1、数字图像处理数字图像处理 第一章第一章 引言引言1.1 概述1.2 图像处理的内容1.3 图像处理的特点1.4 图像的数据格式1.5 视觉现象1.6 颜色与颜色空间1.7 图像处理系统框图 人类离不开图像，计算机图像技术渗透到各个科技领域，百闻不如一见。画面比文字更形象生动，人类70%信息来自视觉。21世纪，信息技术、生命科学、航空航天信息技术、生命科学、航空航天为重要发展方向。图像技术在其中起着重要的作用。1.1 概述一、图像的重要性图像处理识别的过程：人类：一幅图像 图上有字 中文字含义计算机：采集 分析 识别（判断）信息获取信息获取预处理预处理特征提取特征提取和选择和选择分类决策分类决策
2、分类器设计分类器设计训练过程训练过程模式识别系统的基本构成1.1 概述二、图像处理是交叉边缘学科 是计算机、传感器、信息技术、信号处理、人工智能、模式识别、认知科学、应用对象等的交叉学科和技术。图像工程：图像处理图像分析图像理解1.1 概述三、图像处理分类 模拟(光学)图像处理实时光学（实时，速度快）但只是有限处理）如：望远镜、显微镜、哈哈镜、透镜、胶片合成照相、凸透镜实时FFT变换1.1 概述 图像信息实质上是人的视觉系统或成像系统，对物体辐射、反射或者透射光的反应。二维图像信息可以看成是二维光学空间序列，因此也可以用光学系统处理。光学图像处理 优点：速度快、信息量大、分辨率高、经济 缺点：
3、精度低、操作麻烦、不灵活、稳定性差、系统笨重体积大1、光学图像处理优缺点光学图像处理放置图像f(x,y)傅里叶变换F(u,v)2、光学傅里叶变换光学图像处理 根据惠更斯菲涅尔光学衍射原理，会聚透镜具有二维傅里叶变换的本领。dxdyeyxfvuFvyuxj)(2),(),(fxufyv为波长其中2、光学傅里叶变换光学图像处理例1 单缝衍射光学图像处理实例：不同缝宽的单缝衍射光学图像处理光学图像处理实例：不同波段的单缝衍射 dudvevuHvuFyxguyuxj)(2),(),(),(3、图像信息的光学处理光学图像处理1)空间滤波公式 dudvevuHvuFyxguyuxj)(2),(),(),(
4、2)空间滤波原理光学图像处理 在P2平面内得到傅里叶频谱图像F(u,v)，若在P2内设置一块振幅分布为H(u,v)得透明片，那么经过透明片的图像频谱为F(u,v)H(u,v)，再经过L2后，在P3中得到滤波后的图像g(x,y)。3、图像信息的光学处理光学图像处理4、空间滤波举例光学图像处理4、空间滤波举例光学图像处理4、空间滤波举例三、图像处理分类 数字图像处理 随着计算机处理速度和数据量增加发展起来的。第阶段：科学计算，有限个原始数据；第阶段：数据管理应用；第阶段：数字图像处理。如一幅spot星卫片 800080007(波段)=64M7 (数据量之大)1.1 概述四、数字图像技术应用 我国发
5、射的多颗卫星，多数用于对地观测和侦察。微机普及图像民用、普及、计算机成熟是图像技术普及应用基础。数字图象处理技术已应用到各个领域应用到各个领域，以下举几个例子1.1 概述(1)遥感图像应用 农业普查、森林覆盖计算、水利工程等的客观估计计算、森林火灾监护客观反映火灾情况、面积。四、数字图像技术应用 1.1 概述 QuickBirdQuickBird示例影像示例影像 :北京颐和园高分辨率卫星影像，拍摄时间为2003年9月。(1)遥感图像应用 水体界线的确定，在近红外图像上，水体呈黑色。(1)遥感图像应用(2)导弹末制导导弹末制导 图像识别技术应用于导弹的精确未制导，使其精确打击目标。如：机场、桥梁
6、等。四、数字图像技术应用 1.1 概述(3)生物特征识别 军事、公安中的人脸、指纹、掌纹识别等。四、数字图像技术应用 1.1 概述(4)医学应用CT、MRI、PET、B超、DSA、血管造影、红外乳腺、显微病理、电子显微镜、远程医疗图像、皮肤图像、X线、刀与刀脑外科等等离不开图像。四、数字图像技术应用 1.1 概述全自动细胞DNA定量分析检测系统(4)医学应用(5)工业图像X线控探伤（轴）、X线检察、三维测量（定位、形状测量）、机器人视觉、商检。四、数字图像技术应用 1.1 概述 模拟CT断层图像 实验结果 实际CT图像 实验结果CT图像中缺陷的快速定位方法(5)工业图像(6)民用 数码相机、照
7、片扫描管理等。四、数字图像技术应用 1.1 概述一、图像的定义 客观对象（物体）一种仿真的或模拟的描述，一种生动的图形表述。图像指广义的概念：Image Image是Object之一子集 可见 不可见 数学函数光学 画面 照片 可测量的物理量 温度压力等曲线 yxfz,1.2 图像处理的内容二、数字图像数学模型：抽象为数字矩阵：NNNNNNfffffffff212222111211f：代表该像素彩色或灰度值；脚码代表象素的坐标位置。一幅数字图像可描述为如下模型：(picture element=pixel)1.2 图像处理的内容由模拟照片到数字图像的过程。由模拟照片到数字图像的过程。采样：将图
8、像分成离散的（横竖均匀的）网格点。量化：将图像上各个网格点的黑白及彩色程度做数字量化，如：256级，由0到255，亮度从黑到白变化，人眼仅能分辨50左右级灰度。人眼分辨率远远小于目前仪器设备分辨率，但图像质量最终判别依据是人。几何：80点/mm，黑白：12bit4096层(人眼仅看40多层)三、数字化1.2 图像处理的内容 经过一系列操作得到所需结果。点处理：与原始数据 局域处理：与原始数据 及其邻域 全局处理：与原始数据 及全图yxfGyx,511,0 x511,0yyxf,yx,yx,yx,yxf,yxf,四、处理四、处理1.2 图像处理的内容 图像预处理改善像质，以便于目视判读。校正技术
9、：对形状变形的图像进行几何校正、辐射校正。增强技术：去除干扰，突出主要特征，包括：平滑与锐化。恢复技术：忠实原图，去除干扰，恢复原图像，实用中往往干扰复杂，模型不清，难能准确恢复。图像分析（测量）（analysis）：密度（灰度）、平面几何参数，三维参数测量技术。图像识别（recognition）：模式识别与景物分析1.2 图像处理的内容四、处理处理包括如下几个方面：处理包括如下几个方面：五、图形学与图像处理 广义上讲密切相关。二者之间许多基础是相同的，只不过研究角度不同，服务对象不同，产生社会经济效益不同。imagedescriptionprocessingrecognition判别 Gra
10、phics绘画 1.2 图像处理的内容 再现性好：再现性好：数字图像可多次拷贝，不失真，不退化。精度高：精度高：采样量化一定，多次处理可保精度。适用面宽：适用面宽：可处理抽象数据、可做非线性处理（光学只作线性处理）1.3 图像处理的特点 从数据组织角度来谈图像数据基本格式，而不是从人的感受角度来谈。1.4 图像的数据格式一、四类用紧凑程度不同的表达方式1.4 图像的数据格式 灰度、彩色图像灰度级灰度级：0-255，1字节/pixel彩色：彩色：R G B 224=16M真色彩 0-255 0-255 0-255 3字节/pixel 彩色R(红)叫一个波段，对单一波彩可看作灰度图像。关于各种标准
11、图像格式：Tiff、BMP、TAG、GIF、DXF、JPG 等不介绍。二值图像：二值图像：黑或白 1bit/pixel 皮肤肿瘤彩色图像 二值化后的目标图像1.4 图像的数据格式一、四类用紧凑程度不同的表达方式 连续曲线 仅保留黑的连续点坐标。多边形 vector仅保留直线端点。存贮数据量由逐渐降低。1.4 图像的数据格式一、四类用紧凑程度不同的表达方式点序列：存储各点（X,Y）坐标。点序列增量：起点（X,Y）增量 编码链 增量用3bits表示07 差分编码链yx ,10，12bits 2bits34210X765二、二、连续曲线的进一步说明1.4 图像的数据格式 客观存在是不变的，而人的感觉
12、是与周围环境有关的，人感觉是会变的。1.5 视觉现象 人眼对亮度的适应能力人眼对亮度的适应能力人眼的适应亮度范围很宽1010(最大与最小之差)光强度量用勒克斯：Lux 0.02Lux CCD黑白 太阳光度:白天10000Lux 同时识别亮度范围很有限的：（适应的范围宽，同时识别范围窄）。如从亮屋到黑屋什么都看不见（需适应2030秒），从黑屋到白屋适应较快（仅需12秒）。光强客观是存在的，主观感觉是以光强的对数成线性关系（正比）的。1.5 视觉现象 人眼对亮度有适应能力，因此很难判别亮度绝对值。即使相同亮度，但若背景亮度不同，人眼的主观感觉的亮度亦不一致。同时对比度同时对比度1.5 视觉现象 人
13、眼刚能分辨光强出差别I 与 背景光强I的关系I/I。在相当范围内为0.02（50层），但当很大或很小时比值加大。分析：分析：256级灰度，8bits，计算机处理方便 8bits6bits眼睛感觉不到。对比灵敏度对比灵敏度1.5 视觉现象空间二相邻视觉信号，人能辨别出二者存在的能力称视觉系统的分辨率。清晰3-5对/度。20周/度，不能识别。或者说一个毫弧度57.3/10001/20 分辨率分辨率1.5 视觉现象 人眼在观察均匀黑区与白区形成边界时，与实际情况不一致，即在亮度变化部位附近有暗区更暗，亮区更亮的感觉。这一更黑和更亮的带叫Mach带。主观感觉相当于增加了一个分量，相当于原图进行了二阶导
14、数操作。Mach Mach带带(马赫带现象马赫带现象)1.5 视觉现象人带有主观经验性错觉。空间错觉空间错觉1.5 视觉现象 主观轮廓主观轮廓1.5 视觉现象1.6 颜色与颜色空间1.6.1 1.6.1 颜色颜色 光波：光是一种按波长辐射的电磁波。（如图，可见光谱）颜色 视觉系统对可见光的感知 视网膜上锥状光敏细胞：光强与颜色。视网膜上杆状光敏细胞：光强。颜色度量：色调、饱和度、亮度电磁波谱电磁波谱光的物理性质：波长（光速，频率）和幅度 人眼对色彩的感觉：色调、饱和度和亮度 色调波长 亮度幅度 饱和度色光的纯度色调hue:色调hue:人眼感觉到物体反射或发射光波的波长。色调就是颜色的分类。如
15、七色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 在色谱中，色调连续变化。色调饱和度saturation饱和度saturation：指颜色的纯正程度。与亮度有关：某一色调参入白光，色调不变但饱和度降低 与参入其它颜色的光有关：饱和度与色调都会改变。不完全饱和不完全饱和 完全饱和完全饱和 不完全饱和不完全饱和亮度：人眼感受到的颜色光的强度 同一种色块，在不同强度的白光照射下，反射的光波波长一样（色调相同），但 人眼感觉到的颜色不同。某一颜色的光，亮度很弱，趋于黑色，反之，趋于白色。颜色相加与相减 相加相加：发光物体发出某些波长的光波，这些波长的光波叠加在一起。相减相减：白光照在某种颜色的物体上。部分波长的光波被
16、吸收，剩下波长的光波进入人的眼睛。1.6.2 1.6.2 颜色空间颜色空间 彩色空间：色度图（国际照度委员会International Commission on Illumination（英）,CIE,Commission Internationale de LEclairage（法)）表明定义颜色至少需要3个参数。用3元组(x,y,z)表达一个颜色和在3维空间定义一个点相似，称为彩色空间。常见颜色空间：RGB:显示器信号HSI：人眼识别CMY：彩色印刷YUV(YCbCr)：电视信号RGBRGB颜色空间颜色空间计算机显示器用红R、绿G、蓝B光的组合产生颜色，(R,G,B)的值唯一地确定在显示
17、器上的显示颜色，如（180，70，250）产生一个偏绿的蓝色三种颜色构成了三维空间坐标-RGB颜色空间RGB色彩空间电子枪电子枪控制电路控制电路荧光面荧光面电子束电子束像像素素发发光光点点 CRTCRT结构示意图结构示意图 CRT的颜色产生HSI(Hue,Saturation,Intensity)颜色空间颜色空间HSI能减少彩色图像处理的复杂性。合乎人对彩色的认识：色彩：色调、饱和度 亮度：非彩色属性，对应黑白图像的灰度。色调和饱和度通称为色度，表示颜色类别与深浅程度。HSI色彩空间和RGB色彩空间转换公式：max123()3min(,)311min(,)1 2cos()()()2IRGBR
18、G BSR G BRGBIRGRBRGRB GBGBHGB 色相由角度等价cos()1(1)30120cos(60)33cos(120)1(1)3120240cos(180)33cos(240)1(1)3240360cos(300)33ISHIRBSGIRBHHISHIGRSBIR GHHISHIBGSRIGBHHHSI色彩空间和RGB色彩空间转换公式：白白 极浅极浅浅浅灰灰 灰灰深深灰灰极深极深 黑黑浅浅亮亮浅浅暗暗深深鲜艳鲜艳黯淡黯淡完完全全饱饱和和HSI色彩空间模型色彩空间模型CMY(K)CMY(K)彩色空间彩色空间青色(Cyan)，洋红色(Magenta)，黄色(Yellow)，黑色(
19、blacK)颜料或油墨，应用减色原理实现彩色。彩色打印、彩色印刷CMYK:在CMY的基础上，增加黑色111CRMGYB YUVYUV（YCbCrYCbCr）色彩空间）色彩空间 YUV（亦称YCrCb）是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于PAL）。亮度信号Y和两个色差信号RY（即V）、BY（即U）,YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。YUV色彩空间与RGB色彩空间的转换关系：0.2990.5870.1140.1470.2890.4360.6150.5150.
20、1001.140.390.582.03YRGBURGBVRGBRYVGYVVBYU Lab-CIE1976色度空间为了改进和统一颜色评价的方法，1976年CIE推荐了新的颜色空间及其有关色差公式，即CIE1976LAB（或Lab）系统，现在已成为世界各国正式采纳、作为国际通用的测色标准。它适用于一切光源色或物体色的表示与计算。CIE1976Lab空间由CIEXYZ系统通过数学方法转换得到，转换公式为：Lab-CIE1976色度空间 其中X、Y、Z是物体的三刺激值；X0、Y0、Z0为CIE标准照明体的三刺激值；L表示心理明度；a、b为心理色度。从上式转换中可以看出：由X、Y、Z变换为、a、b时包
21、含有立方根的函数变换，经过这种非线形变换后，原来的马蹄形光谱轨迹不复保持。转换后的空间用笛卡儿直角坐标体系来表示，形成了对立色坐标表述的心理颜色空间。在这一坐标系统中，+a表示红色，-a表示绿色，+b表示黄色，-b表示蓝色，颜色的明度由L的百分数来表示。1.7 图像处理系统框图 图像处理系统软件应用举例图像处理系统软件应用举例:CMIASCMIAS系统、系统、IPP DemoIPP Demo、Depth from Focus系统。系统。1.7 图像处理系统框图 显微细胞测量系统第二章 数字图像处理基础 2.1 视觉感知要素视觉感知要素 2.2 光和电磁波谱光和电磁波谱2.3 图像感知和获取图像
22、感知和获取 2.4 图像数字化技术图像数字化技术 2.5 数字图像类型数字图像类型 2.6 图像文件格式图像文件格式 2.7 颜色模型颜色模型 2.1 2.1 视觉感知要素视觉感知要素 人的直觉和分析在选择一种技术时起到核心作用。人的直觉和分析在选择一种技术时起到核心作用。这种选择常常是主观的视觉判断。这种选择常常是主观的视觉判断。大概了解一下人类的视觉感知应作为学习数字图大概了解一下人类的视觉感知应作为学习数字图像的第一步。像的第一步。1.1.人眼中形成图像的机理与参数；人眼中形成图像的机理与参数；2.2.了解人类视觉的物理限制。了解人类视觉的物理限制。2.2 光和电磁波谱 原理上，如果可以
23、开发出一种传感器，它可检测由一种电磁波原理上，如果可以开发出一种传感器，它可检测由一种电磁波谱发射的能量，就可以在那一波段上对感兴趣的事件成像。谱发射的能量，就可以在那一波段上对感兴趣的事件成像。“观看观看”一个物体的电磁波的波长必须小于或等于物体的尺寸。一个物体的电磁波的波长必须小于或等于物体的尺寸。其它还有超声波图像，电子显微镜的电子束和用于图形和可视其它还有超声波图像，电子显微镜的电子束和用于图形和可视化的合成图像。化的合成图像。2.3 2.3 图像感知和获取图像感知和获取 2.3.1 2.3.1 用单个传感器获取图像用单个传感器获取图像 最熟悉的是光二极最熟悉的是光二极管，输出电压波形
24、管，输出电压波形与光成正比。单个与光成正比。单个传感器为了产生二传感器为了产生二维图像，在传感器维图像，在传感器和成像区之间，还和成像区之间，还必须在必须在x x和和y y方向有方向有相对位移（例：滚相对位移（例：滚筒扫描）。筒扫描）。2.3.2 2.3.2 用带状传感器获取图像用带状传感器获取图像 例：例：平板扫描仪平板扫描仪 航空成像航空成像 计算机断层扫描。计算机断层扫描。2.3.3 2.3.3 用传感器阵列获取图像用传感器阵列获取图像 传感器阵列传感器阵列 图像的数字化包括采样和量化两个过程图像的数字化包括采样和量化两个过程。设连续图像设连续图像f(x,y)f(x,y)经数字化后，可以
25、用一经数字化后，可以用一个离散量组成的矩阵个离散量组成的矩阵g(i,j)g(i,j)（即二维数组）（即二维数组）来表示。来表示。2 24 4 图像数字化技术图像数字化技术 )1,1()1,1()0,1()1,1()1,1()0,1()1,0()1,0()0,0(),(nmfmfmfnffgnfffjig 矩阵中的每一个元素称为像元、像素或图像元素。而矩阵中的每一个元素称为像元、像素或图像元素。而g(i,j)代代表表(i,j)点的灰度值，即亮度值。以上数字化有以下几点说明：点的灰度值，即亮度值。以上数字化有以下几点说明：（1）由于由于g(i,j)代表该点图像的光强度，而光是能量的一种代表该点图像
26、的光强度，而光是能量的一种形式，故形式，故g(i,j)必须大于零，且为有限值必须大于零，且为有限值，即：，即：0g(i,j)。（2）数字化采样一般是按正方形点阵取样的，数字化采样一般是按正方形点阵取样的，除此之外还有除此之外还有三角形点阵、正六角形点阵取样。三角形点阵、正六角形点阵取样。（3）以上是用）以上是用g(i,j)的数值来表示的数值来表示(i,j)位置点上灰度级值的大位置点上灰度级值的大小，即只反映了黑白灰度的关系，小，即只反映了黑白灰度的关系，如果是一幅彩色图像，如果是一幅彩色图像，各点各点的数值还应当反映色彩的变化，可用的数值还应当反映色彩的变化，可用g(i,j,)表示，其中表示，
27、其中是波长。是波长。如果图像是运动的，还应是时间如果图像是运动的，还应是时间t的函数，即可表示为的函数，即可表示为g(i,j,t)。2.4.1 2.4.1 采样采样 图像在空间上的离散化称为图像在空间上的离散化称为采样采样。也就是用空间上部分点的。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。灰度值代表图像，这些点称为采样点。采样行采样行采样列采样列像素像素行间隔行间隔采样间隔采样间隔采样示意图采样示意图 采用方法和原则：采用方法和原则：采样间隔的大小选取要依据原图像中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包含的细微浓淡变化来来决定。一般，决定。一般，图像中细节越多，采样
28、间隔应越小图像中细节越多，采样间隔应越小。根据一维采样。根据一维采样定理，若一维信号定理，若一维信号g(t)的最大频率为的最大频率为，以以T1/2为间隔进行采为间隔进行采样，则能够根据采样结果样，则能够根据采样结果g(iT)(i=,-1,0,1，)完全恢复完全恢复g(t)，即即iiTtsiTgtg)()()(式中式中 ttts2)2sin()(2.4.2 2.4.2 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
29、灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的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量化。量化示意图量化示意图（a）量化；量化；(b)量化为量化为8 bit 连续灰度值连续灰度值 量化值量化值 (整数值整数值)灰度标度灰度标度 灰度量化灰度量化Zi1ZiZi1qi1qi125525412812710(a)(b)量化方法和原则：量化方法和原则：等间隔量化（均匀量化）等间隔量化（均匀量化）适合像素灰度值在黑白适合像素灰度值在黑白范围较均匀分布的图像。范围较均匀分布的图像。非等间隔量化（非均匀量化）非等间隔量化（非均匀量化）对图像中像素灰度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
30、一些，而对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，则量化间隔取大一那些像素灰度值极少出现的范围，则量化间隔取大一些。些。2.4.3 采样与量化参数的选择采样与量化参数的选择 采样时行、列的采样点与量化时每个像素量化的级数，既采样时行、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，也影响该数字图像数据量的大小。假定影响数字图像的质量，也影响该数字图像数据量的大小。假定图像取图像取MN个样点，每个像素量化后的灰度二进制位数为个样点，每个像素量化后的灰度二进制位数为k，一般一般k总是取为总是取为2的整数幂，则存储一幅数字图像所需的二进制的整数幂，则存
31、储一幅数字图像所需的二进制位数位数b为为 kNMb当当M=N时，时，kNNb k k一定时一定时 采样点数越多，图像质量越好；当采样点数减少时，图上的采样点数越多，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。块状效应就逐渐明显。N N2 2一定时一定时 量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量化级数越多，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，量越差，量化级数最小的极端情况就是二值图像，图像出现假图像出现假轮廓。轮廓。胡昂胡昂19651965实验：实验：实验方法实验方法 选取一组细节多少不同的、不同选取一组细节多少不同的、不
32、同N N、k k的图象的图象 让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图象排让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图象排序序实验结论实验结论 随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提高高 对有大量细节的图象，质量对灰度级需求相应降对有大量细节的图象，质量对灰度级需求相应降低低改变改变N N和和k k如何影响图像如何影响图像 曲线曲线1：细节较少的人脸图象细节较少的人脸图象 等同偏爱曲线按主观等同偏爱曲线按主观质量递增的顺序被从质量递增的顺序被从左向右排列左向右排列45k3264128256N质量质量 曲线曲线2：细节中等多的摄影师图象细节中等多的摄影师图象
33、45k3264128256N质量质量 曲线曲线3：细节较多的球赛观众图像细节较多的球赛观众图像45k3264128256N质量质量总结总结 一般，当限定数字图像的大小时一般，当限定数字图像的大小时,为了得到质量较好的图像可为了得到质量较好的图像可采用如下原则：采用如下原则：（1）对缓变的图像，应该细量化，粗采样，）对缓变的图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓以避免假轮廓。（2）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，以避免模糊以避免模糊。对于彩色图像，是按照颜色成分对于彩色图像，是按照颜色成分红、绿、蓝分别采样和量红、绿、蓝分别采样和量化的。若各种颜色成分均
34、按化的。若各种颜色成分均按8 bit量化，即每种颜色量级别是量化，即每种颜色量级别是256，则可以处理则可以处理2563=16 777 216种颜色。种颜色。2.5 2.5 图像的量化图像的量化量化：量化：使连续信号的幅度用有限级的数码表示的过程。量化的准则量化的准则不同，会导致不同的量化效果。从不同的角度将量化方法分成4类：（1）按量化级步长均匀性均匀量化和非均匀量化。（2）按量化对称性对称量化和非对称量化 图2.4 均匀对称量化（a）中央上升型 （b）中央平稳型（a）中央上升型 （b）中央平稳型 图2.5 非均匀对称量化（3）按量化时采样点相互间的相关性分无记忆和有记忆量化。（4）按量化时
35、处理的采样点数分标量量化和矢量量化。2.5.1 标量量化 p标量量化标量量化：将数值逐个量化。u例：例：假设抽样信号的范围是05 V，将它分为8等分，这样就有8个量化电平，分别是5/8 V，10/8 V，15/8 V，35/8 V。u对每一个采样将它量化为离它最近的电平。u在量化后，为了能在数字信号处理系统中处理二进制码，还必须经过编码操作。u0 V用000表示，5/8 V用001表示，35/8 V用111表示，这样一来每个采样可以用3比特来表示 l量化器设计的任务：l划分子区间和设定量化值，使量化造成的失真最小。l失真的度量：l使k个子区间的总误差平方 最小或是当造成的失真人眼看不出时，失真
36、最小。l当概率分布为p(z)，量化值为qi时dzzpqzkizziii)()(10221（2.12）2n均匀量化n将 均分成个k子区间后，每个区间的长度n各子区间以它的中心位置作为量化值),0kzzkzzLk/)(0（2.13）2/)(1iiizzq（2.14）1.均匀量化（线性量化）l 当待量化值在区间内均匀分布时 最小：kLzp/1)(212/22L（2.15）（2.16）l Max量化器是一种非均匀量化器l 主要思想：l 不等于常数，使 最小。l 说明样本值在某个取值范围内较频繁出现，而在另外一些范围内出现不多。l 可对样本值较频繁出现的取值范围采用较小的量化区间，而在其它地方用较大的量
37、化区间。l 这样就可在不增加量化级数的条件下，降低平均误差，减少量化噪声。2.Max量化器)(zp2uMax量化器在总误差平方和最小的意义上是最优的。u但一般而言，图像在0附近出现的概率较高，因此Max量化器在0附近必然量化间隔很密，量化较精细。u实际中，人眼在0附近的分辨率并不灵敏，所以用Max量化器量化得太细是没有意义的。u定义：将一组采样的信号幅度矢量在容许的误差范围内用更少的离散矢量代替。u与标量量化相比，矢量量化提供较低的失真，但运算量比标量量化大得多。u原理原理：一次量化2个以上采样点，量化过程需要用到一个码书。u实质就是在码书中找到输入矢量X X的最近码字，其衡量标准就是误差测度
38、，通常采用平方误差测度。2.3.2 2.3.2 矢量量化矢量量化图2.6 一维矢量量化 l 例题：原始图像块是一个4灰度级的16维矢量。l矢量的每个分量就是一个像素的灰度值，其灰度有四个等级，0最黑，3最亮。l假设码书含4个16维码字。经计算可以发现码字y1离x最近，故用索引01进行编码。y1 y2 y3 y4 图2.7 原始图像和灰度级 图2.8 码书Cy1,y2,y3,y4u目的：目的：对任一输入矢量X，在码书中寻找最佳匹配码矢Xi。u常用的最佳匹配原则：寻求最小误差。u若码书尺寸为M，矢量X对应码矢Xi，信号矢量X的概率密度函数为p(X)，则总的量化误差可表示为iiXpXXea)(),(
39、（2.17）u矢量误差 uj可取1,2,p;p属于正整数。u常用的误差有：均方绝对值误差（MAE）均方误差（MSE）jiiXXXXe),(（2.18）kmiimxmxkXXe1)()(1),(21)()(1),(kmiimxmxkXXe（2.19）（2.20）2.2.5 5.5.5 图像数字化设备图像数字化设备 常见的数字化设备有数字相机、扫描仪、数字化仪等。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 为完成采样和量化功能，为完成采样和量化功能，图像数字化设备必须包含以下五图像数字化设备必须包含以下五个部分：个部分：(1)采样孔采样孔(Samp
40、ling aperture)：使数字化设备能够单独地使数字化设备能够单独地观测特定的图像元素而不受图像其他部分的影响。观测特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：图像扫描机构：使采样孔按照预先确定的方式在图像上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。移动，从而按顺序观测每一个像素。(3)(3)光传感器：光传感器：通过采样检测图像的每一像素的亮度，通过采样检测图像的每一像素的亮度，通常采用通常采用CCDCCD阵列。阵列。(4)(4)量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。典型量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。典型的量化器是的量化器是A/DA
41、/D转换电路，它产生一个与输入电压或电流成比例转换电路，它产生一个与输入电压或电流成比例的数值。的数值。(5)(5)输出存储装置：将量化器产生的灰度值按适当格式存输出存储装置：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。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 (1)像素大小像素大小 采样孔的大小和相邻像素的间距是两个重要的性能指标。采样孔的大小和相邻像素的间距是两个重要的性能指标。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。于输
42、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 图像大小即数字化设备所允许的最大输入图像的尺寸。图像大小即数字化设备所允许的最大输入图像的尺寸。(3)(3)线性度线性度 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。有效性。(4)(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，数字化数字化设备的噪声水平也是一个重要的性能参数，数字化设备中固有的噪声却会使图像的灰度发生变化。因此数字化设设备中固
43、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图像内的反差点(即对比度即对比度)。2.2.6 6 数字图像类型数字图像类型 静态图像可分为矢量静态图像可分为矢量(Vector)图和位图（图和位图（Bitmap），位图也），位图也称为栅格图像。称为栅格图像。矢量图是用一系列绘图矢量图是用一系列绘图指令指令来表示一幅图，其本质是用数学来表示一幅图，其本质是用数学(更准确地说是几何学更准确地说是几何学)公式描述一幅图像。图像中每一个形状都公式描述一幅图像。图像中每一个形状都是一个
44、完整的公式，称为一个是一个完整的公式，称为一个对象对象。对象是一个封闭的整体，所。对象是一个封闭的整体，所以定义图像上对象的变化和对象与其他对象的关系对计算机来说以定义图像上对象的变化和对象与其他对象的关系对计算机来说是简单的，是简单的，所有这些变化都不会影响到图像中的其他对象。所有这些变化都不会影响到图像中的其他对象。优点：优点：文件数据量很小；文件数据量很小；图像质量与分辨率无关。图像质量与分辨率无关。缺点：缺点：不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像；不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像；绘出来的图像不是很逼真；绘出来的图像不是很逼真；不易在不同的软件间交换文件。不易在不同的软件间交换文件
45、。位图位图是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色属性和位置属性。属性和位置属性。优点：优点：具有丰富的层次和色彩具有丰富的层次和色彩 。缺点：缺点：缺少灵活性，分辨率固定；缺少灵活性，分辨率固定；文件数量大。文件数量大。2.2.6 6.1.1 位图位图 1.线画稿（线画稿（LineArtLineArt）2.灰度图像灰度图像(GrayScale)(GrayScale)3.索引图像索引图像(Index Color)(Index Color)4.真彩色图像真彩色图像（True ColorTrue Color）2.2.6 6.2.2 位图的有关术语
46、位图的有关术语 1.像素（像素（Pixel）、点（）、点（Dot）和样点（）和样点（Sample）在计算机中，图像是由显示器上许多光点组成的，在计算机中，图像是由显示器上许多光点组成的，将显示将显示在显示器上的这些点（光的单元）称为像素。在显示器上的这些点（光的单元）称为像素。扫描一幅图像时，扫描仪将源图像看成由大量的网格组成，扫描一幅图像时，扫描仪将源图像看成由大量的网格组成，然后在每一个网格里取出一点，用该点的颜色值来代表这一网然后在每一个网格里取出一点，用该点的颜色值来代表这一网格里所有点的颜色值，这些被选中的点就是样点。格里所有点的颜色值，这些被选中的点就是样点。2.分辨率分辨率 1）
47、图像分辨率图像分辨率 图像分辨率是指每英寸图像含有多少个点或像素，图像分辨率是指每英寸图像含有多少个点或像素，分辨率分辨率的单位为的单位为dpi。图像的尺寸、图像的分辨率和图像文件的大小三。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，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。所以，图像文件也就越大。所以，调整图像的大小和分辨率即可改变图调整图像的大小和分辨率即可改变图像文件的大小。像文件的大小。2）屏幕分辨率屏幕分辨率 显示器上每单位长度显示的像素或点的数量称为屏幕分辨显示器上每单位长度显示的像素或点的数量称
48、为屏幕分辨率。通常以每英寸点数率。通常以每英寸点数(dpi)来表示。屏幕分辨率取决于显示器来表示。屏幕分辨率取决于显示器的大小及其像素设置。屏幕分辨率由计算机的显示卡决定。的大小及其像素设置。屏幕分辨率由计算机的显示卡决定。3）打印机分辨率打印机分辨率 又称输出分辨率，是指打印机输出图像时每英寸的点数又称输出分辨率，是指打印机输出图像时每英寸的点数(dpi)。打印机分辨率也决定了输出图像的质量，打印机分辨率。打印机分辨率也决定了输出图像的质量，打印机分辨率越高，可以减少打印的锯齿边缘，在灰度的半色调表现上也会越高，可以减少打印的锯齿边缘，在灰度的半色调表现上也会较为平滑。打印机的分辨率可达较为
49、平滑。打印机的分辨率可达3001200 dpi。4）扫描仪分辨率扫描仪分辨率 单位长度上采样的像素个数单位长度上采样的像素个数。台式扫描仪的分辨率可。台式扫描仪的分辨率可以分为光学分辨率和输出分辨率。光学分辨率是扫描仪硬件以分为光学分辨率和输出分辨率。光学分辨率是扫描仪硬件所真正扫描到的图像分辨率，可达所真正扫描到的图像分辨率，可达8001200 dpi以上。输出以上。输出分辨率是通过软件强化以及内插补点之后产生的分辨率，大分辨率是通过软件强化以及内插补点之后产生的分辨率，大约为光学分辨率的约为光学分辨率的34倍（倍（48006400dip）。）。1000DPI1600DPI1000象素象素1
50、600象素象素1英寸英寸原稿原稿2.2.7 7 图像文件格式图像文件格式 要进行图像处理，必须了解图像文件的格式，要进行图像处理，必须了解图像文件的格式，即图像文件的即图像文件的数据构成。每一种图像文件均有一个文件头，数据构成。每一种图像文件均有一个文件头，在文件头之后才是在文件头之后才是图像数据。文件头的内容由制作该图像文件的公司决定，一般包图像数据。文件头的内容由制作该图像文件的公司决定，一般包括文件类型、文件制作者、制作时间、版本号、括文件类型、文件制作者、制作时间、版本号、文件大小等内容。文件大小等内容。各种图像文件的制作还涉及到图像文件的压缩方式和存储效率等。各种图像文件的制作还涉及
