第二数字图像处理基础

第二数字图像处理基础演示文稿第1页，共98页。优选第二数字图像处理基础第2页，共98页。2.1图像数字化概念：将图像划分为如图所示的小方格（象元），并将方格内的灰度值变换为整数第3页，共98页。模拟图像：二维连续亮度函数——f(x,y);(x,y)代表：f(x,y)代表：数字图像：二维矩阵——g(i,j)；（i,j）代表：f（i,j）代表：2.1图像数字化图像上某点的空间位置（x，y）点处图像的灰度值数字图像上某像素所在的行列位置像素点处的灰度值，整数第4页，共98页。2.1图像数字化

图像的数字化包括采样和量化两个过程。第5页，共98页。

将空间上连续的图像变换成离散点的操作称为采样。采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。2.1图像数字化2.1.1采样采样孔径第6页，共98页。2.1.2量化

模拟图像经过采样后，离散化为像素。但像素值（即灰度值）仍是连续量。把采样后所得的各像素的灰度值转换为整数的过程称为量化。（从模拟量到离散量的转换）第7页，共98页。与量化有关的概念1.表示像素明暗程度的整数称为灰度级。（或灰度值、灰度）2.一幅数字图像中不同灰度级的个数称为灰度级数（G）。3.G=2g，g表示存储图像灰度级数所需的比特位数（bit）。如：灰度级数G=256，8比特量化，（0-255）>或=6比特的量化，可以满足视觉效果；

8比特量化4.均匀量化和非均匀量化一般使用均匀量化第8页，共98页。256个灰度级的图像16个灰度级的图像64个灰度级的图像第9页，共98页。量化示意图（a）量化；(b)量化为8bit连续灰度值量化值(整数值)灰度标度灰度量化Zi＋1ZiZi－1qi＋1qi－125525412812710……(a)(b)2.量化

第10页，共98页。数字图像根据灰度级数的差异，可分为：二值图像、灰度图像和彩色图像二值图像：灰度值只有0和1两种，没有过渡值灰度图像：灰度级数大于2，没有彩色信息。第11页，共98页。彩色图像：红绿蓝三分量（R、G、B）构成的图像,每个像素包含三个分量的灰度值。第12页，共98页。2.1.3采样与量化参数的选择

采样间隔：影响着图像细节的再现程度，反映数字化后的图像呈现何种的细微程度。采样间隔越大，图像的像素数越少，空间分辨率低，质量差。严重出现像素块状的棋盘效应；采样间隔越小，…

量化级数：影响图像信息的可分辨程度。量化等级越多，图像层次越丰富，灰度分辨率越高，质量越好；反之…

2.1图像数字化第13页，共98页。不同采样点数对图像质量的影响第14页，共98页。不同量化级别对图像质量的影响第15页，共98页。1.采样点数越多，图像质量越好，但占空间大。2.当图像的采样点数一定时，量化级数越多，图像质量越好。对一幅图像，当量化级数g一定时，采样点数M×N对图像质量有着显著的影响。如图2-4所示，采样点数越多，图像质量越好；当采样点数减少时，图上的块状效应就逐渐明显。同理，当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一样。如图2-5所示，量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量越差，量化级数最小的极端情况就是二值图像，图像出现假轮廓。在少数情况下，当限定图像大小时，减少灰度级能够改善图像质量，主要在于提高图像的对比度。比如：在对细节丰富的图像进行数字化时。一些实验结论：第16页，共98页。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如下原则：（1）对缓变的图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓。（2）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，以避免模糊（混叠）。图像的数据量计算：

b=M*N*g（bit），B=M*N*g/8（字节）

M*N是采样点数，g是量化级数一幅1024*1024大小的图像，灰度级数256，数据量有多大？第17页，共98页。图像的质量亮度对比度主题内容的大小细微层次颜色饱和度第18页，共98页。图像的质量：清晰度降低亮度第19页，共98页。图像的质量对比度：是指一幅图象中灰度反差的大小对比度=最大亮度/最小亮度。第20页，共98页。图像的质量：清晰度缩小尺寸第21页，共98页。图像的质量：清晰度降低对比度第22页，共98页。图像的质量：清晰度减少细微层次第23页，共98页。图像的质量：清晰度降低饱和度第24页，共98页。1.图像数字化器(如：数码相机、胶片扫描仪)的组成

(1)采样孔：使图像数字化器能不受图像其他部分的影响，而在整幅图像中扫描特定的独立像素单元；

(2)扫描器件：使采样孔以预先确定的方式在图像上移动，按照顺序依次扫描图像的每一个像素；

(3)光传感器：测量每一像素的亮度，将光亮度转化为电流或电压信号；

(4)量化器：将传感器输出的连续值转化为整数值；

(5)输出存储装置：将量化的灰度值以适当的格式存储。2.1.4图像数字化设备（数字化器）第25页，共98页。2.图像数字化器的性能（1）分辨率：单位尺寸能够采样的像素数，由采样孔的大小和像素间距的大小决定；（2）灰度级：量化为多少等级；（3）图像大小：允许输入图像的大小；（4）扫描速度：采样数据的传输速度；（5）噪声：数字化器的噪声水平。（6）线性度：线性度是指对光强进行数字化时，灰度正比于图像亮度的实际精确程度。第26页，共98页。

静态图像可分为矢量图和位图（栅格图像）。

2.2数字图像的类型2.2.1矢量图

（1）矢量图的表示方法

是用一系列绘图指令来表示一幅图。这种方法的本质是用数学(更准确地说是几何学)公式描述一幅图像。第27页，共98页。

（2）

矢量图的优点：

A、它的文件数据量很小；

B、图像质量与分辨率无关，这意味着无论将图像放大或缩小了多少次，图像总是以显示设备允许的最大清晰度显示。（3）矢量图的缺点：不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像，绘出来的图像不是很逼真，同时也不易在不同的软件间交换文件。第28页，共98页。2.2.2位图

位图（点位图）的基本构图单位是像素。位图是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色属性和位置属性。包含不同色彩信息的像素的矩阵组合构成了千变万化的图像。位图可以从传统的相片、幻灯片上制作出来或使用数字相机得到。

位图又可以分成如下四种：二值图像（binaryimage)、灰度图像(gray-scaleimage)、索引颜色图像(indexcolorimage)和真彩色图像（truecolorimage）。2.2数字图像的类型第29页，共98页。

1.二值图像只有黑白两种颜色。第30页，共98页。

2.灰度图像在灰度图像中，像素灰度级一般用8bit表示，所以每个像素都是介于黑色（0）和白色（255）之间的256（28=256）种灰度中的一种。第31页，共98页。行（x）列（y）第32页，共98页。3.真彩色图像

“真彩色”是RGB颜色的另一种叫法。在真彩色图像中，每一个像素由红、绿和蓝三个字节组成，每个字节为8bit，表示0到255之间的不同的亮度值，这三个字节组合可以产生1670万种不同的颜色。第33页，共98页。第34页，共98页。4.索引图像颜色预先定义的（索引颜色）。索引颜色的图像最多只能显示256种颜色。

因此，一个像素占8bit，而这8bit的值不是颜色值，而是颜色表中的索引值，根据索引值在颜色表中找到最终的RGB颜色值。第35页，共98页。2.2数字图像的类型各种类型位图数据在Matlab中的表示方式灰度图像：m*n的二维矩阵真彩色图像：

m*n*3的三维矩阵索引图像：x：二维矩阵

map：颜色表第36页，共98页。位图的有关术语像素（Pixel）(可大可小）第37页，共98页。图像分辨率：每英寸图像含有的点或像素个数（dpi）分辨率越高，图像细节越清晰，但文件尺寸大，处理的时间长，对设备的要求高。位图的有关术语

第38页，共98页。打印机分辨率：打印图像时每英寸的点数(dpi)激光打印机的分辨率可达600～1200dpi。位图的有关术语

第39页，共98页。屏幕分辨率：每单位长度显示的像素或点的数量（dpi）屏幕分辨率取决于显示器的大小及其像素设置。屏幕分辨率由计算机的显示卡决定位图的有关术语

第40页，共98页。

一般扫描仪提供的方式是水平分辨率要比垂直分辨率高。台式扫描仪的分辨率可以分为光学分辨率和输出分辨率。扫描仪分辨率：扫描图像时每英寸的样点数(dpi)扫描仪硬件所真正扫描到的图像分辨率。光学分辨率可达800～1200dpi以上。输出分辨率是通过软件强化以及内插补点之后产生的分辨率，大约为光学分辨率的3～4倍。位图的有关术语

第41页，共98页。图像格式的共同特征：描述图像的高、宽及各种物理特征的数据。彩色定义。每点bit数。描述图像的位图数据体。

文件头位图数据2.3图像文件的格式第42页，共98页。2.3.1BMP（BitMapPicture)文件格式位图文件头：文件类型、大小等信息。位图信息头：图像的高度、宽度、大小等信息。位图数据：每个像素的颜色。2.3图像文件的格式第43页，共98页。位图文件头，共占14个字节文件类型2个字节BM文件大小4个字节保留4个字节位图第一个像素的偏移量，4个字节13711第44页，共98页。第45页，共98页。位图信息头，共占40个字节位图信息头长度(40)位图面数(=1)图像的宽度15192327图像的高度每个像素所占的位数位图水平分辩率

是否压缩（未压缩=0）29313539图像的大小位图垂直分辩率位图使用的颜色数434751位图使用的重要的颜色数第46页，共98页。第47页，共98页。位图数据BGRBGRBGRBGR……..最后一行第一列像素的颜色值.最后一行第二列像素的颜色值.BGRBGRBGRBGR……..倒数第二行第一列像素的颜色值.倒数第二行第二列像素的颜色值.每一行总字节数是4的倍数第48页，共98页。文件说明属性所占字节数起始字节说明位图文件头bfType21文件类型（“BM”）bfSize43文件大小bf127保留bf229保留bfOffBits411第一个位图数数的偏移量文件信息头biSize415文件信息头的长度biWidth419位图的宽度（单位是象素）biHeight423位图的高度（单位是象素）biPlanes227位平面数（=1）biBitCount229每个象素所占位数（=24）biCompression431是否压缩（未压缩=0）biSizeimage435图像的大小biXPelsPerMeter439位图水平分辩率biYPelsPerMeter

443位图垂直分辩率biClrUsed447位图使用的颜色数biClrImportant451位图使用的重要的颜色数位图数据每个象素占三个字节（RGB），数据的第一行是屏幕的最后一行上。数据的每一行像素所占字节数目是4的倍数。BMP图像文件格式第49页，共98页。1.TIF图像文件格式

标记图像文件格式TIF(TagImageFileFormat)，图像文件格式最复杂，考虑了扩展性、方便性和可修改性，是目前流行的图像文件交换标准之一。2.3.2其他文件格式第50页，共98页。2.GIF图像文件格式图形交换文件格式GIF（GraphicsInterchangeFormat),目的是在不同的系统平台上交流、传输图像。它是在Web及其他联机服务上常用的一种文件格式，图像最大不能超过64M，颜色最多为256色。GIF图像文件采取LZW压缩算法，存储效率高。GIF主要是为数据流而设计的一种传输格式，而不是作为文件的存储格式。第51页，共98页。3.PCX文件

PCX文件格式是最早使用的图像文件格式之一，各种扫描仪扫描得到的图像几乎都能保存成PCX格式。结构较简单，存取速度快，压缩比适中。

第52页，共98页。4.JPEG图像格式联合图像专家组JPEG(JointPhotographer’sExpertsGroup)是第一个国际数字图像压缩标准，主要是为了解决专业摄影师所遇到的图像信息过于庞大的问题。JPEG有较高的压缩比和良好的图像质量，使得它广泛应用于多媒体和网络程序中。JPEG和GIF成为HTML语法选用的图像格式。JPEG通过有选择地减少数据来压缩文件大小，会弃用数据，故JPEG压缩为有损压缩。第53页，共98页。遥感图像常用格式主要是二进制格式文件。常用的遥感图像存储格式有：通用格式BSQ：先按照波段分块，再按行列顺序排列BIL：先按行分块，再按波段顺序排列BIP：按列分块，再按波段顺序排列特殊格式HDF：美国NCSATIFF：通用性强，应用最广GEOTIFF：添加地理信息标签第54页，共98页。第55页，共98页。2.4图像灰度直方图在数字图像处理中，灰度直方图是最简单且最有用的工具，可以说，对图像的分析和处理方法，绝大多数都离不开直方图。

第56页，共98页。2.4.1概念灰度直方图反映的是一幅图像中各个灰度级像素出现的频率。2.4图像灰度直方图横坐标：灰度级

i纵坐标：具有该灰度级的像素出现的频率第57页，共98页。ImageProcessing:TheGray-levelHistogram580123001200013210灰度级像素数频率077/16144/16233/16322/1601237/16ivi第58页，共98页。练习：绘制图像灰度直方图0123400123000123210614053讨论:直方图形状与图像亮度之间的关系?直方图形状与图像对比度之间的关系?第59页，共98页。60较亮图象的直方图

vii第60页，共98页。61较暗图象的直方图

vii第61页，共98页。62对比度较高图象的直方图

P(rk)

rk第62页，共98页。63对比度较低图象的直方图

P(rk)

rk第63页，共98页。灰度图的灰度直方图第64页，共98页。彩色图的灰度直方图第65页，共98页。662.4图像灰度直方图2.4.2灰度直方图的性质（一）直方图是一幅图像中各像素灰度值出现次数（或频数）的统计结果，它只反映该图像中不同灰度值出现的次数（或频数），而未反映某一灰度值像素所在位置。（二）任一幅图像，都能惟一地确定出一幅与它对应的直方图，但不同的图像，可能有相同的直方图。第66页，共98页。ImageProcessing:TheGray-levelHistogram67

直方图:对应的图像:2.4.2灰度直方图的性质第67页，共98页。（三）由于直方图是对具有相同灰度值的像素统计得到的，因此，一幅图像各子区的直方图之和就等于全图的直方图。2.4图像灰度直方图2.4.2灰度直方图的性质第68页，共98页。2.4图像灰度直方图2.4.3灰度直方图的应用举例 （一）用于判断图像量化是否恰当：直方图给出了一个简单可见的指示，用来判断一幅图象是否合理的利用了全部被允许的灰度级范围。一般一幅图应该利用全部或几乎全部可能的灰度级，否则等于增加了量化间隔。丢失的信息将不能恢复。第69页，共98页。2.4图像灰度直方图

(a)恰当量化

(b)未能有效利用动态范围

(c)超过了动态范围

(a)(b)(c)第70页，共98页。71

观察直方图可以看出不合适的数字化第71页，共98页。2.4图像灰度直方图（二）直方图的形状和位置反映图像的质量。（亮度、对比度的不同）2.4.3灰度直方图的应用举例第72页，共98页。ImageProcessing:TheGray-levelHistogram73四个基本的图像类型和对应的直方图暗亮低对比度高对比度第73页，共98页。2.4图像灰度直方图（三）边界阈值选取：假设某图象的灰度直方图具有二峰性，则表明这个图象的较亮的区域和较暗的区域可以较好地分离，取这一点为阈值点，可以得到好的二值处理的效果。2.4.3灰度直方图的应用举例第74页，共98页。

2.4图像灰度直方图第75页，共98页。76选取146为阈值的二值化第76页，共98页。77

2.4图像灰度直方图基于灰度直方图的图像增强直方图均衡化直方图规定化2.4.3灰度直方图的应用举例四均匀分布特定直方图分布第77页，共98页。78直方图均衡化均衡化前后直方图比较第78页，共98页。79第79页，共98页。80第80页，共98页。81原始图像规定直方图规定化后直方图规定化后的图像

2.4图像灰度直方图第81页，共98页。当物体部分的灰度值比其它部分灰度值大时，可利用直方图统计图像中物体的面积。

A=

式中n为图像像素总数，

vi是图像灰度级为i的像素出现的频率。

2.4图像灰度直方图2.4.3灰度直方图的应用第82页，共98页。计算图像信息量H（熵）

Pi是图像灰度级为i的像素出现的频率，图像的灰度范围在[0，L-1]。

2.4图像灰度直方图2.4.3灰度直方图的应用第83页，共98页。ImageProcessing:TheGray-levelHistogram84直方图小结直方图是各像素灰度值出现次数（或频数）的统计结果，丢失像素的空间位置信息观察直方图可以指出不合适的数字化。简单物体的面积IOD可以通过图象的直方图来求得。直方图的形状和位置与图象的质量有关第84页，共98页。

2.5图像处理算法的形式

一.图像处理基本功能的形式

按图像处理的输出形式，图像处理的基本功能可分为三种形式。

1单幅图像→单幅图像,如图(a).

2多幅图像→单幅图像,如图(b).

3单（或多）幅图像→数字或符号等。第85页，共98页。

二.图像处理的几种具体算法形式

1.局部处理对于任一像素（i，j），把像素的集合{（i+p,j+q），p、q取任意整数}叫做该像素的邻域，

N(i,j)

2.5图像处理算法的形式

第86页，共98页。2.5图像处理的算法形式（1）p的4邻域坐标为(x,y)的像素p有4个水平和垂直的相邻像素，坐标分别为:(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)，这个像素集称为p的4邻域，用N4(p)表示。第87页，共98页。

（2）p的4个对角邻像素坐标分别为:(x+1,y+1),(x-1,y+1),(x-1,y-1),(x+1,y-1)，用ND(p)表示。

（3）p的