數字圖像基礎,什么是圖像,“圖”是物體投射或反射光的分布， “像”是人的視覺系統對圖的接受在大腦中形成的印象或反映。是客觀和主觀的結合。 圖像是人們最主要的信息源！,百聞不如一見,百聞不如一見 One picture is worth more than ten thousand words. Anonymous,數字圖像,圖像的類別,可見光成像和不可見光成像,彩色與非彩色圖像,模擬圖像和數字圖像,1模擬圖像 模擬圖像可用連續函數來描述。 特點：光照位置和光照強度均為連續變化的。 2數字圖像image 可用矩陣或數組來描述 像素pixel(2-D)屬性：空間位置和灰度。,數字圖象坐標系,圖像處理的概念,圖像處理：它是研究圖像的獲取、傳輸、存儲，變換、顯示、理解與綜合利用的一門嶄新學科。 圖像的數字化 圖像變換 圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利 于特征提取、加強對圖像信息的理解,圖像處理的內容,圖像處理的內容,圖像增強 介紹各種增強方法及其應用，增強圖像的有用信息，消弱噪聲的干擾。 圖像的恢復與重建 把退化、模糊了的圖像復原，包括圖像輻射和幾何校正等內容；由斷層掃描重建二、三維圖像。,圖像編碼提高圖象傳輸和存儲效率簡化圖像的表示，以壓縮圖像的數據，便于存儲和傳輸。 圖像分割 提取出感興趣的對象。為進一步的理解和識別做準備。重點介紹圖像分割的方法及其應用。,二值圖像處理與形狀分析 介紹二值圖像的幾何概念、二值圖像連接成分的各種變形算法和二值圖像特征提取與分析的各種方法。 紋理分析 主要介紹影像紋理的概念及其特征提取與分析的一些方法與應用。,圖像識別 對圖像中的不同對象進行分類、描述和解釋。,數字圖像處理系統概述,圖像采集模塊,獲取數字圖像的設備即采集裝置 掃描儀 數碼照相機 數碼攝像機 圖像采集模塊 采集裝置都包括下面兩個部件： 光敏感器件 模/數轉換裝置,存儲模塊,圖像顯示的主要形式： 常用硬盤、軟盤、U盤、活動硬盤、 光盤、磁帶等 在海量圖像存儲備份系統中，采用 磁盤陣列、磁帶庫、光盤塔等存儲設備。,圖像通信模塊,圖像通信就是把圖像傳送到遠方終端。 按傳輸圖像種類分為 靜止圖像通信，如電報、傳真和圖文電視等 活動圖像通信，如電視、可視電話等。,數字圖像處理的特點,精度高 對于一幅圖像而言，數字化時不管是用多少比特表示，只需改變計算機中程序的參數，處理方法不變。所以從原理上講不管對多高精度的數字圖像進行理都是可能的。而在模擬圖像處理中，要想使精度提高一個數量級，就必須對裝置進行大幅度改進。,數字圖像處理的特點,再現性好 不管是什么數字圖像，均用數組或數組集合表示。在傳送和復制圖像時，只在計算機內部進行處理，這樣數據就不會丟失或遭破壞，保持了完好的再現性。而在模擬圖像處理過程中，就會因為各種干擾因素而無法保持圖像的再現性。,數字圖像處理的特點,通用性、靈活性強 不管是可視圖像還是X光圖像、熱紅外圖像、超聲波圖像等不可見光圖像，盡管這些圖像生成體系中的設備規模和精度各不相同，但當把這些圖像數字化后，對于計算機來說，都可同樣進行處理，這就是計算機處理圖像的通用性。另外，改變處理圖像的計算機程序，可對圖像進行各種各樣的處理，如上下滾動、漫游、拼接、合成、變換、放大、縮小和各種邏輯運算等，所以靈活性很高 便于集成化 不需復雜的阻抗匹配 抗噪聲干擾能力強,圖象處理存在缺點,圖象信號的數字化處理也存在一些缺點：比如處理速度較慢、系統相對比較復雜、信號量化過程中可能引入噪聲、量化時損失的信息無法恢復。,人類視覺模型,人類視覺系統 人類視覺是人眼對場景可見光能量在視網膜上形成的一種刺激，通過人腦對刺激信號的處理，獲取場景的描述和感知。 重要性 圖象系統的輸出是給人們觀看的，了解可視圖象被人眼接收過程，對于測度圖象逼真度是重要的，它有助于評價圖象處理算法。,眼的構造,光學系統： Lens(鏡頭)、Pupil（瞳孔）、iris(虹膜) 視網膜(Retina)：有錐狀和桿狀光電接收器 錐狀細胞(cone)：白晝視覺，感光、感色 桿狀細胞(rod)：夜間視覺，不感色 視神經：視神經脈沖傳入大腦進行圖象處理,視覺影像,視覺分辨率,人眼在某一距離能區分相鄰兩點的能力。 用最小視角表示： = d / l d:剛好能分辨的兩點間的最小距離; l:眼睛到兩點連線的垂距.,人類視覺的弱點:,1. 人只能感覺可見光波段能量，對其它波段不敏感； 2. 人眼視場角固定，空間分辨率和灰度分辨率有限； 3. 人眼有積分效應，對單次圖象瞬間變化、快速運動圖象分析存儲困難； 4. 準確測量圖象參數能力較差； 5受知識水平差異的影響，人對同一圖象的響應不同； 6人是有思想的生物體，視覺受情緒和疲勞程度的影響。,圖像的表示,圖像的像素,數學表示,二維離散亮度函數f(x,y) 1 x y說明圖像像素的坐標 2 函數值f 代表了在點(x,y)處像素的亮度值 二維矩陣Am,n 1 m , n說明圖像的寬和高 2 矩陣元素a(i j)的值表示圖像在第i 行，第j 列的像素的灰度值,計算機表示,圖像描述信息 一般以結構或類來描述 主要包括寬高等 圖像數據 數組 順序存放的連續數據 BMP格式,圖像質量：層次,表示象素明暗程度的整 數量稱為灰度級 層次表示灰度級的數量 圖像數據的實際層次越多視覺效果就越好,層次,對比度,清晰度,降低飽和度,減少細微層次,圖像的像素:鄰域,圖像的像素：像素的連通性,連通性是描述區域和邊界的重要概念 兩個像素連通的兩個必要條件是： 兩個像素的位置在某種情況下是否相鄰 兩個像素的值是否滿足某種相似性 4-連通8-連通,色彩屬性,色彩具有基本的三屬性： 色相（Hue）就是色彩的顏色，如紅，橙，黃，綠，藍，紫等各代表一種色相，而黑，白以及各種灰色則屬于無色系； 色調（Brightness）是指色彩的明暗程度; 飽和度（Saturation）則是指色彩的純度，又稱為彩度。 對比度是指不同顏色之間的差異。,HSI模型(基于人眼感知心理),HSI模型,HSI模型 H色度：取值0-360 S飽和度: 取值0-1 I亮度：取值0-1,HSI模型,加色模式,色光三原色 (R.G.B) 屏幕顯示的色彩是由 RGB（紅，綠，藍）三種色光所合成的。可以用加色法來計算混合后的色彩，色光越多越接近白色。,加色原色,原色包括加色原色和減色原色 加色原色是指三種色光（紅色、綠色和藍色），當按照不同的組合將這三種色光添加在一起時，可以生成可見色譜中的所有顏色。添加等量的紅色、藍色和綠色光可以生成白色。完全缺少紅色、藍色和綠色光將導致生成黑色。計算機的顯示器是使用加色原色來創建顏色的設備。,R+G+B 白光 顏色空間 256*256*256 RGB(255,255,255)白色，RGB(0,0,0)黑色 R=G=B，灰色,RGB模型(加色模式),RGB模型 楊赫姆霍爾茲視覺三基色假說： C=R+G+B RGB分別取值0-1 或0-255,24位色立方體,每幅彩色圖包括3個獨立的基色平面,即可分解到3個平面上。反過來如果圖象可被表示為3個平面，用這個模型比較方便。,減色原色,減色原色是指一些顏料，當按照不同的組合將這些顏料添加在一起時，可以創建一個色譜。與顯示器不同，打印機使用減色原色（青色、洋紅色、黃色和黑色顏料）并通過減色混合來生成顏色。使用“減色”這個術語是因為，這些原色都是純色，將它們混合在一起后生成的顏色都是原色的不純版本。例如，橙色是通過將洋紅色和黃色進行減色混合創建的。,CMYK模型(減色模式),C,M,Y三個密度值表示一個顏色 網點(Screen)的概念及成色原理: 網格上的最小墨點 調幅網點：通過改變網點的大小 調頻網點：通過改變單位面積中，相同大小網點的出現次數,例：書在暗房看不見，不會發光，光線不同顯示顏色不同 CMY數值，1-100% 光-吸收-反射 白紙，不印，MCY(0,0,0)白色 白紙，CMY（100，100，100）黑色 理論 提高黑色純度，黑色油墨K,CIE(國際照明委員會)色度圖,周圍是光的波長從380到700納米，采用歸一化表示方法，X，Y分別是紅綠的比例，藍光的比例為1-X-Y，白光的坐標（0.33，033）,CIE模型,歸一化顏色空間,Lab顏色空間,Lab模式,Lab模式通過兩個色調參數（a、b）和一個光強度參數（L）來控制色彩。 Lab顏色是Photoshop在不同顏色模式之間轉換時使用的中間顏色模式。如當RGB和CMYK兩種模式互換時，都需要先轉換為Lab模式，這樣才能減少轉換過程中的損耗,色輪,如果您是第一次調整顏色分量，在處理色彩平衡時手頭有一個標準色輪圖表會很有幫助。可以使用色輪來預測一個顏色分量中的更改如何影響其它顏色，并了解這些更改如何在 RGB 和 CMYK 顏色模型之間轉換。,藍+綠=青 紅+綠=黃 紅+藍=品紅 兩個加色得到一個減色 青色墻面照紅光 黑色 青色是紅色的補色，青色吸收紅光， 綠色的樹，照品紅，黑色 互補原色 吸收對方,偽彩色模型,定義: 通過顏色映射表描述色彩 實際上是RGB顏色模型的變體。 用偽彩色描述顏色的方法: 建立顏色映射表, 一般表的長度16-256。 像素值用其RGB值在映射表中的位置代替 通過抖動技術緩解顏色種類不足的問題 如何找出16-256種關鍵顏色是成敗的關鍵。,圖像顏色的表示,亮度和顏色感覺的視覺特征,1 刺激強度與感覺的關系,2亮度適應和顏色適應,3亮度對比和顏色對比,在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感覺到的明暗程度也不同。,4顏色感覺與刺激面積的關系,對一個色覺正常的人來說，顏色刺激面積非常小時就不能識別顏色了第三色盲。 這個原理被用到彩色電視機原理中，對減少傳送頻帶作出了貢獻。,視覺的空間性質,馬赫帶效應輪廓增強現象: 視覺的主觀感受在亮度有變化的地方出現虛幻的明亮或黑暗的條紋，馬赫帶效應的出現是人類的視覺系統造成的。生理學對馬赫帶效應的解釋是：人類的視覺系統有增強邊緣對比度的機制。 馬赫帶現象是1868年由奧地利物理學家 E.馬赫發現的一種明度對比現象，即是指人們在明暗交界處感到亮處更亮，暗處更暗的現象。它是一種主觀的邊緣對比效應。當觀察兩塊亮度不同的區域時，邊界處亮度對比加強，使輪廓表現得特別明顯。,視覺的時間特性,指對光刺激的過渡反應特性。如對閃爍的靈敏度特性、適應性、殘像、對運動的感覺及眼球運動和感覺的關系等性質。 視覺暫留: 這種主觀感覺是由于視覺暫留效應和大腦內插功能形成的。視覺暫留效應是電影、電視、動畫的基礎。,形狀感覺與錯,視覺系統所感覺到的物體的形狀并是簡單的投影到視網膜上的形狀。對形狀的感覺受到物體自身形狀及周圍背景的影響，也有心理因素的作用。 錯視是視覺對圖形感覺的一個重要現象。,顏色同化,當某一色被其他色所包圍時，如果被包圍的色在色相、明度方面與包圍色非常接近，或者兩者面積對比十分懸殊，被包圍之色面積很小，那么，被包圍之色就會被包圍之色“吃掉”，這種色彩現象稱之為“色彩同化 ”。,All the red squares in both diagonals are exactly the same red color. Yet, when the pattern is seen as a whole, the two red diagonals appear different from each other。,圖像數字化,圖像數字化是將一幅畫面轉化成計算機能處理的形式數字圖像的過程。 連續圖象經采樣、分層、量化、編碼等步驟變成數字圖象。 1 采樣： 將空間上連續的圖像變換成離散點（象素）集的操作稱為采樣。由于圖象是二維分布的信息，所以采樣是在x和y軸兩個方向上進行。若在模擬圖象的x方向采M個點，y方向采N個點，就得到M*N個點的數字化圖象的形式。,圖像數字化,采樣定理,圖像的采樣與數字圖象的質量,一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素數越少，空間分辨率低，質量差，嚴重時出現像素呈塊狀的國際棋盤效應；采樣間隔越小，所得圖像像素數越多，空間分辨率高，圖像質量好，但數據量大。,圖像數字化,2 量化 經采樣圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續的，還不能用計算機進行處理。 量化：將測量的灰度值用整數表示。 一般圖象均量化為8bit, 即用0255描述“黑白”（稱灰度級Grey level為256級） 灰度分辨率：指值的單位幅度上包含的灰度級數。,圖像的量化與數字圖象的質量,量化等級越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質量好，但數據量大； 量化等級越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會出現假輪廓現象，圖像質量變差，但數據量小。但在極少數情況下對固定圖像大小時，減少灰度級能改善質量，產生這種情況的最可能原因是減少灰度級一般會增加圖像的對比度。例如對細節比較豐富的圖像數字化。,數字化器,數字化器,數字化器必須能夠將圖像劃分為若干像素并分別給它們地址，能夠度量每一像素的灰度并量化為整數，能夠將這些整數寫入存儲設備。 數字化器組成 A采樣孔：保證單獨觀測特定的像素而不受其它部分的影響。 B圖像掃描機構：使采樣孔按預先確定的方式在圖像上移動。 C光傳感器：通過采樣孔測量圖像的每一個像素的亮度。 D量化器：將傳感器輸出的連續量轉化為整數值。 E輸出存儲體：將像素灰度值存儲起來。它可以是固態存儲器，或磁盤等。 常用的數字化器是掃描儀和數碼相機。,數字圖像的種類,1黑白圖像：指圖像的每個像素只能是黑或白，沒有中間過渡，又稱二值圖像。像素值為0或1。,數字圖像的種類,2灰度圖像 指每個像素的信息有一個量化的灰度級來描述的圖像，沒有彩色信息。,數字圖像的種類,3彩色圖像 指每個像素的信息由RGB三原色構成的圖像，其中RGB是由不同的灰度級來描述的。,圖像文件格式,BMP(Bit-mapped format) BMP文件是最普遍的點陣圖格式之一，是WINDOWS系統下的標準格式，我們利用WINDOWS的“畫圖”程序繪圖，就是存成BMP文件BMP格式支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式，不支持Alpha通道. JPEG聯合圖象專家組(Joint Photographics Experts Group) JPEG是一種高效率的壓縮文件，在存文件時能夠將人眼無法分辨的資料刪除，以節省儲存空間，但這些被刪除的資料無法在解壓時還原，所以JPEG文件并不適合放大觀看，輸出成印刷品時品質也會受到影響，這種類型的壓縮文件，稱為失真（Loosy）壓縮或破壞性壓縮,圖像文件格式,TIF(Tagged image file format)和EPS TIFF和EPS格式都包含兩個