第2章图像处理基础知识

1、第2章 图像处理基础知识图像和视觉 基础视觉基础人眼与亮度视觉颜色视觉成像基础成像模型成像几何采样和量化图像基础像素间联系图像运算图像坐标变换第2章 图像处理基础知识2.1 图像数字化2.2 图像数据结构 2.3 图像文件格式2.4 图像质量评价2.1 图像数字化2.1.1 图像传感器与数字成像2.1.2 数字化原理2.1.1 图像传感器与数字成像1. CCD传感器 电荷耦合器件（Charged Coupled Device），感应可见光的光强 扫描仪的图像数字化过程原理图 2.1.1 图像传感器与数字成像2. CMOS传感器 互补性金属氧化物半导体（Complementary Metal-O

2、xide Semiconductor）2.1.2 数字化原理1数学模型,fx yfx yx yfx yAfx y模拟图像的数学模型是一个二元函数，的函数值是能量的记录，是非负有界的实数，同时，一幅实际图像的尺寸是有限的，一般定义在某一矩形域中模拟图像数字化后得到数字图像。数字图像的数学模型仍用二元函数来表示，但此时的坐标值和函数值是离散的，是整数值 02采样和量化 T 采样：空间上的离散化T 量化：灰度上的离散化(0,0)(0,1)( , )(1,0)(1,1)nTffnf x yf nf nn抽样T连续信号（抽样、量化）数字信号2.1.2 数字化原理 采样点阵：正方形、正三角2.1.2 数字

3、化原理T 图像矩阵的特点： a） b）数字化抽样：正方形点阵、三角形点阵、正六角形点阵等0( , )f x y 2.1.2 数字化原理3. 采样定理T 一维采样定理：惠特克卡切尼柯夫香农whittaker-korelnikov-shannon2( )( )2cccwffff tff t（）采样定理。当 或 ，则函数 的傅立叶变换为0，亦即可由相隔为或更密的样本正确重构2.1.2 数字化原理T 二维采样定理：采样频率大于图像信号最高频率的2倍00002()11( , )2cos2(34 ),0.2( , )2cos2(34 )ed d(3,4)(3,4)3,3,415220.2jxu yvccx

4、ysxsysxyf x yxyxyF u vxyx yuvuvfffffffff 例： 带宽 4时为0， 采样频率：或 不满足采样定理，有混频现象0022xyff奈奎斯特频率：不混叠时采样中的最低限，oxyyx( , )(,)( , )( , ) ( , )smns x yxm x yn yf x yf x y s x y 2.1.2 数字化原理1122ccxyuv采样间隔满足条件和，此时模拟图像的采样结果可以精确地，无失真地重建原图像2.1.2 数字化原理4.采样误差T 混叠噪声 孔径效应：实际采样脉冲不是理想冲击函数，有一定的宽度，会产生失真插入噪声：由采样图像信号恢复到原图像，无理想滤波

5、器（在 内频率特性平坦，相位特性成直线)抖动噪声：采样周期为 ，但发射与接受端 存在相位差异，称相位抖动。 TcfT5.量化T 均匀量化T 非均匀量化: a）基于视觉特性：对亮度值急剧变化部分无需过细分层，进行粗量化,对亮度值平缓变化部分需过细分层，进行细量化 b）先计算所有可能的亮度值出现的概率分布，对概率分布大的进行细量化,对概率分布小的进行粗量化,非均匀量化可以减少量化误差，又能用较少的比特数实现量化2.1.2 数字化原理T量化和采样是两个不同的概念，量化是在每个采样 点上进行的，所以必须先采样后量化。T量化和采样是图像数字化的不可或缺的两个操作， 二者紧密相关，同时完成。2.1.2 数

6、字化原理6. 采样和量化的关系,f x yf x y采样 空间离散的像素矩阵量化 对信号的幅度进行离散分层的过程2.1.2 数字化原理222128 128 698304 (12)512 512 82097152 (256)mnkkMNGMNGNNGGkBMNK 图像尺寸每个像素所具有的离散灰度级数（不同灰度值的个数） =2点采样，每点灰度级 级，占 位。存一幅图像所需的位数（bit）、 2.1.2 数字化原理NNkNkNkkNkNkN总数据量位二进制数据当总存储容量一定时， 与 怎么分配效果才最佳？解：无一般方法，取决于具体图像。当纹理细节多时 大， 小。当层次要求多时，则 大， 小。例如：人

7、头像要照顾层次？ 大， 小（频带窄平滑，采样间隔可大）。群众场面纹理丰富？ 小， 大（频带宽，采样间隔要小，不丢细节）。2.1.2 数字化原理NKNKNKk和 的关系：1）图像质量一般随 和 的增加而增加。在极小情况下固定的，减小 能改进图像质量，因为增加了图像的反差。2) 对具有大量细节的图像通常只需要很少的灰度级数就可较好地表示3) 为常数的一系列图像主观看起来可以有较大的差异T非均匀采样和量化细节部分，分配较多的采样灰度突变部分，可用较少的灰度级数2.1.2 数字化原理 表示灰度级、bright, 彩色 ,连续图像 .如X光图像反映人体组织吸收特性，红外图像 反映温度辐射特性，CCD反映

8、可见光的特性( , )f x y( ,)f x y( , , )f x ytT在图像建模中涉及到保真度(fidelity)：衡量处理方法好坏，清晰否？采样、量化正交序列展开，Fourier变换统计模型：把图像看成一个集合的成员如均值、方差。2.1.2 数字化原理2.2 图像数据结构2.2.1 图像模式2.2.2 彩色空间2.2.3 图像存储的数据结构2.2.1 图像模式1灰度图像 可由黑白照片数字化得到，或从彩色图像进行去色处理得到（256灰度级）2二值图像 灰度图像经过二值化处理后的结果，两个灰度级，只需用1bit表示。2.2.1 图像模式3彩色图像T 彩色图像的数据不仅包含亮度信息，还要包

9、含颜色信息。彩色的表示方法是多样化的。T 三基色模型：RGB（Red / Green / Blue，红绿蓝） RGB三基色可以混合成任意颜色。 2.2.1 图像模式2.2.2 彩色空间1)RGB彩色空间：面向硬件设备的彩色模型T 三基色原理三基色指可以用来 调配出其它颜色的红、绿、蓝 三种颜色。T 彩色图像可由红、绿、蓝 三基色图像叠加而成。2.2.2 彩色空间T 在RGB彩色空间中，任意彩色光 的配色方程式为： RGB RGBLrgbrgbL、为其中，彩色光 的三基色分量或百分比。L2)CMY彩色空间 自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，不发

10、光物体称为无源物体。无源物体是不发出光波的物体，其颜色由该物体吸收或反射哪些光波来决定，因此采用CMY三基色相减模型和CMY彩色空间描述。2.2.2 彩色空间2.2.2 彩色空间 油墨和颜料的三基色是CMY（Cyan / Magenta / Yellow，青 / 洋红 / 黄）而不是RGB，CMY三基色的特点是油墨和颜料用的越多，颜色越暗（或越黑），所以将CMY称为三减色，而RGB称为三加色。 2.2.2 彩色空间3)HSI彩色空间 区分颜色常用的3种基本特性量：色调（Hue）、饱和度（Saturation）、强度 （Intensity）。T 色调Hue：与混合光谱中主要光波长相联系T 饱和度

11、Saturation ：与一定色调的纯度有关T 强度Intensity：与物体的反射率成正比1. 一维数组方式: 行 列2.多波段图像数据结合结构1）按各个波段存储N 列 行红绿蓝2.2.3 图像存储的数据结构MMN2）按扫描行存储红 绿 蓝 第1行3）按各个像素存储 红 绿 蓝 （1，1）（1，2）2.2.3 图像存储的数据结构2.多波段图像数据结合结构2.3 图像文件格式2.3.1 BMP文件格式2.3.2 GIF文件格式2.3.3 TIFF文件格式2.3.4 JPEG文件格式2.3.5 DICOM文件格式2.3 图像文件格式2.3.1 BMP文件格式 不经过压缩直接按位存盘的文件格式，称

12、为位图（bitmap）。2.3.2 GIF文件格式 GIF（graphic Interchange Format）是由CompuServe公司设计和开发的文件存储格式，用于存储图形，也可以用来存储256色图像。扩展名为gif。2.3 图像文件格式2.3.3 TIFF文件格式 TIFF（Tagged Image File Format）是相对经典、功能很强的图像文件存储格式，扩展名为tif或tiff。2.3.4 JPEG文件格式 由（国际）联合图像专家组（Joint Photographic Experts Group）提出的静止图像压缩标准文件格式，是面向常规彩色图像及其它静止图像的一种压缩标

13、准。扩展名为jpg或jpeg。 2.3.5 DICOM文件格式 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。DICOM格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。DICOM文件的常见扩展名为DCM。2.3 图像文件格式2.4 图像质量评价2.4.1 图像质量的客观评价2.4.2 图像质量的主观评价2.4.1 图像质量的客观评价T 归一化方均误差211211

14、( , )( , ) ( , )JKjkJKjkf j kf j kNMSEf j k1 1 1 11 11 11 1 1 11 22 1( , ) ( , )1 1 1 11 22 11 1 1 11 11 1f j kf j kNMSET 峰值方均误差T等效信噪比 21121()( , )( , ) JKjkfj kfj kJKPMSEA1010log ()PSNRPMSE 2.4.1 图像质量的客观评价PSNRPMSEf(j,k)被变换的图像场，Af(j,k )的最大值T 图像质量评价的研究是图像信息工程的基本技术之一。 光电变换传输处理记录其他变换T图像增强：就是为了改善图像的主观视觉

15、显示质量 T图像复原：是用于补偿图像的降质，使复原后的图像接近原像 T图像编码技术 :在保持被编码图像一定质量的前提下， 以尽量少的码字来表示图像，以节省信道和储存器容量2.4.2 图像质量的主观评价T基本概念图像逼真度（Fidelity）描述被评价图像与标准图像的偏离程度图像可懂度（Intelligibility) 表示图像能向 人或机器提供信息的能力2.4.2 图像质量的主观评价T 外行、内行 主观评价：采用目视观察和主观感觉评价图像的质量 绝对评价标准图像作参考。 “全优度尺度”： 非常好图像 5分 好图像 4分 中等图像 3分 差图像 2分 非常差图像 1分2.4.2 图像质量的主观评

16、价相对评价图像好到坏分类，比较。 “群优度尺度”最好、稍好一批中最好的图像 7分比该批的平均水平好的图像 6分稍好于该批的平均水平图像 5分该批平均水平的图像 4分稍次于该批的平均水平图像 3分比该批的平均水平差的图像 2分一批中最差的图像 1分2.4.2 图像质量的主观评价Matlab 读图举例 Tclear;clc;Tx=girl.bmp;Tfid=fopen(x);Tm=512; n=256; Ty=fread(fid,m,n); Tfclose(fid);Timagesc(y)2040608010012050100150200250300350400450500Tclear;clc;c

17、lf;Tx=girl.bmp;Tfid=fopen(x);Tm=512; n=131; Ty=fread(fid,m,n); Timagesc(y)Tcolormap(gray)2040608010012050100150200250300350400450500Tclear;clc;clf;Tx=girl.bmp;Tfid=fopen(x);Tm=512; n=256; Ty=fread(fid,m,n); Ty=rot90(y);Timagesc(y)Tcolormap(gray)5010015020025030035040045050020406080100120Tclear;clc;clf;Tx=girl.bmp;Tfid=fopen(x);Tm=512; n=256; Ty=fread(fid,m,n); Ty=rot90(y);Timagesc(y(:,60:310)Tcolormap(gray)5010015020025020406080100120Tclear;clc;clf;Tx=lena.bmp;Tfid=fopen(x);T