《图像技术基础》PPT课件.ppt

第1章图像技术基础,1.1图像和像素1.2像素间联系（重点、难点）1.3图像坐标变换1.4图像显示1.5采样和量化1.6图像存储与格式1.7图像技术及分类,1.1图像和像素,讨论：1、这几个英文单词：Image、Picture、Graphics是否表示同一个意思？2、图像与图象是否表示同一个意思？,什么是图像？,Image：用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。现在多用此单词表示离散的数字图像。Picture：早期的图像用这个单词表示，现在多用于表示模拟类型的图像。Graphics：是指图形，通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。,图像：泛指2D3D图片、照片等一类的平面或数字图形。图象：一般指数学中图，如函数图象一类的图。,图象（广义/抽象）图像（狭义/具体）,1、图像与数字图像,图像类型广义图片，动画，绘图，文字/档，.狭义单幅序列图像，.静止运动图像（视频），.2-D3-D，彩色，立体对，多光谱,多视场图像，.灰度深度，纹理图像，.,2-D数组f(x,y)x，y：2-D空间XY中坐标点的位置f：代表图像在(x,y)的性质F的数值f，x，y的值可以是任意实数现实世界：T（x,y,z,t,）t表示时间变量，表示频谱变量（波长）性质F:可对应不同物理量灰度图像里用灰度表示,图像表示,数字图像是指由被称作像素的小块区域组成的二维矩阵。,将物理图像行列划分后，每个小块区域称为像素（pixel）。,2、像素和表示,2、像素和表示,图像表示矩阵矢量,空间排列规律1、像素邻域2、像素间的距离,1.2像素间联系,4连接8连接M连接,1.2像素间联系,1、像素的邻域邻域：像素-邻近像素（近邻像素）根据对一个坐标为（x,y）的像素p的近邻像素的不同定义，可以得到由不同近邻像素所组成的不同的相应邻域。常用的像素邻域主要有如下3种：（1）4-邻域N4(p)（2）对角邻域ND(p)（3）8-邻域N8(p),1.2像素间联系,1.2像素间联系,1.2像素间联系,1.2像素间联系,邻域,N4(p)象素(x,y)的4邻域(x+1,y)，(x-1,y)，(x,y+1)，(x,y-1),ND(p)象素(x,y)的对角邻域(x+1,y+1)，(x+1,y-1)，(x-1,y+1)，(x-1,y-1),N8(p)象素(x,y)的8邻域N4(p)+ND(p),1.2像素间联系,2、连接和连通（adjacency,邻接（邻域）vs.(connectivity,连接)邻接仅考虑像素间的空间关系两个像素是否连接：(1)是否接触（邻接）(2)灰度值是否满足某个特定的相似准则（同在一个灰度值集合V中取值）,1.2像素间联系,（1）4-连接两个像素p和q在V中取值且q在N4(p)中，则它们为4-连接。,1.2像素间联系,（2）8-连接两个像素p和q在V中取值且q在N8(p)中，则它们为8-连接。,8-邻域,1.2像素间联系,3种连接(3)m-连接（混合连接）：2个像素p和q在V中取值且满足下列条件之一q在N4(p)中q在ND(p)中且集合N4(p)N4(q)是空集（没有值V的像素）,1.2像素间联系,设：V=红色,3种连接混合连接的应用：消除8-连接可能产生的歧义性原始图8-连接m-连接,1.2像素间联系,三种连接4连接8连接m连接,连通连接是连通的一种特例通路由一系列依次连接的像素组成从具有坐标(x,y)的像素p到具有坐标(s,t)的像素q的一条通路由一系列具有坐标(x0,y0)，(x1,y1)，(xn,yn)的独立像素组成。这里(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，且(xi,yi)与(xi-1,yi-1)邻接，其中1in，n为通路长度4-连通，8-连通4-通路，8-通路,1.2像素间联系,通路建立了两个像素p和q之间的空间关系。当n=1时，两个连通的像素也是连接的。,例题：（1）令V=0，1，计算p与q之间的4通路、8通路和m通路的长度（最短）。（2）令V=1，2，重复上述计算。,像素集合的邻接和连通对2个图像子集S和T来说，如果S中的一个或一些像素与T中的一个或一些像素邻接，则可以说2个图像子集S和T是邻接的完全在一个图像子集中的象素组成的通路上的像素集合构成该图像子集中的一个连通组元如果S中只有1个连通组元，即S中所有像素都互相连通，则称S是一个连通集,例题：两个图像子集S1和S2，对于V=1，确定它们是4连接、8连接还是m连接？,S1,S2,小结：邻域：空间接触连接：接触，灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值连通：灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值，有通路但不一定接触,1.2像素间联系,知识回顾,1、数字图像处理的基本概念2、像素间的联系邻域：空间接触连接：接触，灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值连通：灰度值相等或灰度值在灰度集合中取值，有通路但不一定接触,3、像素间的距离距离量度函数：满足下列条件3个像素p，q，r，坐标(x,y)，(s,t)，(u,v)(1)两个像素之间的距离总是正的(2)距离与起终点的选择无关(3)最短距离是沿直线的,1.2像素间联系,距离量度函数(1)欧氏（Euclidean）距离(2)城区（city-block）距离(3)棋盘（chessboard）距离,距离量度函数等距离轮廓图案D4距离D8距离,距离量度函数距离计算示例（p6）DE=5D4=7D8=4,用距离定义邻域考虑在空间点(xp,yp)的像素p4-邻域N4(p)8-邻域N8(p),p和q之间的D4和D8距离与任何通路无关，通路可能存在于各点之间，因为这些距离仅与点的坐标有关。如果选择考虑m连通，则两点间的Dm距离(等价于通路的长度)将依赖于沿通路的像素以及它们近邻像素的值。,补充：,例题,m连通情况下像素间距离计算例考虑下列安排的像素并假设p，p2和p4的值为1，p1和p3的值为0或l：假设考虑值为1的像素连通(即：V=1)。如果p1和p3是0，p和p4间最短m通路的长度(Dm距离)是2。,例题,m连通情况下像素间距离计算例考虑下列安排的像素并假设p，p2和p4的值为1，p1和p3的值为0或l：假设考虑值为1的像素连通(即：V=1)。如果p1是1(p3是0)，则p2和p将不再是m连接，并且m通路的长度变为3(通路通过点PP1P2P3P4)。类似地，如果p3是1(并且p1为0)，则最短的通路距离也是3。,例题,m连通情况下像素间距离计算例考虑下列安排的像素并假设p，p2和p4的值为1，p1和p3的值为0或l：假设考虑值为1的像素连通(即：V=1)。如果p1和p3都为1，则p和p4间的最短m通路长度为4，在这种情况，通路通过点pp1p2p3p4。,练习,如右图像子集，其中像素p和q的值均为1，令V=1，2，分别计算4连通、8连通和m连通时像素p和q间的距离。,邻域连通距离,1.2像素间联系,1.3图像坐标变换,1、平移变换2、尺度变换3、旋转变换4、级联5、反变换,变换表达,图像坐标变换（imagecoordinatetransform）将像素从图像中的一处移动到另一处，从而改变图像的布局。,V是包含原坐标的矢量，v是由变换后坐标组成的矢量。,对不同的变换，变换矩阵A中的数值不同,坐标变换示例：平移变换,平移前的图像,平移后的图像,尺度（缩放）变换（沿X轴，Y轴，Z轴）,旋转变换,图像旋转角,级联变换,对一个坐标为v的点的平移、放缩、旋转变换可表示为：见P7公式1.3.7用单个变换矩阵的方法可对点矩阵v变换这些矩阵的运算次序一般不可互换,坐标变换反变换,半调（halptone）输出多数打印设备仅能直接显示输出二值图,为了在这些设备上输出灰度图像常采用一种称为半调输出（halftoning）的技术。原理：利用人眼的集成特性，在每个像素位置打印一个其尺寸反比于该像素灰度的黑圆点，即在亮的图像区域打印的点小，而在暗的区域打印的点大，或者说通过控制二值点模式的形式（包括数量，尺寸，形状等）来获得视觉上不同的灰度感觉,1.4图像显示,调制模板每个输出单元内包含若干个基本二值点每个模板对应一个输出单元225种灰度,3310种灰度,抖动（dithering）输出技术f(x,y)+d(x,y),半调技术牺牲图象的空间点数而增加图象的灰度级数要保持细节，灰度级数就有限,2、抖动技术,原始图像,随机小噪声,（a）原始图像（b）半调输出图（c、d）利用抖动技术进行改善的结果,1.5采样和量化,空间采样（sampling）：空间坐标的离散化灰度量化（quantization）：灰度的离散化空间分辨率幅度分辨率,59,60,图像的量化就是将采样后图像的每个样点的取值范围分成若干区间，并仅用一个数值代表每个区间中的所有取值。,均匀采样,非均匀采样,1.5采样和量化,数字图像图像（水平）尺寸M：图像（垂直）尺寸N：像素灰度级数G(k-bit)：图像所需的位数b：,1、图像数据量,数字图像存储1幅3232，16个灰度级的图需要4,096bit存储1幅128128，64个灰度级的图需要98,304bit存储1幅512512，256个灰度级的图需要2,097,152bit,空间分辨率图像中可辨别的最小细节采样间隔决定的MXN幅度分辨率（灰度级分辨率）在灰度级别中可分辨的最小变化G,2、图像质量与数据量,图像空间分辨率变化所产生的效果（p12-13）,图像幅度分辨率变化所产生的效果,空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果,讨论：图像采集越密集越好，量化级数越多越好？,对采样和量化的讨论,（1）图像数据量由空间分辨率和幅度分辨率决定；（2）采样值取决于需要观察到图像中哪个尺度的细节；量化值取决于人类视觉系统的分辨率和应用场合；（3）灰度尖锐的过渡区采用较密的采样，用较少的灰度级；在灰度平滑的过渡区采用较稀的采样，用较多的灰度级。,1.6图像存储与格式,图像采集装置(CCD,CMOS,CID)为采集数字图像，需要两种装置（器件）：(1)对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件，它能产生与所接受到的电磁能量成正比的（模拟）电信号；(2)数字化器，它能将上述（模拟）电信号转化为数字（离散）的形式。,图像显示图像处理的结果多是供观察的图像数据亮度模式显示显示设备电视显示器，液晶显示器阴极射线管（CRT)打印设备转换到幻灯片、照片或透明胶片上,BMP格式,BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。,典型的BMP图像文件由四部分组成：1：位图文件头数据结构，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；2：位图信息数据结构，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息；3：调色板，这个部分是可选的，有些位图需要调色板，有些位图，比如真彩色图（24位的BMP）就不需要调色板；4：位图数据，这部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同，在24位图中直接使用RGB，而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引值。,JPEG格式,JPEG是JointPhotographicExpertsGroup(联合图像专家组)的缩写，文件后辍名为“jpg”或“Jpeg”。JPEG本身只有描述如何将一个影像转换为字节的数据串流（streaming），但并没有说明这些字节如何在任何特定的储存媒体上被封存起来。.jpeg/.jpg是最常用的图像文件格式，由一个软件开发联合会组织制定，是一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的储存空间，图像中重复或不重要的资料会被丢失，因此容易造成图像数据的损伤。尤其是使用过高的压缩比例，将使最终解压缩后恢复的图像质量明显降低，如果追求高品质图像，不宜采用过高压缩比例。但是JPEG压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据。,图象（广义/抽象）图像（狭义/具体）人类从外界（客观世界）获得的信息约有75%来自视觉系统图像工程三层次：图像处理（图像图像）图像分析（图像数据）图像理解（图像解释）,1.7图像技术及分类,小结：,1、基本概念像素采样、量化空间分辨率、幅度分辨率2、像素间联系邻域连接、连通距离3、图像坐标变换,