第1章-数字图像基础20160907

1、第一章第一章 数字图像基础数字图像基础Chapter 1 Digital Image Fundamentals “One picture is worth more than ten thousand words”Anonymous3教材数字图像处理, 禹晶, 孙卫东, 肖创柏. 机械工业出版社, 2015.Office: 信北402Mail: WeChat: LIONXIAO4参考书“Digital Image Processing”, Rafael C. Gonzalez & Richard E. Woods, Addison-Wesley, 2002.数字图像处理, R.C.Go

2、nzalez , Richard E.Woods著, 阮秋琦, 阮宇智等译, 电子工业出版社.数字图像处理的MATLAB实现(第2版), Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods, Steven L. Eddins, 阮秋琦译,清华大学出版社.图像工程(第2版), 章毓晋(著), 清华大学出版社5Journals & Conferences in Image Processing Journals: IEEE T IMAGE PROCESSING IEEE T PATTERN ANALYSIS MACHINE INTELLIGENCE INTL J CO

3、MP. VISION PATTERN RECOGNITION Conferences: CVPR: Comp. Vision and Pattern Recognition ICCV:IntlConfonComputerVision ACM Multimedia ICIP: IntlConfon Image Processing ECCV:EuropeanConfonComputerVision ICASSP:IntlConfon Acoustics, Speech and Signal Processing6Grading Policy Assignments: 20% Quiz: 10%

4、Final Exam: 70% Total: 100% 7Class Web Page http:/ Class lectures posted Assignments distributed8Teaching Assistant 汪海龙 Mail at: Mobile: 188108158209章节安排第1章 数字图像基础第2章 数字图像处理基础第3章 空域图像增强第4章 频域变换第5章 频域图像增强第6章 图像复原第7章 彩色图像处理第8章 数学形态学图像处理第9章 图像分割第10章 小波变换与多分辨率分析第11章 图像压缩编码第12章 表示与描述Contents数字图像的概念数字图像的多

5、样性图像数据量图像数字化数字图像的常见失真类型11什么是数字图像？ 数字图像定义为二维的亮度函数 ， 和 表示空间坐标， 是关于坐标 的函数值，与成像于该点的光强成正比。 空间坐标和亮度函数的值都是有限的、离散的数值。数字图像的成像过程12什么是数字图像？数字化的空间位置称为像素（Pixel），数字化的亮度值称为灰度值。1 pixel13图像获取Images are typically generated by illuminating a scene and absorbing the energy reflected by the objects in that sceneIncoming

6、 energy lands on a sensor material responsive to that type of energy and this generates a voltageCollections of sensors are arranged to capture imagesImaging SensorLine of Image SensorsArray of Image Sensors14图像获取 数字图像的储存方式以像素为单位，传感器阵列上每一个感光元对应数字图像中的一个像素，每一个像素值反映了自然场景中相应成像点的亮度。自然场景及其对应的数字图像15数字图像表示

7、用二维函数 表示一幅数字图像， 表示像素的空间坐标。设其空间分辨率为 MN， 用矩阵表示为，数字图像的坐标约定16空间分辨率The spatial resolution of an image is determined by how sampling was carried outSpatial resolution simply refers to the smallest discernable detail in an image Vision specialists will often talk about pixel size Graphic designers will tal

8、k about dots per inch (DPI)5.1 Megapixels17数字图像的多样性 成像多样化 将电磁波的各个波段按照波长或频率的递增或递减顺序依次排列形成电磁波谱。 电子成像可以通过几乎任何一种电磁波辐射转换成电信号形成数字图像。依据波长排列的电磁波谱18成像多样性发光物体不透明物体透明/半透明物体放射源放射线光线反射线透射线成像传感器 成像方式分类： 反射成像是由物体表面反射的电磁波到达成像传感器而成像； 发光成像是物体本身辐射的电磁波到达成像传感器而成像； 吸收成像是由于一部分透过物体的电磁波到达成像传感器而成像。三种成像方式示意图 (a) 清华大学礼堂可见光图像 (

9、b) 红外成像 (e) 颈椎CR图像 (d)多光谱卫星遥感图像 (c) 日光成像 (f) 主动脉造影成像三种成像方式的典型例子20尺度多样性图像的尺度多样性表现在，从图像反映的实体尺寸看，可以小到电子显微镜图像，大到航空、航天遥感图像，甚至天文望远镜图像。 日常观察物体或场景 天文望远镜 电子显微镜(a) 普通数码相机拍摄的自然场景图像(b) 远距离拍摄的地球和星系图像不同尺度实体的图像(c)显微镜下拍摄的胎儿和细胞图像22图像数据量 根据图像的数据量，将图像主要分为4类： 二值图像 灰度图像 索引图像 真彩色图像23二值图像的数据表示图像数据量 二值图像二值图像中每一个像素仅占用1位，灰度值

10、为0或1，其中，0表示黑色，1表示白色，因而俗称黑白图像。24灰度图像的数据表示图像数据量 灰度图像灰度图像在黑与白之间有多级灰色深度。在常用的成像和显示设备中，灰度图像中每一个像素的灰度级通常采用8 位表示，具有 个灰度级，每一个灰度像素占用1个字节。25索引图像的数据表示图像数据量 索引图像索引图像包含颜色查找表，通过查找映射的方法表示彩色图像的颜色。 颜色查找表通常用一个维数为 的数组来表示， 为索引图像的像素值总数，每一行的3维向量为R、G、B颜色分量。26真彩色图像的数据表示图像数据量 真彩色图像真彩色图像中每一个彩色像素用一个3维向量来表示，由R、G、B颜色分量组成。 R、G、B颜

11、色分量各占用8 位表示相应颜色分量的亮度，每一个颜色分量各有256个灰度级，这3个字节组合可以产生 万种不同的颜色。27图像数字化 图像数字化的过程包括采样和量化两个步骤，对空间坐标 离散化称为采样采样，对亮度值 离散化称为量化量化。 采样是对水平方向和垂直方向的空间位置进行光栅化；量化是对亮度进行离散化。灰阶灰度0127255黑灰白采样量化28图像数字化 采样是图像在空间上的离散化，常用的采样网格有正方形点阵和正六边形点阵结构。 视网膜上分布的视神经细胞的排列方式为正六边形结构，且这些细胞在水平方向和垂直方向上相比在对角方向上对高频信号有更高的光敏感度。因此，正六边形采样网格更符合人眼的视觉

12、特性。正方形点阵结构正六边形点阵结构采样与量化的图释(a) 高分辨率图像 (b) 低采样率重采样图像 (c) 低灰阶重量化图像 (d)重新光栅化的低分辨率图像30ISO12233标准分辨率测试卡空间分辨率 空间分辨率由采样决定，反映了图像数字化的像素密度，反映了图像的有效像素。31空间分辨率为 256256、128128 、6464 、3232的图像 (a) 256256 (b) 128128 (c) 6464 (d) 3232空间分辨率对图像质量的影响 在保持图像灰度级分辨率不变的条件下，对图像逐级下采样。空间分辨率越低，可辨细节越差。32双线性插值图像对比，尺寸均为256256空间分辨率对

13、图像质量的影响 由于欠采样过程中的细节损失，低分辨率插值图像趋于边缘模糊。 简单的插值放大仅能增加图像的像素数，并不能提高图像的空间分辨率。33Intensity Level Resolution 灰度级分辨率由量化决定，指可分辨的最小灰阶变化。 The more intensity levels used, the finer the level of detail discernable in an image Intensity level resolution is usually given in terms of the number of bits used to store e

14、ach intensity levelNumber of BitsNumber of Intensity Levels122441682561665,53634 (a) 8位（256个灰度级） (b) 4位（64个灰度级） (c) 2位（4个灰度级） (d) 1位（2个灰度级）灰度级分辨率对图像质量的影响灰度级分辨率对数字图像质量的影响35颜色深度对数字图像质量的影响 (a) 24位，1670万色 (b) 8位，256色灰度级分辨率对图像质量的影响36Resolution: How Much Is Enough?The big question with resolution is alway

15、s how much is enough? This all depends on what is in the image and what you would like to do with it Key questions include Does the image look aesthetically pleasing? Can you see what you need to see within the image?37Resolution: How Much Is Enough? The picture on the right is fine for counting the

16、 number of cars, but not for reading the number plate38Resolution: How Much Is Enough?Low DetailMedium DetailHigh Detail39 (a) 8位灰度图像 (b) 因子8的下采样图像 (c) 重量化的4位深度图像Resolution: How Much Is Enough?对于细节相对丰富的图像来说，空间分辨率对图像质量影响较大，而灰度级分辨率对图像质量影响较小。细节对分辨率的要求40Resolution: How Much Is Enough?对于灰度相对平坦的图像，灰度级分辨率对

17、图像质量影响较大，而空间分辨率对图像质量影响较小。细节对分辨率的要求 (a) 8位灰度图像 (b) 因子8的下采样图像 (c) 重量化的4位深度图像41数字图像的常见失真类型 混叠效应 香农采样定理表明，若信号是带限的，并且采样频率高于信号最大频率的2倍奈奎斯特频率，则可以无失真地从采样信号中完全重建出原来的连续信号。 当采样间隔过大时，由于采样频率小于奈奎斯特频率，而引起频谱的高频成分发生相互交叠，频谱重叠导致失真。图像混叠示意图42数字图像的常见失真类型混叠效应图例 (a)无混叠图像 (b) 混叠图像43模糊效应图例 (a) 无模糊图像 (b) 运动模糊图像 (c) 散焦模糊图像数字图像的

18、常见失真类型 模糊效应 长时间曝光过程中成像设备与成像场景的相对运动而造成的运动模糊； 光学镜头散焦、大气湍流、短时间曝光而造成的散焦模糊。44块效应图例(a) 高质量的无块效应图像 (b) 中等质量的块效应图像 (c) 质量差的块效应图像数字图像的常见失真类型 块效应 在相邻块之间引入的非连续性，视觉上看似马赛克的效果。 块效应主要是由于对图像分块处理而引起的块状失真。 在图像压缩编码中，分块离散余弦变换编码和分块运动补偿是造成块效应的两个主要原因。45噪声图例 (a) 无噪声图像 (b) 泊松噪声图像 (c) 高斯噪声图像 (d) 脉冲噪声图像数字图像的常见失真类型 噪声 成像传感器是相机系统的感光器件，噪声是指感光器件接收光信号并输出的过程中产生的异常像素。 根据噪声的分布和统计特征，成像系统的噪声源可以分为光电散粒噪声、读出噪声和脉冲噪声