圖像獲取與表示課件

圖像獲取與表示圖像獲取與表示是計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理中的關(guān)鍵步驟。它涉及獲取圖像數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解和處理的形式。課程大綱11.圖像獲取圖像傳感器、成像原理、像素與顏色表示22.圖像表示顏色模型、色深、分辨率、數(shù)字圖像的采樣與量化33.圖像壓縮有損壓縮與無損壓縮、常見圖像格式44.圖像處理基礎(chǔ)圖像增強(qiáng)、濾波、邊緣檢測、形態(tài)學(xué)操作、圖像分割課程目標(biāo)理解圖像獲取了解圖像傳感器類型、成像原理，并掌握像素與顏色表示方法。圖像處理基礎(chǔ)學(xué)習(xí)圖像增強(qiáng)、濾波、邊緣檢測等基本圖像處理技術(shù)。掌握常見圖像格式深入了解JPEG、GIF、PNG等格式的編碼原理和特點(diǎn)。圖像獲取圖像獲取是圖像處理的第一步，將現(xiàn)實(shí)世界中的場景轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字圖像。圖像獲取的過程包括光線照射目標(biāo)物體、傳感器捕捉光線信息并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后將數(shù)字信號存儲為圖像文件。圖像獲取方法多種多樣，常用的方法包括使用數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、醫(yī)療影像設(shè)備等。圖像獲取的質(zhì)量會影響后續(xù)圖像處理的效果，因此選擇合適的圖像獲取方法至關(guān)重要。圖像傳感器簡介光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。CCD傳感器使用電荷耦合器件，將光信號存儲在電荷井中，然后逐行讀取。CMOS傳感器使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)，每個(gè)像素獨(dú)立處理信號，更易于集成。成像原理1光線照射物體光線照射到物體表面2反射與散射光線被反射和散射3鏡頭聚焦鏡頭將光線匯聚到圖像傳感器4傳感器接收傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號5數(shù)字圖像生成電信號被數(shù)字化，形成圖像成像過程包含多個(gè)步驟。首先，光線照射到物體表面，然后被反射和散射。接著，鏡頭將這些光線匯聚到圖像傳感器上。最后，傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將其數(shù)字化，從而生成數(shù)字圖像。光線與物質(zhì)的相互作用反射光線照射到物體表面，部分光線被反射回來，形成我們看到的物體的顏色和形狀。折射光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變，形成折射現(xiàn)象。吸收物體吸收了部分光線，剩余的光線被反射或透射，形成我們看到物體的顏色。透射光線穿過透明或半透明物體，形成我們看到物體的透明度和顏色。像素與顏色表示像素像素是數(shù)字圖像的基本單元，它代表圖像中的一個(gè)點(diǎn)，并以數(shù)字形式存儲顏色信息。顏色表示顏色通常使用不同的顏色模型來表示，例如RGB模型使用紅、綠、藍(lán)三種顏色來表示所有顏色?；叶葓D像灰度圖像只包含亮度信息，每個(gè)像素值代表灰度級，從黑色到白色。彩色圖像彩色圖像使用多個(gè)顏色通道來表示顏色，每個(gè)通道對應(yīng)一種顏色，例如RGB模型中的紅、綠、藍(lán)通道?；叶葓D像灰度圖像僅包含亮度信息，每個(gè)像素用一個(gè)值表示其亮度。通常用0到255的整數(shù)表示，0表示黑色，255表示白色，中間值代表不同的灰度級別?；叶葓D像廣泛應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域，比如圖像增強(qiáng)、邊緣檢測、特征提取等。它們也常用于醫(yī)療圖像、遙感圖像和機(jī)器視覺等。RGB顏色模型三原色模型RGB顏色模型是基于三種基本顏色：紅色（Red）、綠色（Green）和藍(lán)色（Blue）。顏色混合通過混合不同比例的紅、綠、藍(lán)三原色，可以生成各種各樣的顏色。應(yīng)用場景RGB顏色模型廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)顯示器、電視機(jī)、掃描儀等設(shè)備。其他顏色模型CMYKCMYK顏色模型采用青色(Cyan)、品紅色(Magenta)、黃色(Yellow)和黑色(Key)四種顏料。主要應(yīng)用于印刷行業(yè)，基于減色原理。HSVHSV顏色模型采用色調(diào)(Hue)、飽和度(Saturation)和明度(Value)三個(gè)屬性描述顏色。更符合人類對顏色的感知，方便藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師使用。HSLHSL顏色模型使用色調(diào)(Hue)、飽和度(Saturation)和亮度(Lightness)三個(gè)屬性來描述顏色。與HSV相似，更適合用于網(wǎng)頁設(shè)計(jì)和圖像處理。CIELABCIELAB顏色模型是一種設(shè)備無關(guān)的顏色模型，用于描述人眼感知的顏色。廣泛應(yīng)用于色彩管理、圖像處理和視覺研究中。顏色模型比較不同的顏色模型在圖像處理中扮演著重要角色。它們具有不同的優(yōu)勢，適用場景也各不相同。3RGB最常見，適用于顯示器和打印機(jī)1CMYK適用于印刷，使用青色、洋紅色、黃色和黑色2HSV基于色調(diào)、飽和度和明度4Lab接近人類視覺感知選擇合適的顏色模型可以提高圖像處理效率和效果。色深與顏色深度色深每個(gè)像素存儲的位數(shù)。用于表示每個(gè)像素的顏色信息。顏色深度圖像可以表示的顏色總數(shù)。取決于色深和顏色模型。圖像分辨率圖像分辨率是指圖像中像素的多少，通常用像素點(diǎn)數(shù)量表示。高分辨率圖像具有更多像素，細(xì)節(jié)更豐富，圖像質(zhì)量更高，但文件尺寸也更大。分辨率解釋720p1280x720像素1080p1920x1080像素4K3840x2160像素8K7680x4320像素?cái)?shù)字圖像的采樣與量化1采樣將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號2量化將離散信號的值映射到有限個(gè)離散級別3編碼將量化后的值存儲或傳輸采樣和量化是將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像的關(guān)鍵步驟。采樣過程將連續(xù)的圖像信號轉(zhuǎn)換為離散的像素值。量化過程將每個(gè)像素的值映射到有限個(gè)離散級別，從而將像素值存儲在計(jì)算機(jī)中。采樣定理與量化誤差采樣定理采樣定理指出，為了準(zhǔn)確地重建原始信號，采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍。如果采樣頻率過低，就會導(dǎo)致混疊現(xiàn)象，導(dǎo)致信號失真。量化誤差量化是將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號的過程。量化過程會引入誤差，因?yàn)殡x散值無法完全準(zhǔn)確地表示原始信號。量化誤差會影響圖像的細(xì)節(jié)和顏色。有損壓縮與無損壓縮1無損壓縮原始數(shù)據(jù)可以完全恢復(fù)。數(shù)據(jù)壓縮算法通過去除數(shù)據(jù)冗余來減少存儲空間，例如使用運(yùn)行長度編碼（RLE）對重復(fù)像素進(jìn)行壓縮。2有損壓縮在壓縮過程中會丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)，無法完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。通過去除人類視覺感知不敏感的信息來壓縮數(shù)據(jù)，例如顏色細(xì)節(jié)和邊緣細(xì)節(jié)。3應(yīng)用場景無損壓縮適用于需要完全還原數(shù)據(jù)的場景，如文本文件、數(shù)據(jù)庫。有損壓縮適用于圖像、音頻和視頻，可以顯著降低文件大小。JPEG編碼原理1壓縮過程JPEG使用離散余弦變換（DCT）將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率系數(shù)。2量化根據(jù)人眼對不同頻率成分的敏感程度，對頻率系數(shù)進(jìn)行量化，舍棄部分信息以降低數(shù)據(jù)量。3編碼對量化后的系數(shù)進(jìn)行熵編碼，進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)，最終生成JPEG文件。GIF編碼原理1顏色索引使用調(diào)色板，減少顏色數(shù)量2壓縮方法采用LZW算法，壓縮重復(fù)數(shù)據(jù)3幀動畫存儲一系列圖像，逐幀播放動畫GIF編碼原理主要依賴于三種關(guān)鍵技術(shù)：顏色索引，壓縮方法和幀動畫。顏色索引技術(shù)通過使用調(diào)色板來減少圖像中顏色的數(shù)量，從而降低存儲空間。LZW算法通過壓縮重復(fù)數(shù)據(jù)來進(jìn)一步壓縮圖像大小。幀動畫則是指存儲一系列圖像，并以一定的頻率播放，從而形成動態(tài)圖像。PNG編碼原理1壓縮算法無損壓縮2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù)3顏色模型RGB或索引顏色4壓縮方法LZ77算法PNG編碼原理基于無損壓縮技術(shù)。它通過LZ77算法壓縮圖像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在文件頭中。PNG文件包含圖像數(shù)據(jù)、顏色模型信息和壓縮算法信息。它還支持透明度和伽瑪校正等功能。文件格式對比JPEG是最常用的圖像格式，它使用有損壓縮技術(shù)，壓縮比高，但會丟失一些圖像信息。GIF支持動畫，并使用無損壓縮技術(shù)，壓縮比較低。PNG是一種無損壓縮格式，壓縮比相對較低，但可以保留圖像的全部信息。圖像處理基礎(chǔ)圖像類型圖像處理算法通常用于處理灰度、彩色和二進(jìn)制圖像。圖像表示圖像數(shù)據(jù)存儲在二維矩陣中，每個(gè)像素包含顏色信息。圖像操作圖像處理包括增強(qiáng)、復(fù)原、分割、分析和壓縮等操作。應(yīng)用領(lǐng)域圖像處理在醫(yī)學(xué)影像、計(jì)算機(jī)視覺、遙感等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。圖像增強(qiáng)11.提高對比度增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)，使其更容易辨認(rèn)。22.降低噪聲消除圖像中的隨機(jī)干擾，提高圖像的清晰度。33.銳化邊緣突出圖像的邊緣細(xì)節(jié)，使圖像更清晰。44.校正顏色調(diào)整圖像的顏色平衡，使其更加自然。直方圖均衡化直方圖分析圖像直方圖顯示每個(gè)灰度值的像素?cái)?shù)量，反映圖像亮度分布.均衡化過程將灰度值映射到新的范圍，使直方圖更均勻分布，提高對比度.均衡化效果改善圖像對比度，使細(xì)節(jié)更加清晰，增強(qiáng)圖像的可視性.濾波器平滑濾波平滑濾波器用于減少圖像噪聲，模糊圖像細(xì)節(jié)。銳化濾波銳化濾波器用于增強(qiáng)圖像邊緣和細(xì)節(jié)，提高圖像清晰度。邊緣檢測濾波邊緣檢測濾波器用于識別圖像中的邊緣，突出輪廓。高通濾波高通濾波器可以保留圖像的高頻信息，增強(qiáng)邊緣細(xì)節(jié)。圖像金字塔圖像金字塔是一種多尺度圖像表示方法。它通過對原始圖像進(jìn)行連續(xù)降采樣和模糊操作，生成一系列尺寸逐漸減小的圖像。圖像金字塔可以用于圖像匹配、目標(biāo)檢測、圖像融合等任務(wù)。在圖像匹配中，金字塔可以幫助找到不同尺度下的匹配點(diǎn)。在目標(biāo)檢測中，金字塔可以幫助檢測不同大小的目標(biāo)。邊緣檢測1邊緣定義圖像中灰度值發(fā)生顯著變化的區(qū)域，通常對應(yīng)物體邊界或紋理變化。2邊緣檢測算子使用各種算子來檢測圖像中的邊緣，例如Sobel算子、Canny算子等。3邊緣提取步驟噪聲去除梯度計(jì)算邊緣閾值化邊緣跟蹤形態(tài)學(xué)操作膨脹膨脹操作會增大目標(biāo)區(qū)域，在圖像中將前景物體擴(kuò)張。腐蝕腐蝕操作會縮小目標(biāo)區(qū)域，將前景物體收縮。開運(yùn)算開運(yùn)算先腐蝕后膨脹，可以去除圖像中的小噪聲。閉運(yùn)算閉運(yùn)算先膨脹后腐蝕，可以填充圖像中的孔洞。圖像分割1基于閾值的分割根據(jù)像素值設(shè)定閾值，將圖像分為兩類或多類。2邊緣檢測利用圖像邊緣信息進(jìn)行分割，將邊緣區(qū)域視為分割邊界。3區(qū)域生長從圖像中選取種子點(diǎn)，根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則擴(kuò)展區(qū)域，將相似區(qū)域合并。實(shí)例演示本節(jié)課將通過實(shí)際例子展示圖像獲取與表示的應(yīng)用。我們會演示如何利用圖像傳感器獲取圖