第二章数字图像处理

1第二章数字图像处理基础

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院2.1人眼的亮度视觉特性2.2图像数字化技术------掌握2.3空间分辨率和灰度级分辨率------掌握2.4像素间的关系2.5图像的代数运算------掌握2.6图像文件格式2.7数字图像类型32.1人眼的亮度视觉特性1.人眼构造和视觉现象眼睛是一个平均直径约为20mm左右的球状器官，它由三层薄膜包着，最外层角膜和巩膜外壳、中间层虹膜和脉络膜和最内层视网膜。图1人眼截面示意图中央凹视轴4（1）瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，从而控制进入人眼内之光通量↔照相机光圈作用（2）晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成象↔照相机透镜作用（3）视细胞：视网膜上集中了大量视细胞，分为两类：锥状细胞：主要分布在视网膜的中央凹，每个眼内约有600万～700万个锥状细胞，每一个锥状细胞连到一个神经末梢，有较高分辨力，可以分辨光的强弱，对颜色很敏感。锥细胞视觉称为明视觉。杆（柱）状细胞:分布在整个视网膜表面上，约有7500万～15000万个，几个柱细胞连到同一个神经末梢，使得分辨力比较低；主要提供视野的整体视象，不感受颜色并对低照度较敏感，形成具有高灵敏度的无色觉功能的暗视觉。5图2锥状细胞和杆状细胞（4）人眼成像过程：人眼成像过程：视细胞受到光刺激产生电脉冲－视神经中枢－大脑成像图3人眼成像过程2.

视觉适应性（1）暗适应：亮→暗：慢（10～30秒左右）（2）亮适应：暗→亮：快（1～2秒左右）◆人眼对亮度变化跟踪滞后的性质称为视觉惰性（或短暂的记忆特性）。

83.同时对比效应

由于人眼对亮度有很强的适应性，因此很难精确判断刺激的绝对亮度。即使有相同亮度的刺激，由于其背景亮度不同，人眼所感受的主观亮度是不一样的。下图可用来证明同时对比的刺激，图中小方块实际上有着相同的物理亮度，但因为与它们的背景亮度不同，故它们的主观亮度显得大不一样。这种效应就叫同时对比效应。图4同时对比效应94.

马赫带效应

人们在观察一条由均匀黑和均匀白的区域形成的边界时，可能会认为人的主观感受是与任一点的亮度有关。但实际情况并不是这样，人感觉到的是在亮度变化部位附近的暗区和亮区中分别存在一条更黑和更亮的条带，这就是所谓的“Mach带”，如图所示。图5

Mach带10图6

Mach带效应示例115.视觉错觉是指人眼填充了不存在的信息或者错误地感知物体的几何特点的特性。图7视觉错觉示例

（d）（e）（f）（a）（b）（c）

人眼所感知的景物一般是连续的，我们称之为模拟图像。连续函数表示的图像无法用计算机进行处理，也无法在各种数字系统中传输或存储，必须将代表图像的连续（模拟）信号转变为离散（数字）信号。这样的变换过程称其为图像信号的数字化。2.2图像数字化技术

图像可用二维函数f(x,y)表示，其中x,y是平面的二维坐标，f(x,y))表示点(x,y)的亮度值(灰度值)。对模拟图像来讲，f(x,y)显然是连续函数。一数字图像表示矩阵中的每一个元素称为像元、像素或图像元素。而f(i,j)代表(i,j)点的灰度值，即亮度值。设连续图像f(x,y)经数字化后，可以用一个离散量组成的矩阵f(i,j)（即二维数组）来表示。0≤i≤M-1，0≤j≤N-1图像f(i,j)的取值范围为[0L-1],在数字图像处理中，一般取阵列M，N和灰度级L都是2的整数幂，即取N＝及L＝。对一般电视图像，N取256或512，灰度级L取64级(m＝6bit)至256级（m=8bit），即可满足图像处理的需要。一幅大小为M×N、灰度级数为L的图像所需的存储空间，即图像的数据量，大小为:

M×N×m（bit）16常用逢的灰度浑级数图像f(i,j)的取晕值范敢围为[0L-1],L=m=必1拉[厨0钩1]悦”二值委图”，1b哨itm=寄4衣[瞎0握15廊]欺16个灰贝度级m=漠8仿[0跳2溪55改]辜2深56灰度广级，1亚by膛te咸,非常截常见黑白药图像是指使图像前的每嫁个像蚀素只踩能是吵黑或瞎白，然没有盟中间崇的过埋渡，胀故又格称为陵二值移图像洽。二榆值图脑像的袜像素狱值为流0或伐1。例如灰度肺图像灰度孤图像鱼是指侨每个莫像素践由一馒个量苗化的肥灰度始值来森描述哲的图绣像。晒它不井包含大彩色够信息御。19老鼠括鼻子膝部位套的灰雕度值.彩色息图像彩色船图像超是指烧每个鄙像素疏由R、轰G、柳B三原午色像灿素构盾成的谁图像润，其挑中R、控B、辨G是由享不同嫩的灰虹度级渔来描捆述的纺。对于圣彩色益图像闹，是肆按照蔑颜色驻成分——红（R）、义绿（G）、施蓝（B）分稀别采袋样和蛮量化暗的。致若各页种颜织色成窄分均祝按8腔bi退t量化恰，即谊每种炭颜色固量级正别是25计6，划则可津以处绒理25折6×叶25主6×师25摔6=混16刃7帐77恋2工16种颜践色。图像扭数字摔化是副将一港幅画昼面转韵化成朋计算芳机能仆处理系的形愿式—数字因图像嗓的过防程。模拟炉图像捏数拦字图衡像援正方杨形点宿阵具体宰来说借，就鼓是把语一幅葬图画与分割兴成如螺图所炊示的投一个倦个小失区域包（像姥元或稻像素历），替并将浙各小坡区域抽灰度扇用整陆数来踏表示松，形恐成一阶幅数垄字图沾像。抖小区别域的渡位置验和灰钩度就秋是像宴素的呢属性榨。图像贱的数迅字化聚包括声采样遥和量叮化两张个过雪程。二.图像踏数字皆化1.采样采样:图像慕在空拿间上躺的离司散化惩。也李就是没用空弦间上它部分江点的缎灰度权值代偿表图居像，淹这些喊点称辛为采样机点。被选侦取的朽点称途为样牙点，昆这些积样点肚也称驻为像孤素。剥在取注样点识上的购函数陶值称汗为样咸值。图像锻大小捧：若每负行（唐即横仪向）敬像素籍为N个，浸每列斗（即莫纵向莲）像首素为M个，投则图扫像大角小为M×退N个像财素。采样毛间隔好：间隔廊大小皮的选忆取依滩据原驶图像俭中包泪含的际细微煌浓淡钉变化缘瑞来决拦定。型它决端定了久采样束后图淘像的富质量攻，即父忠实滋于原希图像掌的程蹈度。2.量化对每油个取根样点驾灰度裁值的料离散驱化过挺程称黄为量化。常见锡的量愈化可评分为胳两大攻类，些一类置是将模每个陈样值助独立抵进行胁量化狭的标摄量量匀化方爱法，腊另一哄类是安将若嘴干样凶值联稍合起吵来作螺为一浴个矢令量来或量化宜的矢点量量填化方犁法。在标脑量量近化中蜘按照唉量化晕等级卧的划纲分方美法不匀同又昏分为付两种讽，一怖种均膊匀量蝴化；免另一误种是忽非均昌匀量沟化。一幅柿数字谎图像乞中不左同灰港度值懒的个怪数称齐为灰展度级票数，峰用L表示盾。一般需来说路，武，m就是校表示吐图像鹿像素拼灰度嗓值所顿需的老比特腊位数矿。3.均匀逮采样拜和非贪均匀危采样碗，量监化和径非均蚁匀量餐化数字弄化方姓式可佣分为丈均匀请采样维、量红化和微非均透匀采迈样、蔑量化光。所富谓“均匀”，指库的是帆采样浇、量得化为著等间美隔。捐图像全数字凉化一存般采盲用均灰匀采财样和补均匀勾量化益方式两。非均泻匀采吸样是井根据触图象卡细节素的丰胀富程摧度改张变采刃样间籍距。鸟细节吊丰富绣的地破方，启采样帜间隔红小，缸否则躬间隔阿大。非均逼匀量灰化是社在灰屋度级慕变化敌尖锐溉的区馒域，零用较雄大的葱量化兼间隔欺，在盾灰度公级比聪较平很滑的留区域馒，用哑较小制的量忙化间适隔。采用滋非均桌匀采盗样与蜂量化饺，会团使问扩题复恋杂化惕，因揉此很村少采句用。图像猴的均灾匀采茧样确定在水平沉和垂曾直方绕向上忠的像羊素个数M、NNM非均夺匀的雁图像决的采遍样在灰档度级谁变化符尖锐冶的区任域（细节码丰富定的区绣域），冶用细筹腻的苍采样蚀，在修灰度托级比医较平临滑的对区域的（细节捞丰富倘的区惩域），即用粗羞糙的天采样喇。2.燥3空间侵分辨宗率和形灰度洲级分跨辨率2.寺3.概1空间喷分辨瓜率和社灰度龙级分梢辨率◆空间突分辨堵率是条图像烫中可南分辨黄的最缎小细忆节，落主要拜由采样改间隔愚值决扔定。◆一种国常用演的空婶间分雾辨率楼的定来义是志单位督距离间内可肆分辨的躺最少血黑白适线对农数目(单位主是每良毫米租线对粥数)，比如阻每毫笨米80线对岗。1、空寺间分镰辨率图9空间分辨率的线对概念示例宽度为W的黑线宽度为W的白线一个宽度为

2W线对2.谊3.蒙1空间蒜分辨岗率和飘灰度裁级分研辨率对于往一个携同样丛大小侮的景衫物来浸说，仅对其输进行罢采样洗的空捐间分始辨率响越高筝，采画样间厘隔就蔬越小战，景则物中仇的细侧节越答能更愤好地海在数清字化冶后的乓图像柏中反择映出赵来，屠也即须反应反该景酒物的向图像劫的质斑量就寄越高洋。2.艳3.瓜1空间讨分辨筹率和朵灰度假级分鹅辨率一幅剥数字土图像沈的阵搏列大晋小（药简称奥为图竟像大匀小）群通常供用M×晚N表示撕。在景匪物大舱小不摄变的下情况庸下，采样齐的空泊间分咽辨率卫越高梯，获召得的虽图像园阵列M×薯N就越腰大；桑反之纽奉，采拆样的彻空间艰分辨涉率越泳低，孩获得捐的图盐像阵路列M×窝N就越纵小。在空柔间分际辨率碌不变池的情吸况下察，图像政阵列M×涝N越大蜓，图马像的超尺寸笼就越低大；填反之教，图割像阵彻列M×逗N越小孤，图节像的和尺寸屈就越猫小。2.涌3.拌1空间假分辨约率和牺灰度厚级分黄辨率可把魔一幅掘数字值图像裳的阵聚列大规小M×李N称为由该幅挂数字及图像滚的空垃间分伯辨率渣。322、灰度援级分械辨率：可辨怒认的底灰度石值的拣最小稀变化。如，干大小厕为MX捐N的L级数鉴字图包像:空间弃分辨议率：M嘱x盘N灰度照分辨耕率：,由m确定2.疼3.野1空间蒜分辨狐率和茎灰度潜级分站辨率1、采射样数绘变化鹊对图表像视残觉效仓果的嫌影响从下览面的道图(a腐)开始助直到圈得到任图(f商)的过项程说查明，肯原图今对应轮的景蛮物大趟小没稀有变似化，黑对原双图采县样的“线对”宽度优也没锄有变仗化,只是壮对同猾一景慕物图啦像的咏采样宪数目愈减少蛮了。由此居说明菠：（1）在剩图像瓦的空荡间分拼辨率米不变(这里子指线评对宽物度不昏变)的情仆况下录，采伴样数视越少蚁，图额像越辜小。群（2）在堆景物映大小能不变趋的情拉况下号，图连像阵闷列M×泻N越小吊，图淹像的熟尺寸延就越炮小。2.音3.移2空间筑和灰证度级节分辨循率对出图像局视觉远效果婶的影穿响1、采枯样数册变化膨对图古像视兄觉效酬果的吐影响(a燥)(b友)(c耻)(d爹)(e殿)恩(塑f)图10采样鉴数变碎化对震图像类视觉乌效果宜的影阳响示霞例2.泪3.金2空间规和灰纤度级酒分辨肚率对扒图像欣视觉置效果撞的影青响35图像膜采样议数变瓜化对扔视觉定效果鼠的影熊响1024x1024512x512256x256128x12864x64最左竖端的厚图的线灰度筑级为25棕6，空讯间分悠辨率络为10姨24许x1冬02躬42、空看间分抵辨率晕变化搜对图斜像视警觉效愧果的匪影响下面各狱图的阳共同睛特征堂是大顺小尺惕寸相洽同，去这种做特征斑的获茫得是踪蝶通过笛降低齐空间欢分辨钢率，射也即场增加柿采样有的线门对宽刊度保除证的势。由此屋可见滋，随映着空界间分抄辨率冶的降骗低，广图像勇中的锤细节无信息弦在逐娘渐损阵失，遥棋盘嫁格似倚的粗用颗粒哨像素自点变毅得越斩来越厦明显删。由沫此也时说明沟，图狼像的席空间泻分辨笼率越羞低，努图像锣的视粒觉效廉果越断差。2.始4.室2空间孙和灰免度级历分辨些率对苦图像造视觉絮效果软的影币响采样话间隔述越大沟，所好得图涌像像素素数那越少翁，空苍间分灰辨率漂低，胀质量算差，药严重把时出缘瑞现像蜻素呈余块状备的国锦际棋冰盘效符应；采样清间隔惑越小辅，所扯得图兔像像飘素数警越多乱，空无间分庙辨率级高，羽图像盖质量劈燕好，状但数跪据量哥大。37空间腥分辨箭率变骨化对邻视觉勺效果纪的影链响5122561286432x32图3-铲2空间歪分辨巾率变蓄化对图糟像质乳量的级影响喊（a）原持始图奋像(2畜56聚×2陕56抹)；（b）采作样图姻像1(滋12体8×武12葛8)；（c）早采样索图像2(气64纵×6轰4)（d）采创样图农像3(作32携×3筹2)；乖（e）采隆样图宏像4(狐16惊×1喜6)；（f）枝采样卸图像5(倾8×辛8)3、灰见度分迅辨率捉变化心对图身像视迎觉效搜果的纵影响下面鸡的图(a威)给出彩了一幅幅灰纳度级伸分辨会率为25添6，空踩间分酷辨率福为51嘱2×慈51筋2的图鸡像。图(b侦)、(c）、(d诉)、(e拆)及(f税)的空矮间级圆分辨披率与冬图(a耽)相同(为51因2×颤51蹄2)，但环灰度某分辨战率依汪次降琴低为32、16、8、4和2。2.罩4.认2空间椒和灰鲜度级季分辨考率对耻图像歇视觉被效果宁的影埋响量化燥等级箩越多橡，所宰得图侨像层申次越倡丰富罩，灰毕度分壤辨率意高，纳图像油质量哄好，邪但数血据量绪大；量化煌等级撕越少灶，图竟像层抹次欠虚丰富题，灰寇度分阵辨率若低，舰会出衬现假卷轮廓梯现象捆，图盼像质速量变俭差，画但数居据量葛小。但在裁极少铺数情捆况下桶对固贩定图隔像大婚小时间，减缩慧少灰授度级辜能改拘善质未量，舱产生钻这种有情况沈的最制可能毕原因耗是减恰少灰更度级绩一般榨会增肌加图肝像的脆对比败度。酷例如谊对细殊节比屠较丰起富的遍图像膀数字扰化。图3-虽3不同龄灰度知分辨惕率对炎图像父质量喉的影副响（a）雾原始击图像(2跳56色)；属（b）演量化遇图像1(浓64色)；混（c）够量化赶图像2(甚32色)；（d）残量化晨图像3(慌16色)；调（e）汇量化筐图像4(财4色)；卸（f）均量化修图像5(屯2色)一般量，当膨限定习数字叨图像膊的大蜂小时,为了我得到诱质量滑较好驶的图跌像可剥采用卸如下盯原则矿：（1）俭对缓申变的覆图像闷，导应该对细量谢化，前粗月采样栗，蛮以避皮免假丛轮廓扫。（2）浩对细床节丰维富的袜图像个，秃应细委采样支，惠粗量推化，票以碧避免罪模糊屋（混谜叠）阴。432.火4像素详间的裤关系本节狸在讨摸论有芬关问御题时欢约定坐：用诸郑如p、q和r这样呢的一滚类小蜓写字岗母表捡示某碌些特脆指的脉像素意；用诸大如S、T和R这样友的一秃类大惊写字严母表疤示像宰素子更集。44相邻没像素喷与4-邻域设图辈像中践的像谎素p位于(x，y)处，俭则p在水们平方岂向和太垂直此方向滋相邻恋的像姻素qi最多龙可有4个，鄙其坐凉标分胶别为诵：（x-筝1，y）,（x，y-望1）,（x，y+吐1）,（x+考1，y）由这4个像温素组灰成的粉集合丝式称为期像素p的4-邻域,记为N4(p思)。1.像素告的相梅邻和星邻域N4(p巧)45对角永相邻纯像素旧与4-对角谦邻域设图眠像中通的像留素p位于(x，y)处，扯则p的对密角相亲邻像诵素ri最多妨可有4个，棒其坐翁标分粉别为槐：(x寸-1荐,y伶-1狗),融(x嘴-1慈,y渡+1触),徐(x象+1吸,y魄-1洋),瞎(x获+1陈,y农+1棕)由这4个像猴素组表成的梁集合艰称为知像素p的4-对角扒邻域,记为ND(p乳)。468-邻域把像狗素p的4-对角魄邻域彩像素升和4-邻域紧像素顽组成完的集守合称办为像译素p的8-邻域象，记颤为N8(p阳)。N8(p五)图像诉边界业相邻扎像素亚的定纤义：472.像素槐的邻房诚接性绪与连狐通性4-邻接p室&暑q属于俭目标V并且q在N4(p齐)邻域8-邻接p谅&幻玉q属于拖目标V并且q在N8(p谜)邻域M-邻接p纳&索q属于闷目标V或者q在N4(p远)中，良或者q在ND(p浙)中，公且N4(p暗)∩N4(q消)中没塔有值彼为V中的劈燕元素路径两个醋像素p=出(x杀,y按)和q=困(s谢,t知)之间净的通禁路如果独在p和q之间储有一狭条路劲径，脆则p和q是相快连通成的(x战,y序)=真(x0,y0)(xn,yn)=颜(s脉,t扒)(x1,y1)(xn-详1,yn-垃1)邻接邻接..劣.494-邻接蜘路径8-邻接息路径路径闭合忍通路本、连忘通分剥量、焰连通曾集50连通51距离附度量寄函数对于掌坐标野分别有位于蝴（x,y），俗（u,v）和晕（w,z）处湾的像词素p、q和r，如警果：(1）D(p,q)≥和0（D(p,q)=块0，当诱且仅自当p=子q，即p和q是指剖同一承像素晕）；(2）D(晶p,宅q)共=D绿(q店,嘱p)；(3）D(节p,喷r)届≤坏D(放p,域q)材+D煎(q番,r缎)。则D是距赴离度轿量函舰数。3.距离已的度拉量52欧氏晴距离像素p和q之间意的欧州氏（Eu攀cl点id篇ea举n）距代离定瞒义为想：De(p减,q互)=电[(舰x-楚u)2+(祥y-桑v)2]1/茶2也即将，所计有距描像素贴点(x,激y)的欧柱氏距绩离小顺于或钞等于d的像烘素都宁包含鞠在以(x,捕y)为中严心,以d为半躺径的美圆平锐面中屠。53街区倦距离像素p和q之间掘的D4距离榨，也熟即街汗区（ci顶ty上-b由lo简ck）距惜离，廊定义慕为：D4(p疯,q内)=|x-辣u|+|y-鼠v|也即岔，所涝有相蹈距像产素点(x宣,y员)的D4距离预为小核于d或等们于d的像障素组场成一页个中汪心点继在(x带,y患)的菱兼形。54街区谱距离（续律）比如续，那夹些与东点(x抗,y吊)的D4距离谈为小艰于2或等花于2的像晕素组色成了丹如下且图所睁示的诉等距踩离轮正廓。22宅1累22五1格0睁1慌22填1编2255棋盘铁距离像素p和q之间窝的D8距离服，也谱即棋晓盘距赞离，姐定义蠢为：D8(p感,q笔)=驳ma宝x(怠|x将-u堤|，|y塌-v领|)也即果，所曲有距固像素喉点(x途,y待)的D8距离够为小才于d或等绣于d的像下素组右成一宰个中郑心点蛛在(x校,y坝)的方间形。56棋盘称距离咏（续孕）比如脚，距沙点(x码,y亲)的D8距离漂小于隆或等文于2的像薪素组恼成了糕如下阵图所烤示的共等距典离轮赚廓。2劝2杰2杆2垒22吩1面1厦1签22贷1缴0糟1捷22颤1添1坛1近22唉2岛2努2习2距离欧式于距离街区来距离,心4-邻接利路径您所需酱步数棋盘校距离,倒8-邻接盗路径猎所需埋步数目标V中的移像素禾与边兰界的扩距离街区浸距离棋盘锣距离59图像箱的代锋数运晓算是链指两兵幅输歉入图冶像对舱应像刃素间魂的一弯对一乏的灰丹度值揪相加震、相对减、百相乘傅和相窃除运豆算。领这些鸟运算闹在许傅多的粮图像狭处理师中都六会用酿到。加法读：减法辽：乘法跌：除法有：要事跌先约弓定不粗符合蕉要求捎的像周素值脆处理逗方法2.俱5图像卧的代惑数运蓬算2.据6图像冻文件通格式数字适图像酷有多贸种存扑储格萍式，勿每种起格式腰一般蚀由不敏同的雁开发彻商支雾持。微随着苹信息气技术州的发狱展和州图像润应用细领域邀的不坡断拓薯宽，晋还会杀出现督新的晚图像撒格式献。因款此，膝要进碍行图著像处骗理，梯必须纳了解仙图像档文件爹的格国式，嫂即图吴像文更件的托数据层构成立。每一辩种图膨像文从件均董有一泉个文黄件头红，在要文件俯头之座后才地是图孟像数毯据。底文件锋头的幼内容辆由制剃作该稿图像牲文件督的公议司决锅定，绢一般曲包括智文件娃类型金、文团件制忘作者彼、制降作时据间、挤版本某号、造文件飞大小柔等内哭容。归各种卷图像虑文件童的制摆作还葱涉及全到图眨像文滤件的瓜压缩幅方式捐和存拣储效奏率等勿。图像薪格式：存弹储图巷像采坑用的弓文件嫩格式狭。BM块P文件蓄包括闹表头货、调茎色板凯和图莲像数列据GI余F文件TI托FF文件PC狱X文件JP愈G格式第一怠部分雪为位定图文号件头BI助TM脏AP迟FI柄LE驳HE角AD米ER，它溪是一际个结艰构体次，第二撇部分第为位春图信亮息头BI醉TM芳AP仰IN垄FO冒HE治AD筐ER，也葡是一壤个结扑构，第三葛部分嚷为调肤色板(P渣al脚et洗te馅)，当店然，泄这里歌是对慕那些蜜需要结调色围板的那位图谁文件继而言修的。喘真彩包色图兼像是泡不需消要调瓶色板慕的，BI筝TM行AP月IN水FO魄HE生AD趋ER后直梳接是胆位图涨数据带。第四证部分蜘就是医实际医的图甩像数修据。竿对于甘用到午调色瓣板的原位图砍，图某像数碧据就线是该皆像素庭颜色堡在调枝色板任中的笨索引早值，艰对于铅真彩之色图属像，锁图像欺数据假就是靠实际视的R、G、B值。2.共7数字深图像筝类型静态扒图像融可分想为矢与量(V窑ec逝to表r)图和境位图读（Bi真tm寨ap）位图华是通裤过许揪多像籍素点算表示爱一幅服图像仔，每躲个像裙素具本有颜栽