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度数字化器所测量和量化的实际物理参数

16、及精度扫描速度扫描速度采样数据的传输速度采样数据的传输速度噪声噪声数字化器的噪声水平数字化器的噪声水平(应当使噪声小于图像内的反差应当使噪声小于图像内的反差)其他其他黑白黑白/彩色，价格彩色，价格,操作性能等操作性能等1.矢量图矢量图矢量图：用一系列绘图指令来表示一幅图，如矢量图：用一系列绘图指令来表示一幅图，如AutoCAD中的中的绘图语句。绘图语句。对象：图像中每一个形状都是一个完整的公式。对象：图像中每一个形状都是一个完整的公式。优点：文件数据量很小；优点：文件数据量很小； 图像质量与分辨率无关图像质量与分辨率无关 缺点：不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像，缺点：不易制作色调丰富或色彩

17、变化太多的图像，三三 、数字图像类型、数字图像类型 静态图像：矢量静态图像：矢量(Vector)图和位图（图和位图（Bitmap），）， 位图也称位图也称为栅格图像。为栅格图像。2 .位图位图位图：位图： 通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色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。属性和位置属性。种类：种类： 线画稿线画稿（LineArt)、灰度图像、灰度图像(GrayScale)、索引、索引颜色图像颜色图像(Index Color)和真彩色图像（和真彩色图像（True Color）。）。 xyO1） 线画稿线画稿只有黑白两种颜色（二值只有黑白两种颜色（二值 )“黑

18、白艺术黑白艺术”、 “位图艺术位图艺术”、 “一位元艺术一位元艺术”。适合适合:由黑白两色构成而没有灰度阴影的图像。由黑白两色构成而没有灰度阴影的图像。2） 灰度图像灰度图像只有灰度颜色而没有彩色只有灰度颜色而没有彩色, 像素灰度级通常用像素灰度级通常用8 bit表示表示3 ）索引图像）索引图像 颜色索引矩阵（预先定义）颜色索引矩阵（预先定义）+图像数据矩阵（索引值）图像数据矩阵（索引值）索引值（颜色数）：索引值（颜色数）： 最多最多 256 3 种种 每一点的值通过索引矩阵查找，显示慢。每一点的值通过索引矩阵查找，显示慢。4） 真彩色图像真彩色图像 每一个像素由红、绿和蓝三个字节组成。每一个

19、像素由红、绿和蓝三个字节组成。 颜色数：颜色数：256 256 256（每个字节为（每个字节为8 bit时），种时），种1670万万种。种。 象素的颜色直接存放在象素的颜色直接存放在图像矩阵中，显示快。图像矩阵中，显示快。 * 位图的有关术语位图的有关术语（1） 像素（像素（Pixel） 在计算机中，图像是由显示器上许多光点组成在计算机中，图像是由显示器上许多光点组成的，的， 将显示在显示器上的这些点（光的单元）称为像素。将显示在显示器上的这些点（光的单元）称为像素。（2） 图像分辨率图像分辨率 每英寸图像含有多少个点或像素，每英寸图像含有多少个点或像素， 分辨率的单位为分辨率的单位为dpi。

20、 260bpi (3)屏幕分辨率屏幕分辨率 显示器上每单位长度显示的像素或点的数量显示器上每单位长度显示的像素或点的数量, 640480 (4)打印机扫描仪分辨率打印机扫描仪分辨率 是指打印机输出图像时每英寸的点数是指打印机输出图像时每英寸的点数(dpi) 即图像文件的数据构成：文件头即图像文件的数据构成：文件头+ 图像数据图像数据 文件头：内容由制作该图像文件的公司决定，一般包括文文件头：内容由制作该图像文件的公司决定，一般包括文件类型、文件制作者、制作时间、版本号、件类型、文件制作者、制作时间、版本号、 文件大文件大小等内小等内容。各种图像文件的制作还涉及到图像文件的容。各种图像文件的制作

21、还涉及到图像文件的压缩方式和存储效率等。压缩方式和存储效率等。四、四、 图像文件格式图像文件格式采用的图像文件存储格式采用的图像文件存储格式设备无关位图设备无关位图(device-independent (device-independent bitmapbitmap，DIB)DIB)格式格式默认的文件扩展名是默认的文件扩展名是BMPBMP或者或者bmpbmpBITMAPFILEHEADER typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; /文件类型，文件类型，“.bmp”文件：文件： BM DWORD bfSize; /文件大小，包括这文件大小

22、，包括这14个字节个字节 WORD bfReserved1; /保留字，不用考虑保留字，不用考虑 WORD bfReserved2; /保留字，不用考虑保留字，不用考虑 DWORDbfOffBits; /从文件头到实际的位图数据偏移字节数从文件头到实际的位图数据偏移字节数 BITMAPFILEHEADER; 这个结构的长度是固定的，为这个结构的长度是固定的，为14个字节（个字节（WORD为无符号为无符号16位二位二进制整数，进制整数，DWORD为无符号为无符号32位二进制整数）。位二进制整数）。 可改变在文本中大小,如96300dpi(论文要求)(*3)typedef struct tagBI

23、TMAPINFOHEADER DWORD biSize; /这个结构的长度，这个结构的长度，40字节字节 LONGbiWidth; /图像的宽度，单位是象素图像的宽度，单位是象素 LONGbiHeight; /图像的高度，单位是象素图像的高度，单位是象素 WORDbiPlanes; /必须是必须是1 WORDbiBitCount; /表示颜色时要用到的位数表示颜色时要用到的位数 DWORDbiCompression; /指定位图是否压缩指定位图是否压缩 DWORDbiSizeImage; /实际位图数据占有的字节数实际位图数据占有的字节数 LONGbiXPelsPerMeter; /目标设备的

24、水平分辨率目标设备的水平分辨率 LONGbiYPelsPerMeter; /目标设备的垂直分辨率目标设备的垂直分辨率 DWORDbiClrUsed; /实际用到的颜色数，实际用到的颜色数，0：同等：同等2的的 /biBitCount次方次方 DWORDbiClrImportant;/重要的颜色数重要的颜色数 BITMAPINFOHEADER;structstruct BYTE BYTE BlueBlue; ;BYTE BYTE Green;Green;BYTE BYTE Red;Red;BYTEBYTEReservedReserved; ; RGBQUAD;RGBQUAD;真彩色图像是不需要调

25、色板的，真彩色图像是不需要调色板的， BITMAPINFOHEADER后直接后直接是位图数据。调色板实际上是一个数组，是位图数据。调色板实际上是一个数组， 共有共有biClrUsed个元素个元素（如果该值为零，则有（如果该值为零，则有2的的biBitCount次方个元素）。数组中每个次方个元素）。数组中每个元素的类型是一个元素的类型是一个RGBQUAD结构，结构， 占占4个字节，其定义如下：个字节，其定义如下： typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; /该颜色的蓝色分量该颜色的蓝色分量 BYTE rgbGreen;/该颜色的绿色分量该颜色的绿色分量 BY

26、TE rgbRed;/该颜色的红色分量该颜色的红色分量 BYTE rgbReserved;/保留值保留值 RGBQUAD; WINDOWS BMP文件规定每行像素字节数必须是4的倍数，否则在像素数据后加若干字节（0），凑足4的倍数。24位文件的图像数据中也是按BLUE、GREEN、RED的顺序来排的。BMP文件的原点在左下角。24位色图像中没有调色板数据部分。22 其他文件格式其他文件格式 1) TIF图像文件格式图像文件格式 标记图像文件格式标记图像文件格式TIF (Tag Image File Format)， 它提供存储各种信息的完备的手段，它提供存储各种信息的完备的手段， 可以存储专门

27、的可以存储专门的信息而不违反格式宗旨。信息而不违反格式宗旨。 TIF格式文件的设计考虑了扩展性、格式文件的设计考虑了扩展性、 方便性和可方便性和可修改性，非常复杂，要求用更多的代码来控制它。修改性，非常复杂，要求用更多的代码来控制它。组成组成: 文件头文件头+参数指针表与参数域参数指针表与参数域+参数数据表参数数据表+图像图像数据数据(1） 文件头文件头 TIF文件文件头结构文件文件头结构 (2） 参数指针参数指针 TIF文件参数指针表文件参数指针表 由一个由一个2字节的整数和其后的一系列字节的整数和其后的一系列12字节参数域构成，最后字节参数域构成，最后以一个长整型数结束。若最后的长整型数为

28、以一个长整型数结束。若最后的长整型数为0，表示文件的参数指，表示文件的参数指针表到此为至，否则该长整数为指向下一个参数指针表到此为至，否则该长整数为指向下一个参数指针表的偏移。针表的偏移。 (3） 参数块结构参数块结构 TIF文件参数块结构文件参数块结构 2) GIF图像文件格式图像文件格式(Graphics Interchange Format)开发目的开发目的: 在不同的系统平台上交流和传输图像。在不同的系统平台上交流和传输图像。用于用于: 超文本标记语言超文本标记语言(HTML)文档中的索引颜色图像，文档中的索引颜色图像， 64 M，256色色 LZW压缩算法压缩算法 3) PCX文件文件 由各种扫描仪扫描得到的图像几乎都能保存成由各种扫描仪扫描得到的图像几乎都能保存成PCX格式。格式。PCX支持支持256种颜色，种颜色，特点：特点： 结构较简单，存取速度快，压缩比适中，适合于一般软件结构较简单，存取速度快，压缩比适中，适合于一般软件的使用。的使用。组成：