《成像图像基础》PPT课件.ppt

第第2 2章章 图像处理基础知识图像处理基础知识视觉和图像基础视觉基础人眼视觉机理颜色空间成像基础成像模型数字化原理图像基础分辨率图像模式图像格式图像质量评价颜色空间颜色空间TRGB加混色颜色空间加混色颜色空间彩色图像可由红、绿、蓝三基色图像叠加而成,红、绿、蓝越多，颜色越亮。3RGB Image DataRGB Image DataRedChannelGreenChannelFullColorImageBlueChannelCMYCMY减混色颜色空间减混色颜色空间TCMY减混色颜色空间减混色颜色空间CMY油墨和颜料用的越多，颜色越暗。White lightPigmentlayersReflectinglayer(whitepaper)GreenRedBlueBlackWhiteCyanYellowMagentaCyanMagentaYellowBlack5CMY Image DataCMY Image DataFullColorImageCyanImage(1-R)MagentaImage(1-G)YellowImage(1-B)HSIHSI颜色空间颜色空间 也称为视觉生理模型：色调（H，Hue）色饱和度（S，Saturation）明度（I，Intensity）例如：孟塞尔颜色系统应用：设计，试衣网HSIHSI颜色空间颜色空间 也称为视觉生理模型：色调（H，Hue）色饱和度（S，Saturation）明度（I，Intensity）例如：孟塞尔颜色系统应用：设计，试衣网8HSI Image DataHSI Image DataHueChannelSaturationChannelIntensityChannelFullImageRGBRGB到到HISHIS空间的转换空间的转换HSIHSI到到RGBRGB空间的转换空间的转换YUVYUV和和RGBRGB之间转换之间转换PAL 制式彩色电视使用YUV模型其中，Y为亮度，U、V为色度。下式可实现与RBG间的转换：Y=0.299R+0.587G+0.114B U=-0.169R-0.331G+0.5B V=0.5R-0.419G-0.081B图像数字化图像数字化T图像传感器与数字成像T数字化原理 图像传感器与数字成像图像传感器与数字成像1.CCD传感器电荷耦合器件（ChargedCoupledDevice），感应可见光的光强扫描仪的图像数字化过程原理图 图像传感器与数字成像图像传感器与数字成像2.CMOS传感器互补性金属氧化物半导体（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）应用范围：低端领域：监控，聊天高端领域：专业单反数码相机数字化原理数字化原理1数学模型2采样和量化 T采样：空间上的离散化T量化：灰度上的离散化数字化原理数字化原理fT连续信号（抽样、量化）数字信号 采样点阵：正方形、正三角数字化原理数字化原理T图像矩阵的特点：数字化采样：正方形点阵、三角形点阵、正六角形点阵等数字化原理数字化原理3.二维采样定理：采样频率大于图像信号最高频率的2倍T非均匀采样和均匀采样细节部分，分配较多的采样数字化原理数字化原理均匀采样均匀采样非均匀采样非均匀采样5.量化T均匀量化T非均匀量化:a）基于视觉特性：对亮度值急剧变化部分无需过细分层，进行粗量化,对亮度值平缓变化部分需过细分层，进行细量化 b）先计算所有可能的亮度值出现的概率分布，对概率分布大的进行细量化,对概率分布小的进行粗量化,非均匀量化可以减少量化误差，又能用较少的比特数实现量化数字化原理数字化原理fT量化和采样是两个不同的概念，量化是在每个采样点上进行的，所以必须先采样后量化。T量化和采样是图像数字化的不可或缺的两个操作，二者紧密相关，同时完成。6.采样和量化的关系数字化原理数字化原理图像空间分辨率变化所产生的效果图像空间分辨率变化所产生的效果数字化原理数字化原理图像幅度分辨率变化所产生的效果图像幅度分辨率变化所产生的效果数字化原理数字化原理空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果数字化原理数字化原理 图像（水平）尺寸 M：图像（垂直）尺寸 N：象素灰度级数 G(k-bit)：图像数字化后所需的位数 b：数字化原理数字化原理几种常用的图像大小如下：几种常用的图像大小如下：汉字：汉字：取决于字的大小，每个字可以从1616到 256256象素；显微镜图像显微镜图像：256256或512512象素；电视图像电视图像：500700480象素；CRTCRT显示器：显示器：一般640480或10241024象素，20482048象素等数字化原理数字化原理图像像分辨率分辨率图像中每单位长度上的像素数目，称为图像的分辨率图像中每单位长度上的像素数目，称为图像的分辨率，其单位，其单位为为像素像素/英寸（英寸（PPI）或是或是像素像素/厘米厘米。在相同尺寸的两幅图像中，。在相同尺寸的两幅图像中，高分辨率的图像包含的像素比低分辨率的图像包含的像素多高分辨率的图像包含的像素比低分辨率的图像包含的像素多。72像素10像素图像的尺寸、图像的分辨率和图像文件的大小三者之间有着密切的联系。图像的尺寸越大，图像的分辨率越高，图像文件也就越大。调整图像的大小和分辨率即可改变图像文件的大小。屏幕屏幕分辨率分辨率屏幕分辨率是显示器上每单位长度显示的点的数目屏幕分辨率是显示器上每单位长度显示的点的数目（DPI）。）。屏幕分辨率取决于显示器大小及其像素设置。屏幕分辨率取决于显示器大小及其像素设置。当图像分辨率高于显示器分辨率时，屏幕中显示的图像当图像分辨率高于显示器分辨率时，屏幕中显示的图像比实际尺寸大。比实际尺寸大。25dpi150dpi300dpi图2-3不同分辨率之比较输出出分辨率分辨率打印机分辨率打印机分辨率 输出分辨率是照排机或打印机等输出分辨率是照排机或打印机等输出设备产生的每输出设备产生的每英寸的油墨点数（英寸的油墨点数（dpi）。打印机的分别率在。打印机的分别率在720 dpi以上的，可以使图像获得比较好的效果。以上的，可以使图像获得比较好的效果。CTP分辨率分辨率印刷机分辨率（印刷机分辨率（LPI）二值图像 黑白图象，二值图，每个像素点由1位二进制数据表示1灰度图像 灰度图象，8位二进制表示每个像素点2彩色图像 彩色图象，24位二进制表示每个像素点，RGB3图像数据量计算 图像数据量大小=像素总数图像深度8例如，一幅640480的256色图像大小为:64048088=307200字节数字图像处理中的数字图像处理中的lennalennaT莱娜莱娜(lenna)图在数字图像处理学习与研究中颇为知名，图在数字图像处理学习与研究中颇为知名，常被用作数字图像处理各种实验的例图。常被用作数字图像处理各种实验的例图。T该图原本是刊于该图原本是刊于1972年年11月号花花公子杂志上的一张裸月号花花公子杂志上的一张裸体插图照片的一部分，这期花花公子也是历年来最畅销体插图照片的一部分，这期花花公子也是历年来最畅销的一期，销量达的一期，销量达7,161,561本。本。1973 年年6月，美国南加州月，美国南加州大学的信号图像处理研究所的一个助理教授和他的一个大学的信号图像处理研究所的一个助理教授和他的一个研究生打算为了一个学术会议找一张数字照片，而他们研究生打算为了一个学术会议找一张数字照片，而他们对于手头现有成堆对于手头现有成堆无聊无聊照片感照片感 到厌烦。事实上他们需到厌烦。事实上他们需要的是一个人脸照片，同时又能让人眼前一亮。这时正要的是一个人脸照片，同时又能让人眼前一亮。这时正好有人走进实验室，手上带着一本当时的花花公子杂志，好有人走进实验室，手上带着一本当时的花花公子杂志，结果故事发生了结果故事发生了而限于当而限于当 时实验室设备和测试图片时实验室设备和测试图片的需要，的需要，lenna的图片只抠到了原图的肩膀部分。的图片只抠到了原图的肩膀部分。数字图像处理中的数字图像处理中的lennalennaLenna女士现在仍住在她的家乡瑞典，拥有一个有三个孩子的家庭，并且在国家酒类专卖局工作。在1988年的时候，她接受了瑞典一些计算机相关出版社的访问，她对于她的照片有这样的奇遇感到非常的惊奇与兴奋。这是她首次得知她的照片被应用在计算机行业。Lenna于1997年被邀请为嘉宾，参加了数字图像科学技术50周年学术会议。在该会议上，Lenna成了最受欢迎的人之一，她做了关于自己介绍的简要发言，并被无数的fans索取签名。莱娜图在图像压缩算法是最广泛应用的标准测试图她的脸部与裸露的肩部已经变成了事实上的工业标准。然而，这张图像的使用也引起了一些争议。一些人担心它的色情内容；花花公子杂志曾经威胁要起诉对莱娜图未经授权的使用。不过这家杂志已经放弃了这种威胁，取而代之的是鼓励因为公众利益使用莱娜图。戴维C蒙森,IEEE图像处理汇刊的主编,在1996年1月引用了两个原因来说明莱娜图在科研领域流行的原因：1.该图适度的混合了细节、平滑区域、阴影和纹理，从而能很好的测试各种图像处理算法。2.Lenna是个美女，对于图象处理界的研究者来说，美女图可以有效的吸引他们来做研究。图像文件格式图像文件格式T一般的图像文件一般的图像文件结构主要都包含结构主要都包含有文件头、文件有文件头、文件体和文件尾等三体和文件尾等三部分：部分：软件ID软件版本号软件版本号图像分辨率图像分辨率图像尺寸图像尺寸图像深度图像深度彩色类型彩色类型编码方式编码方式压缩算法压缩算法图像数据图像数据彩色变换表彩色变换表用户名用户名注释注释开发日期开发日期工作时间工作时间 图像文件格式分类图像文件格式分类T位图图像位图图像 位位图图图图像像也也叫叫点点阵阵图图像像，它它是是由由许许多多单单独独的的小小方方块块组组成成的的，这这些些小小方方块块又又称称为为像像素素点点，每每个个像像素素点点都都有有特特定定的的位位置置和和颜颜色色值值。像像素素点点越越多多，图图像像的的分分辨辨率率越越高高，相相应应地地，图图像像的的文文件件量量也也会会随随之之增增大大。使使用用放放大大工工具具放放大大后，可以清晰地看到像素的小方块形状与不同的颜色。后，可以清晰地看到像素的小方块形状与不同的颜色。原始效果放大后的效果Image，是由输入设备捕捉的实际场景画面，静止图像由一些排列成行和列的点组成（即像素点）。图像文件格式分类图像文件格式分类T矢量图形矢量图形 矢量图也叫向量图，它矢量图也叫向量图，它是一种基于图形的几何特性来描述的图像是一种基于图形的几何特性来描述的图像。矢量图中的各种图形元素称为矢量图中的各种图形元素称为对象对象，每一个对象都是独立的个体，都具，每一个对象都是独立的个体，都具有大小、颜色、形状、轮廓等属性。有大小、颜色、形状、轮廓等属性。矢量图与分辨率无关，可以将它设矢量图与分辨率无关，可以将它设置为任意大小，其清晰度不变，也不会出现锯齿状的边缘。置为任意大小，其清晰度不变，也不会出现锯齿状的边缘。原始效果放大后的效果Graphic，是一组点、线、面等的大小、形状及位置、维数的指令集合BMP格式格式TIFF格式格式GIF格式格式JPEG格式格式EPS格式格式PSD格式：格式：DICOM文件格式文件格式常用的图像文件格式BMPl常用文件格式Bitmap，Microsoft公司开发，用于Windows环境 文件头信息头实际数据(1)扩展名采用“.bmp”(2)文件描述单一(静止)图像(3)索引RGB(1)用于表现打印、显示用图像(2)不适于网络传送(3)不适于提供印刷文件用途Tiff/Tifl常用文件格式TagImageFileFormat，Aldus公司开发，用于精确描述图像的场合(1)平面设计作品的最佳表现形式(2)用于提供印刷文件(3)不适于网络传送文件头文件头标识信息区标识信息区图像数据图像数据应用(1)扩展名采用“.tif”(2)文件描述单一(静止)图像(3)彩色模式:21(单色)232(4)支持多平台(PC&Macintosh)(5)可采用多种压缩数据格式特点TIFF格式 TIFF格格 式式 是是 标标 签签 图图 像像 格格 式式。可可 以以 用用 于于 PC、Macintosh以以及及UNIX工工作作站站3大大平平台台，是是这这3大大平平台台上上使使用用最最广广泛泛的的绘绘图图格格式式。用用TIFF格格式式存存储储时时应应考考虑虑到到文文件件的的大大小小，因因为为TIFF格格式式的的结结构构要要比比其其他他格格式式更更复复杂杂。但但TIFF格格式式支支持持24个个通通道道，能能存存储储多多于于4个个通通道道的的文文件件格格式式。TIFF格格式式还还允允许许使使用用Photoshop CS3中中的的复复杂杂工工具具和和滤滤镜镜特特效效。TIFF格格式式非非常常适适合合于于印印刷刷和和输输出。出。GIFl常用文件格式GraphicsInterchangeFormat,CompuServe公司开发,用于屏显和网络应用特点(1)用于屏幕显示图像和电脑动画(2)用于网络传送(3)不适于保存高质量印刷文件(1)扩展名采用“.gif”(2)具有87a、89a两种格式87a描述单一(静止)图像89a描述多帧图像(3)彩色模式:28(256色)(4)采用改进的LZW压缩算法文件头文件头逻辑屏幕描述逻辑屏幕描述图像数据图像数据结束标志结束标志调色板信息调色板信息GIF格式GIF图像格式还增加了渐显渐显方式，也就是说，在图像传输过程中，用户可以先看到图像的大致轮廓，然后随着传输过程的继续而逐步看清图像中的细节部分，从而适应了用户的从朦胧到清楚的观赏心理。由于8位存储格式的限制，使其不能存储超过256色色的图像。最适合在图片颜色总数少于256色的使用。GIF格式，文体体积小，而且清晰度非常高。JPEG/JPGl常用文件格式JointPhotographicExpertsGroup，联合专家小组开发，用于彩色图像的存储和网络传送应用特点(1)用于保存表现自然景观的图像(2)用于网络传送(3)不适于表现有明显边界的图形(4)不适用于高质量印刷文件(1)扩展名采用“.jpg”(2)采用有损压缩编码形式，数据量小(3)彩色模式:(真彩色)(4)经解压缩，方可显示图像，显示速度慢EPS格式EPS格式可以用于存储矢量图形，几乎所有的矢量绘制和页面排版软件都支持该格式。在Photoshop中打开其他应用程序创建的包含矢量图形的EPS文件时，Photoshop会对此文件进行栅格化，将矢量图形转换为位图图像。EPS格式支持Lab、CMYK、RGB、索引颜色、灰度和位图色彩模式，不支持Alpha通道。但该格式支持剪贴路径。PNG格式PNG（portable network graphic，便携网络图便携网络图像）图像由于受到像）图像由于受到W3C（World Wide Web Consortium）组织的大力推荐，目前已经在网络组织的大力推荐，目前已经在网络上逐渐推广。它既可以采用无损压缩算法，又可上逐渐推广。它既可以采用无损压缩算法，又可以采用有损压缩算法，以期在质量与文件大小之以采用有损压缩算法，以期在质量与文件大小之间找到最好的平衡，同时又支持真彩色。目前较间找到最好的平衡，同时又支持真彩色。目前较高版本的浏览器，都支持高版本的浏览器，都支持PNG 格式的图像。格式的图像。PSD格式 PSD格格式式格格式式是是Photoshop 自自身身的的专专用用文文件件格格式式，能能够够支支持持从从线线图图到到CMYK的的所所有有图图像像类类型型，但但由由于于在在一一些些图图形形处处理理软软件件中中没没有有得得到到很很好好的的支支持持，所所以以其其通通用用性性不不强强。PSD格格式式格格式式能能够够保保存存图图像像数数据据的的细细小小部部分分，如如图图层层、附附加加的的遮遮膜膜通通道道等等Photoshop CS3对对图图像像进进行行特殊处理的信息。特殊处理的信息。DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。DICOM格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。DICOM文件的常见扩展名为DCM。DICOM文件格式选择合适的图像文件存储格式选择合适的图像文件存储格式：选择合适的图像文件存储格式：用于印刷：用于印刷：TIFF、EPS；出版物：出版物：PDF；Internet图像：图像：GIF、JPEG、PNG；用用于于Photoshop CS3工工作作：PSD、PDD、TIFF医学应用：医学应用：DICOM文件格式文件格式图像质量评价图像质量评价图像质量的客观评价图像质量的主观评价图像质量的客观评价图像质量的客观评价T归一化方均误差T峰值方均误差T等效信噪比 图像质量的客观评价图像质量的客观评价f(j,k)被变换的图像场，Af(j,k)的最大值T图像质量评价的研究是图像信息工程的基本技术之一。光电变换传输处理记录其他变换T图像增强：就是为了改善图像的主观视觉显示质量 T图像复原：是用于补偿图像的降质，使复原后的图像接近原像 T图像编码技术:在保持被编码图像一定质量的前提下，以尽量少的码字来表示图像，以节省信道和储存器容量图像质量的主观评价T基本概念图像逼真度（Fidelity）描述被评价图像与标准图像的偏离程度图像可懂度（Intelligibility)表示图像能向 人或机器提供信息的能力图像质量的主观评价T外行、内行主观评价：采用目视观察和主观感觉评价图像的质量 绝对评价标准图像作参考。“全优度尺度”：非常好图像 5分 好图像 4分 中等图像 3分 差图像 2分 非常差图像 1分图像质量的主观评价相对评价图像好到坏分类，比较。“群优度尺度”最好、稍好一批中最好的图像 7分比该批的平均水平好的图像 6分稍好于该批的平均水平图像 5分该批平均水平的图像 4分稍次于该批的平均水平图像 3分比该批的平均水平差的图像 2分一批中最差的图像 1分图像质量的主观评价