《数字图像处理及工程应用》课件第2章

2025/8/21第1页第2章数字图像的基本概念2.1图像的数字化1、图像采样图像的数字化包括采样和量化两个过程采样是指将空域上或时域上连续的图像（模拟图像）变换成离散采样点（像素）集合的一种操作。2025/8/21第2页第2章数字图像的基本概念

像素

图2.1图像采样示意图图像采样是通过先在垂直方向上采样，然后将得到的结果再沿水平方向采样两个步骤来完成，其过程如图2.1所示。经过采样之后得到的二维离散信号的最小单位就称为像素。一般情况下，水平方向的采样间隔与垂直方向的采样间隔相同。2025/8/21第3页第2章数字图像的基本概念对一幅图像采样后，若每行（横向）像素为M个，每列（纵向）像素为N个，则图像大小为M×N个像素。像素越多，图像越清晰。评价参数：图像分辨率采样密度采样频率扫描分辨率2025/8/21第4页第2章数字图像的基本概念进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要的问题，根据一维采样定理，若一维信号的最大截止频率为，以为采样间隔进行采样，采用矩形脉冲采样，则有：式中：2025/8/21第5页第2章数字图像的基本概念2、图像量化量化就是把采样点上表示亮暗信息的连续量离散化后，用数值来表示，一般的量化值为整数。这样，经过采样和量化之后，数字图像可以用整数阵列的形式来描述。2025/8/21第6页第2章数字图像的基本概念（a）数字图像（b）取中央窗口16x16子图像2025/8/21第7页第2章数字图像的基本概念（c）子图像的量化值图2.2实际图像的采样与量化2025/8/21第8页第2章数字图像的基本概念3、采样和量化参数的选择对一幅图像，当量化级数G一定时，采样点数M×N对图像的空间分辨率有着显著的影响。当采样点数减少时，图的块状效应就逐渐明显，如图2.3所示。另一方面，当图像的采样点数一定时，量化级数越少，图像质量越差。2025/8/21第9页第2章数字图像的基本概念(a)原始图像（256x256）(b)采样图像1（128x128）(c)采样图像2（64x64）(d)采样图像3（32x32）(e)采样图像4（16x16）(f)采样图像5（8x8）图2.3不同采样点数对图像质量的影响2025/8/21第10页第2章数字图像的基本概念(a)原始图像（灰度级为256）(b)灰度级为32(c)灰度级为16(d)灰度级为8(e)灰度级为4(f)灰度级为2图2.3不同量化及别对图像质量的影响2025/8/21第11页第2章数字图像的基本概念一般，当限定数字图像的大小时，为了得到质量较好的图像，可采用以下原则：对缓变的图像，应该粗采样，细量化，以避免出现假轮廓。对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，以避免模糊。2025/8/21第12页第2章数字图像的基本概念2.2数字图像的数值描述一幅图像可以定义为一个二维函数，其中是空间（平面）坐标。由于矩阵是二维结构的数据，以矩阵的形式表示图像既直观又利于图像处理运算。一幅行数为M，列数为N的图像可以表示成的形式，其中，，称为图像元素，表示图像在该点上的强度或灰度，简称为像素值。现定义图像坐标系如图2.5所示。2025/8/21第13页第2章数字图像的基本概念列坐标(n)行坐标(m)(2.3)图2.5图像坐标系2025/8/21第14页第2章数字图像的基本概念一般数字图像可以分为二值图像、灰度图像、彩色图像三类：（1）二值图像：二值图像是指每个像素不是黑就是白，其灰度值没有中间过渡的图像。二值图像的矩阵取值非常简单，即(黑)，或(白)，具有数据量小的优点。2025/8/21第15页第2章数字图像的基本概念（a）二值图像（b）取中央窗口16x16子图像2025/8/21第16页第2章数字图像的基本概念（c）子图像的数值描述矩阵图2.6二值图像数值描述2025/8/21第17页第2章数字图像的基本概念（2）灰度图像：灰度图像是指每个像素的信息由一个量化后的灰度级来描述的数字图像。每个像素的灰度值用一个字节表示，灰度级数为256级，每个像素可以是0~255（从黑到白）之间的任何一个值。（3）彩色图像：彩色图像是根据三基色成像原理来实现对自然界中的色彩描述的，所有颜色都是由红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三基色合成的。2025/8/21第18页第2章数字图像的基本概念（a）红色分量图（b）绿色分量图（c）蓝色分量图图2.7数字彩色图像的三基色通道分量图2025/8/21第19页第2章数字图像的基本概念2.3数字图像文件格式数字图像在计算机中是以文件的形式进行存储的，不同的应用背景对文件的存储格式提出了不同的要求。1、BMP文件格式BMP位图文件结构包括文件头、位图信息头、颜色信息和图像数据四个部分，前三个部分主要用来定义文件的结构，最后一个部分为图像的像素信息。2025/8/21第20页第2章数字图像的基本概念表2.1BMP位图文件各结构的具体数据项结构数据域含义BITMAPFILEHEADERbfType字节“BM”bfSize文件总字节数bfReserved10bfReserved20bfOffBits位图数据距文件头的偏移量BITMAPINFOHEADERbiSize本结构大小的字节数biWidth位图的宽度，单位为像素点biHeight位图的高度，单位为像素点biPlances1biBitCount像素的位数（1、4、8、24）biCompression压缩方式（0表示不压缩）biSizeImage位图数据的字节数biXperlsPerMeter水平分辨率biYpelsPerMeter垂直分辨率biClrUsed图像中使用的颜色数biClrImportant图像中重要的颜色数RGBQUADrgbBlue蓝色的比例rgbGreen绿色的比例rgbRed红色的比例rgbReserved0,保留字2025/8/21第21页第2章数字图像的基本概念（1）文件头：文件头结构含有BMP文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息。（2）信息头：信息头结构用于说明位图的尺寸等信息。（3）颜色表：8位位图文件中，每个像素占8位，可表示256种颜色，8位位图文件含有颜色表，而真彩色位图文件中不含颜色表。颜色表用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项是一个RGBQUAD类型的结构，定义一种颜色。2025/8/21第22页第2章数字图像的基本概念（4）位图数据：位图数据记录了位图的每一个像素值，位图的一个像素值所占的字节数如下：当biBitCount=1时，8个像素占1个字节。当biBitCount=4时，2个像素占1个字节。当biBitCount=8时，1个像素占1个字节。当biBitCount=24时，1个像素占3个字节。位图像素的位数可以为1、4、8和24，其图像的颜色数分别为2、16、256和真彩色。。2025/8/21第23页第2章数字图像的基本概念2、其它文件格式（1）TIFF文件：TIFF（TagImageFileFormat，标签图像文件格式）文件最初由Aldus公司与微软公司为PostScript打印联合开发。最初，TIFF只是一个二值图像格式，随着扫描仪的功能越来越强大，并且桌面计算机的磁盘空间越来越大，TIFF逐渐开始支持灰度图像和彩色图像。2025/8/21第24页第2章数字图像的基本概念应用背景:用于桌面排版以及与之相关的应用程序的数据交换。文件结构:TIFF格式有3级体系，从高到低依次为：文件头、一个或多个称为IFD的包含标记指针的目录以及数据。体系的最高层是文件头，只包含3个表项：一个代码指明字节顺序一个把文件标识为TIFF文件的代码号。一个指向图像文件目录（ImageFileDirectory，IFD）的指针。2025/8/21第25页第2章数字图像的基本概念优缺点:优点：使用与广泛的应用程序，可以处理二值、灰度、彩色图像；允许多达48位的色彩分辨。缺点：需要大量的编程工作来实现全面译码；允许销售商在声明TIFF兼容性的同时，实际维护一种秘密的方式，开发者不能全面或恰当的执行这一复杂文件格式的规范。2025/8/21第26页第2章数字图像的基本概念（2）GIF文件：GIF（GraphicsInterchangeFormat）是由美国CompuServe公司在1987年提出的图像文件格式，GIF支持在一幅GIF文件中存放多幅彩色图片，可以按照一定的顺序和时间间隔将多幅图像依次读出并显示在屏幕上，因此形成一种简单的动画效果，GIF最多只支持256色。2025/8/21第27页第2章数字图像的基本概念应用背景:CompuServe网络中图形数据的在线传输。文件结构:GIF有5个主要部分以固定顺序出现文件标志块：识别标识符GIF和版本号。逻辑屏幕描述块：图像显示区域的参数，包括背景颜色信息、显示区域大小、纵横尺寸、颜色深浅及是否存在全局彩色表。全局色彩表：其大小由图像使用的颜色数决定。图像数据块：包含图像的描述块、局部彩色表、压缩图像数据、图像控制扩展块、无格式文本扩展块、注释扩展块和应用程序扩展块。尾块：为三维16进制，表示数据流已经结束。2025/8/21第28页第2章数字图像的基本概念优缺点:优点：GIF支持24位色彩，GIF的特点包括LZW压缩法、多幅图像的定序或覆盖、交错屏幕绘图以及文本覆盖。缺点：现行的GIF版本最多有256种24位色彩。它没有为存储灰度或色彩校正数据提供便利，也不能存储CMYK或HIS模型的数据。2025/8/21第29页第2章数字图像的基本概念（3）PostScript文件：PostScript语言是Adobe公司设计的用于打印机打印文件的页面描述语言。除了用于在纸张上打印文字和图像之外，它的功能也类似Basic语言、C语言或任何其他编程语言一样。2025/8/21第30页第2章数字图像的基本概念应用背景:最初用于打印机和其他输出设备，现在也用于图像的存储和交换，尤其是已封装的PostScript格式。文件结构:PostScript是一种编码语言，因此除了检查语法和语意的正确性外，它不要求任何特别结构。优缺点:优点：PostScript是桌面排版事实上的标准，并结合了许多高级的图形性能。缺点：PostScript通常用ASCII形式记录，这就使位图文件变大并且显示很慢。2025/8/21第31页第2章数字图像的基本概念（4）JPEG文件：JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）是联合图像专家组的缩写，文件后缀名为.jpg或.jpeg，是最常用的图像文件格式之一。JPEG用有损压缩