數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識(shí)

主講人：王吉暉

Tel：68912569-806Email：wjhzhaojie@

光電學(xué)院——光電成像與信息研究所數(shù)字圖像處理RafaelC.Gonzalez,RichardE.Woods著,阮秋琦,阮宇智譯.數(shù)字圖像處理(第三版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.參考書：[1]章毓晉.圖像工程(上冊(cè))圖像處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.[2]章毓晉.圖像工程(中冊(cè))圖像分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.[3]RafaelC.Gonzalez,RichardE.Woods,StevenL.Eddins著,阮秋琦譯.數(shù)字圖像處理(MATLAB版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2007.[4]沈庭芝《數(shù)字圖像處理與模式識(shí)別》北京理工大學(xué)出版社[5]劉榴娣等《實(shí)用數(shù)字圖像處理》北京理工大學(xué)出版社

選用教材：數(shù)字圖像處理第2章數(shù)字圖像基礎(chǔ)本章包含的主要內(nèi)容

視覺(jué)感知要素

圖像的感知和獲取

圖像采樣和量化

像素間的一些基本關(guān)系

常見(jiàn)圖像文件格式人眼所見(jiàn)圖像是由物體反射的光組成，光是能量的一種形式，用f(x,y)表示空間坐標(biāo)(x,y)處的光強(qiáng)度（亮度），圖像與光強(qiáng)分布有關(guān)連續(xù)圖像模型f(x,y)由兩個(gè)分量表征－-所在場(chǎng)景中的入射光量i(x,y)和場(chǎng)景中被物體反射的光亮r(x,y)i(x,y)的性質(zhì)由光源確定，r(x,y)由景物中物體的性質(zhì)確定，r(x,y)＝０，表示全吸收，r(x,y)＝１表示全反射。(一)圖像的感知和獲取傳感器陣列獲取圖像單色圖像f(x,y)在(x0,y0)處的亮度成為圖像該點(diǎn)的灰度(l)理論上，LMIN要求為正數(shù)，LMAX,

要求為有限值，[LMIN,LMAX]叫做灰度范圍，也表示成[0,L-1]，l=0表示黑，l=L-1表示白，中間為由黑連續(xù)變?yōu)榘讜r(shí)的灰度值。l的范圍為：(二)圖像采樣和量化abcd連續(xù)圖像(b)從連續(xù)圖像用從A到B的掃描線獲得的連續(xù)信號(hào)(c)采樣和量化(d)數(shù)字信號(hào)線ab連續(xù)圖像透影到傳感器陣列(b)采樣量化后的圖像采樣和量化的概念采樣－－對(duì)連續(xù)變化圖像在空間坐標(biāo)上作離散化的過(guò)程，稱為對(duì)圖像進(jìn)行采樣。選取的采樣點(diǎn)常稱為像素（像元，樣本）采樣定理若f(x)的頻率為

fc，則可以由相隔為

fc/2或大于

fc/2

的采樣頻率采樣并能精確的重構(gòu)

采樣點(diǎn)陣

量化－采樣后的圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續(xù)的還不能用計(jì)算機(jī)處理。將像素灰度轉(zhuǎn)換成離散的整數(shù)值的過(guò)程叫量化量化的分類均勻量化，非均勻量化

均勻量化：將每個(gè)像素的幅度與一組判決電平作比較，如果該像素幅度落在兩個(gè)判決電平之間，就將該幅度用某一對(duì)應(yīng)固定電平來(lái)表示。

非均勻量化有兩種情況：第一種是基于人的視覺(jué)特性要求；第二種是根據(jù)亮度值出現(xiàn)的概率分布采樣和量化例子數(shù)字圖像的表示通常情況是把圖像按一維或二維數(shù)組的形式在計(jì)算機(jī)里存儲(chǔ)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)坐標(biāo)。

數(shù)字圖像的表示舉例量化的灰度級(jí)一幅數(shù)字圖像中不同灰度值的個(gè)數(shù)成為灰度級(jí)，用G表示

G＝２k當(dāng)一幅圖像有灰度級(jí)2ｋ時(shí)，通常稱該圖像是ｋ比特圖像。例如一幅圖像灰度值的取值范圍一般為0~255，稱其為8比特圖像。像素灰度級(jí)只有兩級(jí)的圖像[0(黑色)或1(白色)]稱為二值圖像。圖像的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)一幅大小為M×N,灰度級(jí)數(shù)為G的圖像通常，M，N，G取２的整數(shù)冪的形式。

M=2mN=2nG=2k所需的存儲(chǔ)空間為

M×N×ｋ（bit）稱為圖像的數(shù)據(jù)量.例如一幅圖像的灰度級(jí)為64，大小為128×128

的圖像數(shù)據(jù)量為

128×128×6=98304bit,共需98304bit來(lái)存儲(chǔ)。采樣，量化與所得數(shù)字圖像間的關(guān)系

采樣間隔越大，所得圖像像素?cái)?shù)越小，空間分辨率低，質(zhì)量差；采樣間隔越小，所得圖像像素?cái)?shù)越多，空間分辨率高，質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大；640x480320x240160x120

量化等級(jí)越多，圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大；量化等級(jí)越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量?。?a)具有少量細(xì)節(jié)的圖像(b)具有中等細(xì)節(jié)的圖像(c)具有大量細(xì)節(jié)的圖像(三)像素間的一些基本關(guān)系

相鄰像素

4鄰域（N4(p)）：像素P(x,y)的4個(gè)水平和垂直的相鄰像素是

(x+1,y);(x-1,y);(x,y+1);(x,y-1)

D鄰域（ND(p)）

：像素P(x,y)的4個(gè)對(duì)角鄰像素是

(x+1,y+1);(x+1,y-1);(x-1,y+1);(x-1,y-1)

8鄰域（N8(p)）

：像素P(x,y)的8鄰域是4鄰域的點(diǎn)＋D

鄰域的點(diǎn)

像素間的連通性連通性是描述區(qū)域和邊界的重要概念，兩個(gè)像素連通的兩個(gè)必要條件是：

兩個(gè)像素的位置是否相鄰兩個(gè)像素的灰度值是否滿足特定的相似準(zhǔn)則（或者是否相等）像素的連通性－4連通對(duì)具有值V的像素ｐ和ｑ，如果ｑ在集合N4(ｐ)中，則稱這兩個(gè)像素是４連通的像素的連通性－8連通對(duì)具有值V的像素ｐ和ｑ，如果q在集合N8(ｐ)中，則稱這兩個(gè)像素是8連通

像素的連通性－m連通對(duì)具有值V的像素ｐ和ｑ，如果(1)q在集合N4(ｐ)中，或(2)q在集合ND(ｐ)中,并且N4(ｐ)與N4(ｑ)的交集為空(沒(méi)有值V的像素)，稱這兩個(gè)像素是ｍ連通的，即４連通和D連通的混合連通

像素的連通性－通路通路的定義：一條從具有坐標(biāo)（x,y）的像素ｐ，到具有坐標(biāo)(s,t)的像素ｑ的通路，是具有坐標(biāo)(x0,y0),(x1,y1),(xn,yn)的不同像素的序列。其中，(x0,y0)=（x,y）,(xn,yn)=(s,t),(xi,yi)和(xi-1,yi-1)是鄰接的，1≤i≤n，n是路徑的長(zhǎng)度，如果(x0,y0)=(xn,yn)，則該通路是閉合的。

像素的連通性－距離像素之間距離的定義歐式距離定義

D4距離（城市距離）定義

D8距離（棋盤距離）定義像素之間距離的定義對(duì)于像素ｐ、ｑ和ｚ，分別具有坐標(biāo)(x,y),(s,t)和(u,v)，如果D(p,q)≥0(D(p,q)=0,當(dāng)且僅當(dāng)ｐ＝ｑ)D(p,q)=D(q,p)D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)則稱D是距離函數(shù)或度量歐式距離定義像素p(x,y)和q(s,t)間的歐氏距離定義如下：對(duì)于這個(gè)距離計(jì)算法，具有與(x,y)距離小于等于某個(gè)值ｒ的像素是：包含在以(x,y)為圓心，以ｒ?yàn)榘霃降膱A平面

D4距離（城市距離）定義像素p(x,y)和q(s,t)間的D4距離定義如下：D4距離舉例

D8距離（棋盤距離）定義像素p(x,y)和q(s,t)間的D8距離定義如下：D8距離舉例最常見(jiàn)的圖像文件格式有：BMP、GIF、TIF、JPEG等BMP圖像格式(擴(kuò)展名為.BMP)Windows操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件格式大部分BMP文件是不壓縮的形式，它本身還是支持圖像壓縮的它的顏色存儲(chǔ)格式有1位，4位，8位，16及24位(四)常見(jiàn)圖像文件格式GIF是GraphicsInterechangeFormat(圖形交換文件格式)

的縮寫，主要目的是便于在不同的平臺(tái)上進(jìn)行圖像交流和傳播。

GIF格式是使用LZW壓縮過(guò)的格式，文件壓縮率比較高，磁盤空間占用較少。由于它是制作2D動(dòng)畫軟件ANIMATOR早期支持的文件格式，所以該格式曾被廣泛使用

GIF可分為87A和89A兩種版本，存儲(chǔ)格式由1位到8位在INTERNET上傳送高質(zhì)量圖像。可一部分一部分顯示圖像GIF文件格式(擴(kuò)展名為.GIF)JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的壓縮格式，此格式是針對(duì)影像文件空間的壓縮問(wèn)題開(kāi)發(fā)的，它可加強(qiáng)壓縮率(它的最大壓縮率可高達(dá)100：1)靜止圖像壓縮，采用有損編碼方式，是一種變換編碼，對(duì)高頻、低頻信號(hào)區(qū)別對(duì)待網(wǎng)絡(luò)圖像的文件格式61KBJPG1143KBBMP

JPEG文件格式(擴(kuò)展名為.JPG)TIFF是TaggedImageFileFormat的縮寫，是一個(gè)廣為應(yīng)用的光柵圖像文件格式由Adobe公司授權(quán)，包括TIF標(biāo)記和文檔,TIFF包括公共標(biāo)記和私有標(biāo)記TIFF文件來(lái)源掃描儀,CAD系統(tǒng),地理信息…1980年發(fā)表最早的版本V1、V2，1989年發(fā)表版本V5.0，1992年V6.0，TIFF是一個(gè)非常穩(wěn)定的文件格式，