数字图像处理及基本知识

1、精选课件数字图像处理数字图像处理相关基本知识相关基本知识主讲：吴发根主讲：吴发根精选课件精选课件第二章 图像的基本知识2.1 图像的概念图像的概念2.2 图像信息的分类图像信息的分类2.3 图像的获取及图像函数图像的获取及图像函数2.4 图像的数字化和图像描述图像的数字化和图像描述2.5 图像的统计特性图像的统计特性2.6 常用的图像文件格式常用的图像文件格式2.7 计算机图像数据处理计算机图像数据处理 2.8 图像质量评价图像质量评价2.9 彩色图像简介彩色图像简介精选课件2.1 图像的概念图像的概念 “图像图像”一词在汉语中很难给出一个明确的定义。一词在汉语中很难给出一个明确的定义。三个与

2、图像有关的英语词：三个与图像有关的英语词： “Picture”、“image”和和“Pattern”。 “Picture” 画、图画、图像、图片、电影等等；画、图画、图像、图片、电影等等； “image” 像、图像、景像、映像、影像、映射等；像、图像、景像、映像、影像、映射等； “Pattern” 模型、式样、样本、图案、图、图形等。模型、式样、样本、图案、图、图形等。精选课件 三个词大致可做如下区分：三个词大致可做如下区分： “Picture”是指与照片等相似的用手工描绘的人是指与照片等相似的用手工描绘的人物或景物，其中侧重于手工描绘的一类物或景物，其中侧重于手工描绘的一类“画画”。精选课件

3、 “image”是指用镜头等科技手段得到的视觉形象是指用镜头等科技手段得到的视觉形象。一般来讲可定义为。一般来讲可定义为“以某一技术手段被再现于二以某一技术手段被再现于二维画面上的视觉信息维画面上的视觉信息”。通俗的说就是指那些用技。通俗的说就是指那些用技术手段把目标（术手段把目标（Object）原封不动的一模一样的）原封不动的一模一样的再现的景物。它包含用计算机等机器产生的景物再现的景物。它包含用计算机等机器产生的景物。精选课件 “Pattern”指的是图形，在拉丁语中指裁衣服指的是图形，在拉丁语中指裁衣服的纸样。因此，它主要是指图案、曲线、图形的纸样。因此，它主要是指图案、曲线、图形。综上

4、所述我们所说的图像处理应是。综上所述我们所说的图像处理应是“Image Processing”。这里要处理的主要是属于照片。这里要处理的主要是属于照片、复印图、电视、传真、计算机显示的一类图、复印图、电视、传真、计算机显示的一类图像。像。精选课件2.2 图像信息的分类：图像信息的分类： 图像信息的种类是多种多样的，这里就常见的图图像信息的种类是多种多样的，这里就常见的图像信息进行简单的分类。概括起来，图像信息大致可像信息进行简单的分类。概括起来，图像信息大致可分成三类，即分成三类，即：符号信息符号信息 景物信息景物信息 情绪信息。情绪信息。精选课件 （1 1）符号图像信息符号图像信息 一般是用

5、文字、符号、图形等表示的具体的或抽一般是用文字、符号、图形等表示的具体的或抽象的事物。例如文字，利用文字可组成文章，可以象的事物。例如文字，利用文字可组成文章，可以看成是用二值图像的形式携带这篇文章的寓意。看成是用二值图像的形式携带这篇文章的寓意。最最有代表意义的符号图像信息是电路图、机械图、建有代表意义的符号图像信息是电路图、机械图、建筑图筑图等，它们都是用二值图像的形式向人们提供信等，它们都是用二值图像的形式向人们提供信息的。息的。符号信息是以某一规则排列的记号，因此，符号信息是以某一规则排列的记号，因此，在传送及处理中只要能表达清楚就可以了，它允许在传送及处理中只要能表达清楚就可以了，它

6、允许有较大的压缩。有较大的压缩。精选课件 （2）景物图像信息景物图像信息 这是一种能给人以主观感觉但并不取决于人本身的这是一种能给人以主观感觉但并不取决于人本身的客观场景信息。一般来讲它客观场景信息。一般来讲它包含有丰富的内容，所含包含有丰富的内容，所含的信息量也较多。的信息量也较多。其特点是其特点是景物画面的内容比较复杂，景物画面的内容比较复杂，在传输和处理中做到较大的压缩比较困难，在人机识在传输和处理中做到较大的压缩比较困难，在人机识别中需要较大的信息量。别中需要较大的信息量。但在事先设定某种条件的情但在事先设定某种条件的情况下，是有可能在任何情况下保证正确判断的。况下，是有可能在任何情况

7、下保证正确判断的。精选课件 （3）、情绪图像信息、情绪图像信息 这是一类依赖于受信者的图像信息，它不仅能这是一类依赖于受信者的图像信息，它不仅能给人以直观感觉，而能以其特殊的艺术内容刺激人给人以直观感觉，而能以其特殊的艺术内容刺激人的感官，使受信者的感官，使受信者“触景生情触景生情”引起感情上的波动引起感情上的波动和情绪上的共鸣。因此，和情绪上的共鸣。因此，它包含有更多的信息它包含有更多的信息。这这类图像信息不仅取决于图像本身的内容而且还与受类图像信息不仅取决于图像本身的内容而且还与受信者的经历、文化修养、年龄、嗜好以及此时此刻信者的经历、文化修养、年龄、嗜好以及此时此刻的心境情绪有密切关系。

8、因此，的心境情绪有密切关系。因此，这类图像不仅无法这类图像不仅无法考虑其概率模型，而且明确其信息量也是极其困难考虑其概率模型，而且明确其信息量也是极其困难的。的。精选课件 以上是从图像所携带的信息的种类出发进行简单以上是从图像所携带的信息的种类出发进行简单分类的。当然还可以从其他角度出发进行分类。如把分类的。当然还可以从其他角度出发进行分类。如把图像分成静止图像和活动图像、单色图像和彩色图像图像分成静止图像和活动图像、单色图像和彩色图像等。等。 在我们在我们数字图像处理中数字图像处理中所涉及到的所涉及到的是一些最普通是一些最普通类型的图像类型的图像，它们的，它们的突出特点是都具有特殊的统计特突

9、出特点是都具有特殊的统计特性，并且有专门的应用性，并且有专门的应用。它包括：。它包括：精选课件 TV型的自然风景型的自然风景：常见有的图片，如肖象、风景画、建筑物照片等。：常见有的图片，如肖象、风景画、建筑物照片等。 空间摄影照片和地球资源探测图片空间摄影照片和地球资源探测图片：这类图片的特点是往往没有：这类图片的特点是往往没有适宜的方向，构图不十分明显，除了海岸线外，没有可区别的形状。适宜的方向，构图不十分明显，除了海岸线外，没有可区别的形状。电子显微镜照片和标准的显微镜照片电子显微镜照片和标准的显微镜照片：这是一类在冶金学、生物：这是一类在冶金学、生物学、医学以及石油探测等都很感兴趣的一类

10、照片。学、医学以及石油探测等都很感兴趣的一类照片。文本文本：这是指一类打印或手写的记号图像。：这是指一类打印或手写的记号图像。图样图样：它们通常就是简单地由线段和图形构成的单色二值图像。：它们通常就是简单地由线段和图形构成的单色二值图像。 专用图像专用图像：如：如：X射线照片、微波照片、红外热象或超声波图像等。这些射线照片、微波照片、红外热象或超声波图像等。这些图像各有特点，与在可见光下得到的图像有所不同。图像各有特点，与在可见光下得到的图像有所不同。注：在今后讲课中所提到的一些图像只是极少数的有代表性而又实用的图像。这些图像经过研究大部分可以找到较为近注：在今后讲课中所提到的一些图像只是极少

11、数的有代表性而又实用的图像。这些图像经过研究大部分可以找到较为近似的模型和规律，这对方便处理和深入研究来讲无疑都是十分有利的。似的模型和规律，这对方便处理和深入研究来讲无疑都是十分有利的。精选课件 2.3 精选课件 图图2-1显示了用来把照射能量变为数字图显示了用来把照射能量变为数字图 像的三种主要传感器装置。像的三种主要传感器装置。 精选课件2-1(c)传感器阵列输出电压波形能量滤光器电源输入外壳敏感材料2-1(a) 单个成像传感器 b)2-1(b)带状传感器 精选课件 a.用单个传感器获取图像用单个传感器获取图像 为用单个传感器获取二维图像，传感器和为用单个传感器获取二维图像，传感器和场景

12、对象之间必须在场景对象之间必须在x x和和y y方向有相对位移。方向有相对位移。 下图显示了一个高精度扫描装置（鼓形扫下图显示了一个高精度扫描装置（鼓形扫描或光电滚筒扫描器）。描或光电滚筒扫描器）。 精选课件工作原理为:精选课件其工作过程为:图像传感器电压信号与光强成正比随光照到不同的灰度位置而变化数字图像精选课件优点: b.用带状传感器获取图像用带状传感器获取图像 在获取数字图像中更常用的是由单个传感器按线状排列在获取数字图像中更常用的是由单个传感器按线状排列 而形成的带状传感器或传感器带而形成的带状传感器或传感器带 ,如下图如下图b)缺点:是得到高分辨率图像的是得到高分辨率图像的廉价方法廉

13、价方法速度太慢速度太慢精选课件 传感器带在一个方向上提供成像单元。相对传感器带在一个方向上提供成像单元。相对于传感器带垂直方向的运动在另一方向上成像于传感器带垂直方向的运动在另一方向上成像, ,如下图所示如下图所示: 这是大多数平板扫这是大多数平板扫描仪所用的装置。描仪所用的装置。成像传感器带一次成像传感器带一次输出一幅图像的一输出一幅图像的一行，随着传感器带行，随着传感器带的运动完成二维图的运动完成二维图像的获取。像的获取。精选课件 传感器带也可以安传感器带也可以安装成圆环形状，称为传装成圆环形状，称为传感器环或环形传感器带感器环或环形传感器带它主要用于医学和工业它主要用于医学和工业成像，以

14、得到三维物体成像，以得到三维物体的横断截面（切片）图的横断截面（切片）图像，如右图所示像，如右图所示: : 精选课件 c. 用传感器阵列获取图像用传感器阵列获取图像 将各个传感器以二维阵列形式排列就形成了传将各个传感器以二维阵列形式排列就形成了传感器阵列。这是在数字摄像机上常见的主要结构感器阵列。这是在数字摄像机上常见的主要结构。 如右图如右图: 精选课件 下图是用传感器阵列获取数字图像的过程下图是用传感器阵列获取数字图像的过程 照射(能)源成像系统(内部)图像平面输出(数字化后的)图像精选课件 右图所示的传感器阵右图所示的传感器阵列是二维的，主要优点是列是二维的，主要优点是把图形能量聚焦到阵

15、列表把图形能量聚焦到阵列表面一次就能得到完整的图面一次就能得到完整的图像。像。精选课件精选课件 (2) (2) 数字图像的描述数字图像的描述描述方法矢量图法点位图法定义：矢量图是用一系列计算机指令来表示和描述一幅图定义：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。显示器显示的结果几乎没有什么差别精选课件l实际上，一幅自然的、模拟的图像经过数字化实际上，一幅自然的、模拟的图像经过数字化进入计算机后，进入计算机后，一般都是用点位图来表示和描一般都是用点位图来表示和描述的。述的。l一幅图像由许许多多描述每个像素的数据组成一幅图像由许许多多描述每个像素的数据组

16、成，这些数据通常称为图像数据，而这些数据通，这些数据通常称为图像数据，而这些数据通常是作为一个文件来存储的，这种文件又称为常是作为一个文件来存储的，这种文件又称为图像文件。图像文件。l点位图的获取通常用扫描仪、摄像机、激光视点位图的获取通常用扫描仪、摄像机、激光视盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这些设盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这些设备把模拟的图像信号变成数字图像数据。备把模拟的图像信号变成数字图像数据。精选课件精选课件精选课件精选课件图2-9 黑白图像图2-10 灰度图像精选课件 c. .彩色图像彩色图像精选课件 l 举例：以举例：以RGB（红绿蓝）彩色空间为例来简要（红绿蓝）彩色空

17、间为例来简要说明彩色图像。说明彩色图像。 在在RGBRGB彩色空间中，一幅彩色数字图像的各个彩色空间中，一幅彩色数字图像的各个像素的信息由像素的信息由RGBRGB三原色信息构成，其中三原色信息构成，其中R(R(红红) )、G G（绿）、（绿）、B B（蓝）是由不同的灰度级来描述的，三（蓝）是由不同的灰度级来描述的，三者共同决定了像素的亮度和色彩。者共同决定了像素的亮度和色彩。 彩色图像可按照颜色的数目来划分。例如，彩色图像可按照颜色的数目来划分。例如，256色图像和真彩色图像（色图像和真彩色图像（2的的16次方次方216777216种颜色）等。种颜色）等。精选课件图23 帧差值信号分布密度特性

18、由图可见，变化剧烈的图像由图可见，变化剧烈的图像与变化缓慢的图像其差值的与变化缓慢的图像其差值的分布是不一样的。分布是不一样的。 对于电视信号来说，除了像素间的差值外，对于电视信号来说，除了像素间的差值外，还存在帧间差值。对帧间差值信号的分布密度特性还存在帧间差值。对帧间差值信号的分布密度特性测定的结果如图测定的结果如图23所示。所示。精选课件 2.6 常用的图像文件格式常用的图像文件格式 数字图像在计算机中是以图像文件的形数字图像在计算机中是以图像文件的形式存放的，图像文件的格式一般包含文件数式存放的，图像文件的格式一般包含文件数据的存储形式、大小、起止位置等内容。据的存储形式、大小、起止位

19、置等内容。精选课件 (1) BMP(1) BMP文件格式文件格式精选课件 位图文件参数头域位图文件参数头域包含关于这个文件的信息，例如从哪里开始是位图数据的定位信息。 位图参数头域位图参数头域含有关这幅图像的信息，例如以像素为单位的宽度和高度、位图的彩色、压缩方法等。精选课件 (2) GIF GIF文件格式文件格式l 定义：即图形交换格式定义：即图形交换格式,Graphics ,Graphics Interchange Format,Interchange Format,简称简称GIFGIF。l 特点特点: GIF: GIF文件格式支持文件格式支持2 216M16M种颜色，单个种颜色，单个文件

20、的多重图像，按行扫描的快速解码、有文件的多重图像，按行扫描的快速解码、有效地压缩以及硬件无关性。效地压缩以及硬件无关性。l GIFGIF图像文件以数据块图像文件以数据块(Block)(Block)为单位来存储为单位来存储图像的相关信息。数据块的分类如下图像的相关信息。数据块的分类如下: :精选课件精选课件 (3) TIFF(3) TIFF文件格式文件格式存储形式：存储形式：图像数据以“条状”形式存储，可以通过图像文件目录中的登记项找到需要的图像数据。精选课件 (4) JPEG(4) JPEG文件格式文件格式精选课件精选课件 JPEG文件的由下面8个部分组成： 1）图像开始SOI标记。 2）AP

21、PO标记。长度、表识符、版本号、X和Y的密度单位（units=0;无单位；units=1;点数/英寸；units=2; 点数/厘米）、X方向像素密度、Y方向像素密度、缩略图水平像素数目、缩略图垂直像素数目、缩略图RGB位图。 3）APPn标记，其中n=1-15（任选）。包括：APPn长度。 精选课件 4）一个或者多个量化表。包括：量化表长度、量化表数目、量化表。 5）桢图像开始SOFO。包括：桢开始长度、精度、每个颜色分量 每个像素位数、图像高度、图像宽度、颜色分量数、对每个颜色分量的ID、垂直方向的样本因子、水平方向的样本因子、量化表号。 6）一个或者多个霍夫曼表DHT。包括：霍夫曼表的长度

22、、类型、AC或者 DC、索引、位表、值表。精选课件 7）扫描开始SOS。包括：扫描开始长度、颜 色分量数、每个颜色分量的ID、交流系数表号直流系数表号、压缩图像数据。 8）图像结束EOI。精选课件 在图像编码、图像增强和图像复原等处理中在图像编码、图像增强和图像复原等处理中经常要进行图像质量评价。经常要进行图像质量评价。2.8 图像质量的评价精选课件 这三种应用的共同因素是图像质量，即要保持这三种应用的共同因素是图像质量，即要保持、提高或恢复图像质量。、提高或恢复图像质量。已处理图像标准图像精细差别大体差异图像可理解度图像逼真度精选课件 主观评价有两种不同的方式：绝对方式和主观评价有两种不同的

23、方式：绝对方式和比较方式。比较方式。精选课件 主观评价测试可分为三种。主观评价测试可分为三种。精选课件 将接受的信号与一将接受的信号与一K K指数刻度板拟合，确定出指数刻度板拟合，确定出指数指数K K，其数值大小就反映了波形失真和图像质量，其数值大小就反映了波形失真和图像质量下降的程度。这样就可将波形失真和图像质量退下降的程度。这样就可将波形失真和图像质量退化联系起来，用统一标准的一套指数进行评价。化联系起来，用统一标准的一套指数进行评价。 几何畸变、光亮度值线性和空间度等指标，都几何畸变、光亮度值线性和空间度等指标，都可以用适当的电子测试信号在电视显示器上进行可以用适当的电子测试信号在电视显

24、示器上进行测试。测试。精选课件 彩色可用亮度、色调和饱和度来描述。人眼看彩色可用亮度、色调和饱和度来描述。人眼看到任一彩色光都是这三个特性的综合效果。到任一彩色光都是这三个特性的综合效果。 2.8 彩色图像简介精选课件精选课件 (2) (2) 彩色空间（彩色模型）彩色空间（彩色模型） a.RGB.RGB彩色空间彩色空间 计算机中的数字图像，用的最多的是计算机中的数字图像，用的最多的是RGBRGB彩彩色空间。由于计算机彩色监视器的输入需要色空间。由于计算机彩色监视器的输入需要RGBRGB三个彩色分量，通过三个分量的不同比例三个彩色分量，通过三个分量的不同比例，在显示屏幕上合成所需要的任意颜色，所

25、以，在显示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，最后输出一定要不管用什么形式的彩色空间，最后输出一定要转化成转化成RGBRGB彩色空间。彩色空间。精选课件 三基色原理三基色原理 自然界常见的各种颜色光，都可由红（自然界常见的各种颜色光，都可由红（R R）、）、绿绿(G)(G)、蓝、蓝(B)(B)三种颜色光按不同的比例相配而成三种颜色光按不同的比例相配而成，同样绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三，同样绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种颜色光，这就是色度学中最基本的种颜色光，这就是色度学中最基本的 原理原理三三基色原理。基色原理。 由于人眼对红、绿、蓝三种光最敏感，因此由

26、于人眼对红、绿、蓝三种光最敏感，因此由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广，所以由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广，所以一般都选这三种颜色作为基色（原色）。一般都选这三种颜色作为基色（原色）。精选课件 把三种基色光按不同的比例相加称之为相加混把三种基色光按不同的比例相加称之为相加混色。由红、绿、蓝三基色进行相加的情况如下：色。由红、绿、蓝三基色进行相加的情况如下：红色蓝色绿色黄色洋红青色白色红色青色绿色洋红蓝色黄色白色精选课件 黄色、洋红和青色称为相加二次色，青色、黄色、洋红和青色称为相加二次色，青色、洋红和黄色也称为红、绿、蓝三色的补色。相加洋红和黄色也称为红、绿、蓝三色的补色。相加混色的三基色及其补色如图混色的三基色及其补色如图2-162-16所示。所示。 RGB RGB彩色彩色空间可用图空间可用图2-172-17所示的彩色立方体表示。所示的彩色立方体表示。 红蓝绿黄白青洋红红(R)青黄绿(G)洋红(0,1,0)(0,0,1)(1,0,0)白(1,1,1)灰度级图2-16相加混色的三基色及其补色 图2-17 RGB彩色空间示意图精选课件 b.HIS b.HIS彩色空间彩色空间 HIS HIS彩色空间用彩色空间用H H、I I、S S三个参数描述颜色三个参数描述颜色特性。特性。精选课件 用