数字图像处理基础ppt课件.ppt

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1、数字图象处理计算机与通信工程系主讲:郭东明第二章 数字图像处理基础 2.1 光谱与人眼特性光谱与人眼特性2.2 图像数字化技术图像数字化技术 2.3 数字图像类型数字图像类型 2.4 图像文件格式图像文件格式 2.5 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型 2.1 光谱与人眼特性光谱与人眼特性图图2.1 2.1 电磁辐射波普电磁辐射波普 0.001nm 1nm 10nm 0.001nm 1nm 10nm 电波电波 可见光可见光 射线射线 x x射线射线 紫外线紫外线 红外线红外线 微波微波 视频、无线电波视频、无线电波 紫紫 蓝蓝 绿绿 黄黄 橙橙 红红 近红外近红外 短波红外短波红外 中红

2、外中红外 热红外热红外 远红外远红外400nm 500nm 600nm 700nm 1300 nm 3m 8m 14m 1mm毫米波毫米波 厘米波分米波超短波厘米波分米波超短波 短波短波 中波中波 长波长波 超长波超长波1mm 10mm 1cm 1m 10m 100m 0.1km 10km 100km2.1 光谱与人眼特性光谱与人眼特性可见光谱2.1 光谱与人眼特性光谱与人眼特性 大量实验表明，主观亮度大量实验表明，主观亮度( (人的视觉系统感觉到的亮度人的视觉系统感觉到的亮度) )与进与进入人眼的光的强度成对数关系。入人眼的光的强度成对数关系。 2.1 光谱与人眼特性光谱与人眼特性 是指人眼

3、对某个区域的亮度感觉并不仅仅取决于该区域的是指人眼对某个区域的亮度感觉并不仅仅取决于该区域的强度，而是与该区域的背景亮度或周围的亮度有关的特性。强度，而是与该区域的背景亮度或周围的亮度有关的特性。 图图2.2 2.2 同时对比效应示例同时对比效应示例 2.1 光谱与人眼特性光谱与人眼特性 图图2.3 2.3 马赫带效应示例马赫带效应示例 感觉亮度感觉亮度实际亮度实际亮度2.1 光谱与人眼特性光谱与人眼特性 是指人眼填充了不存在的信息或者错误地感知物体的几是指人眼填充了不存在的信息或者错误地感知物体的几何特点的特性。何特点的特性。 2.1 光谱与人眼特性光谱与人眼特性图图2.4 2.4 视觉错觉

4、示例视觉错觉示例 （d） （e） （f） （a） （b） （c）2.2 图像数字化技术图像数字化技术 图像处理的方法有模拟式和数字式两种。由于数字计算技术的迅猛发展，数字图像处理技术得到了广泛的应用。我们日常生活中见到的图像一般是连续形式的模拟图像，所以数字图像处理的一个先决条件就是将连续图像离散化，转换为数字图像。 图像的数字化包括采样和量化两个过程。 设连续图像f(x, y)经数字化后，可以用一个离散量组成的矩阵g (i, j)（即二维数组）来表示。 ) 1, 1() 1 , 1()0 , 1() 1, 1 () 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0() 1 , 0()0 , 0()

5、,(nmfmfmfnffgnfffjig（2-1） 矩阵中的每一个元素称为像元、像素或图像元素。而g (i, j)代表(i, j)点的灰度值，即亮度值。以上数字化有以下几点说明： （1） 由于g (i, j)代表该点图像的光强度，而光是能量的一种形式，故g (i, j)必须大于零，且为有限值，即： 0g (i, j)。 （2） 数字化采样一般是按正方形点阵取样的， 除此之外还有三角形点阵、正六角形点阵取样。如图2-5所示。 （3） 以上是用g (i, j)的数值来表示(i, j)位置点上灰度级值的大小，即只反映了黑白灰度的关系， 如果是一幅彩色图像， 各点的数值还应当反映色彩的变化，可用g (

6、i, j, )表示，其中是波长。如果图像是运动的，还应是时间t的函数，即可表示为g (i, j, , t)。 图2-5 采样网格 (a) 正方形网格; (b) 正六角形网格 (a)(b)2.2.1 采样采样 图像在空间上的离散化称为采样。也就是用空间上部分点的灰度值代表图像，这些点称为采样点。由于图像是一种二维分布的信息，为了对它进行采样操作，需要先将二维信号变为一维信号，再对一维信号完成采样。具体做法是，先沿垂直方向按一定间隔从上到下顺序地沿水平方向直线扫描，取出各水平线上灰度值的一维扫描。而后再对一维扫描线信号按一定间隔采样得到离散信号，即先沿垂直方向采样， 再沿水平方向采样这两个步骤完成

7、采样操作。对于运动图像（即时间域上的连续图像），需先在时间轴上采样，再沿垂直方向采样，最后沿水平方向采样由这三个步骤完成。 对一幅图像采样时，若每行（即横向）像素为M个，每列（即纵向）像素为N个，则图像大小为MN个像素。 在进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要的问题， 它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的程度。采样间隔的大小选取要依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。一般， 图像中细节越多，采样间隔应越小。根据一维采样定理，若一维信号g(t)的最大频率为， 以T1/2为间隔进行采样，则能够根据采样结果g(iT) (i=, -1, 0, 1， )完全恢复g(t)， 即 iiTtsiT

8、gtg)()()(式中 ttts2)2sin()(图2-6 采样示意图 采样行采样列像素行间隔采样间隔2.2.2 量化量化 模拟图像经过采样后，在时间和空间上离散化为像素。但采样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量。把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。图2-7（a）说明了量化过程。若连续灰度值用z来表示，对于满足zizzi+1的z值，都量化为整数qi。qi称为像素的灰度值，z与qi的差称为量化误差。一般，像素值量化后用一个字节8 bit来表示。如图2-7（b）所示，把由黑灰白的连续变化的灰度值， 量化为0255共256级灰度值，灰度值的范围为0255，表示亮度从

9、深到浅， 对应图像中的颜色为从黑到白。 图2-3 量化示意图（a） 量化； (b) 量化为8 bit 连续灰度值 量化值 (整数值)灰度标度 灰度量化Zi1ZiZi1qi1qi125525412812710(a)(b) 连续灰度值量化为灰度级的方法有两种，一种是等间隔量化， 另一种是非等间隔量化。等间隔量化就是简单地把采样值的灰度范围等间隔地分割并进行量化。对于像素灰度值在黑白范围较均匀分布的图像，这种量化方法可以得到较小的量化误差。该方法也称为均匀量化或线性量化。为了减小量化误差，引入了非均匀量化的方法。非均匀量化是依据一幅图像具体的灰度值分布的概率密度函数，按总的量化误差最小的原则来进行量

10、化。具体做法是对图像中像素灰度值频繁出现的灰度值范围，量化间隔取小一些，而对那些像素灰度值极少出现的范围，则量化间隔取大一些。由于图像灰度值的概率分布密度函数因图像不同而异， 所以不可能找到一个适用于各种不同图像的最佳非等间隔量化方案。因此， 实用上一般都采用等间隔量化。 2.2.3 采样与量化参数的选择采样与量化参数的选择 一幅图像在采样时，行、列的采样点与量化时每个像素量化的级数，既影响数字图像的质量，也影响到该数字图像数据量的大小。假定图像取MN个样点，每个像素量化后的灰度二进制位数为Q，一般Q总是取为2的整数幂，即Q=2k, 则存储一幅数字图像所需的二进制位数b为 QNMb（2-2）字

11、节数B为 )(8ByteQNMB（2-3） 对一幅图像，当量化级数Q一定时，采样点数MN对图像质量有着显著的影响。如图2-8所示，采样点数越多，图像质量越好； 当采样点数减少时，图上的块状效应就逐渐明显。同理， 当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一样。如图2-9所示，量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量越差，量化级数最小的极端情况就是二值图像， 图像出现假轮廓。 图2-8 不同采样点数对图像质量的影响（a）原始图像(256256)；（b）采样图像1(128128)；（c） 采样图像2(6464)； （d）采样图像3(3232)； （e）采样图像4(1616

12、)；（f） 采样图像5(88) 图2-9 不同量化级别对图像质量的影响（a） 原始图像(256色)； （b） 量化图像1(64色)； （c） 量化图像2(32色)； （d） 量化图像3(16色)； （e） 量化图像4(4色)； （f） 量化图像5(2色) 一般，当限定数字图像的大小时, 为了得到质量较好的图像可采用如下原则： （1） 对缓变的图像， 应该细量化， 粗采样， 以避免假轮廓。 （2） 对细节丰富的图像， 应细采样， 粗量化， 以避免模糊（混叠）。 对于彩色图像，是按照颜色成分红（R）、绿（G）、蓝（B）分别采样和量化的。若各种颜色成分均按8 bit量化，即每种颜色量级别是256，

13、则可以处理256256256=16 777 216种颜色。 2.2.4 图像数字化设备图像数字化设备 将模拟图像数字化成为数字图像，需要某种图像数字化设备。常见的数字化设备有数字相机、扫描仪、数字化仪等。 1. 图像数字化设备的组成图像数字化设备的组成 如前所述，采样和量化是数字化一幅图像的两个基本过程。即把图像划分为若干图像元素(像素)并给出它们的地址（采样）； 度量每一像素的灰度， 并把连续的度量结果量化为整数（量化）；最后将这些整数结果写入存储设备。为完成这些功能， 图像数字化设备必须包含以下五个部分： (1) 采样孔(Sampling aperture)： 使数字化设备能够单独地观测特

14、定的图像元素而不受图像其他部分的影响。 (2) 图像扫描机构： 使采样孔按照预先确定的方式在图像上移动，从而按顺序观测每一个像素。 (3) 光传感器： 通过采样检测图像的每一像素的亮度， 通常采用CCD阵列。 (4) 量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。典型的量化器是A/D转换电路，它产生一个与输入电压或电流成比例的数值。 (5) 输出存储装置：将量化器产生的灰度值按适当格式存储起来，以用于计算机后续处理。 2. 图像数字化设备的性能图像数字化设备的性能 虽然各种数字化设备的组成不相同，但可从如下几个方面对其性能进行比较。 1) 像素大小 采样孔的大小和相邻像素的间距是两个重要的性能指标

15、。如果数字化设备是在一个放大率可变的光学系统上，那么对应于输入图像平面上的采样点大小和采样间距也是可变的。 2) 图像大小 图像大小即数字化设备所允许的最大输入图像的尺寸。 3) 线性度 对光强进行数字化时，灰度正比于图像亮度的实际精确程度是一个重要的指标。非线性的数字化设备会影响后续过程的有效性。能将图像量化为多少级灰度也是非常重要的参数。图像的量化精度经历了早期的黑白二值图像、灰度图像及现在的彩色及真彩色图像。当然，量化精度越高，存储像素信息需要的字节数也越大。 4) 噪声噪声 数字化设备的噪声水平也是一个重要的性能参数。例如， 数字化一幅灰度值恒定的图像，虽然输入亮度是一个常量，但是数字

16、化设备中固有的噪声却会使图像的灰度发生变化。因此数字化设备所产生的噪声是图像质量下降的根源之一，应当使噪声小于图像内的反差点(即对比度)。 2.3 空间分辨率和灰度级分辨率空间分辨率和灰度级分辨率 空间分辨率是图像中可分辨的最小细节，主要由空间分辨率是图像中可分辨的最小细节，主要由 采样间隔值决定。采样间隔值决定。 一种常用的空间分辨率的定义是单位距离内可分一种常用的空间分辨率的定义是单位距离内可分 辨的最少黑白线对数目辨的最少黑白线对数目( (单位是每毫米线对数单位是每毫米线对数) )， 比如每毫米比如每毫米8080线对。线对。 1 1、空间分辨率、空间分辨率 图图2.10 2.10 空间分

17、辨率的线对概念示例空间分辨率的线对概念示例 宽度为宽度为W W的黑线的黑线宽度为宽度为W W的白线的白线 一个一个宽度为宽度为 2W2W线对线对 对于一个同样大小的景物来说，对其进行采样的空间分对于一个同样大小的景物来说，对其进行采样的空间分辨率越高，采样间隔就越小，景物中的细节越能更好地在数辨率越高，采样间隔就越小，景物中的细节越能更好地在数字化后的图像中反映出来，也即反应该景物的图像的质量就字化后的图像中反映出来，也即反应该景物的图像的质量就越高。越高。 一幅数字图像的阵列大小（简称为图像大小）通常用一幅数字图像的阵列大小（简称为图像大小）通常用M MN N表示。表示。采样的空间分辨率越采

18、样的空间分辨率越高，获得的图像阵列高，获得的图像阵列M MN N就越大；反之，采样的空间分辨率就越大；反之，采样的空间分辨率越低，获得的图像阵列越低，获得的图像阵列M MN N就越小。就越小。图像阵列图像阵列M MN N越大，图像的尺寸就越大；反之，图像越大，图像的尺寸就越大；反之，图像阵列阵列M MN N越小，图像的尺寸就越小。越小，图像的尺寸就越小。 当简单地把矩形数字化仪的尺寸看作是当简单地把矩形数字化仪的尺寸看作是“单位距离单位距离”时，时，就可把一幅数字图像的阵列大小就可把一幅数字图像的阵列大小M MN N称为该幅数字图像的空称为该幅数字图像的空间分辨率。间分辨率。 2 2、灰度分辨

19、率、灰度分辨率 灰度级分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化，通灰度级分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化，通常把灰度级级数常把灰度级级数L L称为图像的灰度级分辨率。称为图像的灰度级分辨率。 #1 1 1、采样数变化对图像视觉效果的影响、采样数变化对图像视觉效果的影响 下面的图下面的图(a)(a)给出了一幅灰度级分辨率为给出了一幅灰度级分辨率为256256，空间分辨，空间分辨率为率为512512512512的图像。的图像。 图图(b)(b)是从图是从图(a)(a)的的512512512512的图像中，每隔一行删去一的图像中，每隔一行删去一行和每隔一列删去一列而得到的行和每隔一列删去一列而得

20、到的256256256256的图像。图的图像。图(c(c）、）、(d)(d)、(e)(e)、(f)(f)的获得与上述方法类似。的获得与上述方法类似。 1 1、采样数变化对图像视觉效果的影响、采样数变化对图像视觉效果的影响 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 图图2.11 2.11 采样数变化对图像视觉效果的影响示例采样数变化对图像视觉效果的影响示例 1 1、采样数变化对图像视觉效果的影响、采样数变化对图像视觉效果的影响 从上面的图从上面的图(a)(a)开始直到得到图开始直到得到图(f)(f)的过程说明，原图对的过程说明，原图对应的景物大小没有变化，对原图采样的应的景物大小没有变化，

21、对原图采样的“线对线对”宽度也没有宽度也没有变化变化, ,只是对同一景物图像的采样数目减少了。只是对同一景物图像的采样数目减少了。 （1 1）在图像的空间分辨率不变）在图像的空间分辨率不变( (这里指线对这里指线对宽度不变宽度不变) )的情况下，采样数越少，图像越小。（的情况下，采样数越少，图像越小。（2 2）在景物）在景物大小不变的情况下，图像阵列大小不变的情况下，图像阵列M MN N越小，图像的尺寸就越小。越小，图像的尺寸就越小。 2 2、空间分辨率变化对图像视觉效果的影响、空间分辨率变化对图像视觉效果的影响 下面的图下面的图(a)(a)给出了一幅灰度级分辨率为给出了一幅灰度级分辨率为25

22、6256，空间分辨，空间分辨率为率为512512512512的图像。的图像。 图图(b)(b)、(c(c）、）、(d)(d)、(e)(e)及及(f)(f)的灰度级分辨率与图的灰度级分辨率与图(a)(a)相相同同( (为为256)256)，但空间分辨率依次降低为，但空间分辨率依次降低为256256256256、128128128128、64646464、32323232和和161616 (16 (也即，线对宽度一次加宽了也即，线对宽度一次加宽了) )。 （a） （b） （c）（d） （e） （f）图图2.12 2.12 空间分辨率变化对图像视觉效果的影响示例空间分辨率变化对图像视觉效果的影响示例

23、 2 2、空间分辨率变化对图像视觉效果的影响、空间分辨率变化对图像视觉效果的影响 上面各图的共同特征是大小尺寸相同，这种特征的获得上面各图的共同特征是大小尺寸相同，这种特征的获得是通过降低空间分辨率，也即增加采样的线对宽度保证的。是通过降低空间分辨率，也即增加采样的线对宽度保证的。 由此可见，随着空间分辨率的降低，图像中的细节信息由此可见，随着空间分辨率的降低，图像中的细节信息在逐渐损失，棋盘格似的粗颗粒像素点变得越来越明显。由在逐渐损失，棋盘格似的粗颗粒像素点变得越来越明显。由此也说明，图像的空间分辨率越低，图像的视觉效果越差。此也说明，图像的空间分辨率越低，图像的视觉效果越差。 3 3、灰

24、度分辨率变化对图像视觉效果的影响、灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响 下面的图下面的图(a)(a)给出了一幅灰度级分辨率为给出了一幅灰度级分辨率为256256，空，空间分辨率为间分辨率为512512512512的图像。的图像。 图图(b)(b)、(c(c）、）、(d)(d)、(e)(e)及及(f)(f)的空间级分辨率的空间级分辨率与图与图(a)(a)相同相同( (为为512512512)512)，但灰度分辨率依次降低，但灰度分辨率依次降低为为3232、1616、8 8、4 4和和2 2。 （a） （b） （c）（d） （e） （f）图图2.13 2.13 灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响示例

25、灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响示例 3 3、灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响、灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响 由上图可见，随着灰度分辨率的降低，图像的细由上图可见，随着灰度分辨率的降低，图像的细节信息在逐渐损失，伪轮廓信息在逐渐增加。节信息在逐渐损失，伪轮廓信息在逐渐增加。 图中由于伪轮廓信息的积累，图像已显现出了图中由于伪轮廓信息的积累，图像已显现出了木刻画的效果。由此也说明：灰度分辨率越低，图木刻画的效果。由此也说明：灰度分辨率越低，图像的视觉效果越差。像的视觉效果越差。 2.4 2.4 像素间的关系像素间的关系 本节在讨论有关问题时约定：本节在讨论有关问题时约定： 用诸如用诸如

26、p p、q q和和r r这样的一类小写字母表示某些特这样的一类小写字母表示某些特 指的像素；指的像素； 用诸如用诸如S S、T T和和R R这样的一类大写字母表示像素子这样的一类大写字母表示像素子 集。集。 1 1、相邻像素与、相邻像素与4-4-邻域邻域 设图像中的像素设图像中的像素p p位于位于(x(x，y)y)处，则处，则p p在水平方向在水平方向和垂直方向相邻的像素和垂直方向相邻的像素q qi i最多可有最多可有4 4个，其坐标分别个，其坐标分别为：为： （x-1x-1，y y）, ,（x x，y-1y-1）, ,（x x，y+1y+1）, ,（x+1x+1，y y） 由这由这4 4个像

27、素组成的集合称为像素个像素组成的集合称为像素p p的的4-4-邻域邻域, ,记记为为N N4 4(p)(p)。 2 2、对角相邻像素与、对角相邻像素与4-4-对角邻域对角邻域 设图像中的像素设图像中的像素p p位于位于(x(x，y)y)处，则处，则p p的对角相邻的对角相邻像素像素r ri i最多可有最多可有4 4个，其坐标分别为：个，其坐标分别为： (x-1,y-1),(x-1,y+1),(x+1,y-1),(x+1,y+1)(x-1,y-1),(x-1,y+1),(x+1,y-1),(x+1,y+1) 由这由这4 4个像素组成的集合称为像素个像素组成的集合称为像素p p的的4-4-对角邻域

28、对角邻域, ,记为记为N ND D(p(p) )。 3 3、8-8-邻域邻域 把像素把像素p p的的4-4-对角邻域像素和对角邻域像素和4-4-邻域像素组成的邻域像素组成的集合称为像素集合称为像素p p的的8-8-邻域，记为邻域，记为N N8 8(p)(p)。 1 1、距离度量函数、距离度量函数 对于坐标分别位于（对于坐标分别位于（x,yx,y），（），（u,vu,v）和（）和（w,zw,z）处的像素处的像素p p、q q和和r r，如果：，如果： (1(1）D(p,q)0D(p,q)0（D(p,qD(p,q)=0)=0，当且仅当，当且仅当p=qp=q，即，即p p和和q q是指同一像素）；是

29、指同一像素）； (2(2）D(p,q)=D(qD(p,q)=D(q, p), p)； (3(3）D(p,r) D(p,q)+D(q,rD(p,r) D(p,q)+D(q,r) )。则则D D是距离度量函数。是距离度量函数。 2 2、欧氏距离、欧氏距离 像素像素p p和和q q之间的欧氏（之间的欧氏（EuclideanEuclidean）距离定义为：）距离定义为： D De e(p,q(p,q)=(x-u)=(x-u)2 2+(y-v)+(y-v)2 2 1/21/2 （2.122.12） 也即，所有距像素点也即，所有距像素点(x,y(x,y) )的欧氏距离小于或等的欧氏距离小于或等于于d d的

30、像素都包含在以的像素都包含在以(x,y(x,y) )为中心为中心, ,以以d d为半径的圆平为半径的圆平面中。面中。 3 3、街区距离、街区距离 像素像素p p和和q q之间的之间的D D4 4距离，也即街区（距离，也即街区（city-blockcity-block）距离，定义为：距离，定义为： D D4 4(p,q)=|x-u| + |y-v(p,q)=|x-u| + |y-v| | （2.132.13） 也即，所有相距像素点也即，所有相距像素点(x,y(x,y) )的的D D4 4距离为小于距离为小于d d或或等于等于d d的像素组成一个中心点在的像素组成一个中心点在(x,y(x,y) )

31、的菱形。的菱形。 3 3、街区距离、街区距离 （续）（续） 比如，那些与点比如，那些与点(x,y(x,y) )的的D D4 4距离为小于距离为小于2 2或等于或等于2 2的像素组成了如下图所示的等距离轮廓的像素组成了如下图所示的等距离轮廓。 2 2 2 1 22 1 2 2 1 0 1 22 1 0 1 2 2 1 22 1 2 2 2 4 4、棋盘距离、棋盘距离 像素像素p p和和q q之间的之间的D D8 8距离，也即棋盘距离，定义为：距离，也即棋盘距离，定义为： D D8 8(p,q)=max(|x-u(p,q)=max(|x-u| |，|y-v|y-v|) |) （2.142.14）

32、也即，所有距像素点也即，所有距像素点(x,y(x,y) )的的D D8 8距离为小于距离为小于d d或等或等于于d d的像素组成一个中心点在的像素组成一个中心点在(x,y(x,y) )的方形。的方形。 4 4、棋盘距离、棋盘距离 比如，距点比如，距点(x,y(x,y) )的的D D8 8距离小于或等于距离小于或等于2 2的像素组的像素组成了如下图所示的等距离轮廓。成了如下图所示的等距离轮廓。 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 2 1 1 1 2 2 1 0 1 2 2 1 0 1 2 2 1 1 1 2 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2.

33、6 2.6 图像的代数运算图像的代数运算 图像的代数运算是指两幅输入图像对应像素间的图像的代数运算是指两幅输入图像对应像素间的一对一的灰度值相加、相减、相乘和相除运算。这些一对一的灰度值相加、相减、相乘和相除运算。这些运算在许多的图像处理中都会用到。运算在许多的图像处理中都会用到。 加法：加法：g(x,y)=f1(x,y)+f2(x,y) 减法：减法：g(x,y)=f1(x,y)f2(x,y) 乘法：乘法：g(x,y)=f1(x,y)f2(x,y) 除法：除法：g(x,y)=f1(x,y)f2(x,y)2.7 2.7 灰度直方图灰度直方图 图像的灰度直方图，是一种表示数字图像中各级图像的灰度直

34、方图，是一种表示数字图像中各级灰度值及其出现频数的关系的函数。灰度值及其出现频数的关系的函数。 设一幅数字图像的灰度级范围为设一幅数字图像的灰度级范围为0,L-10,L-1，则该，则该图像的灰度直方图可定义为：图像的灰度直方图可定义为： h(rh(rk k)=n)=nk k (r=0,1,2, (r=0,1,2,L-1) (2.19),L-1) (2.19)其中，其中，r rk k表示第表示第k k级灰度值，级灰度值，h(rh(rk k) )和和n nk k表示图像中灰表示图像中灰度值为度值为r rk k的像素个数。的像素个数。 (a)(b)图图2.15 2.15 四种基本图像类型图像及其灰度

35、直方图四种基本图像类型图像及其灰度直方图(暗、亮、低对比度、高对比度暗、亮、低对比度、高对比度) (c)(d)图图2.15 2.15 四种基本图像类型图像及其灰度直方图四种基本图像类型图像及其灰度直方图(暗、亮、低对比度、高对比度暗、亮、低对比度、高对比度) 2.7 2.7 灰度直方图灰度直方图 在彩色图像处理中，有一种称为真彩色的图在彩色图像处理中，有一种称为真彩色的图像，其颜色多达像，其颜色多达2 28 82 28 82 28 8=16777216=16777216种。在实种。在实际中直接用际中直接用R R、G G、B B三种纯色分量表示真彩色图三种纯色分量表示真彩色图像中的每一个像素的实

36、际颜色值，像中的每一个像素的实际颜色值， 每个分量的亮每个分量的亮度值用一个字节表示。度值用一个字节表示。 二维直方图是一种描述彩色图像中红色光图像的二维直方图是一种描述彩色图像中红色光图像的亮度（灰度）值与蓝色光图像的灰度值的关系的函数，亮度（灰度）值与蓝色光图像的灰度值的关系的函数，用一个二维坐标表示，横坐标表示红色图像的灰度级用一个二维坐标表示，横坐标表示红色图像的灰度级别，纵坐标表示蓝色图像的灰度级别。别，纵坐标表示蓝色图像的灰度级别。 也即坐标（也即坐标（D DR R，D DB B）处的值是指在红光图像中具）处的值是指在红光图像中具有灰度值有灰度值D DR R，且在蓝光图像中具有灰度

37、值，且在蓝光图像中具有灰度值D DB B的像素的像素（对）的个数。（对）的个数。 图图2.16 2.16 彩色图像及其对应的蓝、红光图像和二维直方图彩色图像及其对应的蓝、红光图像和二维直方图 25025020020015015010010050500 0R RB B0 50 100 150 200 2500 50 100 150 200 250（a a）原彩色图像）原彩色图像 （b b）二维直方图）二维直方图 （c c）纯蓝光分量图像）纯蓝光分量图像 （d d）纯红光分量图像）纯红光分量图像 灰度直方图具有如下一些特征：灰度直方图具有如下一些特征： （1 1）直方图仅能描述图像中每个灰度级具有

38、的像素）直方图仅能描述图像中每个灰度级具有的像素个数个数, ,不能表示图像中每个像素的位置（空间）信息；不能表示图像中每个像素的位置（空间）信息； （2 2）任一特定的图像都有惟一的直方图，不同的图）任一特定的图像都有惟一的直方图，不同的图像可以具有相同的直方图；像可以具有相同的直方图； （3 3）对于空间分辨率为）对于空间分辨率为M MN N，且灰度级范围为，且灰度级范围为00，L-1L-1的图像，有关系：的图像，有关系： = M= MN (2.20)N (2.20) （4 4）如果一幅图像由两个不连接的区域组成，则整）如果一幅图像由两个不连接的区域组成，则整幅图像的直方图等于两个不连接的区

39、域的直方图之和。幅图像的直方图等于两个不连接的区域的直方图之和。10)(Ljjh2.8 2.8 图像的显示图像的显示 显示分辨率是指显示屏上能够显示的数字图像的显示分辨率是指显示屏上能够显示的数字图像的最大像素行数和最大像素列数，取决于显示器上所能最大像素行数和最大像素列数，取决于显示器上所能够显示的像素点之间的距离。够显示的像素点之间的距离。 图像分辨率反映了数字化图像中可分辨的最小细图像分辨率反映了数字化图像中可分辨的最小细节，也即图像的空间分辨率。在这里将图像分辨率看节，也即图像的空间分辨率。在这里将图像分辨率看成是图像阵列的大小。成是图像阵列的大小。 同一显示器（或显示分辨率相同的不同

40、显示器）同一显示器（或显示分辨率相同的不同显示器）显示的图像大小只与被显示的图像（阵列）的空间分显示的图像大小只与被显示的图像（阵列）的空间分辨率大小有关，与显示器的显示分辨率无关。辨率大小有关，与显示器的显示分辨率无关。 换句话说，具有不同空间分辨率的数字图像在同换句话说，具有不同空间分辨率的数字图像在同一显示器上的显示分辨率相同。一显示器上的显示分辨率相同。 当同一幅图像（或图像分辨率相同的不同图像）当同一幅图像（或图像分辨率相同的不同图像）显示在两个不同显示分辨率的显示器上时，显示的图显示在两个不同显示分辨率的显示器上时，显示的图像的外观尺寸与显示器的显示分辨率有关：显示分辨像的外观尺寸

41、与显示器的显示分辨率有关：显示分辨率越高，显示出的图像的外观尺寸越小；显示分辨率率越高，显示出的图像的外观尺寸越小；显示分辨率越低，显示出的图像的外观尺寸越大。越低，显示出的图像的外观尺寸越大。 是指显示系统在每个像素位置产生正确是指显示系统在每个像素位置产生正确的亮度或光密度的精度，部分地依赖于控制每个像素的亮度或光密度的精度，部分地依赖于控制每个像素亮度的比特数。亮度的比特数。 灰度分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化灰度分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化, ,一般把灰度级数一般把灰度级数L L称为数字图像的灰度级分辨率。称为数字图像的灰度级分辨率。 人眼的视觉过程是一个复杂的过程，

42、可用亮度人眼的视觉过程是一个复杂的过程，可用亮度（灰度）、色调和饱和度这三个基本特征量来区分颜（灰度）、色调和饱和度这三个基本特征量来区分颜色。色。 亮度与物体的反射率成正比；亮度与物体的反射率成正比； 色调与混合光谱中主要光的波长相联系；色调与混合光谱中主要光的波长相联系； 饱和度与色调的纯度有关。饱和度与色调的纯度有关。 位映像，是指一个二维的像素阵列。位映像，是指一个二维的像素阵列。 位图，是指采用位映像方法显示和存储的图像。位图，是指采用位映像方法显示和存储的图像。 位映像设备，是指把位映像形式的二维像素阵列位映像设备，是指把位映像形式的二维像素阵列图像，按先行后列的顺序，通过逐像素地

43、重复扫描的图像，按先行后列的顺序，通过逐像素地重复扫描的方式来显示位图的设备（显示器）。方式来显示位图的设备（显示器）。图图2.17 2.17 机械零件轮廓图像机械零件轮廓图像 图图2.18 2.18 机械零件轮廓图像的位图机械零件轮廓图像的位图 是指在是指在1616色或色或256256色显示系统中，将图色显示系统中，将图像中出现最频繁的像中出现最频繁的1616种或种或256256种颜色组成一个颜色表种颜色组成一个颜色表，并将它们分别编号为并将它们分别编号为0 0至至1515或或0 0至至255255，这样就使每一，这样就使每一个个4 4位或位或8 8位的颜色编号与颜色表中的位的颜色编号与颜色

44、表中的2424位颜色值（对位颜色值（对应一种颜色的应一种颜色的R R、G G、B B值）相对应。这种值）相对应。这种4 4位或位或8 8位的位的颜色编号称为颜色的索引号，由颜色索引号及其对应颜色编号称为颜色的索引号，由颜色索引号及其对应的的2424位颜色值组成的表称为颜色查找表位颜色值组成的表称为颜色查找表(look up (look up table,table,简称简称LUT),LUT),也称为调色板。也称为调色板。 黑色黑色 0 0 0 0 0 0 白色白色 255 255 255 255 255 255 红色红色 255 255 0 0 0 0 绿色绿色 0 0 255 255 0 0

45、 蓝色蓝色 0 0 0 0 255 255 青色青色 0 0 255 255 255 255 品红（紫色）品红（紫色） 255 255 0 0 255 255 黄色黄色 255 255 255 255 0 0 灰色灰色 128 128 128 128 128 128 橄榄色橄榄色 128 128 128 128 0 0 深青色深青色 0 0 128 128 128 128 银色银色 192 192 192 192 192 192表表2.1 2.1 常用颜色的常用颜色的RGBRGB值组合值组合2.9 2.9 图像文件格式图像文件格式 BMPBMP、GIFGIF、TIFFTIFF、PCXPCX、J

46、PEGJPEG等。等。 2.9 2.9 图像文件格式图像文件格式 BMP BMP文件（文件（Bitmap FileBitmap File）是一种）是一种WindowsWindows采用的采用的点阵式图像文件格式。点阵式图像文件格式。 BMP BMP图像文件主要由图像文件主要由（Bitmap File Bitmap File HeaderHeader）、）、（Bitmap Information Bitmap Information HeaderHeader）、）、（Bitmap PaletteBitmap Palette）和）和（Bitmap DataBitmap Data）四部分组成。）四部

47、分组成。 2.9 2.9 图像文件格式图像文件格式 位图文件头BITMAPFILEHEADERBITMAPFILEHEADER说明文件的类型和位图数据的起始位置等，共14个字节。位图信息头BITMAPINFORMATIONBITMAPINFORMATION说明位图文件的大小、位图的高度和宽度、位图的颜色格式和压缩类型等信息。共40个字节。位图调色板RGBQUADRGBQUAD由位图的颜色格式字段所确定的调色板数组，数组中的每个元素是一个RGBQUAD结构，占4个字节。位图数据BYTEBYTE位图数据，位图的压缩格式确定了该数据阵列是压缩数据或是非压缩数据。 位图文件头位图文件头BITMAPFI

48、LEHEADERBITMAPFILEHEADER可定义为如下的结构可定义为如下的结构: :typedef struct WORD bfType； DWORD bfSize； WORD bfReserved1； WORD bfReserved2； DWORD bfoffBits； BITMAPFILEHEADER； 位图信息头位图信息头BITMAPINFORMATIONBITMAPINFORMATION可定义为如下的结构可定义为如下的结构：typedef struct DWORD biSize; DWORD biWidth; DWORD biHeight; WORD biPlane; WORD

49、biBitCount; DWORD biCompression; DWORD biSizeImage; DWORD biXPelsPerMeter; DWORD biYPelsPerMeter; DWORD biClrUsed; DWORD biClrImportant; BITMAPINFOHEADER; 位图调色板实质上是一个具有与该位图的颜色数目位图调色板实质上是一个具有与该位图的颜色数目相同的颜色表项组成的颜色表，每个颜色表项占相同的颜色表项组成的颜色表，每个颜色表项占4 4个字个字节，构成一个节，构成一个RGBQUADRGBQUAD结构，其定义如下：结构，其定义如下：typedef

50、struct BYTE rgbBlue； BYTE rgbGreen； BYTE rgbRed； BYTE rgbReserved； RGBQUAD； BMPBMP位图文件的第位图文件的第4 4部分是实际的图像数据。对于部分是实际的图像数据。对于具有调色板的位图，图像数据就是该像素在调色板中具有调色板的位图，图像数据就是该像素在调色板中的索引值。对于的索引值。对于2 2色黑白图像，每个字节可以表示色黑白图像，每个字节可以表示8 8个个像素；对于像素；对于1616色图像，每个字节可以表示色图像，每个字节可以表示2 2个像素；对个像素；对于于256256色图像，每个字节可以表示一个像素。对于没有色