数字图像基础

MTI数字图像基础数字图像应用图像增强（去噪）图像分割（边缘检测）目标表达、识别、跟踪图像匹配（数据融合）压缩与编码（JPEG2000）图像数据库基于内容检索（手写体识别，人脸识别）信息隐藏与数字水印

1.视觉系统对颜色的感知光--

视觉系统,可见光波长：380nm～780nm电磁波.

人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性：

(1)眼睛本质上是一个照相机。人的视网膜通过神经元来感知外部世界的颜色，每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体，或者是一个对颜色不敏感的杆状体。(2)红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同，可以使用数字图像处理技术来降低数据率而不使人感到图像质量明显下降。(3)自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这3种颜色值之和来确定，它们构成一个3维的RGB矢量空间。这就是说，

R，G，B的数值不同混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同。（4）对颜色不敏感的杆状体细胞在光功率极低的条件下起作用。（黑暗环境）人眼的视觉特性

1.图像的对比度

对比度：指光源或发光面的最大亮度与最小亮度之比值。用下式表示亮度层次：指画面最大亮度和最小亮度之间可分辨的亮度级差数，也称灰度层次.亮度层次是图像质量的重要参数。亮度层次多，图像显得明暗层次丰富，柔和细腻；亮度层次少，图像会显得单调生硬。

视觉阈（VisibilityThreshold）人眼刚好分清两个相邻区域的亮度差别。这与人眼的分辨力有关。人眼的分辨角：指刚能看出两黑点时，两黑点对人眼的张角。人眼分辨图像细节的能力称为分辨力，可用分辨角来衡量，分辨角的倒数为分辨力。它也反映了人眼的视力。掩蔽效应（Masking）背景亮度变化越剧烈，人眼的对比度灵敏度越低。图像数字化图像数字化过程就是对连续图像f(x,y)进行空间和幅度离散化的过程。采样过程X,Y方向分别采样满足采样定理量化（对灰度或者颜色样本的离散化）黑白灰度图像彩色（与颜色空间相关）图像数字化设备光源光传感器（光电转换）扫描系统扫描仪CCD（电荷耦合器件）阵列视觉系统对颜色和亮度的响应特性视觉系统对颜色的感知RGB相加混色模型绝大部分可见光谱可用红、绿和蓝(RGB)三色光按不同比例和强度的混合来表示。在颜色重叠的位置，产生青色、洋红和黄色。因为RGB颜色合成产生白色，它们也叫作加色。将所有颜色加在一起产生白色──就是说，所有光被反射回眼睛。加色用于光照、视频和显示器。例如，显示器通过红、绿和蓝荧光粉发射光线产生彩色。图像的RGB颜色模型CMY相减混色模型

CMYK模型以打印在纸张上油墨的光线吸收特性为基础，白光照射到半透明油墨上时，部分光谱被吸收，部分被反射回眼睛。理论上，青色(C)、洋红(M)和黄色(Y)色素能合成吸收所有颜色并产生黑色。由于这个原因，这些颜色叫作减色。因为所有打印油墨都会包含一些杂质，这三种油墨实际上产生一种土灰色，必须与黑色(K)油墨混合才能产生真正的黑色。将这些油墨混合产生颜色叫作四色印刷。图像的CMYK颜色模型相加色与相减色关系RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法颜色模型的空间表示图像基本属性分辨率显示分辨率（点距）图像分辨率（象素数目）象素深度（位数）真彩色、伪彩色，直接色伪彩（颜色查找表）直接色（三种压缩分别采样查找表）

显示分辨率

显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为640×480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。除像手提式那样的计算机用液晶显示LCD(liquidcrystaldisplay)外，一般都采用CRT显示，它类似于彩色电视机中的CRT。显示屏上的每个彩色像点由代表R，G，B三种模拟信号的相对强度决定，这些彩色像点就构成一幅彩色图像。孔眼之间的距离称为点距(dotpitch)

图像分辨率

图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。在用扫描仪扫描彩色图像时，通常要指定图像的分辨率，用每英寸多少点(dotsperinch，DIP)表示。如果用300DIP来扫描一幅8″×10″的彩色图像，就得到一幅2400×3000个像素的图像。分辨率越高，像素就越多。图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念。图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目，而显示分辨率是确定显示图像的区域大小。如果显示屏的分辨率为640×480，那末一幅320×240的图像只占显示屏的1/4；相反，2400×3000的图像在这个显示屏上就不能显示一个完整的画面。像素深度

像素深度是指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的分辨率。像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。例如，一幅彩色图像的每个像素用R，G，B三个分量表示，若每个分量用8位，那末一个像素共用24位表示，就说像素的深度为24，每个像素可以是224=16777216种颜色中的一种。在这个意义上，往往把像素深度说成是图像深度。表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就越多，而它的深度就越深。虽然像素深度或图像深度可以很深，但各种VGA的颜色深度却受到限制。例如，标准VGA支持4位16种颜色的彩色图像，多媒体应用中推荐至少用8位256种颜色。由于设备的限制，加上人眼分辨率的限制，一般情况下，不一定要追求特别深的像素深度。此外，像素深度越深，所占用的存储空间越大。相反，如果像素深度太浅，那也影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙和很不自然。α通道(alphachannel)位:在用32位表示一个像素时，若R，G，B分别用8位表示，剩下的8位常称为α通道(属性位)真彩色(truecolor)

真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。例如用RGB5∶5∶5表示的彩色图像，R，G，B各用5位，用R，G，B分量大小的值直接确定三个基色的强度，这样得到的彩色是真实的原图彩色。如果用RGB8:8:8方式表示一幅彩色图像，就是R，G，B都用8位来表示，每个基色分量占一个字节，共3个字节，每个像素的颜色就是由这3个字节中的数值直接决定，如图5-08(a)所示，可生成的颜色数就是224＝16777216种。用3个字节表示的真彩色图像所需要的存储空间很大，而人的眼睛是很难分辨出这么多种颜色的，因此在许多场合往往用RGB5:5:5来表示，每个彩色分量占5个位，再加1位显示属性控制位共2个字节，生成的真颜色数目为215=32K。伪彩色(pseudocolor)

伪彩色图像的含义是，每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表(colorlook-uptable，CLUT)的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色称为伪彩色。彩色查找表CLUT是一个事先做好的表，表项入口地址也称为索引号。例如16种颜色的查找表，0号索引对应黑色，...，15号索引对应白色。彩色图像本身的像素数值和彩色查找表的索引号有一个变换关系，这个关系可以使用Windows95/98定义的变换关系，也可以使用你自己定义的变换关系。使用查找得到的数值显示的彩色是真的，但不是图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的彩色。如图5-08(b)所示。直接色(directcolor)

每个像素值分成R，G，B分量，每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的R，G，B强度值产生的彩色称为直接色。它的特点是对每个基色进行变换。用这种系统产生颜色与真彩色系统相比，相同之处是都采用R，G，B分量决定基色强度，不同之处是前者的基色强度直接用R，G，B决定，而后者的基色强度由R，G，B经变换后决定。因而这两种系统产生的颜色就有差别。试验结果表明，使用直接色在显示器上显示的彩色图像看起来真实、很自然。这种系统与伪彩色系统相比，相同之处是都采用查找表，不同之处是前者对R，G，B分量分别进行变换，后者是把整个像素当作查找表的索引值进行彩色变换。颜色模型关系示意色度-饱和度-亮度HSL(HSB)颜色模型huesaturationlightness(brightness)VGA调色板基于人类对颜色的感觉，HSL模型描述颜色的三个基本特征：色调是从物体反射或透过物体传播的颜色。在0到360度的标准色轮上，色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是由颜色名称标识的，比如红、橙或绿色。饱和度，是指颜色的强度或纯度。饱和度表示色相中灰成分所占的比例，用从0%（灰色）到100%（完全饱和）的百分比来度量。在标准色轮上，从中心向边缘饱和度是递增的。亮度是颜色的相对明暗程度，通常用从0%（黑）到100%（白）的百分比来度量。图像的HSL颜色模型L*a*b颜色模型是在1931年国际照明委员会（CIE）制定的颜色度量国际标准的基础上建立的。1976年，这种模型被重新修订并命名为CIEL*a*b。L*a*b颜色设计为与设备无关；不管使用什么设备（如显示器、打印机、计算机或扫描仪）创建或输出图象，这种颜色模型产生的颜色都保持一致。L*a*b颜色由亮度或光亮度分量(L)和两个色度分量组成；两个分量即a分量（从绿到红）和b分量（从蓝到黄）。A.光度=100（白）B.绿到红分量C.蓝到黄分量D.光度=0（黑）到红分量图像的Lab颜色模型色域是一个色系能够显示或打印的颜色范围。人眼看到的色谱比任何颜色模型中的色域都宽。在颜色模型中，L*a*b具有最宽的色域，它包括RGB和CMYK色域中的所有颜色。通常RGB色域包含能在计算机显示器或电视屏幕（发出红、绿和蓝光）上所有能显示的颜色。因而一些诸如纯青或纯黄等颜色不能在显示器上精确显示。

CMYK色域较窄，仅包含使用印刷色油墨能够打印的颜色。当不能被打印的颜色在屏幕上显示时，它们称为溢色──即超出CMYK色域之外。颜色模型的色域为了使用人的视角特性以降低数据量，通常把RGB空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间。彩色空间变换有三种：YIQ,YUV和YCrCbYIQ适用于NTSC彩色电视制式YUV适用于PAL和SECAM彩色电视制式而YCrCb适用于计算机用的显示器彩色空间的线性变换标准YUV与YIQ模型在彩色电视制式中，使用YUV和YIQ模型来表示彩色图像。在PAL彩色电视制式中使用YUV模型，Y表示亮度，UV用来表示色差，U、V是构成彩色的两个分量；在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中的Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。YUV/YIQ特点亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互独立的可以利用人眼的特性来降低数字彩色图像所需要的存储容量。彩色空间的线性变换标准YUV与RGB彩色空间变换Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.147R-0.289G+0.436BV=0.615R-0.515G-0.100B写成矩阵的形式：彩色空间RGB-YUVYIQ与RGB彩色空间变换Y=0.299R+0.587G+0.114BI=0.596R-0.275G-0.321BQ=0.212R-0.523G+0.311B写成矩阵的形式：彩色空间RGB-YIQYCrCb与RGB彩色空间变换数字域中的彩色空间变换与模拟域的彩色空间变换不同。它们的分量使用Y、Cr和Cb来表示，与RGB空间的转换关系如下：Y＝0.299R＋0.578G＋0.114BCr＝(0.500R－0.4187G－0.0813B)＋128Cb=(-0.1687R－0.3313G＋0.500B)＋128写成矩阵的形式：彩色空间RGB-YCrCbMPEG7中颜色空间R,G,BY,Cr,Cb

H,S,VHMMDLineartransformationmatrixwithreferencetoR,G,BMonochrome（Yonly）图像的种类矢量图（绘制）点位图（采集）矢量图形，是由叫作矢量的数学对象所定义的直线和曲线组成的。矢量根据图形的几何特性来对其进行描述，矢量图形与分辨率无关。位图图象，也叫作栅格图象。位图图象是用小方形网格（位图或栅格），即人所共知的象素来代表图象，每个象素都被分配一个特定位置和颜色值。标准单色图标准灰度图图像的种类256色标准图像24位标准图像图像的种类256色标准图像转换成的灰度图24位标准图像转换成的灰度图图像的种类γ的概念y＝xn

输出＝(输入)γ光电转换特性都是非线性的：幂函数特性(power-law)按照惯例，“输入”和“输出”都缩放到0～1之间。整个系统的传递函数是一个幂函数：它的指数γ等于所有单个部件的γ的乘积。真实地再现原始场景明亮环境γ＝1暗淡环境γ

1.25黑暗环境γ

1.5伽马(

)校正γ校正CRT显示设备γ2.5NTSC电视标准需要摄象机具有γ＝0.45的幂函数，现在采纳γ＝0.5的幂函数。PAL和SECAM电视标准指定摄象机需要具有γ＝0.36的幂函数，实际的摄象机可能会设置成γ＝0.45或者0.5。适合“暗淡环境”。可引入γ值非线性转换函数的环节：camera_gamma：摄象机中图像传感器的γencoding_gamma：编码器编码图像文件时引入γdecoding_gamma：译码器读图像文件时引入γLUT_gamma：图像帧缓存查找表中引入γCRT_gamma：CRT的γ(通常γ＝2.5)伽马(

)校正BMP文件格式位图文件(Bitmap-File，BMP)格式是Windows采用的图像文件存储格式，由4个部分