第2章-数字图像处理基础.ppt

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1、北京邮电大学世纪学院第二章 数字图像处理基础人眼的视觉特性图像的采样和量化图像数字化器常用图像数字化设备图像的灰度直方图图像的文件格式北京邮电大学世纪学院光的特性光的特性 光的本质是电磁波。在电磁波谱中，可见光仅占很光的本质是电磁波。在电磁波谱中，可见光仅占很窄的一个波谱范围。其波长在窄的一个波谱范围。其波长在380nm-780nm380nm-780nm之间。之间。可见光的低频率端是红色，高频率端是紫色。从高可见光的低频率端是红色，高频率端是紫色。从高频道低频的光谱颜色的变化分别是紫、蓝、青、绿、频道低频的光谱颜色的变化分别是紫、蓝、青、绿、黄、橙、红。黄、橙、红。北京邮电大学世纪学院3光的特

2、性光的特性 太阳或灯泡等光源发射可见光谱中的太阳或灯泡等光源发射可见光谱中的全部频率而产生白色光。当白色光投射到全部频率而产生白色光。当白色光投射到一个物体上时，某些频率被反射，某些则一个物体上时，某些频率被反射，某些则被物体吸收了。在反射光中混合的频率确被物体吸收了。在反射光中混合的频率确定了人所感受到的物体的颜色。定了人所感受到的物体的颜色。如果在反射光中以低频率为主，则物如果在反射光中以低频率为主，则物体呈现红色，此时，可以说光主要含有光体呈现红色，此时，可以说光主要含有光谱中红色端的频率。谱中红色端的频率。北京邮电大学世纪学院人眼的构造人眼的构造人人眼横截面简图眼横截面简图n人眼人眼是

3、一个近似的球体，是一个近似的球体，直径约直径约 2cm2cm。n外层由三层膜包裹外层由三层膜包裹角膜和巩膜角膜和巩膜脉络膜脉络膜视网膜视网膜北京邮电大学世纪学院人眼的构造人眼的构造nnn角膜角膜是一种硬而是一种硬而透明的组织，覆透明的组织，覆盖着眼睛的前盖着眼睛的前表面。与角膜表面。与角膜相连相连的的巩膜巩膜是一层包围着眼球剩余部是一层包围着眼球剩余部分的不透明膜。分的不透明膜。脉络膜脉络膜是眼睛重要的滋养源，脉是眼睛重要的滋养源，脉络膜外络膜外壳着色很重，有助于减少壳着色很重，有助于减少进入眼进入眼睛外来光和眼球内反向散睛外来光和眼球内反向散射光射光的数量的数量。视网膜视网膜是眼睛最内侧的一

4、层膜，是眼睛最内侧的一层膜，当眼球适当聚焦时，来自眼睛外当眼球适当聚焦时，来自眼睛外部的光在视网膜上成像。在视网部的光在视网膜上成像。在视网膜表面分散的光敏细胞提供了视膜表面分散的光敏细胞提供了视觉图案。觉图案。人人眼横截面简图眼横截面简图北京邮电大学世纪学院5人眼的构造人眼的构造n视网膜表面的视网膜表面的光光接收器（光敏细胞）接收器（光敏细胞）分为两种：分为两种：n 锥状细胞锥状细胞n 秆状细胞秆状细胞 锥状细胞锥状细胞n 数目约数目约 600700 600700 万，位于中央凹的部分万，位于中央凹的部分n 对颜色敏感度很高对颜色敏感度很高n 锥状视觉叫做白锥状视觉叫做白昼昼视觉或者明视觉视

5、觉或者明视觉锥状锥状杆状杆状北京邮电大学世纪学院5人眼的构造人眼的构造秆状细胞秆状细胞n 数目约数目约 750015000750015000万，视野内一般万，视野内一般的总体图像的总体图像n 没有色彩感没有色彩感觉，在觉，在低照明度低照明度下对图像下对图像较敏感较敏感n 几个杆几个杆状细胞连接到一个神经末端状细胞连接到一个神经末端n 秆状视觉叫做秆状视觉叫做夜视觉或者暗视觉夜视觉或者暗视觉锥状锥状杆状杆状北京邮电大学世纪学院82.55mm图像的形成图像的形成n成像过程成像过程1.1.视网膜图像主要反射在中央凹区域上视网膜图像主要反射在中央凹区域上2.2.然后由光接收器的相应刺激作用产生感觉然后

6、由光接收器的相应刺激作用产生感觉3.3.感觉把辐射能转变为电脉冲最后由大脑解感觉把辐射能转变为电脉冲最后由大脑解码码北京邮电大学世纪学院n人眼的视觉特性-视错觉这两个图形在视网膜上是固定不动的，但你对它的感觉却是在两种可能图形中动摇。同时感觉到两种有意义的图形是很困难的！北京邮电大学世纪学院n人眼的视觉特性-视错觉北京邮电大学世纪学院n人眼的视觉特性-视错觉北京邮电大学世纪学院n人眼的视觉特性-视在对比度感觉的亮度区域不是简单取决于亮度感觉的亮度区域不是简单取决于亮度相同亮度的方块在不同背景下，感觉亮度不同；位于相同亮度的方块在不同背景下，感觉亮度不同；位于中心位置的方块亮度相同，当背景变亮时

7、，方块的亮中心位置的方块亮度相同，当背景变亮时，方块的亮度变暗。度变暗。一张白纸放在桌子上看上去很白，但用白纸遮蔽眼睛一张白纸放在桌子上看上去很白，但用白纸遮蔽眼睛直视明亮的天空时，纸看起来总是黑的。直视明亮的天空时，纸看起来总是黑的。北京邮电大学世纪学院n人眼的视觉特性-视觉惰性视觉惰性：视觉惰性：人眼的主观亮度感人眼的主观亮度感觉与光的作用时间有关，并且觉与光的作用时间有关，并且光象一旦在视网膜上形成，在光象一旦在视网膜上形成，在它消失后，视觉将会对这个光它消失后，视觉将会对这个光象的感觉维持一个有限的时间。象的感觉维持一个有限的时间。北京邮电大学世纪学院n 图像的采样和量化图像数字化：指

8、将模拟图像经过离散化之后，得到用数字表示的图像。模拟图像数字图像离散化北京邮电大学世纪学院数字图像：用矩阵来描述的。北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世纪学院图像数字化数字图像是数字图像是模拟连续模拟连续图像图像 f(x,yf(x,y)通过取样、量化、通过取样、量化、编码获得的。编码获得的。图像取样：图像取样：图像空间离散化图像空间离散化图像量化：图像量化：图像幅度离散化（又称为灰度级量化）图像幅度离散化（又称为灰度级量化）编码编码：用有限比特去表示量化后的数值用有限比特去表示量化后的数值北京邮电大学世纪学院图像取样和量化北京邮电大学世纪学院图像取样和量化北京邮电大学世纪学院与采样相关的概念(分

9、辨率)分辨率 传感器摄像的精确度。通常指要精确测量和再现一定尺寸的图像所必需的像素个数。单位：像素*像素北京邮电大学世纪学院分辨率320 x240北京邮电大学世纪学院分辨率160 x120北京邮电大学世纪学院分辨率80 x60北京邮电大学世纪学院图象尺寸：176*127分辨率：(a)176*127(b)88*63(c)44*31 (d)22*15 北京邮电大学世纪学院256256646432321616北京邮电大学世纪学院图像的量化与数字图像的质量256256灰度级灰度级6464灰度级灰度级1616灰度级灰度级128128灰度级灰度级北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世纪学院

10、37空间和灰空间和灰度度级分辨率级分辨率空间分空间分辨率辨率是图像中可辨别是图像中可辨别的最小细节的最小细节取样值多少是决定图像空间分辨率的主要参数取样值多少是决定图像空间分辨率的主要参数灰度级别分辨率灰度级别分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化。是指在灰度级别中可分辨的最小变化。灰度级数通常是灰度级数通常是 2 2 的整数次幂。的整数次幂。当没有必要对涉及像素的物理分辨率进行实际度量和当没有必要对涉及像素的物理分辨率进行实际度量和在原始场景中分析细节等级时，通常把在原始场景中分析细节等级时，通常把大小为大小为M MN N、灰度为灰度为L L级的数字图像称为空间分辨率为级的数字图像称为空间分

11、辨率为M MN N像素、像素、灰度级分辨率为灰度级分辨率为L L级的数字图像。级的数字图像。北京邮电大学世纪学院38下图分别演示在数字图像中不同取样值和灰度级别变化下图分别演示在数字图像中不同取样值和灰度级别变化的典型效果：的典型效果：北京邮电大学世纪学院空间和灰空间和灰度度级分辨率级分辨率图中显示了一幅图中显示了一幅102410241024 1024 像素的图像，灰度级别像素的图像，灰度级别用用8 8比特表示，其他图像是通过对比特表示，其他图像是通过对1024102410241024图像抽图像抽样（直接隔行隔列删除得到）的结果。样（直接隔行隔列删除得到）的结果。这些图像显示了不同取样密度间的

12、大小比例，但是这些图像显示了不同取样密度间的大小比例，但是它们显示尺寸大小的差别使得很难看出减少取样数它们显示尺寸大小的差别使得很难看出减少取样数目带来的影响。目带来的影响。北京邮电大学世纪学院用复制一行和一列的方法，将抽样后的图像都恢复用复制一行和一列的方法，将抽样后的图像都恢复10241024 10241024 像素进行比较，很明显小尺寸的图像恢复后有明显的块效应。像素进行比较，很明显小尺寸的图像恢复后有明显的块效应。北京邮电大学世纪学院44空间和灰空间和灰度度级分辨率级分辨率北京邮电大学世纪学院n图像数字化器图像数字化器的功能组件图像数字化器的性能图像数字化器的类型北京邮电大学世纪学院采

13、样孔：使图像数字化器能不受图像其他部分的影响，而在整幅图像中扫描特定的独立像素单元；扫描器件：使采样孔以预先确定的方式在图像上移动，按照顺序依次扫描图像的每一个像素；光传感器：测量每一像素的亮度，将光亮度转化为电流或电压信号；量化器：将传感器输出的连续值转化为整数值；输出介质：将量化的灰度值以适当的格式存储。图像数字化器的功能组件北京邮电大学世纪学院数字化器的性能分辨率：单位尺寸能够采样的像素数，由采样孔的大小和像素间距的大小决定；灰度级：量化为多少等级；图像大小：允许输入图像的大小；扫描速度：采样数据的传输速度；北京邮电大学世纪学院图像数字化器的类型主要包括:数码相机胶片扫描仪北京邮电大学世

14、纪学院n 常用图像数字化设备数字相机扫描仪数字摄像机北京邮电大学世纪学院数码相机的组成o镜头oCCD（电荷藕合器件）oA/D（模/数转换器）oMPU（微处理器）o内置存储器oLCD（液晶显示器）oPC卡（可移动存储器）o接口（计算机接口、电视机接口）数字相机前面板数字相机背面板北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世纪学院数码相机的工作原理 (1)镜头将光线会聚到感光器件CCD上；(2)CCD是半导体器件，它代替了普通相机中胶卷的位置；(3)CCD的功能是光强信号转变为不同强度的电信号，得到拍摄景物的图像信息；(4)ADC将模拟信号到数字信号的转换；(5)MPU(微处理器)对数字信号进行压缩并转化为

15、特定的图像格式，例如JPEG、BMP格式，并将图像文件被存储在内置存储器中；(6)LCD显示查看拍摄照片；部分数字相机还提供连接计算机和电视机的接口。北京邮电大学世纪学院扫描仪结构图1北京邮电大学世纪学院扫描仪结构图2北京邮电大学世纪学院1 1上盖上盖：主要是将要扫描的原稿压紧，以防止扫描灯光线泄露。2 2原稿台原稿台：主要是用来放置扫描原稿的地方，其四周设有标尺线以方便原稿放置，并能及时确定原稿扫描尺寸。中间为透明玻璃，称为稿台玻璃。3 3光学成像部分光学成像部分：它是扫描仪的核心部件，其精度直接影响扫描图像的还原逼真程度。它包括以下主要部件：灯管、反光镜、镜头以及电荷耦合器件(CCD)。扫

16、描仪各部分的功能北京邮电大学世纪学院4 4光电转换部分光电转换部分：是指扫描仪内部的主板，它是一块安置有各种电子元件的印刷电路板。它是扫描仪的控制系统，在扫描仪扫描过程中，它主要完成CCD信号的输入处理，以及对步进电机的控制，5 5机械传动装置机械传动装置：主要包括步进电机、驱动皮带、滑动导轨和齿轮组。扫描仪各部分的功能北京邮电大学世纪学院典型数字摄像机北京邮电大学世纪学院n图像的灰度直方图定义性质用途北京邮电大学世纪学院图像灰度直方图的定义 灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中该灰度级的像素个数。即：横坐标表示灰度级，纵坐标表示图像中该灰度级出现的个数。北京邮电大学世纪学院1234565

17、4562141234 566432 211664 663456 661466 231364 66灰度直方图北京邮电大学世纪学院 设r代表图像中像素灰度级，作归一化处理后，r将被限定在0,1之内。在灰度级中，r=0代表黑，r=1代表白。对于一幅给定的图像来说，每一个像素取得0,1区间内的灰度级是随机的，即r是随机变量。假定对每一瞬间，它们是连续的随机变量，则可以用概率密度函数pr(r)来表示原始图像的灰度分布。北京邮电大学世纪学院图像灰度分布概率密度函数 若横轴代表灰度级r，纵轴代表灰度级的概率密度函数pr(r)，这样就可以针对一幅图像在该坐标系中作出一条曲线。这条曲线在概率论中就是概率密度曲线

18、，如图所示。北京邮电大学世纪学院直方图表明每一个灰度有多少个象素北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世纪学院图像灰度直方图的性质直方图是一幅图像中各像素灰度值出现次数（或频数）的统计结果，它只反映该图像中不同灰度值出现的次数（或频数），而未反映某一灰度值像素所在位置。也就是说，它只包含了该图像中某一灰度值的像素出现的概率，而丢失了其所在位置的信息。北京邮电大学世纪学院p 任一幅图像，都能唯一地确定出一幅与它对应的直方图，但不同的图像，可能有相同的直方图。也就是说，图像与直方图之间是多对一的映射关系。如图就是一个不同图像具有相同直方图的例子。北京邮电大学世纪学院空间信息丢失北京邮电大学世纪学院 图像

19、与直方图间的多对一关系图像与直方图间的多对一关系 北京邮电大学世纪学院图像灰度直方图的用途 用于判断图像量化是否恰当 直方图给出了一个简单可见的指示，用来判断一幅图象是否合理的利用了全部被允许的灰度级范围。一般一幅图应该利用全部或几乎全部可能的灰度级，否则等于增加了量化间隔。丢失的信息将不能恢复。北京邮电大学世纪学院l 观察直方图观察直方图可以看出不合适可以看出不合适的数字化的数字化北京邮电大学世纪学院较暗图象的直方图 P(r k)r k北京邮电大学世纪学院较亮图象的直方图 P(r k)r k北京邮电大学世纪学院对比度较低图象的直方图 P(r k)r k北京邮电大学世纪学院对比度较高图象的直方

20、图 P(r k)r k北京邮电大学世纪学院 边界阈值选取 假设某图象的灰度直方图具有二峰性，则表明这个图象的较亮的区域和较暗的区域可以较好地分离，取这一点为阈值点，可以得到好的二值处理的效果。北京邮电大学世纪学院选取146为阈值的二值化北京邮电大学世纪学院灰度图具有二峰性北京邮电大学世纪学院具有二峰性的灰度图的2值化北京邮电大学世纪学院灰度分布效果比较示意图北京邮电大学世纪学院n 图像的文件格式图像的文件格式数字图像通常有两种表示形式:位图矢量图北京邮电大学世纪学院位图和矢量图的比较位图和矢量图的比较(1)(1)1、点位图由像素构成，矢量图由对象构成 点位图的基本构图单位是像素，像素包含了色彩

21、信息。包含不同色彩信息的像素的矩阵组合构成了千变万化的图像。矢量图形指由代数方程定义的线条或曲线构成的图形。如:表示一个圆形，矢量图像保存了一个画圆的命令、圆心的坐标、半径的长度等等。欲显示该圆，矢量绘图软件则根据圆的坐标、半径等信息，经过方程式计算，将圆“画”在屏幕上。矢量图像由许多矢量图形元素构成，这些图形元素称为“对象”。北京邮电大学世纪学院2、点位图面向像素像素绘画，矢量图面向对象“构画”两种图像的构成方式不同，其绘画方式也存在差别。点位图是通过改变像素的色彩实现绘画和画面的修改。点位图软件提供了模拟手绘习惯的工具实现绘画。这些手绘工具在图像上移动，即可改变相应位置上像素的色彩。矢量图

22、操纵的是基本的图形（对象），以Corel Draw为例,如图所示,选择贝赛尔曲线工具，用鼠标在页面上定出一些节点，节点之间有线段，构成一个封闭图形。用修改工具把这个图形调整圆滑。然后选择色彩，该图形即可填充上工整的色彩。这个新产生的图形在矢量图像中，就是一个基本的矢量图形对象。位图和矢量图的比较（位图和矢量图的比较（2 2）北京邮电大学世纪学院3、点位图受到像素和分辨率的制约，而矢量图形不存在这些制约 点位图是由像素阵列构成的图像，像素的多少和分辨率决定图像的质量。在用点绘图软件开始一幅新作品时，首先应确定图像的长宽大小和分辨率，一旦确定下来，以后要改变分辨率，就会影响图像的质量。另外点位图的

23、缩放也会影响图像的质量。位图和矢量图的比较（位图和矢量图的比较（3 3）北京邮电大学世纪学院 矢量图形和设备无关，即和分辨率无关。因为矢量图由数学公式和一些参数决定。图形的放大缩小以及分辨率的改变，仅仅是参数的相对变化，重新计算后再显示出来，依然保持精细的图像质量。当然，这些内部计算，用户是看不出来的，用户也不用理会。如图，一幅矢量图形无论怎样放大，边线依然平滑。而在绘画过程中，则可以任意放大若干倍（甚至上万倍），精确细致地描绘任意细节。北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世纪学院4、点位图修改麻烦，矢量图形修改随心所欲 点位图的编辑受到限制。点位图是像素的排列，局部移动或改变会影响到其他部分的像

24、素(包括前面讲的对图像进行放大)。虽然矢量图形的作画方式特别（如前述例子），但是在修改方面却是比点位图更胜一筹。在矢量图形中，一个图形对象的改变，不会影响其他图形对象。位图和矢量图的比较（位图和矢量图的比较（4 4）北京邮电大学世纪学院 图1是一幅点位图漫画，这位女孩的腰部画得太粗了，要修改苗条。在Painter中，可以选择一种笔工具，再选择和背景相同的颜色。把腰部多余的部分涂掉，如图2.然后再选择黑色，用钢笔工具把边线补上,如图3;如用鼠标，很难把握精度，修改起来更麻烦。如果一次修改不满意，还要重复上面的步骤继续修改。北京邮电大学世纪学院 基本相同的一幅Corel Draw矢量图漫画。同样是

25、要修改女孩的腰部。很简单，选择修改工具，如图2拖拉一下腰部曲线的节点就可以把腰部调细了，如图3.不满意，再调整一下即可(这种调整修改不会影响到其他图形对象，可以随意修改).北京邮电大学世纪学院5、点位图难以重复使用，矢量图形可以随意重复使用 在漫画创作中，尤其在漫画故事创作中，若能重复使用一些图像元素，可以大大提高创作效率。而点位图的重复使用相对比较困难。因为图像元素的重复使用必然涉及图像元素的放大缩小和修改，这些正是点位图的弱点。相反，矢量图形是以图形对象为基础，图形对象相对独立，而且放大缩小和修改都方便，可以十分随意地重复使用。例如，可以把人物的头部作为一个图形对象。只需要套上不同的身躯，

26、就可以作出不同衣着和动态的形象了。位图和矢量图的比较（位图和矢量图的比较（5 5）北京邮电大学世纪学院6、点位图效果丰富，矢量图形效果单调机械 点位图可以表现任何复杂形象，这是矢量图形的弱点。像云雾、自然界的树林花丛、山脉等，矢量图形很难生动表现。利用Painter等点位图软件，却可以很轻易地制作出来。在漫画中，经常要绘画渲染气氛的背景。矢量图形只能勉强表现较机械的放射线等。若利用Painter等点位图软件，绘画者可以根据自己的创意，创作千变万化的背景效果。位图和矢量图的比较（位图和矢量图的比较（6 6）北京邮电大学世纪学院矢量图点位图北京邮电大学世纪学院位图和矢量图相结合位图和矢量图相结合

27、1、矢量图输出成为点位图，用点位图软件进行修饰。可利用矢量图形绘画主要形象的轮廓，然后输出成为一幅点位图，然后利用Painter等等软件，上色修饰。一方面可以利用矢量图形容易编辑修改的优点，把形象绘画得细致完美，另一方面利用Painter可以把画面变得富有自然风格。如图是一幅矢量图和点位图结合的作品。北京邮电大学世纪学院 2、在矢量图中插入点位图，点位图作为矢量图形的一个图形对象。这中方法可以用Painter等等点位图工具制作漫画的气氛背景，然后再插入矢量图像中。北京邮电大学世纪学院 位图文件有多种格式，常见的文件扩展名为BMP、GIF、PCX、PSD、PCD、TIF、JPG等。WINDOWS自带的画笔是个很简单的位图制作软件，但功能太少。更常用的位图软件是PHOTOSHOP、PAINTSHOP、PHOTODRAW等，它们还能对图像进行特技效果处理。矢量图文件的后缀常常是CDR、AI 或3DS，它们一般是直接用软件程序制作的，这些软件有CORELDRAW、3D Studio、Adobe Illustrator等。北京邮电大学世纪学院本章小结人眼视觉特性图像数字化过程图像的灰度直方图(定义、性质、用途)