图形图像处理技术讲稿.ppt

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1、图形图像处理技术第一页，讲稿共九十六页哦3.1 图形与图像的基本概念图形与图像的基本概念 3.1.1 图形图形 在计算机科学领域，一般称图形（在计算机科学领域，一般称图形（Graphics）为矢量图）为矢量图（Vector Graphics）。图形是用一个指令集合来描述的。）。图形是用一个指令集合来描述的。这些指令描述构成一幅图的所有直线、园、圆弧、曲线和矩这些指令描述构成一幅图的所有直线、园、圆弧、曲线和矩形等的位置、维数和大小、形状、颜色。显示时需要相应的形等的位置、维数和大小、形状、颜色。显示时需要相应的软件读取这些命令，并将其转变为屏幕上所显示的形状和颜软件读取这些命令，并将其转变为屏

2、幕上所显示的形状和颜色。色。产生图形的程序通常称为绘图（产生图形的程序通常称为绘图（Draw）程序。）程序。图形与分辨率无关，用户可以将它们缩放到任意尺寸，可图形与分辨率无关，用户可以将它们缩放到任意尺寸，可以按任意的分辨率打印，而不会遗漏细节或降低清晰度。以按任意的分辨率打印，而不会遗漏细节或降低清晰度。第二页，讲稿共九十六页哦3.1 图形与图像的基本概念图形与图像的基本概念 3.1.2 图像图像图像是由许多颜色与亮度不同的像素点组成的，它适合表图像是由许多颜色与亮度不同的像素点组成的，它适合表现层次细致、色彩丰富、包含大量细节的对象（如照片）。现层次细致、色彩丰富、包含大量细节的对象（如照

3、片）。图像与分辨率有关，用户将它们缩放或低于创建的分图像与分辨率有关，用户将它们缩放或低于创建的分辨率打印时，将丢失其中的细节，并出现锯齿状。辨率打印时，将丢失其中的细节，并出现锯齿状。图形与分辨率无关，用户可以将它们缩放到任意尺寸图形与分辨率无关，用户可以将它们缩放到任意尺寸，可以按任意的分辨率打印，而不会遗漏细节或降低清，可以按任意的分辨率打印，而不会遗漏细节或降低清晰度。晰度。第三页，讲稿共九十六页哦3.2 颜色的基本概念与表示方法颜色的基本概念与表示方法 3.2.1 颜色的基本概念颜色的基本概念 n颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果。物体由于构成和内部结构的不同，受光线照射后，一部分

4、光线被吸收，其余的被反射或投射出来。由于物体的表面具有不同的吸收光线与反射光的能力，反射光不同，眼睛就会看到不同的颜色。n颜色通常使用光的波长来定义，用波长定义的颜色叫做光谱色。第四页，讲稿共九十六页哦 国际照明委员会国际照明委员会(CIE)定义了颜色的特性：定义了颜色的特性：色调色调(hue)、饱和度饱和度(saturation)和和明度明度(brightness)。n色调色调用于区别颜色的种类。色调是视觉系统对一个区域所用于区别颜色的种类。色调是视觉系统对一个区域所呈现颜色的感觉。如红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等呈现颜色的感觉。如红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等。n饱和度饱和度是颜色的纯

5、洁性，用来区别颜色的程度。当一种颜色是颜色的纯洁性，用来区别颜色的程度。当一种颜色渗入其他光成分愈多时，颜色愈不饱和。渗入其他光成分愈多时，颜色愈不饱和。n明度明度是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。属性。3.2 颜色的基本概念与表示方法颜色的基本概念与表示方法 第五页，讲稿共九十六页哦亮度亮度是用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率，用单位面积上反射或者发射的光的强度表示。由于明度明度很难度量，通常可以用亮度亮度来度量。3.2 颜色的基本概念与表示方法颜色的基本概念与表示方法 第六页，讲稿共九十六页哦3.2.2 颜色空间表示与

6、转换颜色空间表示与转换n颜色常用颜色空间来表示。颜色空间是用一种数学方法形象化表示颜色，人们用它来指定和产生颜色。n颜色空间中的颜色通常用代表3个参数的3维坐标来描述，其颜色要取决于所使用的坐标。在显示技术和印刷技术中，颜色空间经常被称为颜色模型。颜色空间侧重于颜色的表示，而颜色模型侧重于颜色的生成。n在一个典型的多媒体计算机系统中，常常涉及到用几种不同的颜色空间表示图形和图像的颜色，以对应于不同的场合和应用，各种颜色空间可以方便地进行转换。3.2 颜色的基本概念与表示方法颜色的基本概念与表示方法 第七页，讲稿共九十六页哦1RGB颜色空间颜色空间计算机颜色显示器显示颜色的原理与彩色电视机一样，

7、都是采用红（R）、绿（G）、蓝（B）相加混色的原理，通过发射出3种不同强度的电子束，使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝荧光材料发光而产生颜色的。这种颜色的表示方法称为RGB颜色空间表示。在RGB颜色空间，任意色光F都可以用R、G、B这3色不同分量的相加混合而成，即Fr Rg Gb B(3-1)任何颜色都可以表示为RGB颜色空间中的一个点。当三基色分量都为0（最弱）时，混合得到的是黑色光，故黑色在RGB颜色空间中的坐标为(0,0,0)，即为坐标原点；当三基色分量都为1（最强）时，混合色为白色光，故白色在RGB颜色空间中的坐标为(1,1,1)；而红色、绿色、蓝色的坐标分别是（1,0,0）、（0,1,0）、

8、（0,0,1）。第八页，讲稿共九十六页哦2HSI颜色空间颜色空间HSI（Hue，Saturation and Intensity）模型中，）模型中，H表示表示色调色调，S表示表示饱和度饱和度，I表示表示亮度亮度，它反映了，它反映了人的视觉系统观察颜色的方式。通常把色调和饱人的视觉系统观察颜色的方式。通常把色调和饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。度。由于人的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏由于人的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于颜色处理和识别，人的视觉系统经常感程度，为了便于颜色处理和识别，人的视觉系统经常采

9、用采用HSI颜色空间，它比颜色空间，它比RGB颜色空间更符合人的颜色空间更符合人的视觉特性。视觉特性。第九页，讲稿共九十六页哦2HSI颜色空间颜色空间在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在HSI颜色空间中方便地使用，它们可以分开处理而且是相互独立的。在HSI颜色空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。第十页，讲稿共九十六页哦2HSI颜色空间颜色空间BGBGRF23BGRIIBGRS),min(1,180;,0)3/arctan(90360BGBGFIHRGB颜色空间可与HSI空间相互转换，HSI颜色空间与RGB颜色空间的转换关系如下：第十一页，讲稿共九十六页哦3YUV颜色空间颜色空间YUV颜色

10、空间也称为电视信号彩色坐标系统。在现代彩色电视系统中，通常把得到的彩色图像信号,经分色分别放大校正得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R-Y、B-Y，最后发送端将亮度和色差3个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这就是常用的YUV颜色空间。YUV彩色电视信号传输时，将R、G、B改组成亮度信号和色度信号。PAL制式将R、G、B3色信号改组成Y、U、V信号，其中Y信号表示亮度，U、V信号是色差信号。第十二页，讲稿共九十六页哦3YUV颜色空间颜色空间采用YUV颜色空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图就是黑白

11、灰度图。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号。第十三页，讲稿共九十六页哦根据美国国家电视制式委员会NTSC制式的标准，当白光的亮度用Y来表示时，它和红、绿、蓝3色光的关系可用如下式的方程描述：这就是常用的亮度公式。色差U、V是由B-Y、R-Y按不同比例压缩而成的。YUV颜色空间与RGB颜色空间的转换关系如下：3YUV颜色空间颜色空间0.30.590.11YRGB(3-3)0.2990.5870.1140.1480.2890.4370.6150.5150.100YRUGVB(3-4a)101.14010.3950.58112

12、.0320RYGUBV （3-4b)第十四页，讲稿共九十六页哦4CMYK颜色空间颜色空间计算机屏幕显示通常用RGB颜色空间，它是通过相加来产生其他颜色，这种做法通常称为加色合成法。彩色印刷或彩色打印的纸张不能发射光线，因而只能使用一些能够吸收特定光波而反射其它光波的油墨或颜料。油墨或颜料的3基色是青(Cyan)、品红(Magenta)和黄(Yellow)，简称为CMY。理论上，任何一种由颜料表现的颜色都可以用这3种基色按不同的比例混合而成，这种颜色表示方法称CMY颜色空间表示法。彩色打印机采用CMY颜色空间，而在印刷工业上则通常用CMYK表色系统，它通过颜色相减来产生其他颜色的，称这种方式为减

13、色合成法。第十五页，讲稿共九十六页哦CMY空间正好与RGB空间互补，也即用白色减去RGB空间中的某一颜色值就等于同样颜色在CMY空间中的值。CMY空间与RGB空间的颜色值互补关系如表3-1所示。根据这个原理，很容易把RGB空间转换成CMY空间。4CMYK颜色空间颜色空间RGB空空间值间值CMY空间值空间值合成的合成的颜色颜色RGB空空间值间值CMY空间值空间值合成的合成的颜色颜色(0,0,0)(1,1,1)黑(1,0,0)(0,1,1)红(0,0,1)(1,1,0)蓝(1,0,1)(0,1,0)品红(0,1,0)(1,0,1)绿(1,1,0)(0,0,1)黄(0,1,1)(1,0,0)青(1,

14、1,1)(0,0,0)白表表3-1 CMY空间与空间与RGB空间的颜色值互补关系空间的颜色值互补关系第十六页，讲稿共九十六页哦理论上，青色(C)、品红(M)和黄色(Y)能合成吸收所有光线的黑色。但是，因为所有打印油墨都包含一些杂质，这三种油墨合成实际上产生一种土灰色，必须与黑色油墨混合才能产生真正的黑色。于是在印刷工业上通常用CMYK四颜色系统，在CMY三色基础上增加了一种黑色K。这里用K表示黑色，而不用Black中的首字母B表示黑色，是为了避免和RGB三基色中的蓝色（Blue，用B表示）发生混淆。4CMYK颜色空间颜色空间第十七页，讲稿共九十六页哦3.3 图形处理技术图形处理技术3.3.1

15、图形处理技术概述n图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线性、线宽等非几何属性组成。n人们用概念或数学描述表示物体的几何数据或几何模型，并运用计算机对这些数据或几何模型进行显示、存储、修改、完善等操作，这样的过程叫做计算机图形处理。n图形处理研究的方向包括如何通过计算机生成、处理和显示图形。研究计算机图形处理的学科分支叫计算机图形学。计算机图形学的研究内容涉及用计算机对图形数据进行处理的硬件和软件两个方面的技术，主要围绕着计算机图形信息的输入、表达、存储、显示、变换以及表示物体的图形的准确性、真实性和实时性的基础算法进行研究。第十八页，讲稿共九十六页哦3.3 图形处理技术图形处理技术

16、3.3.2 常用图形绘制软件1.CorelDraw软件软件nCorelDraw 是加拿大Corel软件公司（官方中文网站 http:/）的产品。nCorelDraw 是融合了绘画与插图、文本操作、绘图编辑、桌面出版及版面设计、追踪、文件转换、等高品质的输出于一体的矢量图绘图软件，在工业设计、产品包装造型设计，网页制作、建筑施工与效果图绘制等设计领域中得到了极为广泛的应用。nCorelDraw的功能可大致分为两大类：绘图与排版。它除了支持矢量图形处理以外，也支持位图图像处理。第十九页，讲稿共九十六页哦3.3 图形处理技术图形处理技术3.3.2 常用图形绘制软件2.Illustrator软件软件n

17、Illustrator是大名鼎鼎的ADOBE公司推出的专业绘图工具，是出版、多媒体和在线图形图像工业标准插画绘图软件。n它的优势在于处理矢量图形方面，能够非常精确地控制矢量图形的位置、大小，是工业界标准的绘图软件。n它在文字处理和图表方面也有着独特的优势，尤其是它将矢量图形、字体和图表有机地结合起来，非常适合于制作海报、网页、广告等宣传资料。第二十页，讲稿共九十六页哦3.3 图形处理技术图形处理技术3.3.2 常用图形绘制软件3.Freehand软件软件nFreeHand是Macromedia公司的产品。与前面两款软件相比，有它自身的优势：体积不像Illustrator、CorelDRAW那样

18、庞大，运行速度快。与Macromedia的其它产品如Flash,Fireworks等相容性极好。nFreehand主要具有以下特点：透视网格功能、即时打包功能、精绘工具功能、交互变形功能、方便快捷的符号素材库、完善的选择功能、透明功能、放大功能、多页面管理。第二十一页，讲稿共九十六页哦3.3 图形处理技术图形处理技术3.3.2 常用图形绘制软件4.高级编程语言高级编程语言Visual BasicnVisual Basic是一种面向对象的程序设计语言，同时也是一个高效、实用的图形界面软件开发环境。Visual Basic具有很强的图形图像处理功能，并广泛应用于图形设计、图像处理及多媒体技术的其它

19、领域中。n与目前常用的程序设计语言相比，Visual Basic 6在图形开发方面具有如下特点：（1）系统提供了功能强大的图形方法。（2）用户设定空间较大。（3）图形编程不依赖于硬件。（4）开发流程简单，易于掌握。第二十二页，讲稿共九十六页哦3.3 图形处理技术图形处理技术3.3.2 常用图形绘制软件5.高级编程语言高级编程语言MatlabnMatlab是一种以矩阵为基本数据类型的科学计算程序设计语言，但其功能已经大大超出了单纯科学计算的范围。除了Matlab具有接近数学描述的及简单语法，它还有丰富的内部函数，方便的矩阵操作，内建的复数运算，完整和详细的在线帮助文档。丰富的扩展工具箱。方便强大

20、的数据图形显示功能。n直接调用Matlab的内置图形函数即可轻松实现绘图。Matlab的图形函数可以分为6大类，即二维图形函数、三维图形函数、特殊图形函数、动画图形函数、文件图形操作函数、以及GUI图形函数。Matlab可以实现所有方式的图形绘制（3D，饼图，矢量场等等）。第二十三页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.1 图像的数据表示图像的数据表示 数字化后的图像叫做数字图像，计算机图像处理也叫做数字图像处理。数字化后的图像是由许多颜色或灰度不同的像素点组成的，数字图像的数据表示形式是一组二维阵列数据，其数学模型是一个二维函数f(i,j)，其中i和j是描述点的位置的二

21、维平面坐标，取值为非负整数，分别表示行、列坐标。第二十四页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.1 图像的数据表示图像的数据表示 数字化后的图像叫做数字图像，计算机图像处理也叫做数字图像处理。数字化后的图像是由许多颜色或灰度不同的像素点组成的，数字图像的数据表示形式是一组二维阵列数据，其数学模型是一个二维函数f(i,j)，其中i和j是描述点的位置的二维平面坐标，取值为非负整数，分别表示行、列坐标。在（i，j）位置处的函数值f(i,j)反映该位置点的像素颜色像素颜色或灰度灰度，称为(i,j)点的像素值像素值，每个点的像素值的大小由图像本身决定。第二十五页，讲稿共九十六页哦3

22、.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.1 图像的数据表示图像的数据表示 如图3-3所示是数字图像的数学表示形式。当一幅图像每一行有N个像素、每一列有M个像素时，常常将图像的大小（按像素数）记为NM。屏幕上每个像素点由于很小，看上去是一个个小圆点；放大后实际上是一个个小正正方形方形。第二十六页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.1 图像的数据表示图像的数据表示 在数字图像中，一方面，采样点的数目是有限的（即图像大小有限），因此i和j的取值范围是有限的。在Matlab中表示图像，行、列下标的取值范围是1M和1N的整数形式。另一方面，由于数字图像的颜色值或灰度值是量化的离散

23、值，故函数值f(i,j)也是有限的。对于典型的量化位数为8位的灰度图像，每一点像素值的取值范围就是0,255范围的整数,共256个灰度级。8位灰度图像的像素最小值为0（对应最黑点）；像素最大值为255（对应最白点）。0 64 128 168 64 100 168 0 94 255 100 64 0 100 128 0一幅44大小的8位灰度图像的像素值矩阵及其放大图像A(3,2)=255是最白的点第二十七页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.1 图像的数据表示图像的数据表示 量化位数为1位的图像，每一像素点的像素值取值只能是0,1范围的整数，共2个等级，这种图像被称为二值

24、图二值图像像。图像中只有黑点黑点与白点白点两种，没有中间的灰色点；像素值为0的点是黑点，像素值为1的点是白点。二值图像:只有黑、白两种点，黑点用像素值0表示，白点用像素值1表示。第二十八页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.1 图像的数据表示图像的数据表示 彩色图像是由三幅基色图像组合而成的。计算机中一般用RGB颜色模型表示彩色图像，因此图像中的一个位置点的像素值包括它的红R值、绿G值、蓝B值。比如，对于真彩色图像，图像的R、G、B三个基色分量图像的像素值都有256级，即每一种基色的像素值用8位二进制表示，因此存储每个点的像素值需要38位3字节。255 0 0 0 25

25、5 255255 0 2280 255 00 255 2550 255 132 0 0 255 0 255 0255 255 108绿绿G分量分量蓝B分量红R分量一幅33大小的真彩色图像的像素值数据与对应图像第二十九页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.1 图像的数据表示图像的数据表示 颜色颜色RGB红25500绿02550蓝00255黄2552550紫2550255青0255255白255255255黑000灰128128128表3-2 常见颜色的RGB组合值第三十页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.2 图像的数字化图像的数字化1图像数字化的

26、步骤图像数字化的步骤取样取样实际上就是要用多少点来描述一幅图像，在图像分辨率（点密度）一定时，总的点数越多图像越大，需要的存储空间也越大。量化量化是指要使用多大范围的数值来表示图像取样之后的每一个点。这个数值范围决定了图像上所能使用的颜色总数，这个颜色总数由存储一个图像点所使用的二进制位数决定。编码编码则与图像文件所采用的格式以及压缩编码方式有关。第三十一页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.2 图像的数字化图像的数字化2图像数字化的设备图像数字化的设备 图像数字化的设备通常有扫描仪和数码相机。扫描仪是一种典型的静态图像输入设备，其基本功能就是将反映图像特征的光信号转换

27、成计算机可以识别的数字信号。数码相机用光电传感器和存储器取代了传统相机的感光胶片，当拍摄完毕后，通过相机上的液晶显示屏就可以看到拍摄的效果，并以图像文件的形式存储在存储器中供计算机调用处理。第三十二页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.2 图像的数字化图像的数字化3数字图像的基本概念数字图像的基本概念（1）分辨率 屏幕分辨率：计算机的显示屏幕由若干点（也称为像素）组成，屏幕分辨率是指屏幕上的像素总数，即屏幕上的最大显示区域，通常表示为：宽度高度，单位用像素。图像分辨率：图像的分辨率一般是指在每个单位长度上包含的像素数，反映了图像的像素密度，度量单位为ppi（Pixel

28、Per Inch，ppi），即“像素英寸”。注：有时人们也把“图像的像素大小”称作图像分辨率。像素分辨率：指一个像素的高和宽之比，通常为1:1，这时每个像素为1个微小正方形。第三十三页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.2 图像的数字化图像的数字化3数字图像的基本概念数字图像的基本概念（2）颜色深度颜色深度描述图像中可能出现的不同颜色的最大数目，用一个像素所占据的二进制位数表示。如某图像中每个像素的颜色用24个二进制位来描述，则该图像的颜色深度为24，可以包含16777216（224）种不同的颜色。可达224种颜色数的图像称为真彩色图像。（3）图像的数据量图像的数据量决

29、定了存储一幅图像所需要的磁盘空间，故又称为图像的数据容量。用下面的公式可以计算出图像的数据量（字节数）：图像的数据量图像的像素大小图像深度/8（Byte）第三十四页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.3 图像变换图像变换由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及的计算量很大。因此，往往采用各种图像变换方法，如傅立叶变换(FFT)（图3.7）、离散余弦变换(DCT)、离散小波变换(DWT)等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域的处理，不仅可以减少计算量，而且可获得更有效的信息。图像变换还包括传统的几何变换，例如图像的缩放、旋转、平移、投影转换等。第三十五页，讲稿共

30、九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.3 图像变换图像变换1.离散傅里叶变换离散傅里叶变换(FFT)傅里叶变换源于傅里叶分析，傅里叶分析就是把一个任意函数展开成所谓的傅里叶级数，它的基本目的是要把一个信号(时间或空间变量的函数)分解为不同频率的分量之和。Matlab语言中有一个内部函数fft2可以实现二维傅里叶变换的快速算法；同样有一个内部函数ifft2能实现相应的二维傅里叶逆变换。第三十六页，讲稿共九十六页哦3.4 图像处理技术图像处理技术 3.4.3 图像变换图像变换1.离散傅里叶变换离散傅里叶变换(FFT)验证图像二维傅里叶变换的Matlab程序：ex_for_fft.m图

31、 3.7 原始图像与FFT和IFFT变换后的图像比较(a)lena原图;(b)经过FFT变换后的频谱图像;(c)经IFFT后的图像第三十七页，讲稿共九十六页哦3.4.3 图像变换图像变换2.2.离散余弦变换（离散余弦变换（DCTDCT）离散余弦变换是离散傅里叶变换的一种特离散余弦变换是离散傅里叶变换的一种特殊情况。在傅里叶级数展开式中，如果被殊情况。在傅里叶级数展开式中，如果被展开的函数是实偶函数。那么，其傅里叶展开的函数是实偶函数。那么，其傅里叶级数中只包含余弦项，再将其离散化由此级数中只包含余弦项，再将其离散化由此可导出离散余弦变换可导出离散余弦变换DCT（Discrete Cosine

32、Transform）。）。第三十八页，讲稿共九十六页哦二维离散偶余弦二维离散偶余弦正变换正变换公式为：公式为：式中，式中，x,y,u,v0，1，N-1。其中：。其中：110022121(,)()()(,)coscos22NNxyxyC u vE u E vf x yuvNNN(0)(0)1/2E uE v(0)(0)1E uE v1111000011 21(0,0)(,)cos(0)cos(0)(,)22NNNNxyxyCf x yf x yNN频域的直流分量频域的直流分量c(0,0)等于空域等于空域所有像素的和除以所有像素的和除以N：3.4.3 图像变换图像变换2.离散余弦变换（离散余弦变换

33、（DCT）第三十九页，讲稿共九十六页哦 二维离散偶余弦二维离散偶余弦逆变换逆变换公式为：公式为：式中，式中，x,y,u,v0，1，N-1。，当，当u=v=0时。时。，当，当u=1，2，N-1；v=1，2，N-1时。时。vNyuNxvuCvEuENyxfNuNv212cos212cos),()()(2),(10102/1)(),(vEuE1)(),(vEuE3.4.3 图像变换图像变换2.离散余弦变换（离散余弦变换（DCT）第四十页，讲稿共九十六页哦3.4.3 图像变换图像变换2.2.离散余弦变换（离散余弦变换（DCTDCT）二维离散余弦变换具有可分离特性，所以其正变换和逆变换均可将二维变换分解

34、成一维变换（行、列）进行计算。同傅里叶变换一样，DCT变换也存在快速算法，这里就不做介绍了。在Matlab语言中，可以用名为dct2和idct2的内部函数分别实现二维图像的DCT和逆DCT快速算法。第四十一页，讲稿共九十六页哦 DCT可以应用在图像的变换编码中。基于可以应用在图像的变换编码中。基于DCT变换的变换的图像编码流程如图图像编码流程如图3-8所示。首先将图像分成一个个不重所示。首先将图像分成一个个不重叠的叠的KK小块，然后对每个小块分别进行变换。对每一小块，然后对每个小块分别进行变换。对每一子块经正交变换得到变换系数，并对变换系数经过量化子块经正交变换得到变换系数，并对变换系数经过量

35、化和取舍，然后采用熵编码等方式进行编码后，再由信道和取舍，然后采用熵编码等方式进行编码后，再由信道传输到接收端。在接收端，经过解码、反量化、逆变换传输到接收端。在接收端，经过解码、反量化、逆变换后，得到重建的图像。后，得到重建的图像。3.4.3 图像变换图像变换2.离散余弦变换（离散余弦变换（DCT）第四十二页，讲稿共九十六页哦3.4.3 图像变换图像变换3.3.离散小波变换（离散小波变换（DWTDWT）小波变换小波变换集成了傅里叶变换的优点，同时又克服了它的许多缺点，在图像处理中有非常重要的应用。DWT在静态和动态图像压缩领域得到广泛的应用，并且已经成为某些图像压缩的国际标准（如MPEG-4

36、）的重要环节。今天的影像压缩中，动态影像的压缩一般采用MPEG算法，静态图像的压缩多采用JPEG算法。MPEG 和 JPEG 均基于DCT(离散余弦变换)；使用DCT进行图像压缩的缺陷在于图像的细节、精细消息损失太多，人工处理的痕迹较明显。而静态图像压缩的另一种更新的算法是JPEG2000 算法，JPEG2000 算法则是采用了DWT(离散小波变换)。第四十三页，讲稿共九十六页哦n众所周知，图像量化所需数据量大。图像和视频的众所周知，图像量化所需数据量大。图像和视频的庞大数据对计算机的处理速度、存储容量都提出过庞大数据对计算机的处理速度、存储容量都提出过高的要求。因此必须进行数据量压缩。高的要

37、求。因此必须进行数据量压缩。n从传送的角度来看，在信道带宽、通信链路容从传送的角度来看，在信道带宽、通信链路容 量一定的前提下，采用编码压缩技术，减少传量一定的前提下，采用编码压缩技术，减少传输数据量，是提高通信速度的重要手段。因此，输数据量，是提高通信速度的重要手段。因此，更要求数据量压缩。更要求数据量压缩。3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩编码1.1.编码压缩的必要性编码压缩的必要性第四十四页，讲稿共九十六页哦 众所周知，视频由一帧一帧的图像组成，而图像的众所周知，视频由一帧一帧的图像组成，而图像的各像素之间，无论是在行方向还是在列方向，都存在各像素之间，无论是在行方向还是在列方向，都存

38、在着一定的相关性，即着一定的相关性，即冗余度冗余度。应用某种编码方法提。应用某种编码方法提取或减少这些冗余度，便可以达到压缩数据的目取或减少这些冗余度，便可以达到压缩数据的目的。的。常见的静态图像数据冗余包括：常见的静态图像数据冗余包括：n1.1.空间冗余空间冗余 这是静态图像存在的最主要的一种数据冗余。这是静态图像存在的最主要的一种数据冗余。一幅图像记录了画面上可见景物的颜色。同一景物一幅图像记录了画面上可见景物的颜色。同一景物表面上各采样点的颜色之间往往存在着空间连贯性表面上各采样点的颜色之间往往存在着空间连贯性，从而产生了空间冗余。，从而产生了空间冗余。3.4.4 图像的压缩编码图像的压

39、缩编码2.2.编码压缩的可能性编码压缩的可能性第四十五页，讲稿共九十六页哦n2.2.时间冗余时间冗余 在在视频视频的相邻帧间，往往包含相同的背景和移动的相邻帧间，往往包含相同的背景和移动物体，因此，后一帧数据与前一帧数据有许多共物体，因此，后一帧数据与前一帧数据有许多共同的地方，即在时间上存在大量的冗余。同的地方，即在时间上存在大量的冗余。n3.3.结构冗余结构冗余 在有些图像的纹理区，图像的像素值存在着明显的分在有些图像的纹理区，图像的像素值存在着明显的分布模式。例如，方格状的地板图案等。我们称这种冗余布模式。例如，方格状的地板图案等。我们称这种冗余为结构冗余。为结构冗余。n4.4.知识冗余

40、知识冗余 有些图像的理解与某些知识有相当大的相关性。有些图像的理解与某些知识有相当大的相关性。例如，人脸的图像有固定的结构。这类例如，人脸的图像有固定的结构。这类3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩编码2.2.编码压缩的可能性编码压缩的可能性第四十六页，讲稿共九十六页哦 规律性的结构可由先验知识和背景知识得到，我们称此类冗余为知规律性的结构可由先验知识和背景知识得到，我们称此类冗余为知识冗余。识冗余。n5.5.视觉冗余视觉冗余 事实表明，人类的视觉系统对图像场的敏感性是非均匀事实表明，人类的视觉系统对图像场的敏感性是非均匀的和非线性的。然而，在记录原始图像数据时，通常假定的和非线性的。然而，在

41、记录原始图像数据时，通常假定视觉系统是线性的和均匀的，对视觉敏感和不敏感的部分视觉系统是线性的和均匀的，对视觉敏感和不敏感的部分同等对待，从而产生了比理想编码更多的数据，这就是视同等对待，从而产生了比理想编码更多的数据，这就是视觉冗余。觉冗余。n6.6.图像区域的相同性冗余图像区域的相同性冗余 是指在图像中的两个或多个区域所对应的所有像素值相同或相是指在图像中的两个或多个区域所对应的所有像素值相同或相近，从而产生的数据重复性存储，这就是图像区域的相似性冗近，从而产生的数据重复性存储，这就是图像区域的相似性冗余。余。3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩编码2.2.编码压缩的可能性编码压缩的可能性

42、第四十七页，讲稿共九十六页哦7.7.纹理的统计冗余纹理的统计冗余 有些图像纹理尽管不严格服从某有些图像纹理尽管不严格服从某分布规律，但是分布规律，但是它在统计的意义上服从该规律。利用这种性质也可以它在统计的意义上服从该规律。利用这种性质也可以减少表示图像的数据量，所以我们称之为纹理的统计减少表示图像的数据量，所以我们称之为纹理的统计冗余。冗余。3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩编码2.2.编码压缩的可能性编码压缩的可能性第四十八页，讲稿共九十六页哦如图如图3-103-10所示，一个压缩系统包括两个不同的结构所示，一个压缩系统包括两个不同的结构块：一个编码器和一个解码器。图像块：一个编码器和一

43、个解码器。图像 f(x,y)输入到输入到编码器中，这个编码器可以根据输入数据生成一组符编码器中，这个编码器可以根据输入数据生成一组符号。在通过信道进行传输之后，将经过编码的表达符号。在通过信道进行传输之后，将经过编码的表达符号送入解码器，经过重构后，就生成了输出图像。号送入解码器，经过重构后，就生成了输出图像。3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩编码3.3.编码模型编码模型第四十九页，讲稿共九十六页哦信源编码器的任务是减少或消除输入图像中的冗信源编码器的任务是减少或消除输入图像中的冗余。编码的框图如图余。编码的框图如图3-11(a)3-11(a)所示。所示。3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩

44、编码3.3.编码模型编码模型1)1)信源编码器和解码器信源编码器和解码器从原理来看主要分为三个阶段，第一阶段将输入数从原理来看主要分为三个阶段，第一阶段将输入数据据转换转换为可以减少输入图像中像素间冗余的数据的集为可以减少输入图像中像素间冗余的数据的集合。第二阶段设法合。第二阶段设法去除原图象信号的相关性去除原图象信号的相关性，例如对，例如对电视信号就可以去掉帧内各种相关，还可以去除帧电视信号就可以去掉帧内各种相关，还可以去除帧间相关。这样有利于编码压缩。第三阶段就是找一间相关。这样有利于编码压缩。第三阶段就是找一种更近于熵，又利于计算机处理的编码方式。种更近于熵，又利于计算机处理的编码方式。

45、图3-11第五十页，讲稿共九十六页哦图图3-11(b)中显示的信源解码器仅包含两部分：一中显示的信源解码器仅包含两部分：一个符号解码器和一个反向转换器。这些模块的运行次个符号解码器和一个反向转换器。这些模块的运行次序与编码器的符号编码器和转换模块的操作次序相反序与编码器的符号编码器和转换模块的操作次序相反。3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩编码3.3.编码模型编码模型 1)1)信源编码器和解码器信源编码器和解码器图3-11 编解码器模型(a)信源编码器;(b)信源解码器第五十一页，讲稿共九十六页哦当信道带有噪声或易于出现错误时，信道编码器和解码器就当信道带有噪声或易于出现错误时，信道编码器和

46、解码器就在整个译码解码处理中扮演了重要的角色。在整个译码解码处理中扮演了重要的角色。最经典的一种信道编码技术是由最经典的一种信道编码技术是由R.w.Hamming提出的，提出的，用该技术得到的编码称为用该技术得到的编码称为汉明（汉明（Hamming）码）码。为了便于。为了便于讨论汉明码的检错与纠错原理，先给出下列几个概念的定讨论汉明码的检错与纠错原理，先给出下列几个概念的定义：义：n码字码字：表示一个数（或字符）的若干位二进制代码。：表示一个数（或字符）的若干位二进制代码。n码元码元：码字中的一位二进制数。：码字中的一位二进制数。n码组码组：满足一定规则的码字集合。：满足一定规则的码字集合。n

47、码距码距：两个码字之间的相应位置码元不同的位置数，如：两个码字之间的相应位置码元不同的位置数，如1100与与1111之间的码距为之间的码距为2。3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩编码3.3.编码模型编码模型 2)2)信道编码器和解码器信道编码器和解码器 第五十二页，讲稿共九十六页哦 ASCIIASCII码的最小码距为码的最小码距为1(1(如如00000000000000与与00000010000001之间之间)。因此。因此ASCIIASCII码没有检错能力。码没有检错能力。道理：由于任何两个道理：由于任何两个码字的码距为码字的码距为1，因此当，因此当ASCII码的码字中只要有码的码字中只要有

48、1个个码元出错时，所生成的错误代码仍可以是码元出错时，所生成的错误代码仍可以是ASCII码中码中的另一个合法码字，这样就无法判断其真伪。要能检的另一个合法码字，这样就无法判断其真伪。要能检测测1位出错，必须构造一个最小码距大于或等于位出错，必须构造一个最小码距大于或等于2的码的码组。组。显然，要能检测显然，要能检测2位出错，则必须构造一个最小码位出错，则必须构造一个最小码距大于或等于距大于或等于3的码组。汉明码技术就是基于这样的的码组。汉明码技术就是基于这样的思想，即向被编码数据中加入足够的位数以确保可用思想，即向被编码数据中加入足够的位数以确保可用的码字间变化的位数最小为的码字间变化的位数最

49、小为3。3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩编码3.3.编码模型编码模型 2)2)信道编码器和解码器信道编码器和解码器 第五十三页，讲稿共九十六页哦例如，利用例如，利用HammingHamming码将码将3 3位冗余码加到位冗余码加到4 4位字上，使得任意位字上，使得任意两个有效码字间的距离为两个有效码字间的距离为3 3，则所有的一位错误都可以检测出，则所有的一位错误都可以检测出来并得到纠正。与来并得到纠正。与4 4位二进制数位二进制数b b3 3b b2 2b b1 1b b0 0相联系的相联系的7 7位位Hamming(7Hamming(7，4)4)码字码字h h1 1h h2 2hh5

50、5h h6 6h h7 7是：是：3.4.4 图像的压缩编码图像的压缩编码3.3.编码模型编码模型 2)2)信道编码器和解码器信道编码器和解码器 异或运算的运算规则是:相同的数异或结果为0，相异的数异或结果为1。h1、h2和h4位分别是位字段b3b2b0、b3b1b0和b2b1b0的偶校验位。13202310421033526170,hbbbhbbbhbbbhb hb hb hb(3-11)第五十四页，讲稿共九十六页哦为了将汉明（为了将汉明（Hamming）编码结果进行解码，信号解码器必须为先）编码结果进行解码，信号解码器必须为先前设立的偶校验的各个位字段进行奇校验并检查译码值。一位错误由前设