數(shù)字圖像基礎

第2章數(shù)字圖像基礎2.1視覺感知要素(了解）2.2光和電磁波譜(了解）2.3圖像數(shù)字化（掌握）2.4圖像數(shù)據(jù)結構（掌握）2.5圖像文件格式(了解）2.6圖像質量評價（掌握）視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價第2章數(shù)字圖像基礎圖像和視覺基礎視覺基礎人眼與亮度視覺顏色視覺成像基礎成像模型成像幾何采樣和量化圖像基礎像素間聯(lián)系圖像運算圖像坐標變換視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價數(shù)字圖像處理建立在數(shù)學和概率統(tǒng)計的基礎上，但人的直覺在選擇技術時起核心作用。因此要關注視覺感知。主要關注人眼中形成圖像的機理和參數(shù)。以便了解人類視覺的物理限制，例如：分辨率和對照明變化的適應能力。2.1視覺感知要素視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價眼睛的構造:(球形，半徑20mm,人眼包含有三層膜)眼角膜與鞏膜外殼(覆蓋前表面）脈絡膜(前面睫狀體虹膜晶狀體控制進眼光量)視網(wǎng)膜(視網(wǎng)膜在后部內壁，表面的分離光接收器提供圖案視覺）分為錐狀體、桿狀體錐狀體:位于視網(wǎng)膜中間,對顏色靈敏度高,分辨圖像細節(jié).白晝視覺桿狀體:分布在視網(wǎng)膜表面,無彩色感覺,在低照明度下對圖像較敏感，用來給出視野內一般的總體圖像.夜視覺2.1視覺感知要素視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價晶狀體成像

晶狀體成像與普通光學透鏡原理類似,但晶狀體可以根據(jù)需要調整曲率半徑,分別對遠處和近處的物體聚焦.遠方物體，控制肌肉使晶狀體扁平，近處物體，控制肌肉使晶狀體變厚眼睛觀察樹的光學表示方法晶狀體的聚焦中心與視網(wǎng)膜(14mm-17mm)由睫狀體的韌帶張力控制晶狀體的扁厚2.1視覺感知要素視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價人眼對不同亮度的適應和鑒別能力亮度適應范圍:1010量級

10-6ml到104ml

實驗表明,主觀亮度是進入眼睛亮度的對數(shù)函數(shù)亮度適應現(xiàn)象:

人眼并不能同時在整個范圍內工作,而是利用改變整個靈敏度來完成這一大變動的.

亮度適應級：視覺系統(tǒng)當前的靈敏度級別2.1視覺感知要素視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價辨別光強度變化的能力

典型實驗韋伯比可辨別增量的50%

圖2.5用于描述亮度辨別特性的基本實驗圖2.6作為強度函數(shù)的典型韋伯比當背景光保持恒定時,改變其他光源亮度,從不能察覺到可以察覺間變化,一般觀察者可以辨別12到24級不同強度的變化.2.1視覺感知要素視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價人眼感覺亮度并不是簡單的強度函數(shù)例1:馬赫帶

2.1視覺感知要素視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價例2:背景變亮,相同強度的方塊變暗

2.1視覺感知要素視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價視覺錯覺A:正方形輪廓清晰。B:錯覺的圓C:一樣長度D:平行線

2.1視覺感知要素視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價古代希臘藝術家意識到空間錯覺，在建筑設計中引入補償校正技術以保持對物體及感覺的對稱性。對于錯覺產(chǎn)生的解釋盡管很多，但看來只有對大腦功能進一步的認識后，才能得到滿意的解釋?？臻g錯覺2.1視覺感知要素視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價電磁波譜在上節(jié)已經(jīng)介紹，一端是無線電波（長），另一端是伽馬射線（短）。電磁波譜可以用波長()、頻率()或能量來描述

c光速h普朗克常量

波長單位m,um,nm等頻率是Hz,能量是電子伏。2.2光和電磁波譜視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價電磁波是能量的一種，任何有能量的物體，都會釋放電磁波。

2.2光和電磁波譜視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價人從物體感受的顏色由物體反射光決定，

若所有反射的可見光波長均衡，則物體顯示白色有顏色的物體是因為吸收了其他波長的大部分能量，從而反射某段波長范圍的光。沒有顏色的光叫單色光，灰度級通常用來描述單色光的強度，其范圍從黑到灰，最后到白。區(qū)分三個量：發(fā)光強度，光通量，亮度（主觀描述，不能測量）在原理上，如果可以開發(fā)出一種傳感器，能夠檢測由一種電磁波譜發(fā)射的能量，就可以在那一段波長上對感興趣的物體成像?！坝^看”物體的波長必須小于或等于物體的尺寸。如觀察水分子。其他成像：超聲波（反射）、電子束、合成圖像等。2.2光和電磁波譜視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價灰度和色彩彩色模型:RGB加色法CMY,CMYK減色法HSB(色澤,飽和度,明亮度)2.2光和電磁波譜視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.3.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.3.2數(shù)字化原理2.3圖像數(shù)字化視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價1.CCD傳感器

電荷耦合器件（ChargedCoupledDevice），感應可見光的光強掃描儀的圖像數(shù)字化過程原理圖

2.3.1圖像傳感器與數(shù)字成像視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.CMOS傳感器

互補性金屬氧化物半導體（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）2.3.1圖像傳感器與數(shù)字成像視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價1．數(shù)學模型2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2．采樣和量化

采樣：空間上的離散化量化：灰度上的離散化連續(xù)信號（抽樣、量化）——數(shù)字信號2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價

采樣示意圖2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價

量化示意圖（a）量化；(b)量化為8bit

2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價

采樣點陣：正方形、正三角圖像矩陣的特點：

a）

b）數(shù)字化抽樣：正方形點陣、三角形點陣、正六角形點陣等2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價3.采樣定理一維采樣定理：惠特克－卡切尼柯夫－香農2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價二維采樣定理：采樣頻率大于圖像信號最高頻率的2倍2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價4.采樣誤差混疊噪聲

孔徑效應：實際采樣脈沖不是理想沖擊函數(shù)，有一定的寬度，會產(chǎn)生失真插入噪聲：由采樣圖像信號恢復到原圖像，無理想濾波器（在內頻率特性平坦，相位特性成直線)抖動噪聲：采樣周期為，但發(fā)射與接受端存在相位差異，稱相位抖動。2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價5.量化均勻量化非均勻量化:

a）基于視覺特性：對亮度值急劇變化部分無需過細分層，進行粗量化,對亮度值平緩變化部分需過細分層，進行細量化

b）先計算所有可能的亮度值出現(xiàn)的概率分布，對概率分布大的進行細量化,對概率分布小的進行粗量化,非均勻量化可以減少量化誤差，又能用較少的比特數(shù)實現(xiàn)量化2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價量化和采樣是兩個不同的概念，量化是在每個采樣點上進行的，所以必須先采樣后量化。量化和采樣是圖像數(shù)字化的不可或缺的兩個操作，二者緊密相關，同時完成。6.采樣和量化的關系2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價非均勻采樣和量化－細節(jié)部分，分配較多的采樣－灰度突變部分，可用較少的灰度級數(shù)2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價

表示灰度級、bright,彩色,連續(xù)圖像

.如X光圖像反映人體組織吸收特性，紅外圖像反映溫度輻射特性，CCD反映可見光的特性在圖像建模中涉及到保真度(fidelity)：衡量處理方法好壞，清晰否？采樣、量化正交序列展開，F(xiàn)ourier變換統(tǒng)計模型：把圖像看成一個集合的成員如均值、方差。2.3.2數(shù)字化原理視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價像素p,坐標(x,y)的鄰居

2.3.3像素間的一些基本關系視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價相鄰像素對于像素p,坐標(x,y)4鄰域(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)

N4(p)對角鄰域(x+1,y+1),(x+1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)

ND(p)8鄰域N4(p)+ND(p)N8(p)

4鄰域對角鄰域8鄰域2.3.3像素間的一些基本關系視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價像素的連通性

--像素的連通性能夠幫助簡化區(qū)域、邊界等概念;

--確定兩個像素是否連通，看它們是否相鄰以及灰度值是否滿足特定的相似性準則。定義V是用于定義鄰接性的灰度值集合，存在三種類型的鄰接性：(1)4鄰接:如果q在N4(p)集中,具有V中數(shù)值的兩個像素p和q是4鄰接的.(2)8鄰接:如果q在N8(p)集中,具有V中數(shù)值的兩個像素p和q是8鄰接的.(3)m鄰接(混合鄰接):如果(i)q在N4(p)中,或者(ii)q在ND(p)中且集合N4(p)∩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.2.3.3像素間的一些基本關系視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價m鄰接可以消除8鄰接所帶來的二義性(a)像素安排(b)中心像素的8鄰接像素(c)m鄰接pq1pq1q2q22.3.3像素間的一些基本關系視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價對于兩個圖像子集S1和S2,如果S1中的某些像素與S2中的某些像素相鄰,則稱S1和S2是鄰接的.可以定義4鄰接,8鄰接和m鄰接2.3.3像素間的一些基本關系視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價像素p(x,y)到像素q(s,t)的通路(path):

特定的像素序列(x0,y0),(x1,y1),…,(xn,yn),其中(x0,y0)=(x,y),(xn,yn)=(s,t),且像素(xi,yi)和(xi-1,yi-1)(對于1≤i≤n)是鄰接的.n是通路的長度.若(x0,y0)=(xn,yn),則通路是閉合通路.

m通路8通路2.3.3像素間的一些基本關系視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價像素p(x,y)到像素q(s,t)的連通:

令S表示一幅圖像中的像素子集,如果在S中全部像素之間存在一個通路,則可以說兩個像素p和q在S中是連通的.對于S中的任何像素p,S中連通到該像素的像素集叫做S的連通分量.如果S僅有一個連通分量,則集合S叫做連通集.

令R是圖像中的像素子集.如果R是連通集,則稱R為一個區(qū)域.

一個區(qū)域R的邊界(也稱為邊緣或輪廓)是區(qū)域中像素的集合,該區(qū)域有一個或多個不在R中的鄰點.

如果R是整幅圖像,則邊界由圖像第一行、第一列和最后一行一列定義.

正常情況下，區(qū)域指一幅圖像的子集，并包括區(qū)域的邊緣.2.3.3像素間的一些基本關系視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價距離度量：對于像素p,q和z,其坐標分別為(x,y),(s,t)和(v,w),如果:D(p,q)≥0[D(p,q)=0,當且僅當p=q]D(p,q)=D(q,p)D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)

則D是距離函數(shù)或度量.

歐式距離:De(p,q)=[(x-s)2+(y-t)2]1/2(距離小于等于r的像素形成中心在（x,y）的圓)

D4距離：D4(p,q)=|x-s|+|y-t|

(距離小于等于r的像素形成中心在（x,y）的菱形)

D8距離：D8(p,q)=max(|x-s|,|y-t|)(距離小于等于r的像素形成中心在（x,y）的方形)2.3.3像素間的一些基本關系視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價線性和非線性操作令H是一種算子,其輸入和輸出都是圖像,如果對于任何兩幅圖像f和g及其任何兩個標量a和b有如下關系,則稱H為線性算子:

H(af+bg)=aH(f)+bH(g)

對兩幅圖像的和應用線性算子等同于分別對圖像應用該算子并各自于適當?shù)某?shù)相乘,然后將結果相加.不能通過檢驗的算子定義為非線性算子2.3.3像素間的一些基本關系視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.4.1

圖像模式2.4.2

彩色空間2.4.3

圖像存儲的數(shù)據(jù)結構2.4圖像數(shù)據(jù)結構視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價1．灰度圖像

可由黑白照片數(shù)字化得到，或從彩色圖像進行去色處理得到（256灰度級）2.4.1圖像模式視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2．二值圖像

灰度圖像經(jīng)過二值化處理后的結果，兩個灰度級，只需用1bit表示。2.4.1圖像模式視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價3．彩色圖像彩色圖像的數(shù)據(jù)不僅包含亮度信息，還要包含顏色信息。彩色的表示方法是多樣化的。三基色模型：RGB（Red/Green/Blue，紅綠藍）

RGB三基色可以混合成任意顏色。2.4.1圖像模式視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價1)RGB彩色空間：面向硬件設備的彩色模型三基色原理三基色指可以用來調配出其它顏色的紅、綠、藍三種顏色。彩色圖像可由紅、綠、藍

三基色圖像疊加而成。2.4.2彩色空間視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價在RGB彩色空間中，任意彩色光的配色方程式為：2.4.2彩色空間視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2)CMY彩色空間

自然界物體顏色光的形成方式將物體劃分為兩類——發(fā)光物體和不發(fā)光物體，發(fā)光物體稱為有源物體，不發(fā)光物體稱為無源物體。無源物體是不發(fā)出光波的物體，其顏色由該物體吸收或反射哪些光波來決定，因此采用CMY三基色相減模型和CMY彩色空間描述。2.4.2彩色空間視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價

油墨和顏料的三基色是CMY（Cyan/Magenta/Yellow，青/洋紅/黃）而不是RGB，CMY三基色的特點是油墨和顏料用的越多，顏色越暗（或越黑），所以將CMY稱為三減色，而RGB稱為三加色。2.4.2彩色空間視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價3)HSI彩色空間

區(qū)分顏色常用的3種基本特性量：色調（Hue）、飽和度（Saturation）、強度（Intensity）。色調Hue：與混合光譜中主要光波長相聯(lián)系飽和度Saturation：與一定色調的純度有關強度Intensity：與物體的反射率成正比2.4.2彩色空間視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價彩色空間（1）視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價彩色空間（2）視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價彩色空間（3）視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價1.

一維數(shù)組方式:行×列2.多波段圖像數(shù)據(jù)結合結構1）按各個波段存儲

列

行紅綠藍2.4.3圖像存儲的數(shù)據(jù)結構視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2）按掃描行存儲紅綠藍

…第1行3）按各個像素存儲

紅綠藍

…（1，1）（1，2）2.多波段圖像數(shù)據(jù)結合結構2.4.3圖像存儲的數(shù)據(jù)結構視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.5.1BMP文件格式2.5.2GIF文件格式2.5.3TIFF文件格式2.5.4JPEG文件格式2.5.5DICOM文件格式2.5圖像文件格式視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.5.1

BMP文件格式不經(jīng)過壓縮直接按位存盤的文件格式，稱為位圖（bitmap）。2.5.2

GIF文件格式

GIF（graphicInterchangeFormat）是由CompuServe公司設計和開發(fā)的文件存儲格式，用于存儲圖形，也可以用來存儲256色圖像。擴展名為gif。2.5圖像文件格式視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.5.3TIFF文件格式

TIFF（TaggedImageFileFormat）是相對經(jīng)典、功能很強的圖像文件存儲格式，擴展名為tif或tiff。2.5.4JPEG文件格式由（國際）聯(lián)合圖像專家組（JointPhotographicExperts

Group）提出的靜止圖像壓縮標準文件格式，是面向常規(guī)彩色圖像及其它靜止圖像的一種壓縮標準。擴展名為jpg或jpeg。2.5圖像文件格式視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.5.5DICOM文件格式

DICOM(DigitalImagingandCommunicationsin

Medicine)

是醫(yī)學圖像文件存儲格式，為各類醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)的存檔、傳輸和共享而起草和頒布的。DICOM格式支持幾乎所有的醫(yī)學數(shù)字成像設備，例如CT、MR、DR、超聲、內窺鏡、電子顯微鏡等，成為現(xiàn)代醫(yī)學圖像存儲傳輸技術和醫(yī)學影像學的主要組成部分。DICOM文件的常見擴展名為DCM。2.5圖像文件格式視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價2.6.1圖像質量的客觀評價2.6.2圖像質量的主觀評價2.6圖像質量評價視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價歸一化方均誤差2.6.1圖像質量的客觀評價視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價峰值方均誤差等效信噪比

f(j,k)——被變換的圖像場，A——f(j,k)的最大值2.6.1圖像質量的客觀評價視覺感知要素光合電磁波譜圖像數(shù)字化圖像數(shù)字結構圖像文件格式圖像質量評價圖像質量評價的研究是圖像信息工程的基本技術之一。光電變換——傳輸——處理——記錄——其他變換圖像增強：就是為了改善圖像的主觀視覺顯示質量圖像復原：是用于補償圖像的降質，使復原后的圖像接近原像