數(shù)字圖像圖像處理基礎(chǔ)

關(guān)于數(shù)字圖像圖像處理基礎(chǔ)第2章數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)視覺感知要素光和電磁波譜圖像的感知和獲取圖像的采樣和量化像素間的一些基本關(guān)系線性和非線性操作第2頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.1視覺感知要素眼睛的構(gòu)造:(人眼包含有三層膜)眼角膜與鞏膜外殼脈絡(luò)膜(前面睫狀體虹膜晶狀體)視網(wǎng)膜(視網(wǎng)膜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(xì)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(nèi)一般的總體圖像.夜視覺

第3頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.1視覺感知要素視網(wǎng)膜上錐狀體和桿狀體的分布第4頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

桿狀細(xì)胞（rod

cell）：

負(fù)責(zé)黑白視覺，同時(shí)負(fù)責(zé)察覺物體的運(yùn)動(dòng)

對低亮度光敏感（夜視覺）

數(shù)量約為7500

萬~

1.5

億

錐狀細(xì)胞（cone

cell）——負(fù)責(zé)彩色視覺

有三種類型：紅色、綠色、藍(lán)色感光細(xì)胞

可感受6~7百萬種顏色

空間分辨能力強(qiáng)，能看清物體表面的細(xì)節(jié)與輪廓境界

數(shù)量約為600~700萬

典型動(dòng)物

貓頭鷹僅有桿狀細(xì)胞

雞僅有錐狀細(xì)胞第5頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

三種錐狀細(xì)胞對不同光波的感光靈敏度

445

nm535

nm575

nm第6頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.1視覺感知要素晶狀體成像晶狀體成像與普通光學(xué)透鏡原理類似,但晶狀體可以根據(jù)需要調(diào)整曲率半徑,分別對遠(yuǎn)處和近處的物體聚焦.第7頁,共108頁，2024年2月25日，星期天人眼對不同亮度的適應(yīng)和鑒別能力感光靈敏度：桿狀細(xì)胞與錐狀細(xì)胞不同錐狀細(xì)胞：明視覺桿狀細(xì)胞：暗視覺視敏函數(shù)在相同亮度感覺的條件下，不同波長上光輻射功率的倒數(shù)可以用來衡量人眼對各波長光明亮感覺的敏感程度。稱為視敏函數(shù)相對視敏函數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，人眼對波長為555納米的光最敏感，因此把任意波長的光的視敏函數(shù)與最大視敏函數(shù)值K(555)相比的比值稱為相對視敏函數(shù)

2.1視覺感知要素第8頁,共108頁，2024年2月25日，星期天人眼對亮度的適應(yīng)能力與鑒別能力（續(xù)）適應(yīng)能力亮度適應(yīng)范圍:

人眼能夠感知的亮度最大值和最小值范圍；最大值和最小值之比—1010量級以上人眼對光亮度的響應(yīng)：對數(shù)特性動(dòng)態(tài)范圍：人眼能夠同時(shí)分辨的亮度范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼對亮度的適應(yīng)范圍視覺亮度靈敏度：人眼辨別亮度差別的能力，與環(huán)境亮度和本身亮度有關(guān)暗適應(yīng)：從亮光處到暗光處的適應(yīng)能力，一般1~2秒亮適應(yīng)：從暗處到亮處的適應(yīng)能力，一般20~30秒

2.1視覺感知要素第9頁,共108頁，2024年2月25日，星期天人眼的分辨能力對灰度層次的分辨能力——約40級對顏色的分辨能力光波波長變化1~2nm，人眼即可感受到人眼可同時(shí)分辨數(shù)千種不同色彩和不同亮度的顏色面積對色覺的影響：目標(biāo)物體的顏色面積變小時(shí)，色覺顏色也變；面積小到一定程度時(shí)，變?yōu)榛疑珜Ρ龋喝裟繕?biāo)物的色度相同，但背景色度有所不同時(shí)，看起來有不同的顏色主觀色：一個(gè)純黑白的圖形在特殊情況下也會(huì)有顏色感覺（轉(zhuǎn)動(dòng)的Benham黑白圓板）2.1視覺感知要素第10頁,共108頁，2024年2月25日，星期天人眼對亮度的適應(yīng)能力與鑒別能力（續(xù)）人眼的視覺殘留現(xiàn)象：人眼對亮度的感覺不會(huì)隨著光刺激的消失而立即消失，而是大致按指數(shù)規(guī)律逐漸減小。2.1視覺感知要素第11頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共108頁，2024年2月25日，星期天人眼感覺亮度并不是簡單的強(qiáng)度函數(shù)

馬赫帶

Mach效應(yīng)（1865年由ErnstMach所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象）表明視覺系統(tǒng)有趨向于過高或過低估計(jì)不同亮度區(qū)域邊界值的現(xiàn)象。馬赫帶有增強(qiáng)圖像輪廓提高圖像反差的作用。2.1視覺感知要素第15頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.1視覺感知要素幾何錯(cuò)覺圖形錯(cuò)視現(xiàn)象：人眼對物體形狀和大小的感覺因物體的布置、遠(yuǎn)近、背景條件的不同而不同第16頁,共108頁，2024年2月25日，星期天錯(cuò)視現(xiàn)象——魯賓的面孔第17頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共108頁，2024年2月25日，星期天"佛雷澤螺旋"是最有影響的幻覺圖形之一。你所看到的好像是個(gè)螺旋，但其實(shí)它是一系列完好的同心圓！這幅圖形如此巧妙，以至于會(huì)促使你的手指沿著錯(cuò)誤的方向追尋它的軌跡。第20頁,共108頁，2024年2月25日，星期天扭曲的同心圓第21頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共108頁，2024年2月25日，星期天埃舍爾的錯(cuò)視藝術(shù)第26頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.2

電磁波譜與可見光譜

1、電磁輻射波

◆在實(shí)際的圖像處理應(yīng)用中，最主要的圖像來源于電磁輻射成像。

◆電磁輻射波包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。

◆電磁輻射波的波譜范圍很廣，波長最長的是無線電波為3×102m，其波長是可見光波長的幾十億倍；

波長最短的是γ射線，波長為3×10-17m，其波長

比可見光小幾百萬倍。第30頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.2

電磁波譜與可見光譜圖2.1電磁輻射波普

0.001nm1nm10nm電波可見光γ射線x射線紫外線紅外線微波視頻、無線電波紫藍(lán)綠黃橙紅近紅外短波紅外中紅外熱紅外遠(yuǎn)紅外400nm500nm600nm700nm1300nm3μm8μm14μm1mm毫米波厘米波分米波超短波短波中波長波超長波1mm10mm1cm1m10m100m0.1km10km100km第31頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.2

電磁波譜與可見光譜

2、太陽的電磁輻射波◆太陽的電磁輻射波恰好主要占據(jù)整個(gè)可見光譜范圍。

◆可見光隨波長的不同依次呈現(xiàn)出紫、藍(lán)、綠、黃、

橙(橘紅)、紅六種顏色，白光是由不同顏色的可見光線混合而成的。第33頁,共108頁，2024年2月25日，星期天可見光譜2.2

電磁波譜與可見光譜第34頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.2

電磁波譜與可見光譜

2、太陽的電磁輻射波◆人從一個(gè)物體感受到的顏色是由物體反射的可見光的特性決定的，若一個(gè)物體反射的光在所有可見光波長范圍內(nèi)是平衡的，則對觀察者來說顯示的是白色；若一個(gè)物體只反射可見光譜中有限范圍的光，則物體就呈現(xiàn)某種顏色。

第35頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.2

電磁波譜與可見光譜

3、相關(guān)概念◆僅有單一波長成份的光稱為單色光，含有兩種以上波長成份的光稱為復(fù)合光，單色光和復(fù)合光都是有色彩的光。

◆沒有色彩的光稱為消色光。消色光就是觀察者看到的黑白電視的光，所以消色指白色、黑色和各種深淺程度不同的灰色?！粝獾膶傩詢H有亮度或強(qiáng)度，通常用灰度級描述這種光的強(qiáng)度。

第36頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

2.3圖像感知與獲取

我們感興趣的各類圖像都是由“照射”源和形成圖像的“場景”元素對光能的反射或吸收相結(jié)合而產(chǎn)生的。

第37頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

把照射量變?yōu)閿?shù)字圖像的傳感器裝置

2.3圖像感知與獲取第38頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.3圖像感知和獲取用單個(gè)傳感器獲取圖像

第39頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.3圖像感知和獲取用帶狀傳感器獲取圖像

第40頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.3圖像感知和獲取用傳感器陣列獲取圖像

第41頁,共108頁，2024年2月25日，星期天圖像的表示數(shù)字圖像的基本要素像數(shù)值—對單個(gè)像素灰度值進(jìn)行數(shù)字化采樣4bits/pixel6bits/pixel8bits/pixel12bits/pixel16bits/pixel:第42頁,共108頁，2024年2月25日，星期天圖像的表示數(shù)字圖像的基本要素圖像尺寸——一幅數(shù)字圖像矩陣的大小

32X32、64X64、128X128、256X256、512X512、1024X1024、…

…

5280X6940、6000X6000、10000X10000、……

…

…

…

…第43頁,共108頁，2024年2月25日，星期天圖像的表示矩陣表示圖像是象素的二維排列一般采用均勻采樣像素行、列之間的間隔相等二維排列形成一個(gè)矩陣特殊情況下，亦可采用非均勻采樣第44頁,共108頁，2024年2月25日，星期天圖像的表示數(shù)學(xué)表示二維離散函數(shù)——I=f(x,y)x,y表示圖象象素的坐標(biāo)x,y表示圖象象素的坐標(biāo)二維矩陣——A[m,n]m,n表示圖象的寬和高矩陣元素a(i，j)表示圖像在第i行，第j列的像素值第45頁,共108頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字圖像的表示

第46頁,共108頁，2024年2月25日，星期天圖像的質(zhì)量灰度——表示圖像像素明暗程度的數(shù)值灰度級——表明圖象中不同灰度的最大數(shù)量256級灰度16級灰度圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際灰度級越多，圖像視覺效果越好第47頁,共108頁，2024年2月25日，星期天圖像的質(zhì)量對比度——反映一幅圖像中灰度方差的大小對比度=最大灰度值/最小灰度值第48頁,共108頁，2024年2月25日，星期天圖像的分辨率可分辨和記錄圖像細(xì)節(jié)的能力灰度分辨率—在灰度級別中可分辨的最小變化數(shù)字圖像的空間分辨率表示單位長度內(nèi)的像素點(diǎn)DPI（像素?cái)?shù)每英寸/dotperinch）或dpc(像素每厘米)單幅圖像的像素?cái)?shù)以水平和垂直的像素?cái)?shù)表示數(shù)字化圖像的尺寸（分辨率）第49頁,共108頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字圖像空間分辨率的其它表示顯示分辨率以水平和垂直的像素表示計(jì)算機(jī)屏幕上最大的顯示范圍800x600、1024x768、1280x1024、……輸出分辨率每英寸熒光點(diǎn)或打印墨點(diǎn)的數(shù)目，單位是dpi顯示器分辨率：一般在72dpi（Mac）或96dpi（Pc）以上打印分辨率：一般在300dpi—600dpi之上第50頁,共108頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字圖像的灰度分辨率通常指單位幅度上包含的灰度級數(shù)，即在灰度級數(shù)中可分辨的最小變化若用8比特來存儲(chǔ)一幅數(shù)字圖像，其灰度級為256第51頁,共108頁，2024年2月25日，星期天圖像的質(zhì)量評價(jià)圖像質(zhì)量的評價(jià)圖像質(zhì)量評價(jià)研究已成為圖像信息工程的基礎(chǔ)技術(shù)之一當(dāng)前對圖像質(zhì)量的評估方法主要分成兩類主觀評價(jià)——通過人眼主觀視覺效果進(jìn)行判斷客觀評價(jià)——通過客觀的測量給出量化指標(biāo)主觀評價(jià)的方法與標(biāo)準(zhǔn)已相對完善而客觀評價(jià)則處于熱點(diǎn)研究中第52頁,共108頁，2024年2月25日，星期天主觀評價(jià)將待評價(jià)的圖像序列播放給評論者觀看，并記錄他們的打分，然后對所有評論者的打分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出平均分作為評價(jià)結(jié)果ITU-RBT.500-7標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種標(biāo)準(zhǔn)的主觀評價(jià)方法雙刺激連續(xù)質(zhì)量分級法(DSCQS)將待評估的圖像序列和相應(yīng)的基準(zhǔn)序列交替播放給評估者看，每個(gè)圖像持續(xù)時(shí)間為10s，按此播放順序在處理圖像的前后都有一個(gè)直接的質(zhì)量比較。每個(gè)圖像之后有2s的灰畫面間隔，評估者可在此期間打分。最后以所有分?jǐn)?shù)的平均值作為該序列的測試值單刺激連續(xù)質(zhì)量評價(jià)方法(SSCQE)只把被評價(jià)的圖像序列播放給評估者看。評價(jià)時(shí)間長達(dá)30s，評估者在觀看的同時(shí)通過調(diào)節(jié)一個(gè)滑板的位置指向相應(yīng)的評價(jià)分值給出評分第53頁,共108頁，2024年2月25日，星期天主觀評價(jià)（續(xù)）通常分為絕對評價(jià)和相對評價(jià)兩類絕對評價(jià)：由觀察者根據(jù)事先規(guī)定的評價(jià)尺度或自己的經(jīng)驗(yàn)對圖像作出判斷和評價(jià)相對評價(jià)：由觀察者對一組圖像按質(zhì)量高低進(jìn)行分類，并給出質(zhì)量分?jǐn)?shù)主觀質(zhì)量測量評分級別評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)絕對尺度相對尺度1絲毫看不出圖像質(zhì)量變壞很好一群中最好2可看出圖像質(zhì)量變化但不妨礙觀看較好好于該群中平均水平3明顯地看出圖像質(zhì)量變壞一般該群中平均水平4圖像質(zhì)量對觀看有妨礙較差差于該群中平均水平5圖像質(zhì)量對觀看有嚴(yán)重妨礙很差該群中最差第54頁,共108頁，2024年2月25日，星期天客觀評價(jià)傳統(tǒng)客觀評價(jià)方法通過計(jì)算恢復(fù)圖像偏離原始圖像的誤差來衡量恢復(fù)圖像的質(zhì)量，最常用的有均方誤差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)均方誤差(MSE)：MSE

1NM峰值信噪比(PSNR)：(

fij

fij

)2

N

Mi

1

j

1PSNR

10log10

L2MSE

客觀評價(jià)

傳統(tǒng)客觀評價(jià)方法

通過計(jì)算恢復(fù)圖像偏離原始圖像的誤差來衡量恢復(fù)圖像的質(zhì)量，最常用的有均方誤差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)均方誤差(MSE)：MSE

(

fij

fij

)2

1NM

N

Mi

1

j

1峰值信噪比(PSNR)：

L2MSEPSNR

10log10其中N、M分別是x方向、y方向圖像像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，fij和f’ij分別是原始圖像和測試圖像在(i,

j)點(diǎn)上的取值，L是圖像中灰度取值的范圍，對8比特的灰度圖像而言，L=255。第55頁,共108頁，2024年2月25日，星期天客觀評價(jià)第56頁,共108頁，2024年2月25日，星期天客觀評價(jià)（續(xù)）新方法研究——基于視覺特性的影像質(zhì)量評價(jià)方法探索人眼視覺特性(HVS)對圖像的感知機(jī)理，仿人眼視覺模型的原理對圖像質(zhì)量進(jìn)行客觀評估基于視覺感知的測量方法圖像降質(zhì)對人眼視覺的影響取決于人眼視覺系統(tǒng)的靈敏度人眼視覺系統(tǒng)的靈敏度受到圖像局部空間頻率的影響大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：影響像素誤差可視度的因素是誤差周圍的局部區(qū)域環(huán)境，而不是整個(gè)圖像的背景環(huán)境根據(jù)上述視覺特性，人們建立了各種HVS模型，用以評價(jià)圖像的質(zhì)量第57頁,共108頁，2024年2月25日，星期天客觀評價(jià)（續(xù)）基于視覺興趣的測量方法從視覺心理學(xué)角度，視覺是一種積極的感受行為，不僅與生理因素有關(guān)，還在相當(dāng)大的程度上取決于心理因素人們在觀察和理解圖像時(shí)往往會(huì)不自覺地對其中某些區(qū)域產(chǎn)生興趣，這些區(qū)域稱之為“感興趣區(qū)(ROI)”，整幅圖像的視覺質(zhì)量往往取決于ROI的質(zhì)量現(xiàn)實(shí)生活中人們由于文化背景、周圍環(huán)境以及情緒的影響，對同一幅圖像的評價(jià)會(huì)產(chǎn)生較大偏差，但是對于圖像中關(guān)注的區(qū)域卻具有共性根據(jù)上述視覺特性，人們探索各種ROI評價(jià)方式。如通過對圖像中不同區(qū)域的加權(quán)突出人眼對ROI的興趣程度第58頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.4

圖像的采樣與量化2.4.1簡單的圖像成像模型

一幅圖像可定義成一個(gè)二維函數(shù)f(x,y)。由于幅值f實(shí)質(zhì)上反映了圖像源的輻射能量，所以f(x,y)一定是非零且有限的，也即有：

0<f(x,y)<A0

(2.3)第59頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

圖像是由于光照射在景物上，并經(jīng)其反射或透射作用于人眼的結(jié)果。所以：

f(x,y)可由兩個(gè)分量來表征，一是照射到觀察景物的光的總量，二是景物反射或透射的光的總量。2.4.1簡單的圖像成像模型第60頁,共108頁，2024年2月25日，星期天設(shè)i(x,y)表示照射到觀察景物表面(x,y)處的白光強(qiáng)度，r(x,y)表示觀察景物表面(x,y)處的平均反射(或透射)系數(shù)，則有：

f(x,y)=i(x,y)r(x,y)(2.4)

其中：0<i(x,y)<A1

0

≤

r(x,y)

≤

12.4.1簡單的圖像成像模型第61頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

對于消色光圖像(有些文獻(xiàn)稱其為單色光圖像)，f(x,y)表示圖像在坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)的灰度值l，且：

l=f(x,y)(2.5)這種只有灰度屬性沒有彩色屬性的圖像稱為灰度圖像。2.4.1簡單的圖像成像模型由式(2.4)，顯然有：

Lmin≤l≤Lmax(2.6)區(qū)間[Lmin，Lmax]稱為灰度的取值范圍。在實(shí)際中，一般取Lmin的值為0，Lmax=L-1。這樣,灰度的取值范圍就可表示成[0，L-1]。

第62頁,共108頁，2024年2月25日，星期天其中:每個(gè)(x,y)對應(yīng)數(shù)字圖像中的一個(gè)基本單元，稱其為圖像元素(pictureelement)，簡稱為像素（pixel）；且一般取M、N和灰度級L為2的整次冪，即：

M=2m

（2.8）

N=2n

（2.9）

L=2k

（2.10）這里，m、n和k為正整數(shù)。

2.4.2數(shù)字圖像的表示第63頁,共108頁，2024年2月25日，星期天顯然:存儲(chǔ)一幅M×N的數(shù)字圖像，需要的存儲(chǔ)位數(shù)為：

b

=

M

×N×k

（2.11）2.4.2數(shù)字圖像的表示第64頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)一幅圖像的x和y坐標(biāo)及幅值f都為連續(xù)量時(shí)，稱該圖像為連續(xù)圖像。為了把連續(xù)圖像轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字形式，必須先對連續(xù)的圖像進(jìn)行空間和幅值的離散化處理?！魣D像的采樣：對圖像的連續(xù)空間坐標(biāo)x和y的離散化。◆圖像灰度級的量化：對圖像函數(shù)的幅值

f

的離散化。

圖像的采樣與量化第65頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

1、均勻采樣和量化

均勻采樣：對一幅二維連續(xù)圖像f(x,y)的連續(xù)空間坐標(biāo)x和y的均勻采樣，實(shí)質(zhì)上就是把二維圖像平面在x方向和y方向分別進(jìn)行等間距劃分，從而把二維圖像平面劃分成M×N個(gè)網(wǎng)格，并使各網(wǎng)格中心點(diǎn)的位置與用一對實(shí)整數(shù)表示的笛卡爾坐標(biāo)(i,j)相對應(yīng)。二維圖像平面上所有網(wǎng)格中心點(diǎn)位置對應(yīng)的有序?qū)嵳麛?shù)對的笛卡爾坐標(biāo)的全體就構(gòu)成了該幅圖像的采樣結(jié)果。圖像的采樣與量化第66頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

1、均勻采樣和量化

均勻量化：對一幅二維連續(xù)圖像f(x,y)的幅值f的均勻量化，實(shí)質(zhì)上就是將圖像的灰度取值范圍[0，Lmax]劃分成L個(gè)等級（L為正整數(shù)，Lmax=L-1），并將二維圖像平面上M×N個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)的灰度值分別量化成與L個(gè)等級中最接近的那個(gè)等級的值。圖像的采樣與量化第67頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第68頁,共108頁，2024年2月25日，星期天第69頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

3、數(shù)字圖像的表示

為了描述上的方便,本書仍用f(x,y)表示數(shù)字圖像。設(shè)x∈[0，M-1]，y∈[0，N-1]，f∈[0，L-1]，則數(shù)字圖像可表示成式(2.7)形式的一個(gè)M×N的二維數(shù)字陣列。

(2.7)2.4.2數(shù)字圖像的表示第70頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.4.2數(shù)字圖像的表示第71頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.4.2數(shù)字圖像的表示看上去一個(gè)“像素”就是一個(gè)正方形的色塊，事實(shí)上，“像素”是一個(gè)純理論的概念，它沒有形狀也沒有尺寸，看不見摸不著，只存在于理論計(jì)算中。第72頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

y一個(gè)像素

f(x,y）

N-1·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

┇

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

3·

·

·

·

·

·

·

·

2·

·

·

·

·

·

·

·

1·

·

·

·

·

·

·

·

0·

·

·

·

·

·

·

·x

O0123┅M-1

原點(diǎn)原點(diǎn)

O0123…N-10·

·

·

·

·

·

·

·y1·

·

·

·

·

·

·

·2·

·

·

·

·

·

·

·3·

·

·

·

·

·

·

·

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·

·

·

·

·

·┇·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·M-1·

·

·

·

·

·

·

·f(x,y)一個(gè)像素

x(a)數(shù)字圖像運(yùn)算的坐標(biāo)系統(tǒng)(b)數(shù)字圖像顯示的坐標(biāo)系統(tǒng)

圖2.5數(shù)字圖像的坐標(biāo)表示

2.4.2數(shù)字圖像的表示第73頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.5

空間分辨率和灰度級分辨率2.5.1空間分辨率和灰度級分辨率◆空間分辨率是圖像中可分辨的最小細(xì)節(jié)，主要由采樣間隔值決定?！粢环N常用的空間分辨率的定義是單位距離內(nèi)可分辨的最少黑白線對數(shù)目(單位是每毫米線對數(shù))，比如每毫米80線對。

1、空間分辨率

第74頁,共108頁，2024年2月25日，星期天對于一個(gè)同樣大小的景物來說，對其進(jìn)行采樣的空間分辨率越高，采樣間隔就越小，景物中的細(xì)節(jié)越能更好地在數(shù)字化后的圖像中反映出來，也即反應(yīng)該景物的圖像的質(zhì)量就越高。2.5.1空間分辨率和灰度級分辨率第75頁,共108頁，2024年2月25日，星期天一幅數(shù)字圖像的陣列大?。ê喎Q為圖像大?。┩ǔＳ肕×N表示。在景物大小不變的情況下，采樣的空間分辨率越高，獲得的圖像陣列M×N就越大；反之，采樣的空間分辨率越低，獲得的圖像陣列M×N就越小。在空間分辨率不變的情況下，圖像陣列M×N越大，圖像的尺寸就越大；反之，圖像陣列M×N越小，圖像的尺寸就越小。

2.5.1空間分辨率和灰度級分辨率第76頁,共108頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)簡單地把矩形數(shù)字化儀的尺寸看作是“單位距離”時(shí)，就可把一幅數(shù)字圖像的陣列大小M×N稱為該幅數(shù)字圖像的空間分辨率。

2.5.1空間分辨率和灰度級分辨率第77頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

2、灰度分辨率

灰度級分辨率是指在灰度級別中可分辨的最小變化，通常把灰度級級數(shù)L稱為圖像的灰度級分辨率。

2.5.1空間分辨率和灰度級分辨率第78頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.5.2

空間和灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

1、采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響

下面的圖(a)給出了一幅灰度級分辨率為256，空間分辨率為512×512的圖像。圖(b)是從圖(a)的512×512的圖像中，每隔一行刪去一行和每隔一列刪去一列而得到的256×256的圖像。圖(c）、(d)、(e)、(f)的獲得與上述方法類似。

第79頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

1、采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)(f)

圖2.7采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響示例

2.5.2

空間和灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

第80頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

1、采樣數(shù)變化對圖像視覺效果的影響

從上面的圖(a)開始直到得到圖(f)的過程說明，原圖對應(yīng)的景物大小沒有變化，對原圖采樣的“線對”寬度也沒有變化,只是對同一景物圖像的采樣數(shù)目減少了。

由此說明：（1）在圖像的空間分辨率不變(這里指線對寬度不變)的情況下，采樣數(shù)越少，圖像越小。（2）在景物大小不變的情況下，圖像陣列M×N越小，圖像的尺寸就越小。

2.5.2

空間和灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

第81頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

2、空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響

下面的圖(a)給出了一幅灰度級分辨率為256，空間分辨率為512×512的圖像。圖(b)、(c）、(d)、(e)及(f)的灰度級分辨率與圖(a)相同(為256)，但空間分辨率依次降低為256×256、128×128、64×64、32×32和16×16(也即，線對寬度一次加寬了)。

2.5.2

空間和灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

第82頁,共108頁，2024年2月25日，星期天（a）（b）（c）（d）（e）（f）圖2.8空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例2.5.2

空間和灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

第83頁,共108頁，2024年2月25日，星期天灰度級為256，空間像素從1024×1024到32×32的一組圖像第84頁,共108頁，2024年2月25日，星期天所有圖像放大到1024×1024第85頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

2、空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響

上面各圖的共同特征是大小尺寸相同，這種特征的獲得是通過降低空間分辨率，也即增加采樣的線對寬度保證的。由此可見，隨著空間分辨率的降低，圖像中的細(xì)節(jié)信息在逐漸損失，棋盤格似的粗顆粒像素點(diǎn)變得越來越明顯。由此也說明，圖像的空間分辨率越低，圖像的視覺效果越差。2.5.2

空間和灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

第86頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

3、灰度分辨率變化對圖像視覺效果的影響

下面的圖(a)給出了一幅灰度級分辨率為256，空間分辨率為512×512的圖像。圖(b)、(c）、(d)、(e)及(f)的空間級分辨率與圖(a)相同(為512×512)，但灰度分辨率依次降低為32、16、8、4和2。

2.5.2

空間和灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

第87頁,共108頁，2024年2月25日，星期天（a）（b）（c）（d）（e）（f）圖2.9灰度分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例

2.5.2

空間和灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

第88頁,共108頁，2024年2月25日，星期天灰度級從256到2的數(shù)字圖像256128643216824第89頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

3、灰度分辨率變化對圖像視覺效果的影響

由上圖可見，隨著灰度分辨率的降低，圖像的細(xì)節(jié)信息在逐漸損失，偽輪廓信息在逐漸增加。圖中由于偽輪廓信息的積累，圖像已顯現(xiàn)出了木刻畫的效果。由此也說明：灰度分辨率越低，圖像的視覺效果越差。

2.5.2

空間和灰度級分辨率對圖像視覺效果的影響

第90頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2.6

像素間的關(guān)系

本節(jié)在討論有關(guān)問題時(shí)約定：◆用諸如p、q和r這樣的一類小寫字母表示某些特指的像素；◆用諸如S、T和R這樣的一類大寫字母表示像素子集。

第91頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

1、相鄰像素與4-鄰域

設(shè)圖像中的像素p位于(x，y)處，則p在水平方向和垂直方向相鄰的像素qi最多可有4個(gè)，其坐標(biāo)分別為：（x-1，y）,（x，y-1）,（x，y+1）,（x+1，y）由這4個(gè)像素組成的集合稱為像素p的4-鄰域,記為N4(p)。

2.6.1像素的相鄰和鄰域第92頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

2、對角相鄰像素與4-對角鄰域

設(shè)圖像中的像素p位于(x，y)處，則p的對角相鄰像素ri最多可有4個(gè)，其坐標(biāo)分別為：

(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x+1,y-1),(x+1,y+1)由這4個(gè)像素組成的集合稱為像素p的4-對角鄰域,記為ND(p)。2.6.1像素的相鄰和鄰域第93頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

3、8-鄰域

把像素p的4-對角鄰域像素和4-鄰域像素組成的集合稱為像素p的8-鄰域，記為N8(p)。

2.6.1像素的相鄰和鄰域第94頁,共108頁，2024年2月25日，星期天連通性為了確定兩個(gè)像素是否連通，必須確定它們是否相鄰及它們的灰度是否滿足特定的相似性準(zhǔn)則（或者說，它們的灰度值是否相等）。

2.6.2像素的鄰接性與連通性

第95頁,共108頁，2024年2月25日，星期天令V是用于定義鄰接性的灰度值集合?？紤]三種類型的鄰接性：（a）4鄰接：如果q在集中，具有v中數(shù)值的兩個(gè)像素p和q是4鄰接的。（b）8鄰接：如果q在集中，則具有中數(shù)值的兩個(gè)像素p和q是8鄰接的。（c）m鄰接（混合鄰接）：如果（ⅰ）q在集中，或者（ⅱ）q在中且集合沒有v值的像素。則具有v值的像素p和q是鄰接的。2.6.2像素的鄰接性與連通性

第96頁,共108頁，2024年2月25日，星期天2

鄰接性、連通性

（1）鄰接性

V是具有特定相似性準(zhǔn)則的灰度值集合。（解釋）

A、4鄰接：如果q在N4(p)中，具有V中數(shù)值的兩個(gè)像素p和q是4鄰接的。

B、8鄰接：如果q在N8(p)中，具有V中數(shù)值的兩個(gè)像素p和q是8鄰接的。

第97頁,共108頁，2024年2月25日，星期天C、m鄰接：如果q在N4(p)中，或者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。

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第98頁,共108頁，2024年2月25日，星期天

1、距離度量函數(shù)

對于坐標(biāo)分別位于（x,y），（u,v）和（w,z）處的像素p