第二章數(shù)字圖像基礎

1、第二章數(shù)字圖像基礎 主要內容主要內容2.1 圖像感知與獲取圖像感知與獲取2.2 圖像取樣與量化圖像取樣與量化2.3 數(shù)字圖像類型數(shù)字圖像類型2.4 數(shù)字圖像文件格式數(shù)字圖像文件格式2.5 像素間的一些基本關系像素間的一些基本關系2.6 Visual C+ + 圖像處理編程基礎圖像處理編程基礎 2.1 圖像感知與獲取圖像感知與獲取1 場景成像的三種主要傳感器裝置場景成像的三種主要傳感器裝置 （1）單元成像傳感器，如光敏二極管等。 通過x-y方向二維掃描，形成二維圖像。 （2）線成像傳感器，如線CCD、平板掃描儀等。 只需一維掃描，就能形成二維圖像。 （3）陣列成像傳感器，如面CCD等。 不需要掃

2、描，就能形成二維圖像。2 簡單的圖像形成模型（數(shù)學模型）簡單的圖像形成模型（數(shù)學模型）取決于成像物體的特性是反射系數(shù)分布照射源特性是入射場分布，取決于是圖像幅度分布其中：,),(),(),(),(),(),(yxryxiyxfyxryxiyxf 2.2 圖像取樣與量化圖像取樣與量化1 基本概念基本概念 （1）圖像數(shù)字化圖像數(shù)字化：將模擬圖像經過離散化之后，得到用數(shù)字表示的圖像。圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個過程。 （2）采樣采樣：是將在空間上連續(xù)的圖像轉換成離散的采樣點（即像素）集的操作。即：空間坐標的離散化。 （3）量化：）量化：把采樣后所得的各像素的灰度值從模擬量到離散量的轉換稱為圖像灰度

3、的量化。即：灰度的離散化。2 數(shù)字圖像表示數(shù)字圖像表示 （1）緊湊矩陣表示) 1, 1() 1 , 1()0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0() 1 , 0()0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffyxf （2）傳統(tǒng)矩陣表示形式1, 11 , 10, 11, 11 , 10, 11, 01 , 00, 0NMMMNNaaaaaaaaaA3 空間分辨率和灰度分辨率空間分辨率和灰度分辨率 （1）空間分辨率空間分辨率：圖像空間中可分辨的最小細節(jié)。一般用單位長度上采樣的像素數(shù)目或單位長度上的線對數(shù)目表示。 （2）灰度分辨率灰度分辨率：圖像灰度級中可分辨

4、的最小變化。一般用灰度級或比特數(shù)表示。 （3）空間分辨率（圖像的采樣）與圖像質量的關系空間分辨率（圖像的采樣）與圖像質量的關系265x180133x9066x4533x22問題：觀察上面四幅圖，總結空間分辨率與圖像質量的關系。 總結總結： 空間分辨率越高，圖像質量越好；空間分辨率越低，圖像質量越差，會出現(xiàn)棋盤模式。 （4）灰度分辨率（圖像的量化）與圖像質量的關系灰度分辨率（圖像的量化）與圖像質量的關系256灰度級灰度級16灰度級灰度級8灰度級灰度級4灰度級灰度級問題：觀察上面四幅圖，總結灰度分辨率與圖像質量的關系。 總結總結： 灰度分辨率越高，圖像質量越好；灰度分辨率越低，圖像質量越差，會出現(xiàn)

5、虛假輪廓。 （5）空間分辨率和灰度分辨率同時變化，對圖像質量的影響空間分辨率和灰度分辨率同時變化，對圖像質量的影響問題：觀察上面三幅圖，空間分辨率和灰度分辨率同時變 化，對圖像質量的影響。 總結總結： A、圖像質量一般隨N和k的增加而增加。在極少數(shù)情況下對固定的N，減小k能改進質量。最有可能的原因是減小k常能可增加圖像的視覺反差。 B、對具有大量細節(jié)的圖像只需很少的灰度級數(shù)就可較好地表示。 C、Nk為常數(shù)的圖像主觀看起來可以有較大的差異。 （6）采樣和量化的原則采樣和量化的原則 當限定數(shù)字圖像的大小時, 為了得到質量較好的圖像，一般可采用如下原則： （1） 對緩變的圖像， 應該細量化， 粗采樣

6、， 以避免假輪廓。 （2） 對細節(jié)豐富的圖像， 應細采樣， 粗量化， 以避免模糊。 思考題思考題： 為什么電風扇轉速太快時，人們會覺得電風扇在反轉？ （采樣定理） 2.3 數(shù)字圖像類型數(shù)字圖像類型 靜態(tài)圖像可分為矢量(Vector)圖和位圖（Bitmap）， 位圖也稱為柵格圖像。 1 矢量圖矢量圖 （1）矢量圖的表示方法）矢量圖的表示方法 是用一系列繪圖指令來表示一幅圖。這種方法的本質是用數(shù)學(更準確地說是幾何學)公式描述一幅圖像。 （2） 矢量圖的優(yōu)點矢量圖的優(yōu)點： A、它的文件數(shù)據(jù)量很小； B、圖像質量與分辨率無關，這意味著無論將圖像放大或縮小了多少次，圖像總是以顯示設備允許的最大清晰度顯

7、示。（3）矢量圖的缺點）矢量圖的缺點： 不易制作色調豐富或色彩變化太多的圖像，繪出來的圖像不是很逼真，同時也不易在不同的軟件間交換文件。 2 位圖位圖 是通過許多像素點表示一幅圖像，每個像素具有顏色屬性和位置屬性。 位圖的優(yōu)缺點：與矢量圖正好相反。 位圖又可以分成如下四種：二值圖像（binary image)、灰度圖像(gray-scale image)、索引顏色圖像(index color image)和真彩色圖像（true color image）。 3. 二值圖像二值圖像 只有黑白兩種顏色。011100001I 4. 灰度圖像灰度圖像 在灰度圖像中，像素灰度級一般用8 bit表示，所以每

8、個像素都是介于黑色（0）和白色（255）之間的256（28=256）種灰度中的一種。100220250180501202001500I 5. 真彩色圖像真彩色圖像 每一個像素由紅、綠和藍三個字節(jié)組成， 每個字節(jié)為8 bit，表示0到255之間的不同的亮度值，這三個字節(jié)組合可以產生1670萬種不同的顏色。 6 . 索引圖像索引圖像 在RGB真彩色出現(xiàn)之前， 由于技術上的原因，計算機在處理時并沒有達到每像素24位的真彩色水平，為此人們創(chuàng)造了索引顏色。 在索引顏色（也稱為映射顏色）模式下，顏色都是預先定義的，并且可供選用的一組顏色也很有限， 索引顏色的圖像最多只能顯示256種顏色。2.4 圖像文件格

9、式圖像文件格式 數(shù)字圖像有多種存儲格式，每種格式一般由不同的開發(fā)商支持。因此，要進行圖像處理，必須了解圖像文件的格式， 即圖像文件的數(shù)據(jù)構成。 每一種圖像文件均有一個文件頭， 在文件頭之后才是圖像數(shù)據(jù)。1 BMP圖像文件格式圖像文件格式 第一部分為位圖文件頭BITMAPFILEHEADER， 它是一個結構體，其定義如下： typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; /文件類型，在WINDOWS系統(tǒng)中為“BM” DWORDbfSize; /文件大小 WORDbfReserved1; /保留字 WORDbfReserved2; /保留字 DWOR

10、DbfOffBits; /從文件頭到實際位圖的偏移字節(jié)數(shù) BITMAPFILEHEADER; 這個結構的長度是固定的，為14個字節(jié)（WORD為無符號16位二進制整數(shù)，DWORD為無符號32位二進制整數(shù)）。 第二部分為位圖信息頭BITMAPINFOHEADER，也是一個結構：typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize; /該結構的長度，為40字節(jié) LONGbiWidth; /圖像的寬度，單位為像素 LONGbiHeight; /圖像的高度，單位為像素 WORDbiPlanes; /位平面數(shù)，必須是1 WORDbiBitCount; /指定顏色數(shù)

11、，1為二值，4為16色，8為 256 色，16、24、32為真彩色 DWORDbiCompression; /指定是否壓縮，有效的值為BI_RGB, BI_RLE8，BI_RLE16，BI_BITFIELDS DWORDbiSizeImage; /實際的位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù) LONGbiXPelsPerMeter;/目標設備水平分辨率 LONGbiYPelsPerMeter;/目標設別垂直分辨率 DWORDbiClrUsed;/實際使用的顏色數(shù)，若該值為0，則使用的顏 色數(shù)為2的biBitCount次方種。 DWORDbiClrImportant; /圖像中重要的顏色數(shù)，若該值為0，則所 有的

12、顏色都是重要的。 BITMAPINFOHEADER; 其中，biCompression的有效值為BI_RGB、 BI_RLE8、 BI_RLE4、BI_BITFIELDS，這都是一些Windows定義好的常量。由于RLE4和RLE8的壓縮格式用的不多，今后僅討論biCompression的有效值為BI_RGB，即不壓縮的情況。 第三部分為調色板(Palette)，只是對那些需要調色板的位圖文件而言的。調色板實際上是一個數(shù)組， 共有biClrUsed個元素（如果該值為零，則有2的biBitCount次方個元素）。數(shù)組中每個元素的類型是一個RGBQUAD結構， 占4個字節(jié)，其定義如下： typed

13、ef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; /該顏色的藍色分量 BYTE rgbGreen;/該顏色的綠色分量 BYTE rgbRed;/該顏色的紅色分量 BYTE rgbReserved;/保留值 RGBQUAD; 第四部分就是實際的圖像數(shù)據(jù)。對于用到調色板的位圖， 圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調色板中的索引值，對于真彩色圖像， 圖像數(shù)據(jù)就是實際的R、 G、 B值。下面就2色、 16色、256色和真彩色位圖分別介紹。 對于2色位圖，用1位就可以表示該像素的顏色（一般0表示黑， 1表示白），所以一個字節(jié)可以表示8個像素。 對于16色位圖，用4位可以表示一個像素的顏色，所以

14、一個字節(jié)可以表示2個像素。 對于256色位圖，一個字節(jié)剛好可以表示1個像素。 下面兩點請讀者注意： （1） 每一行的字節(jié)數(shù)必須是4的整數(shù)倍，如果不是，則需要補齊。 （2） BMP文件的數(shù)據(jù)存放是從下到上，從左到右的。也就是說， 從文件中最先讀到的是圖像最下面一行的左邊第一個像素， 然后是左邊第二個像素， 接下來是倒數(shù)第二行左邊第一個像素， 左邊第二個像素。依次類推， 最后得到的是最上面一行的最右邊的一個像素。 DIB（Device Independent Bitmap）圖像格式是設備無關位圖文件，描述圖像的能力基本與BMP相同，并且能運行于多種硬件平臺，只是文件較大。 2. TIF圖像文件格式

15、圖像文件格式 標記圖像文件格式TIF (Tag Image File Format)， 它是現(xiàn)存圖像文件格式中最復雜的一種，它提供存儲各種信息的完備的手段， 可以存儲專門的信息而不違反格式宗旨，是目前流行的圖像文件交換標準之一。 3. GIF圖像文件格式圖像文件格式 CompuServe開發(fā)的圖形交換文件格式GIF（Graphics Interchange Format），目的是在不同的系統(tǒng)平臺上交流和傳輸圖像。它是在Web及其他聯(lián)機服務上常用的一種文件格式，用于超文本標記語言(HTML)文檔中的索引顏色圖像。 4. JPEG圖像格式圖像格式 JPEG(Joint Photographers

16、Experts Group)格式即聯(lián)合圖像專家組, 是由ISO和CCITT為靜態(tài)圖像所建立的第一個國際數(shù)字圖像壓縮標準，主要是為了解決專業(yè)攝影師所遇到的圖像信息過于龐大的問題。由于JPEG的高壓縮比和良好的圖像質量， 使得它廣泛應用于多媒體和網(wǎng)絡程序中。JPEG和GIF成為HTML語法選用的圖像格式。 2.5 圖像像素間的一些基本關系圖像像素間的一些基本關系1 相鄰像素相鄰像素 （1）p的的4鄰域鄰域 坐標為(x,y)的像素p有4個水平和垂直的相鄰像素，坐標分別為: (x+1, y), (x-1, y), (x, y+1), (x, y-1)，這個像素集稱為p的4鄰域，用N4(p)表示。 （2

17、）p的的4個對角鄰像素個對角鄰像素 坐標分別為: (x+1, y+1), (x-1, y-1), (x-1, y+1), (x-1, y-1)，用N D(p)表示。 （3）p的的8鄰域鄰域 N4(p)+ N D(p) 。 隨堂練習： 4鄰域、對角鄰域、8鄰域2 鄰接性、連通性鄰接性、連通性 （1）鄰接性鄰接性 V是具有特定相似性準則的灰度值集合。（解釋） A、4鄰接鄰接：如果q在N4 (p)中，具有V中數(shù)值的兩個像素p和q是4鄰接的。 B、8鄰接鄰接：如果q在N8 (p)中，具有V中數(shù)值的兩個像素p和q是8鄰接的。 C、m鄰接：鄰接：如果q在N4(p)中， 或者q在ND(p)中且集合N4(p)

18、 N4(q)沒有V值的像素，則具有V值的像素p和q是m鄰接的。 混合鄰接的引入是為了消除采用8鄰接常常發(fā)生的二義性。011010001011010001011010001 （2）連通性連通性 從具有坐標(x,y)的像素p到具有坐標(s,t)的像素q的通路通路特定像素序列，其坐標為：),( ,),(),(1100nnyxyxyx并且像素(xi, yi)和(xi-1, yi-1)是鄰接的。 4通路通路 8通路通路 m通路通路隨堂練習： 以下p-q通路各是什么通路？0 0 0 0 0 0 1 0 0 00 1 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 0 0 0 00 0 1 0 1 1

19、 0 0 0 00 1 0 0 1 0 1 1 0 01 0 0 0 1 0 0 0 1 11 0 0 1 0 0 0 0 1 00 1 1 1 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0隨堂練習： 連通連通 設 p 和 q 是1個圖象子集 S 中的2個象素，那么如果存在1條完全由在S中的象素組成的從 p 到 q 的通路，那么就稱 p 在 S 中與 q 相連通的。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 0 0 0 00 0 1 1 1 1 0 0 0 00 1 1 1 1 0 1 1 0 01 1