圖像處理基礎知識

關于圖像處理基礎知識第1頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月第2章圖像處理基礎知識2.1光度學基礎2.2色度學基礎2.3圖像數(shù)字化2.4圖像數(shù)據(jù)結(jié)構2.5圖像文件格式2.6圖像質(zhì)量評價第2頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1光度學的基本知識第3頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月人的視覺特性人眼的構造與機理要點人眼的機理與照相機類似：瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中間的圓孔稱為瞳孔，，其直徑可調(diào)節(jié)，控制進入人眼內(nèi)之光通量(照相機光圈作用)。晶狀體：瞳孔后是一扁球形彈性透明體，其曲率可調(diào)節(jié)，以改變焦距，使不同距離的圖在視網(wǎng)膜上成象(照相機透鏡作用)。第4頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月視細胞：視網(wǎng)膜上集中了大量視細胞，分為兩類：錐狀細胞：明視細胞，在強光下檢測亮度和顏色；桿(柱)狀細胞：：暗視細胞，在弱光下檢測亮度，無色彩感覺。其中，每個錐狀視細胞連接著一個視神經(jīng)末梢，故分辨率高，分辨細節(jié)、顏色；多個桿狀視細胞連接著一個視神經(jīng)末梢，故分辨率低，僅分辨圖的輪廓。人眼成象過程：第5頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月人的視覺模型點光源的表示函數(shù)點源d可以用函數(shù)表示，表示平面圖像的二維d函數(shù)為：則任意一幅圖像可表示為：第6頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月人的視覺模型人看圖像時，對亮度高的信息識別率高，低亮度的信息會因為無法分別而忽略。適應環(huán)境后，即使在弱光下，也可以分辨出景物大致輪廓光刺激經(jīng)角膜，照射在視網(wǎng)膜上，由于瞳孔大小限制，這一階段可視為低通濾波過程光敏細胞對光的響應，這個過程滿足韋伯-費克納定律，等效于對數(shù)運算非線性環(huán)節(jié)視神經(jīng)對光信號的傳遞，等效于一個空間的高通濾波器第7頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月人眼的亮度感覺(1)圖象“黑”“白”（“亮”、“暗”）對比參數(shù)對比度:c=Bmax/Bmin相對對比度:Cr=(B-B0)/B0(2)人眼亮度感覺范圍總范圍很寬（c=108）人眼適應某一環(huán)境亮度后，范圍限制適當平均亮度下：c=103很低亮度下：c=10(3)同時對比度：人眼對亮暗程度所形成的“黑”“白”感覺具有相對性，即按對比度cc感覺物體亮度對比。第8頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月馬赫帶（MachBandMachBand）效應馬赫帶效應的出現(xiàn)，是因為人眼對于圖像中不同空間頻率具有不同的靈敏度，而在空間頻率突變處就出現(xiàn)了“欠調(diào)”或“過調(diào)”。第9頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月主觀亮度S與實際亮度B之間的關系S=KlnB+k0人眼亮度感覺之應用若一幅原圖像經(jīng)過處理，恢復后得到重現(xiàn)圖像，重現(xiàn)圖像的亮度不必等于原圖像的亮度，只要保證二者的對比度及亮度層次（灰度級）相同，就能給人以真實的感覺。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。第10頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月人類視覺的弱點: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(shù)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。第11頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月眼見為實？第12頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月眼見為實？第13頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月視覺系統(tǒng)所感覺到的物體的形狀并不是簡單的投影到視網(wǎng)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(xiàn)象。第14頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1光度學的基本知識研究人眼對電磁波的亮度感知的學科。核心為相對視敏函數(shù)V(λ)：

人眼對等能可見光所產(chǎn)生的主觀亮度?？梢姽獠ㄩL從380nm到780nm,對波長為555nm的光有最大的敏感度。光度量度:返回第15頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2色度學的基本知識

研究人眼對色彩感知的學科。描述色彩：心理物理感知（主觀）物理配色機理（客觀）其他表示方法CIE國際標準HSBRGB返回第16頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月心理物理感知（主觀）HSB:色調(diào)、飽和度、亮度。色調(diào)（Hue）是指光的顏色(光譜色）。飽和度（Saturation）是指顏色的純度。

亮度（Brightness）是指彩色光所引起的人眼對明暗程度的感覺。

返回綠青黃灰藍紅黑白飽和度亮度色調(diào)、飽和度、亮度色調(diào)第17頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月物理配色機理加色法：紅、綠、藍（RGB）

紅色+綠色=黃色，紅色+藍色＝品紅，綠色+藍色＝青色紅色+綠色+藍色＝白色

通用配色公式：

C=rR+gG+bB

發(fā)光體：電視機的CRT2.減色法：青、品、黃、灰（CMYK）

青色+黃色=綠色，青色+品紅＝藍色，黃色+品紅=紅色青色+黃色+晶紅=黑色

吸收體：膠片，像紙返回第18頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月其他表示方法把一種彩色表示成一個亮度分量和兩個色度分量的形式。例如：彩電NTSC制：

Y=0.299R+0.587G+0.114B I=0.596R-0.274G-0.322B Q=0.211R+0.523G+0.312B彩電PAL制：

Y=0.222R+0.707G+0.071B R-Y B-Y返回第19頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月CIE國際標準CIE-RGB、CIE-XYZ、CIE-L*u*v*、CIE-la*b*1931CIE-RGB系統(tǒng)色品圖1931CIE-RGB系統(tǒng)色品圖返回第20頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月RGB與HSB的相互轉(zhuǎn)換沒有統(tǒng)一標準,MSPAINT與PHOTOSHOP不一致.第21頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月RGB到HSB的轉(zhuǎn)換PHOTOSHOP格式:MAX，MID，MIN：最大值，中間值，最小值第22頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月HSB——RGB的轉(zhuǎn)換(1)第23頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月HSB——RGB的轉(zhuǎn)換(2)第24頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3

圖像數(shù)字化2.1.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.1.2數(shù)字化原理第25頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.1圖像傳感器與數(shù)字成像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

第26頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.1圖像傳感器與數(shù)字成像2.CMOS傳感器

互補性金屬氧化物半導體（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）第27頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像景物成像系統(tǒng)采樣圖像采樣子系統(tǒng)數(shù)字圖像量化器圖像采集系統(tǒng)

第28頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2數(shù)字化原理1．數(shù)學模型第29頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2．采樣和量化

采樣：空間上的離散化量化：灰度上的離散化2.3.2數(shù)字化原理連續(xù)信號（抽樣、量化）——數(shù)字信號第30頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

采樣點陣：正方形、正三角2.3.2數(shù)字化原理圖像矩陣的特點：

a）

b）數(shù)字化抽樣：正方形點陣、三角形點陣、正六角形點陣等第31頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2數(shù)字化原理3.采樣定理一維采樣定理：惠特克－卡切尼柯夫－香農(nóng)第32頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2數(shù)字化原理二維采樣定理：采樣頻率大于圖像信號最高頻率的2倍第33頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2數(shù)字化原理第34頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2數(shù)字化原理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(nèi)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。第35頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月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)字化原理第36頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月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。2.3.2數(shù)字化原理6.采樣和量化的關系第38頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2數(shù)字化原理第39頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2數(shù)字化原理第40頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2數(shù)字化原理第41頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月非均勻采樣和量化－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)2.1.2數(shù)字化原理第42頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。2.1.2數(shù)字化原理第43頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月黑白圖像灰度圖像彩色圖像第44頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月灰度級為256，空間像素從1024×1024到32×32的一組圖像空間與灰度級分辨率第48頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月所有圖像放大到1024×1024空間與灰度級分辨率第49頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月灰度級從256到2的數(shù)字圖像空間與灰度級分辨率第50頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月同時改變N和k值第51頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月同時改變N和k值第53頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月facecameramancrowd同時改變N和k值三類圖像的典型等偏愛曲線第54頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月水紋效應的實例香農(nóng)定理:如果一個函數(shù)以等于或大于其最高頻率的2倍取樣,那么就能從取樣完全復原原函數(shù).如果函數(shù)被亞取樣,則混淆的現(xiàn)象將惡化取樣.2.6數(shù)字圖像基本概念混淆的水紋圖樣第55頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像的放大與收縮

最近鄰域內(nèi)插方法在原圖像上尋找最靠近的像素并把它的灰度值賦給柵格上的新像素。

雙線性內(nèi)插方法第56頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月用最近領域內(nèi)插法(上一行)和雙線性內(nèi)插法(下一行)得到的放大圖像分別將128×128,64×64,32×32放大到1024×1024圖像的放大與收縮第57頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4

圖像數(shù)據(jù)結(jié)構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(jié)構第58頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1圖像模式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）第59頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2．二值圖像

灰度圖像經(jīng)過二值化處理后的結(jié)果，兩個灰度級，只需用1bit表示。2.4.1圖像模式第60頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月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圖像模式第61頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2

彩色空間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(diào)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。第62頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2

彩色空間在RGB彩色空間中，任意彩色光的配色方程式為：第63頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月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

彩色空間第64頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2

彩色空間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。第65頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2

彩色空間3)HSI彩色空間

區(qū)分顏色常用的3種基本特性量：色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）、強度（Intensity）。色調(diào)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(diào)的純度有關強度Intensity：與物體的反射率成正比第66頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月1.

一維數(shù)組方式:行×列2.多波段圖像數(shù)據(jù)結(jié)合結(jié)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(jié)構第67頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月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）2.4.3

圖像存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構2.多波段圖像數(shù)據(jù)結(jié)合結(jié)構第68頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5

圖像文件格式BMP文件格式GIF文件格式TIFF文件格式JPEG文件格式DICOM文件格式第69頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像描述信息一般以結(jié)構或類來描述主要包括寬高等圖像數(shù)據(jù)數(shù)組順序存放的連續(xù)數(shù)據(jù)2.5

圖像文件格式第70頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月1、位圖文件頭typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{WORDbfType;//文件類型，必須是字符串”BM”DWORDbfSize;//指定文件大小WORDbfReserved1;//保留字，不考慮WORDbfReserved2;//保留字，不考慮DWORDbfOffBits;//從文件頭到位圖數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù)}BITMAPFILEHEADER;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）。第71頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2、位圖信息頭typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORDbiSize;//該結(jié)構的長度，40個字節(jié)LONGbiWidth;//圖像的寬度，單位是像素LONGbiHeight;//圖像的高度，單位是像素WORDbiPlanes;//必須是1WORDbiBitCount//顏色位數(shù)，如1，4，8，24DWORDbiCompression;//壓縮類型，如BI_RGB,BI_RLE4DWORDbiSizeImage;//實際位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)LONGbiXPelsPerMeter;//水平分辨率LONGbiYPelsPerMeter;//垂直分辨率DWORDbiClrUsed;//實際使用的顏色數(shù)DWORDbiClrImportant;//重要的顏色數(shù)}BITMAPINFOHEADER;第72頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月3、調(diào)色板typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue;//該顏色的藍色分量BYTErgbGreen;//該顏色的綠色分量BYTErgbRed;//該顏色的紅色分量BYTErgbReserved;//保留值，不考慮}RGBQUAD;注：有些位圖不需要調(diào)色板，如真彩色圖，它們的BITMAPINFOHEADER后面直接是位圖數(shù)據(jù)第73頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月4、實際的圖像數(shù)據(jù)對于2色位圖，1位表示一個像素顏色，所以一個字節(jié)表示8個像素對于16色位圖，4位表示一個像素顏色，所以一個字節(jié)表示2個像素對于256色位圖，1個字節(jié)表示1個像素對于真彩色圖，3個字節(jié)表示一個像素第74頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5

圖像文件格式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。第75頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5

圖像文件格式TIFF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。JPEG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。第76頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月DICOM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(nèi)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

圖像文件格式第77頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6圖像質(zhì)量評價2.6.1圖像質(zhì)量的客觀評價2.6.2圖像質(zhì)量的主觀評價第78頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1圖像質(zhì)量的客觀評價歸一化方均誤差第79頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月峰值方均誤差2.6.1

圖像質(zhì)量的客觀評價等效信噪比

f(j,k)——被變換的圖像場，A——f(j,k)的最大值第80頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像質(zhì)量評價的研究是圖像信息工程的基本技術之一。光電變換—