第2章-数字图像处理基础.ppt

1、第二章 数字图像处理基础,人眼的视觉特性 图像的采样和量化 图像数字化器 常用图像数字化设备 图像的灰度直方图 图像的文件格式,光的特性 光的本质是电磁波。在电磁波谱中，可见光仅占很窄的一个波谱范围。其波长在380nm-780nm之间。可见光的低频率端是红色，高频率端是紫色。从高频道低频的光谱颜色的变化分别是紫、蓝、青、绿、黄、橙、红。,3,光的特性 太阳或灯泡等光源发射可见光谱中的全部频率而产生白色光。当白色光投射到一个物体上时，某些频率被反射，某些则被物体吸收了。在反射光中混合的频率确定了人所感受到的物体的颜色。 如果在反射光中以低频率为主，则物体呈现红色，此时，可以说光主要含有光谱中红色

2、端的频率。,人眼的构造,人眼横截面简图,n,人眼是一个近似的球体， 直径约 2cm。,n,外层由三层膜包裹 角膜和巩膜 脉络膜 视网膜,人眼的构造,n n n,角膜是一种硬而透明的组织，覆盖着眼睛的前表面。与角膜相连的巩膜是一层包围着眼球剩余部分的不透明膜。 脉络膜是眼睛重要的滋养源，脉络膜外壳着色很重，有助于减少进入眼睛外来光和眼球内反向散射光的数量。 视网膜是眼睛最内侧的一层膜，当眼球适当聚焦时，来自眼睛外部的光在视网膜上成像。在视网膜表面分散的光敏细胞提供了视觉图案。,人眼横截面简图,5,人眼的构造,n,视网膜表面的光接收器（光敏细胞） 分为两种：,n 锥状细胞 n 秆状细胞 锥状细胞

3、n 数目约 600700 万，位于中央凹的部分 n 对颜色敏感度很高 n 锥状视觉叫做白昼视觉或者明视觉,锥状,杆状,5,人眼的构造,秆状细胞 n 数目约 750015000万，视野内一般的总体图像 n 没有色彩感觉，在低照明度下对图像较敏感 n 几个杆状细胞连接到一个神经末端 n 秆状视觉叫做夜视觉或者暗视觉,锥状,杆状,8,2.55mm,图像的形成,n,成像过程 1. 视网膜图像主要反射在中央凹区域上 2. 然后由光接收器的相应刺激作用产生感觉 3. 感觉把辐射能转变为电脉冲最后由大脑解码,人眼的视觉特性-视错觉,这两个图形在视网膜上是固定不动的，但你对它的感觉却是在两种可能图形中动摇。

4、同时感觉到两种有意义的图形是很困难的！,人眼的视觉特性-视错觉,人眼的视觉特性-视错觉,人眼的视觉特性-视在对比度,感觉的亮度区域不是简单取决于亮度 相同亮度的方块在不同背景下，感觉亮度不同；位于中心位置的方块亮度相同，当背景变亮时，方块的亮度变暗。 一张白纸放在桌子上看上去很白，但用白纸遮蔽眼睛直视明亮的天空时，纸看起来总是黑的。,人眼的视觉特性-视觉惰性,视觉惰性：人眼的主观亮度感觉与光的作用时间有关，并且光象一旦在视网膜上形成，在它消失后，视觉将会对这个光象的感觉维持一个有限的时间。,图像的采样和量化,图像数字化：指将模拟图像经过离散化之后，得到用数字表示的图像。,模拟图像,数字图像,离

5、散化,数字图像：用矩阵来描述的。,图像数字化,数字图像是模拟连续图像 f(x,y)通过取样、量化、 编码获得的。 图像取样：图像空间离散化 图像量化：图像幅度离散化（又称为灰度级量化） 编码：用有限比特去表示量化后的数值,图像取样和量化,图像取样和量化,与采样相关的概念(分辨率),分辨率 传感器摄像的精确度。通常指要精确测量和再现一定尺寸的图像所必需的像素个数。 单位：像素*像素,分辨率 320 x240,分辨率 160 x120,分辨率 80 x60,图象尺寸：176 * 127 分辨率：(a) 176 * 127 (b) 88 * 63 (c) 44*31 (d) 22*15,256256

6、,6464,3232,1616,图像的量化与数字图像的质量,256灰度级,64灰度级,16灰度级,128灰度级,37,空间和灰度级分辨率,空间分辨率是图像中可辨别的最小细节 取样值多少是决定图像空间分辨率的主要参数,灰度级别分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化。灰度级数通常是 2 的整数次幂。 当没有必要对涉及像素的物理分辨率进行实际度量和在原始场景中分析细节等级时，通常把大小为MN、灰度为L级的数字图像称为空间分辨率为MN像素、灰度级分辨率为L级的数字图像。,38,下图分别演示在数字图像中不同取样值和灰度级别变化的典型效果：,空间和灰度级分辨率,图中显示了一幅10241024 像素的图像，

7、灰度级别 用8比特表示，其他图像是通过对10241024图像抽 样（直接隔行隔列删除得到）的结果。,这些图像显示了不同取样密度间的大小比例，但是它们显示尺寸大小的差别使得很难看出减少取样数目带来的影响。,用复制一行和一列的方法，将抽样后的图像都恢复10241024 像素进行比较，很明显小尺寸的图像恢复后有明显的块效应。,44,空间和灰度级分辨率,图像数字化器,图像数字化器的功能组件 图像数字化器的性能 图像数字化器的类型,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 ； 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；

8、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； 量化器：将传感器输出的连续值转化为整数值； 输出介质：将量化的灰度值以适当的格式存储。,图像数字化器的功能组件,数字化器的性能,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； 灰度级：量化为多少等级； 图像大小：允许输入图像的大小； 扫描速度：采样数据的传输速度；,图像数字化器的类型,主要包括: 数码相机 胶片扫描仪,常用图像数字化设备,数字相机 扫描仪 数字摄像机,数码相机的组成,镜头 CCD（电荷藕合器件 ） A/D（模/数转换器） MPU（微处理器） 内置存储器 LCD（液晶显示器） PC卡（可移动存储

9、器） 接口（计算机接口、电视机接口）,数字相机前面板,数字相机背面板,数码相机的工作原理,(1)镜头将光线会聚到感光器件CCD上； (2)CCD是半导体器件，它代替了普通相机中胶卷的位置； (3)CCD的功能是光强信号转变为不同强度的电信号，得到拍摄景物的图像信息； (4)ADC将模拟信号到数字信号的转换； (5)MPU(微处理器)对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG、BMP格式，并将图像文件被存储在内置存储器中； (6)LCD显示查看拍摄照片； 部分数字相机还提供连接计算机和电视机的接口。,扫描仪结构图1,扫描仪结构图2,1上盖：主要是将要扫描的原稿压紧，以防止扫描灯光线泄

10、露。 2原稿台：主要是用来放置扫描原稿的地方，其四周设有标尺线以方便原稿放置，并能及时确定原稿扫描尺寸。中间为透明玻璃，称为稿台玻璃。 3光学成像部分：它是扫描仪的核心部件，其精度直接影响扫描图像的还原逼真程度。它包括以下主要部件：灯管、反光镜、镜头以及电荷耦合器件(CCD)。,扫描仪各部分的功能,4光电转换部分：是指扫描仪内部的主板，它是一块安置有各种电子元件的印刷电路板。它是扫描仪的控制系统，在扫描仪扫描过程中，它主要完成CCD信号的输入处理，以及对步进电机的控制，,5机械传动装置：主要包括步进电机、驱动皮带、 滑动导轨和齿轮组。,扫描仪各部分的功能,典型数字摄像机,图像的灰度直方图,定义

11、 性质 用途,图像灰度直方图的定义,灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中该灰度级的像素个数。即：横坐标表示灰度级，纵坐标表示图像中该灰度级出现的个数。,灰度直方图,设r代表图像中像素灰度级，作归一化处理后，r将被限定在0, 1之内。在灰度级中，r=0代表黑，r=1代表白。对于一幅给定的图像来说，每一个像素取得0, 1区间内的灰度级是随机的，即r是随机变量。假定对每一瞬间，它们是连续的随机变量，则可以用概率密度函数pr(r)来表示原始图像的灰度分布。,图像灰度分布概率密度函数,若横轴代表灰度级r，纵轴代表灰度级的概率密度函数pr(r)，这样就可以针对一幅图像在该坐标系中作出一条曲线。这条曲线

12、在概率论中就是概率密度曲线，如图所示。,直方图表明每一个灰度有多少个象素,图像灰度直方图的性质,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。也就是说，它只包含了该图像中某一灰度值的像素出现的概率，而丢失了其所在位置的信息。,任一幅图像，都能唯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。也就是说，图像与直方图之间是多对一的映射关系。如图就是一个不同图像具有相同直方图的例子。,空间信息丢失,图像与直方图间的多对一关系,图像灰度直方图的用途,用于判断图像量化是否恰当 直方图给出了一

13、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。,观察直方图可以看出不合适的数字化,较暗图象的直方图,P (r k),r k,较亮图象的直方图,P (r k),r k,对比度较低图象的直方图,P (r k),r k,对比度较高图象的直方图,P (r k),r k,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。,选取146为阈值的二值化,灰度图具有二峰性,具有二峰性的灰度图的2值

14、化,灰度分布效果比较示意图,图像的文件格式,数字图像通常有两种表示形式:,位 图,矢量图,位图和矢量图的比较(1),1、点位图由像素构成，矢量图由对象构成 点位图的基本构图单位是像素，像素包含了色彩信息。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。 矢量图形指由代数方程定义的线条或曲线构成的图形。 如:表示一个圆形，矢量图像保存了一个画圆的命令、圆心的坐标、半径的长度等等。欲显示该圆，矢量绘图软件则根据圆的坐标、半径等信息，经过方程式计算，将圆“画”在屏幕上。 矢量图像由许多矢量图形元素构成，这些图形元素称为“对象”。,2、点位图面向像素绘画，矢量图面向对象“构画” 两种图像的构成方

15、式不同，其绘画方式也存在差别。 点位图是通过改变像素的色彩实现绘画和画面的修改。点位图软件提供了模拟手绘习惯的工具实现绘画。这些手绘工具在图像上移动，即可改变相应位置上像素的色彩。 矢量图操纵的是基本的图形（对象），以Corel Draw为例,如图所示,选择贝赛尔曲线工具，用鼠标在页面上定出一些节点，节点之间有线段，构成一个封闭图形。用修改工具把这个图形调整圆滑。然后选择色彩，该图形即可填充上工整的色彩。这个新产生的图形在矢量图像中，就是一个基本的矢量图形对象。,位图和矢量图的比较（2）,3、点位图受到像素和分辨率的制约，而矢量图形不存在这些制约 点位图是由像素阵列构成的图像，像素的多少和分辨

16、率决定图像的质量。在用点绘图软件开始一幅新作品时，首先应确定图像的长宽大小和分辨率，一旦确定下来，以后要改变分辨率，就会影响图像的质量。另外点位图的缩放也会影响图像的质量。,位图和矢量图的比较（3）,矢量图形和设备无关，即和分辨率无关。 因为矢量图由数学公式和一些参数决定。图形的放大缩小以及分辨率的改变，仅仅是参数的相对变化，重新计算后再显示出来，依然保持精细的图像质量。当然，这些内部计算，用户是看不出来的，用户也不用理会。如图，一幅矢量图形无论怎样放大，边线依然平滑。而在绘画过程中，则可以任意放大若干倍（甚至上万倍），精确细致地描绘任意细节。,4、点位图修改麻烦，矢量图形修改随心所欲 点位图

17、的编辑受到限制。点位图是像素的排列，局部移动或改变会影响到其他部分的像素(包括前面讲的对图像进行放大)。 虽然矢量图形的作画方式特别（如前述例子），但是在修改方面却是比点位图更胜一筹。在矢量图形中，一个图形对象的改变，不会影响其他图形对象。,位图和矢量图的比较（4）,图1是一幅点位图漫画，这位女孩的腰部画得太粗了，要修改苗条。在Painter中，可以选择一种笔工具，再选择和背景相同的颜色。把腰部多余的部分涂掉，如图2. 然后再选择黑色，用钢笔工具把边线补上,如图3;如用鼠标，很难把握精度，修改起来更麻烦。如果一次修改不满意，还要重复上面的步骤继续修改。,基本相同的一幅Corel Draw矢量图

18、漫画。同样是要修改女孩的腰部。很简单，选择修改工具，如图2拖拉一下腰部曲线的节点就可以把腰部调细了，如图3.不满意，再调整一下即可(这种调整修改不会影响到其他图形对象，可以随意修改).,5、点位图难以重复使用，矢量图形可以随意重复使用 在漫画创作中，尤其在漫画故事创作中，若能重复使用一些图像元素，可以大大提高创作效率。而点位图的重复使用相对比较困难。因为图像元素的重复使用必然涉及图像元素的放大缩小和修改，这些正是点位图的弱点。 相反，矢量图形是以图形对象为基础，图形对象相对独立，而且放大缩小和修改都方便，可以十分随意地重复使用。例如，可以把人物的头部作为一个图形对象。只需要套上不同的身躯，就可以作出不同衣着和动态的形象了。,位图和矢量图的比较（5）,6、点位图效果丰富，矢量图形效果单调机械 点位图可以表现任何复杂形象，这是矢量图形的弱点。像云雾、自然界的树林花丛、山脉等，矢量图形很难生动表现。利用Painter等点位图软件