第二章 数字图像处理基础

,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,讲授内容：,1,.,图像,数字化、数字化参数对图像质量的影响、数字化器的性能评价；,2.,图像灰度直方图的概念、性质和应用；,3.,数字图像的类型,4,.,图像文件,格式,5.,几种处理算法形式,重点：,数字化、灰度直方图、图像文件格式,BMP,难点：,数字化,、,直方图、图像处理算法和形式结构,第二章 数字图像处理的基础,第二章 数字图像处理的基础,主要内容：,1.,图像数字化,2.,数字图像的类型,3.,图像的格式,4.,图像灰度,直方图,5.,处理算法形式,2.1,图像数字化,模拟图像,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,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,2.1,图像数字化,图像的数字化包括,采样,和,量化,两个过程。,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,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）,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=,2,g,，,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,256,个灰度级的图像,16,个灰度级的图像,64,个灰度级的图像,量化示意图,（,a,） 量化；,(b),量化为,8 bit,连续灰度值 量化值,(,整数值,),灰度标度 灰度量化,Z,i,1,Z,i,Z,i,1,q,i,1,q,i,1,255,254,128,127,1,0,(,a,),(,b,),2.,量化,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。,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。,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,不同采样点数对图像质量的影响,不同量化级别对图像质量的影响,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：,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？,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,图像的质量：清晰度,降低亮度,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。,图像的质量：清晰度,缩小尺寸,图像的质量：清晰度,降低对比度,图像的质量：清晰度,减少细微层次,图像的质量：清晰度,降低饱和度,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）,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。,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。,（,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。,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（,binary image,),、灰度图像,(gray-scale image),、索引颜色图像,(index color image),和真彩色图像（,true color image,）。,2.2,数字图像的类型,1.,二值图像,只有黑白两种颜色。,2.,灰度图像,在灰度图像中，像素灰度级一般用,8 bit,表示，所以每个像素都是介于黑色（,0,）和白色（,255,）之间的,256,（,2,8,=256,）种灰度中的一种。,行（,x,）,列,（,y,）,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。,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。,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,位图,的有关术语,采样点（,Sample,）,像素（,Pixel,）,(,可大可小）,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,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,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,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,800,1200 dpi,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,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,2.3.1 BMP,（,BitMap Picture),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,位图文件头，共占,14,个字节,文件类型,2,个字节,B M,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,1 3 7 11,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,15 19 23 27,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,）,29 31 35 39,图像的大小,位图垂直分辩率,位图使用的,颜色数,43 47 51,位图使用的重要,的颜色数,位图数据,B G R B G R B G R B G R .,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,.,B G R B G R B G R B G R .,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,.,文件说明,属性,所占字节数,起始字节,说明,位图文件头,bfType,2,1,文件类型（“,BM”,）,bfSize,4,3,文件大小,bf1,2,7,保留,bf2,2,9,保留,bfOffBits,4,11,第一个位图数数的偏移量,文件信息头,biSize,4,15,文件信息头的长度,biWidth,4,19,位图的宽度（单位是象素）,biHeight,4,23,位图的高度（单位是象素）,biPlanes,2,27,位平面数（,=1,）,biBitCount,2,29,每个象素所占位数（,=24,）,biCompression,4,31,是否压缩（未压缩,=0,）,biSizeimage,4,35,图像的大小,biXPelsPerMeter,4,39,位图水平分辩率,biYPelsPerMeter,4,43,位图垂直分辩率,biClrUsed,4,47,位图使用的颜色数,biClrImportant,4,51,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,1. TIF,图像文件格式,标记图像文件格式,TIF (Tag Image File Format),，,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,2. GIF,图像文件格式,图形交换文件格式,GIF,（,Graphics Interchange Format),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,64 M,，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。,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。,4. JPEG,图像格式,联合图像专家组,JPEG(Joint Photographer,s Experts Group),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。,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,NCSA,TIFF,：通用性强，应用最广,GEOTIFF,：添加地理信息标签,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,。,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,Image Processing:The Gray-level Histogram,58,0,1,2,3,0,0,1,2,0,0,0,1,3,2,1,0,灰度级,像素数,频率,0,7,7/16,1,4,4/16,2,3,3/16,3,2,2/16,0,1,2,3,7,/16,i,vi,练习：绘制图像灰度直方图,0,1,2,3,4,0,0,1,2,3,0,0,0,1,2,3,2,1,0,6,1,4,0,5,3,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,?,60,较亮图象的直方图,vi,i,61,较暗图象的直方图,vi,i,62,对比度较高图象的直方图,P (r,k,),r,k,63,对比度较低图象的直方图,P (r,k,),r,k,灰度图的灰度直方图,彩色图的灰度直方图,66,2.4,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,。,Image Processing:The Gray-level Histogram,67,直方图,:,对应的图像,:,2.4.2,灰度,直方图的性质,（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,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。,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),71,观察直方图可以看出不合适的数字化,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,Image Processing:The Gray-level Histogram,73,四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,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,2.4,图像灰度直方图,76,选取,146,为阈值的二值化,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,78,直,方图均衡化,均衡化前后,直,方图比较,79,80,81,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,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，,v,i,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,计算,图像信息量,H,（熵）,P,i,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,Image Processing:The Gray-level Histogram,84,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,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。,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,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,N,4,(p),表示。,（,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,N,D,(p),表示。,（,3,）,p,的,8,邻域,N4(p)+,N,D,(p),。,随堂练习：,4,邻域、对角邻域、,8,邻域,在对输入图像处理时，计算某一输出像素,JP(i,j),值由输入图像,IP,（,i,j,）像素的小邻域,N(i,j),中的像素值确定。这种处理称为,局部处理,，或者称,邻域处理,。局部处理的计算表达式为,2.5,图像处理算法的形式,在局部处理中，当邻域,N(i,j),仅包含,IP(i,j),像素时的处理称为,点处理,。点处理的计算表达式为：,（,m, n,）,f,（,m, n,）,模板（卷积子）,空间域移动平滑、锐化,（邻域处理）,对比度变换,（点处理）,在,局部处理中，输出像素,JP(i,j),的值取决于输入图像大范围或全部像素的值，这种处理称为,大局处理。,其计算表达式为：,2.5,图像处理算法的形式,2.,迭代处理,反复对图像进行某种运算直至满足给定的条件，从而得到输出图像的处理形式称为,迭代处理,。下图为图像的细化处理过程。,2.5,图像处理算法的形式,3.,跟踪处理,选择满足适当条件的像素作为起始像素，检查输入图像和已得到的输出结果，求出下一步应该处理的像素，进行规定的处理，然后决定是继续处理下面的像素，还是终止处理。这种处理形式称为,跟踪处理,。,2.5,图像处理算法的形式,5.,窗口处理和模板处理,单独对图像中选定的矩形区域内的像素进行处理的方式叫做,窗口处理,。,单独对图像中选定的,任意形状,的像素进行处理的方式叫做,模板处理,。,2.5,图像处理算法的形式,作业：,1.,连续图像,f(x,y),与数字,图像,g(i,j),中各量的含义是什么？它们有何联系和区别？,2.,统计并绘出下面图像的灰度直方图。,0,1,3,2,1,3,2,1,0,5,7,6,2,5,6,7,1,6,0,6,1,6,3,4,2,6,7,5,3,5,6,5,3,2,2,7,2,6,1,6,2,6,5,0,2,7,5,0,1,2,3,2,1,2,1,2,3,1,2,3,1,2,2,1,第二章 习题,1.,什么是图像对比度？,2,.,图像,数字化包括哪两个过程？数字化参数对数字化图像质量有何影响？,3.,数字化设备由哪几部分组成？,4.,什么是灰度直方图？有哪些应用,？,5.,从灰度直方图你能获得图像的哪些信息？,6.,图像熵与图像直方图有何关系？,7.,什么是点处理？什么是局部处理,？,8.,画图说明什么是,4,邻域和,8,邻域？,第二章 习题,9.,数字图像有哪些类型？位图又包括什么类型？,10.,常用的数字图像格式有哪几种？,BMP,格式包括哪几部分？,Matlab,支持的图像类型和图像格式,格式,数据类型,说明,Jpg,或,jpeg,灰度图像,8bit,、,12bit,真彩色图像,24bit,、,36bit,灰度图像,8bit,、,12bit,、,16bit,png,灰度图像,1bit,、,2bit,、,4bit,、,8,、,16,真彩色图像,24bit,、,36bit,索引图像,8bit,、,16bit,gif,1-8bit,tif,或,tiff,灰度图像,真彩色图像,索引图像,