图像技术基础

图像技术基础第1页，共91页，2023年，2月20日，星期四第1章图像技术基础1.1图像和像素1.2像素间联系（重点、难点）1.3图像坐标变换1.4图像显示1.5采样和量化1.6图像存储与格式1.7图像技术及分类第2页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.1图像和像素讨论：1、这几个英文单词：Image、Picture、Graphics是否表示同一个意思？2、图像与图象是否表示同一个意思？第3页，共91页，2023年，2月20日，星期四什么是图像？Image：用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。现在多用此单词表示离散的数字图像。Picture：早期的图像用这个单词表示，现在多用于表示模拟类型的图像。Graphics：是指图形，通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。第4页，共91页，2023年，2月20日，星期四图像：泛指2D\3D图片、照片等一类的平面或数字图形。图象：一般指数学中图，如函数图象一类的图。图象（广义/抽象）图像（狭义/具体）第5页，共91页，2023年，2月20日，星期四1、图像与数字图像图像类型

{广义}

图片，动画，绘图，文字/档，...

{狭义}

单幅

序列图像，...

静止

运动图像（视频），... 2-D3-D，彩色，立体对， 多光谱,多视场图像，... 灰度

深度，纹理图像，...

第6页，共91页，2023年，2月20日，星期四2-D数组 f(x,y)

x，y：2-D空间XY中坐标点的位置

f：代表图像在(x,y)的性质F的数值

f，x，y的值可以是任意实数现实世界：T（x,y,z,t,λ）t表示时间变量，λ表示频谱变量（波长）性质F:可对应不同物理量

灰度图像里用灰度表示图像表示第7页，共91页，2023年，2月20日，星期四第8页，共91页，2023年，2月20日，星期四数字图像是指由被称作像素的小块区域组成的二维矩阵。将图像行列划分后，每个小块区域称为像素（pixel）。2、像素和表示第9页，共91页，2023年，2月20日，星期四每个像素包括两个属性：位置和灰度。对于单色即灰度图像而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在0到255之间，即可用一个字节来表示，

0表示黑、255表示白，而其它表示灰度级别。

第10页，共91页，2023年，2月20日，星期四物理图像19643灰度像素数字图像采样列采样行图片像素行间隔采样列间隔灰阶黑灰白0128255第11页，共91页，2023年，2月20日，星期四灰度级灰度图像(128x128)及其对应的数值矩阵125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133,60,133,154,158,100,116,120,97,74,54,74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115,88,49,155,163,95,112,123,101,137,108,81,71,63,81,137,142,146,152,159,161,159,154,138,81,78,84,114,95,167,69,85,59,65,43,85,34,69,78,104,101,117,132,134,149,160,165,158,143,114,99,57,45,51,57,（仅列出一部分(26x31)）第12页，共91页，2023年，2月20日，星期四彩色图象可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。

–通常，三元组的每个数值也是在0到255之间，0表示相应的基色在该像素中没有，而255则代表相应的基色在该像素中取得最大值，这种情况下每个像素可用三个字节来表示。彩色图象(128x128)及其对应的数值矩阵（仅列出一部分(31x25)）(207,137,130)(220,179,163)(215,169,161)(210,179,172)(210,179,172)(207,154,146)(217,124,121)(226,144,133)(226,144,133)(224,137,124)(227,151,136)(227,151,136)(226,159,142)(227,151,136)(230,170,154)(231,178,163)(231,178,163)(231,178,163)(236,187,171)(236,187,171)(239,195,176)(239,195,176)(240,205,187)(239,195,176)(231,138,123)(217,124,121)(215,169,161)(216,179,170)(216,179,170)(207,137,120)(159,51,71)(189,89,101)(216,111,110)(217,124,121)(227,151,136)(227,151,136)(226,159,142)(226,159,142)(237,159,135)(237,159,135)(231,178,163)(236,187,171)(231,178,163)(236,187,171)(236,187,171)(236,187,171)(239,195,176)(239,195,176)(236,187,171)(227,133,118)(213,142,135)(216,179,170)(221,184,170)(190,89,89)(204,109,113)(204,115,118)(189,85,97)(159,60,78)(136,38,65)(160,56,75)(204109113)(227151136)(226159142)(237159135)(227151136)第13页，共91页，2023年，2月20日，星期四2、像素和表示图像表示矩阵

矢量

第14页，共91页，2023年，2月20日，星期四空间排列规律

1、像素邻域（邻接）

2、像素间的距离

1.2像素间联系第15页，共91页，2023年，2月20日，星期四4连接8连接M连接1.2像素间联系第16页，共91页，2023年，2月20日，星期四1、像素的邻域邻域：像素----邻近像素（近邻像素）根据对一个坐标为（x,y）的像素p的近邻像素的不同定义，可以得到由不同近邻像素所组成的不同的相应邻域。常用的像素邻域主要有如下3种：（1）4-邻域N4(p)（2）对角邻域ND(p)（3）8-邻域N8(p)p1.2像素间联系第17页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.2像素间联系第18页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.2像素间联系第19页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.2像素间联系第20页，共91页，2023年，2月20日，星期四邻域N4(p)——像素(x,y)的4邻域

(x+1,y)，

(x-1,y)，(x,y+1)，(x,y-1)ND(p)——像素(x,y)的对角邻域

(x+1,y+1)，

(x+1,y-1)，(x-1,y+1)，(x-1,y-1)

N8(p)——像素(x,y)的8邻域

N4(p)+ND(p)1.2像素间联系第21页，共91页，2023年，2月20日，星期四2、连接和连通（adjacency,邻接（邻域））vs.

(connectivity,连接)

邻接仅考虑像素间的空间关系

两个像素是否连接：

(1)是否接触（邻接）

(2)灰度值是否满足某个特定的相似准 则（同在一个灰度值集合V中取值）1.2像素间联系第22页，共91页，2023年，2月20日，星期四（1）4-连接两个像素p和q在V中取值且q在N4(p)中，则它们为4-连接。1.2像素间联系第23页，共91页，2023年，2月20日，星期四（2）8-连接两个像素p和q在V中取值且q在N8(p)中，则它们为8-连接。8-邻域1.2像素间联系第24页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.2像素间联系两种连接

4连接

8连接连接比邻域（邻接）要求更高，不仅要考虑空间关系，还要考虑灰度关系。第25页，共91页，2023年，2月20日，星期四连通

如果p和q不（直接）邻接，但它们均在另一个像素的相同邻域中（4邻域、8邻域或D邻域），且这3个像素的灰度值均满足某个特定的相似准则，则称p和q是连通的。只要两个像素p和q间有一系列连接的像素，则它们是连通的。1.2像素间联系第26页，共91页，2023年，2月20日，星期四例：（1）令V={0，1}，4连通、8连通？（2）令V={1，2}，4连通、8连通？3121（q）220212111（p）012第27页，共91页，2023年，2月20日，星期四连通

连接是连通的一种特例通路 由一系列依次连接的像素组成 从具有坐标(x,y)的像素p到具有坐标(s,t)的像素q的一条通路由一系列具有坐标(x0,y0)，(x1,y1)，…，(xn,yn)的独立像素组成。这里(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，且(xi,yi)与(xi-1,yi-1)邻接，其中1≤i

≤

n，n为通路长度

4-连通，8-连通

4-通路，8-通路1.2像素间联系第28页，共91页，2023年，2月20日，星期四通路建立了两个像素p和q之间的空间关系。当n=1时，两个连通的像素也是连接的。第29页，共91页，2023年，2月20日，星期四例题：（1）令V={0，1}，计算p与q之间的4通路、8通路的长度（最短）。（2）令V={1，2}，重复上述计算。3121（q）220212111（p）012第30页，共91页，2023年，2月20日，星期四像素集合的邻接和连通

对2个图像子集S和T来说，如果S中的一个或一些像素与T中的一个或一些像素邻接，则可以说2个图像子集S和T是邻接的

第31页，共91页，2023年，2月20日，星期四例题：两个图像子集S1和S2，对于V={1}，目标像素为1，确定它们是4连接还是8连接？00000000001001001001100101100000111000000011100111S1S2第32页，共91页，2023年，2月20日，星期四小结：邻域（邻接）：空间接触连接：接触，灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值连通：灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值，有通路但不一定接触1.2像素间联系第33页，共91页，2023年，2月20日，星期四3、像素间的距离距离量度函数 ：满足下列条件

3个像素p，q，r，坐标(x,y)，(s,t)，(u,v)

(1)

两个像素之间的距离总是正的

(2)

距离与起终点的选择无关

(3)

最短距离是沿直线的1.2像素间联系第34页，共91页，2023年，2月20日，星期四距离量度函数

(1)欧氏（Euclidean）距离

(2)城区（city-block）距离

(3)棋盘（chessboard）距离第35页，共91页，2023年，2月20日，星期四距离量度函数

等距离轮廓图案

D4距离 D8距离第36页，共91页，2023年，2月20日，星期四距离量度函数

距离计算示例（p6）DE=5D4=7D8=4第37页，共91页，2023年，2月20日，星期四用距离定义邻域 考虑在空间点(xp,yp)的像素p 4-邻域——N4(p) 8-邻域——N8(p)第38页，共91页，2023年，2月20日，星期四练习如右图像子集，其中像素p和q的值均为1，令V={1，2}，分别计算4连通、8连通时像素p和q间的距离。312q22021211p012第39页，共91页，2023年，2月20日，星期四邻域连通距离1.2像素间联系第40页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.3 图像坐标变换1、平移变换2、尺度变换3、旋转变换4、级联5、反变换第41页，共91页，2023年，2月20日，星期四变换表达图像坐标变换（imagecoordinatetransform）将像素从图像中的一处移动到另一处，从而改变图像的布局。V是包含原坐标的矢量，v’是由变换后坐标组成的矢量。对不同的变换，变换矩阵A中的数值不同第42页，共91页，2023年，2月20日，星期四坐标变换示例：平移变换

第43页，共91页，2023年，2月20日，星期四平移前的图像

平移后的图像

第44页，共91页，2023年，2月20日，星期四尺度（缩放）变换（沿X轴，Y轴，Z轴）

第45页，共91页，2023年，2月20日，星期四旋转变换

第46页，共91页，2023年，2月20日，星期四图像旋转

第47页，共91页，2023年，2月20日，星期四级联变换对一个坐标为v的点的平移、放缩、旋转变换可表示为：见P7公式1.3.7

用单个变换矩阵的方法可对点矩阵v变换这些矩阵的运算次序一般不可互换第48页，共91页，2023年，2月20日，星期四坐标变换

反变换

第49页，共91页，2023年，2月20日，星期四知识回顾1、数字图像处理的基本概念2、像素间的联系

邻域：空间接触

连接：接触，灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值

连通：灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值，有通路但不一定接触3、图像坐标变换第50页，共91页，2023年，2月20日，星期四半调（halptone）输出

多数打印设备仅能直接显示输出二值图,为了在这些设备上输出灰度图像常采用一种称为半调输出（halftoning）的技术。

原理：利用人眼的集成特性，在每个像素位置打印一个其尺寸反比于该像素灰度的黑圆点，即在亮的图像区域打印的点小，而在暗的区域打印的点大，或者说通过控制二值点模式的形式（包括数量，尺寸，形状等）来获得视觉上不同的灰度感觉1.4 图像显示第51页，共91页，2023年，2月20日，星期四调制模板

每个输出单元内包含若干个基本二值点 每个模板对应一个输出单元

22

5

种灰度

第52页，共91页，2023年，2月20日，星期四3

3

10种灰度

第53页，共91页，2023年，2月20日，星期四抖动（dithering）输出技术

f(x,y)

+d(x,y)半调技术牺牲图像的空间点数而增加图像的灰度级数要保持细节，灰度级数就有限2、抖动技术原始图像随机小噪声第54页，共91页，2023年，2月20日，星期四（a）原始图像（b）半调输出图（c、d）利用抖动技术进行改善的结果第55页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.5采样和量化空间采样（sampling）：空间坐标的离散化灰度量化（quantization）：灰度的离散化空间分辨率幅度分辨率第56页，共91页，2023年，2月20日，星期四57第57页，共91页，2023年，2月20日，星期四58图像的量化就是将采样后图像的每个样点的取值范围分成若干区间，并仅用一个数值代表每个区间中的所有取值。

第58页，共91页，2023年，2月20日，星期四均匀采样非均匀采样1.5采样和量化第59页，共91页，2023年，2月20日，星期四图像采集装置(CCD,CMOS,CID)

为采集数字图像，需要两种装置（器件）：

(1) 对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫 外线、可见光、红外线等）敏感的物 理器件，它能产生与所接受到的电磁 能量成正比的（模拟）电信号；

(2) 数字化器，它能将上述（模拟）电信 号转化为数字（离散）的形式。

第60页，共91页，2023年，2月20日，星期四数字图像

图像（水平）尺寸M：

图像（垂直）尺寸N： 像素灰度级数G(k-bit)： 图像所需的位数b：1、图像数据量第61页，共91页，2023年，2月20日，星期四yx对连续图像f（x，y）进行数字化空间上，图像抽样幅度上，灰度级量化x方向，抽样M行y方向，每行抽样N点整个图像共抽样M×N个像素点一般取M=N=2n=64，128，256，512，1024，2048第62页，共91页，2023年，2月20日，星期四数字图像

存储1幅3232，16个灰度级的图 需要4,096bit

存储1幅128128，64个灰度级的图 需要98,304bit

存储1幅512512，256个灰度级的图 需要2,097,152bit第63页，共91页，2023年，2月20日，星期四空间分辨率——图像中可辨别的最小细节——采样间隔决定的——MXN幅度分辨率（灰度级分辨率）——在灰度级别中可分辨的最小变化——G第64页，共91页，2023年，2月20日，星期四2、图像质量与数据量图像空间分辨率变化所产生的效果（p12-13）

第65页，共91页，2023年，2月20日，星期四图像幅度分辨率变化所产生的效果

第66页，共91页，2023年，2月20日，星期四空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果

第67页，共91页，2023年，2月20日，星期四讨论：图像采集越密集越好，量化级数越多越好？第68页，共91页，2023年，2月20日，星期四对采样和量化的讨论（1）图像数据量由空间分辨率和幅度分辨率决定；（2）采样值取决于需要观察到图像中哪个尺度的细节；量化值取决于人类视觉系统的分辨率和应用场合；（3）灰度尖锐的过渡区采用较密的采样，用较少的灰度级；在灰度平滑的过渡区采用较稀的采样，用较多的灰度级。第69页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.6图像存储与格式图像存储器件图像文件格式图像文件格式是记录和存储影像信息的格式。对数字图像进行存储、处理、传播，必须采用一定的图像格式，也就是把图像的像素按照一定的方式进行组织和存储，把图像数据存储成文件就得到图像文件。图像文件格式决定了应该在文件中存放何种类型的信息，文件如何与各种应用软件兼容，文件如何与其它文件交换数据。第70页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.6图像存储与格式图像存储器件图像文件格式(1)

BMP（BitMaP）格式(2)

GIF（GraphicsInterchangeFormat）格式(3)

TIFF（TaggedImageFormatFile）格式(4)

JPEG（JointPhotographicExpertGroup）格式第71页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.6图像存储与格式图像文件格式(1)BMP（BitMaP）格式BMP格式支持RGB、索引颜色、灰度和位图颜色模式。(2)

GIF（GraphicsInterchangeFormat）格式GIF(图像交换格式)是一种LZw压缩格式，用来最小化文件大小和电子传递时间。(3)

TIFF（TaggedImageFormatFile）格式几乎所有的桌面扫描仪都可以生成TIFF图像。而且TIFF格式还可加入作者、版权、备注以及自定义信息，存放多幅图像。(4)

JPEG（JointPhotographicExpertGroup）格式JPEG是目前所有格式中压缩率最高的格式。目前大多数彩色和灰度图像都使用JPEG格式压缩图像，压缩比很大而且支持多种压缩级别的格式，第72页，共91页，2023年，2月20日，星期四图象（广义/抽象）图像（狭义/具体）人类从外界（客观世界）获得的信息约有75%来自视觉系统

图像工程三层次：图像处理（图像——>图像）图像分析（图像——>数据）图像理解（图像——>解释）1.7图像技术及分类第73页，共91页，2023年，2月20日，星期四第74页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.7 图像技术及分类第75页，共91页，2023年，2月20日，星期四

数字图像处理的三个层次1.图像处理：对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果；强调图像之间进行的变换；图像处理是一个从图像到图像的过程。第76页，共91页，2023年，2月20日，星期四2.图像分析：对图像中感兴趣的目标进行提取和分割，获得目标的客观信息（特点或性质），建立对图像的描述；以观察者为中心研究客观世界；图像分析是一个从图像到数据的过程。第77页，共91页，2023年，2月20日，星期四3.图像理解：研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系；得出对图像内容含义的理解及原来客观场景的解释；以客观世界为中心，借助知识、经验来推理、认识客观世界，属于高层操作（符号运算）。第78页，共91页，2023年，2月20日，星期四1.7 图像技术及分类第79页，共91页，2023年，2月20日，星期四图像工程是一门交叉学科研究方法上，与数学、物理学（光学）、生理学、心理学、电子学、计算机科学相互借鉴；研究范围上，与计算机图形学、模式识别、计算机视觉相互交叉。第80页，共91页，2023年，2月20日，星期四小结：

1、基本概念像素采样、量化空间分辨率、幅度分辨率2、像素间联系

邻域

连接、连通

距离3、图像坐标变换4、采样和量化第81页，共91页，2023年，2月20日，星期四

谢谢！第82页，共91页，2023年，2月20日，星期四BMP格式BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

第83页，共91页，2023年，2月20日，星期四典型的BMP图像文件由四部分组成：

1：位图文件头数据结构，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；

2：位图信息数据结构，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息；

3：调色板，这个部分是可选的，有些位图需要调色板，有些位图，比如真彩色图（24位的BMP）就不需要调色板；

4：位图数据，这部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同，在24位图中直接使用RGB，而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引值。

第84页，共91页，2023年，2月20日，星期四JPEG格式JPEG是JointPhotographicExpertsGroup(联合图像专家组)的缩写，文件后辍名为“．jpg”或“．Jpeg”。JPEG本身只有描述如何将一个影像转换为字节的数据串流（