02 數字圖像處理基礎資料

1、第2章 圖像處理基礎本章重點：圖像的數字化以及數字化圖像表示方法圖像存儲格式第2章 圖像處理基礎2.1 人眼成像過程2.2 簡單的圖像形成模型2.3 圖像的數字化2.4 數字圖像的基本類型2.5 數字圖像的基本文件格式2.6 傅里葉變換2.1 人眼成像過程 人眼是一個平均半徑為20mm的球狀器官。它由三層薄膜包圍著，如右圖所示。最外層是堅硬的蛋白質膜，其中，位于前方的大約16部分為有彈性的透明組織，稱為角膜，光線從這里進入眼內。 其余56為白色不透明組織，稱為鞏膜，它的作用是鞏固和保護整個眼球。中間一層由虹膜和脈絡膜組成。虹膜的中間有一個圓孔，稱為瞳孔。它的大小可以由連接虹膜的環(huán)狀肌肉組織來調

2、節(jié)，以控制進入眼睛內部的光通量大小，其作用和照相機中的光圈一樣。最內一層為視網膜，它的表面分布有大量光敏細胞。 除了三層薄膜，在瞳孔后面有一個扁球形的透明體。水晶體的作用如同可變焦距的一個透鏡，它的曲率可以由睫狀肌的收縮進行調節(jié)，從而使景象始終能剛好地聚焦于黃斑區(qū)。眼睛的晶狀體和普通光學透鏡之間的主要差別在于前者的適應性強。用眼睛看建筑物側面的圖解，C點是晶狀體的光心近視眼遠視眼2.2 簡單的圖像形成模型一幅圖像實際上記錄的是物體輻射能量的空間分布，這個分布是空間坐標、時間和波長的函數，即:I=(x,y,z,t) 當一幅圖像為平面單色圖像時，空間坐標變量z ,波長可以從函數中去除，一幅圖像可以

3、用一個二維分布函數表示: f (x, y, t)一幅平面靜態(tài)單色圖像，可以將時間函數t 從函數中去除，圖像可以用f (x, y)來表示。2.3 圖像的數字化幾個名詞：圖象、圖像、圖片、影象、圖形 Image, Picture, Pattern連續(xù)圖像 照片、電視、錄象、電影 數學表達式：f (x, y, t) 是一個二維分布函數，t是時間變量。 2.3 圖像的數字化連續(xù)圖像數字圖像離散化目的：便于計算機處理。離散化: 空間采樣:512512 象素 Pixel 分辨率 Resolution 幅值量化：256級, 28級, 8bit 灰度級 Grey level數字圖像可以理解為對二維函數f(x，

4、y)進行采樣和量化(即離散處理)后得到的圖像，因此，通常用二維矩陣來表示一幅數字圖像。 將一幅圖像進行數字化的過程就是在計算機內生成一個二維矩陣的過程。數字化過程主要包括兩個步驟：采樣和量化。 2.3.1 采樣 采樣（Sampling）:是對圖像空間坐標的離散化， 它決定了圖像的空間分辨率。 用一個網格把待處理的圖像覆蓋，然后把每一小格上模擬圖像的各個亮度取平均值，作為該小方格中點的值。 圖像的采樣對一幅圖像采樣時，若每行（即橫向）像素為M個，每列（即縱向）像素為N個，則圖像大小為MN個像素，從而f(x,y)構成一個MN實數矩陣： 每個元素為圖像f(x,y)的離散采樣值，稱之為像元或像素。 類

5、比一維信號電壓流量txy二維圖象二維采樣定理（Nyguist 準則）1/x,1/y2倍的圖象函數上限頻帶。2.3.2 量化把采樣后所得的各像素灰度值從模擬量到離散量的轉換稱為圖像灰度的量化。量化是對圖像幅度坐標的離散化，它決定了圖像的幅度分辨率。曹沖秤象與離散化量化量化的方法包括：等間隔量化和非非等間隔量化。等間隔量化就是簡單地把采樣值的灰度范圍等間隔地分割并進行量化。也稱為均勻量化或線性量化。為了減小量化誤差，引入了非均勻量化的方法。非均勻量化依據一副圖像具體的灰度值分布的概率密度函數，按總的量化誤差最小的原則來進行量化。具體做法是：對圖像中像素灰度值頻繁出現的灰度值范圍，量化間隔取小一些；

6、對那些像素灰度值極少出現的范圍，則量化間隔取大一些。(a) 量化 (b) 量化為8 bit量化示意圖(a) 256級灰度圖象 (b) 子圖 (c) 子圖對應的量化數據圖像量化實例對一幅圖像，當量化級數一定時，采樣點數對圖像質量有著顯著的影響。采樣點數越多，圖像質量越好； 當采樣點數減少時，圖上的塊狀效應就逐漸明顯。同理，當圖像的采樣點數一定時，采用不同量化級數的圖像質量也不一樣。量化級數越多，圖像質量越好，當量化級數越少時，圖像質量越差，量化級數最小的極端情況就是二值圖像，圖像出現假輪廓。 采樣點數和量化級數的關系：(a) 采樣點256256時的圖像 (b) 采樣點6464時的圖像(c) 采樣

7、點3232時的圖像(d) 采樣點1616時的圖像 采樣點數與圖像質量之間的關系(a) 量化為2級的Lena圖像 (b) 量化為16級的Lena圖像(c) 量化為256級的Lena圖像 量化級數與圖像質量之間的關系 1972年2019年 分辨率不同 的圖象比較分辨率 640 x480分辨率 320 x240分辨率 160 x120分辨率 80 x60從粗到細地觀察分辨率 640 x480分辨率 320 x240分辨率 160 x120分辨率 80 x60 查視力=檢測分辨率？Clockwise from top left:Standard Lena;Lena with aGaussian blu

8、r;Lena convertedto polar coordinates;Lenas edges;Lena spherized, concave;Lena spherized, convex.1972年2019年2.4 數字圖像的基本類型矢量圖（Vector），也稱矢量存儲模式。矢量圖是用一系列計算機指令來表示的一幅圖。矢量圖只存儲圖像內容的輪廓部分，而不是圖像數據的每一點。途中每一個形狀都是一個完整的公式，稱為一個對象。文件數據量小。圖像質量與分辨率無關。不易制作色調豐富或色彩變化太多的圖像，而且圖像不是很逼真。2.4.1 二值圖像二值圖像也叫黑白圖像，就是圖像象素只存在0,1兩個值。二進制

9、的lena圖像2.4.2 灰度圖像灰度圖像是包含灰度級的圖像，如64級，256級等。如當像素灰度級用8 bit表示時，每個像素的取值就是256種灰度中的一種，即每個象素的灰度值為0到255中的一個。通常，用0表示黑，255表示白，從0到255亮度逐漸增加。 2.4.3 索引圖像索引圖像把像素值直接作為索引顏色的序號，根據索引顏色的序號就可以找到該像素的實際顏色。索引顏色也稱為映射顏色。當把索引圖像讀入計算機時，索引顏色將被存儲到調色板中。調色板是包含不同顏色的顏色表，每種顏色以紅，綠，藍三種顏色的組合來表示。調色板的單元個數是與圖像的顏色數一致的。256色圖像有256個索引顏色，相應的調色板就

10、有256個單元。 2.4.4 RGB圖像RGB圖像是一類圖像的總稱，也稱為真彩色。這類圖像不使用單獨的調色板，每一個像素的顏色由存儲在相應位置的紅，綠，藍顏色分量共同決定。RGB圖像是24位圖像，紅綠藍分量分別占用8位，理論上可以包含1670萬種不同的顏色。2.5 數字圖像的基本文件格式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據。文件頭的內容一般包括文件類型、文件制作者、制作時間、版本號、文件大小等內容。圖像文件還涉及圖像文件的壓縮方式和存儲效率等。常用的圖像文件存儲格式主要有BMP文件、JPG文件、PCX文件、TIF文件以及GIF文件等。 2.5.1 BMP圖像文件格式第一部分

11、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，必須是0 x424D DWORDbfSize; /指定文件大小 WORDbfReserved1; WORDbfReserved2; DWORDbfOffBits; /從文件頭到實際位圖數據的偏移字節(jié)數 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，DWORD為無符號32位二進制整數）。 第二部分為位圖信息頭BITMAPINFOHEADER，也是一個結構，

12、其定義如下：typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize； /該結構的長度，為40 LONGbiWidth； LONGbiHeight； WORDbiPlanes； /位平面數，必須為1 WORDbiBitCount； /指定顏色位數 DWORD biCompression； /指定是否壓縮 DWORD biSizeImage； /實際位圖數據字節(jié)數 LONGbiXPelsPerMeter； /目標設備水平分辨率 LONGbiYPelsPerMeter； /目標設備垂直分辨率 DWORDbiClrUsed； /實際使用的顏色數 DWORDbiC

13、lrImportant； /圖像中重要的顏色數 BITMAPINFOHEADER； 這個結構的長度是固定的，為40個字節(jié)（LONG為32位二進制整數）。其中，biCompression的有效值為BI_RGB、 BI_RLE8、 BI_RLE4、BI_BITFIELDS。第三部分為調色板(Palette) 。真彩色圖像不需要調色板。調色板實際上是一個數組， 共有biClrUsed個元素。數組中每個元素的類型是RGBQUAD結構，占4個字節(jié)，其定義如下： typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; /該顏色的藍色分量 BYTE rgbGreen;/該顏色的綠色分

14、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據。對于用到調色板的位圖，圖像數據就是該像素顏色在調色板中的索引值，對于真彩色圖像，圖像數據就是實際的R、G、B值。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。 2.5.2 TIF圖像文件格式標記圖像文件格式TIF (Tag Image File Format)是現存圖像文件格式中最復

15、雜的一種，是目前流行的圖像文件交換標準之一。TIF格式文件的設計考慮了擴展性、 方便性和可修改性，因此非常復雜，要求用更多的代碼來控制它，結果導致文件讀寫速度慢， TIF代碼也很長。TIF文件由文件頭、參數指針表與參數域、參數數據表和圖像數據四部分組成。 2.5.3 GIF圖像文件格式GIF（Graphics Interchange Format）文件的全稱是圖形交換文件格式。該形式存儲的文件主要為不同的系統(tǒng)平臺交流和傳輸圖像提供方便,是Web及其他聯機服務上常用的一種文件格式，用于 HTML文檔中的索引顏色圖像。圖像最大不能超過64 M，顏色最多為256色。GIF圖像文件采取LZW壓縮算法，

16、存儲效率高，支持多幅圖像定序或覆蓋，交錯多屏幕繪圖以及文本覆蓋。GIF主要是為數據流而設計的一種傳輸格式，而不是作為文件的存儲格式。GIF有五個主要部分以固定順序出現，所有部分均由一個或多個塊(block)組成。每個塊第一個字節(jié)中存放標識碼或特征碼標識。這些部分的順序為：文件標志塊、邏輯屏幕描述塊、可選的“全局”色彩表塊(調色板)、各圖像數據塊（或專用的塊）以及尾塊（結束碼）。 2.5.4 PCX圖像文件格式PCX文件格式由ZSoft公司設計, 是最早使用的圖像文件格式之一。PCX支持256種顏色，結構較簡單，存取速度快，壓縮比適中，適合于一般軟件的使用。PCX 格式支持RGB、索引顏色、灰度

17、和位圖顏色模式，支持 RLE 壓縮方法， 圖像顏色的位數可以是 1、 4、8 或 24。 PCX圖像文件由三個部分組成：文件頭、圖像數據和256色調色板。2.5.5 JPEG圖像文件格式JPEG(Joint Photographers Experts Group聯合圖像專家組)格式, 是由ISO和CCITT為靜態(tài)圖像所建立的第一個國際數字圖像壓縮標準，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。JPEG 格式支持 24 位顏色，并能保留照片和其他連續(xù)色調圖像中存在的亮度和色相的顯著和細微的變化。2.6 傅里葉變換數字圖像處理的方法主要分成兩大類：空間域處理法（空域法）頻域法（變換域

18、法）傅里葉變換定義設f(x)為x的函數，如果f(x)滿足下面狄里赫萊條件：具有有限個間斷點。具有有限個極值點。絕對可積。變換處理傅里葉變換則有下列兩式成立：式中x是時域變量，u為頻率變量。如令 =2u ， 則有傅里葉變換如令 =2u ， 則有通常把以上公式稱為傅里葉變換對。傅里葉變換 函數f(x)的傅里葉變換一般是一個復量，它可以由下式表示傅里葉變換把 叫做 的傅里葉譜，而 叫相位譜?；驅懗芍笖敌问礁道锶~變換由上面的例子可以建立起下面幾個概念： （）只要滿足狄里赫萊條件，連續(xù)函數就可以進行傅里葉變換，實際上這個條件在工程運用中總是可以滿足的。 （）連續(xù)非周期函數的傅里葉譜是連續(xù)的非周期函數，連續(xù)的周期函數的傅里葉譜是離散的非周期函數。 傅里葉變換 傅里葉變換可推廣到二維函數。如果二維函數 f (x , y) 滿足狄里赫萊條件，那么將有下面