数字图像处理课件-第二章-数字图像基础-ppt.ppt

1、数字图像处理数字图像处理第二章第二章第第2章章 数字图像处理的基础数字图像处理的基础(Basics Knowledge of Digital Image Processing) 2.1人类视觉与色度学基础人类视觉与色度学基础(Visual System of Human Beings) 2.2数字图像的基础知识数字图像的基础知识(Basics of Digital Image) 2.1人类的视觉与光度学基础人类的视觉与光度学基础(Visual System of Human Beings) 视觉视觉是人类最高级的感知器官，所以，毫无是人类最高级的感知器官，所以，毫无疑问图像在人类感知中扮演着重

2、要角色。疑问图像在人类感知中扮演着重要角色。人类视人类视觉的产生很复杂，除了觉的产生很复杂，除了光源对眼睛的刺激还需要人脑对光刺激光源对眼睛的刺激还需要人脑对光刺激的解释的解释。人感受到的物体颜色主要取决于人感受到的物体颜色主要取决于反射光的特性反射光的特性。如果物体比较均衡地反射各种光谱，则看起来是白色的；如如果物体比较均衡地反射各种光谱，则看起来是白色的；如果物体对某些光谱反射的较多，则看起来物体就呈现相对应的果物体对某些光谱反射的较多，则看起来物体就呈现相对应的颜色。颜色。然而人类感知只限于然而人类感知只限于电磁波谱的视觉波段电磁波谱的视觉波段，成像机器则可以覆盖几乎全部电磁波谱。成像机

3、器则可以覆盖几乎全部电磁波谱。研究图像处理首先要了解人类的视觉感知系研究图像处理首先要了解人类的视觉感知系统。统。 2.1.1视觉系统的基本构造视觉系统的基本构造(Basic Structure of Visual System) 基本构造基本构造 人眼横截面简图人眼横截面简图 眼睛的基本特性：眼睛的基本特性：眼睛对光的感觉眼睛对光的感觉- -光觉；对颜色的感觉光觉；对颜色的感觉- -色觉。色觉。人眼的构造相当于一人眼的构造相当于一架架摄像机摄像机或或照相机照相机。前面，是由角膜角膜、晶晶状体状体、前房前房，后房后房、玻璃体玻璃体所共同组成的具备镜头功能的组合，把物体发出的光线聚焦到后面的相当

4、于胶卷的用于检测光线的视网膜上。 人眼的形状像一个小球，通常称人眼的形状像一个小球，通常称为眼球。为眼球。眼球内具有特殊的折光系统，使进入眼内的可见光汇聚在视网膜上。视网膜上含有感光的杆状细杆状细胞胞和和锥状细胞锥状细胞，这些感光细胞把接受到的色光信号传到神经节细神经节细胞胞，再由视神经传到大脑皮层大脑皮层枕叶视觉神经中枢，产生色感。眼球壁有三层膜组成：角膜与巩膜、脉络膜和视网膜（简称网膜）。 人眼的构造人眼的构造眼眼球球人眼的构造人眼的构造角膜角膜角膜角膜(cornea)(cornea)：如同：如同相相机的滤镜机的滤镜眼球最前端是透明的眼球最前端是透明的角膜，它是平均折射角膜，它是平均折射率

5、为率为1.3361.336的透明体，的透明体，俗称眼白，微向前突俗称眼白，微向前突出，曲率半径前表面出，曲率半径前表面约约7.77.7毫米，后表面约毫米，后表面约6.86.8毫米，毫米，光由这里折光由这里折射进入眼球而成像。射进入眼球而成像。 人眼的构造人眼的构造晶状体晶状体晶 状 体 ， 水 晶 体晶 状 体 ， 水 晶 体 (lens)：如同：如同相机的镜相机的镜片。片。晶状体在眼睛正面中央，光线投射进来以后，经过它的折射传给视网膜。所谓近视所谓近视眼、远视眼、老花眼以眼、远视眼、老花眼以及各种色彩、形态的视及各种色彩、形态的视觉或错觉，觉或错觉，大部分都是大部分都是由于水晶体的伸缩作用由

6、于水晶体的伸缩作用所引起。所引起。它像一种能自动调节焦距的凸透镜一样。人眼的构造人眼的构造视网膜视网膜视网膜视网膜 (retina)(retina)：如同：如同底片底片。视网膜是视觉接收器的所在，视网膜是视觉接收器的所在，它本身也是一个复杂的神经中它本身也是一个复杂的神经中心。心。眼睛的感觉为网膜中的眼睛的感觉为网膜中的视杆视杆细胞细胞和和视锥细胞视锥细胞所致。所致。视杆细视杆细胞能够感受弱光的刺激，但不胞能够感受弱光的刺激，但不能分辨颜色能分辨颜色，视锥细胞在强光视锥细胞在强光下反应灵敏，具有辩别颜色的下反应灵敏，具有辩别颜色的本领本领。某些动物（如鸡）因视。某些动物（如鸡）因视杆细胞较少，

7、所以在微光下，杆细胞较少，所以在微光下，它们的视觉很差，成为夜盲。它们的视觉很差，成为夜盲。也有些动物（如猫和猫头鹰）也有些动物（如猫和猫头鹰）因视杆细胞很多，所以能在夜因视杆细胞很多，所以能在夜间活动。间活动。 视觉过程视觉过程人的视觉过程的流图人的视觉过程的流图光接收细胞：光接收细胞：视锥细胞（也称中央凹）：视锥细胞（也称中央凹）：600700万，万，既能感光、既能感光、又能感色、对颜色敏感又能感色、对颜色敏感。可以充分识别。可以充分识别图像细节图像细节，每个细，每个细胞接一个神经末端，又叫适亮视觉（胞接一个神经末端，又叫适亮视觉（photopic vision）、）、白昼视觉。白昼视觉。

8、视觉原理视觉原理l视杆细胞（杆状细胞）：视杆细胞（杆状细胞）：750015000万，万，只能感光、只能感光、不能感色不能感色。几个。几个杆状杆状细胞联到同一个神经末梢，分辨率低，细胞联到同一个神经末梢，分辨率低，提供视野的整体视象，不感受颜色提供视野的整体视象，不感受颜色，对低照度敏感。对低照度敏感。 夜视夜视觉。觉。夜盲症就是由于杆状体缺陷造成的。夜盲症就是由于杆状体缺陷造成的。 强光作用下强光作用下，锥状体起作用。锥状体起作用。 既有明亮感，又有彩色感既有明亮感，又有彩色感 （明视觉）（明视觉） 两者有明确的分工：两者有明确的分工： 弱光作用下弱光作用下，杆状体起主作用杆状体起主作用 。只

9、。只 有明暗感没有彩色感有明暗感没有彩色感 。 （暗视觉）（暗视觉） 锥状细胞大致将电磁光谱的可见光部分分为三个波段：锥状细胞大致将电磁光谱的可见光部分分为三个波段：红红、绿绿、蓝蓝。由于这种原因，这三种颜色被称为。由于这种原因，这三种颜色被称为三基色三基色。 人类视觉对颜色的主观感觉可以直观地用人类视觉对颜色的主观感觉可以直观地用色调色调、色饱和度色饱和度和和亮度亮度来表述。来表述。 图像形成的几何关系图图像形成的几何关系图眼睛中图像的形成眼睛中图像的形成 问：1、人眼中，是否像普通照相机那样调焦？若不是则、人眼中，是否像普通照相机那样调焦？若不是则如何实现距离的正确聚焦？如何实现距离的正确

10、聚焦？2、人眼聚焦后，如何将图像信息传递给大脑？、人眼聚焦后，如何将图像信息传递给大脑？答：当眼睛适当地聚焦时，来自眼睛外部物体的光在视网膜上成像。视网膜答：当眼睛适当地聚焦时，来自眼睛外部物体的光在视网膜上成像。视网膜图像图像反射到中央凹，由光接收器的相对刺激作用产生感觉，把辐射来的能量反射到中央凹，由光接收器的相对刺激作用产生感觉，把辐射来的能量变为电脉冲，变为电脉冲，最后最后由由大大脑判断。脑判断。反射视 网 膜 图像中央凹电脉冲人脑判读2.1.2亮度适应和鉴别亮度适应和鉴别(Intensity Adaption and Identification) 光强度与主观亮度的关系曲线光强度与

11、主观亮度的关系曲线主观亮度和主观适应性主观亮度和主观适应性 由于数字图象以由于数字图象以客观亮度客观亮度显示显示图象，人眼以图象，人眼以主观亮度主观亮度感受取感受取得视觉，所以人眼的亮度适应得视觉，所以人眼的亮度适应性影响了图象处理的结果。性影响了图象处理的结果。人眼的视觉系统能适应的光的人眼的视觉系统能适应的光的亮度等级从可以看见的昏暗到亮度等级从可以看见的昏暗到眩目相差能达到眩目相差能达到1010等级。但等级。但是人眼并不能同时在这么大的是人眼并不能同时在这么大的范围内看清物体，而只能在同范围内看清物体，而只能在同一时间内适应一个小的亮度变一时间内适应一个小的亮度变化范围（化范围（106等

12、级）。等级）。Basic experimental setup used to characterize brightness discrimination图图2.5用于描述亮度辨用于描述亮度辨别特性的基本实验别特性的基本实验 图图2.6作为强度函作为强度函数数的典型韦伯比的典型韦伯比 在一定条件下，一个视觉系统当前的敏感在一定条件下，一个视觉系统当前的敏感度叫做度叫做亮度适应级亮度适应级。这个敏感度是用实验。这个敏感度是用实验来验证的。在实验中，逐渐增加光照射的来验证的。在实验中，逐渐增加光照射的强度强度I I，改变量为，改变量为 I I，达到多个观察者能，达到多个观察者能感知的程度，感知的

13、程度， 当有一半的人感知增加时当有一半的人感知增加时， I/II/I成为成为Weber ratioWeber ratio, ,作为视觉系统当前的作为视觉系统当前的敏感度。在很强的光下，需要改变较强的敏感度。在很强的光下，需要改变较强的光照射才能使多个观察者感知；相反，在光照射才能使多个观察者感知；相反，在较弱的光较弱的光下，些微的光强度变换就会使人下，些微的光强度变换就会使人感知。感知。低照度下，韦伯比大，亮度辨别力差低照度下，韦伯比大，亮度辨别力差亮度增加，韦伯比下降，亮度辨别力改善亮度增加，韦伯比下降，亮度辨别力改善Typical Weber ratio as a function of

14、intensity所谓所谓“马赫带效应（马赫带效应（Mach band effectMach band effect）”是指视觉的主观感受在是指视觉的主观感受在亮度有变化的地方出现虚幻的明亮或黑暗的条纹，亮度有变化的地方出现虚幻的明亮或黑暗的条纹，马赫带效应的马赫带效应的出现是人类的视觉系统造成的出现是人类的视觉系统造成的。生理学对马赫带效应的解释是：。生理学对马赫带效应的解释是：人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制。人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制。马马赫赫带带效效应应示示图图 Some well-know optical illusions视觉错觉图例视觉错觉图例optical ill

15、usions视觉错觉图例视觉错觉图例(b)获取场景的图像获取场景的图像首先首先要将场景通过投影转换成平面上的亮要将场景通过投影转换成平面上的亮度；度；其次其次为了用计算机加工还需将连续的亮度模式通过为了用计算机加工还需将连续的亮度模式通过采采样和量化样和量化转换成离散形式，即数字图像。转换成离散形式，即数字图像。在将场景转换成亮度模式中，与图像在将场景转换成亮度模式中，与图像f(x,y)表达的两部分内表达的两部分内容相对应，需考虑到两部分内容。容相对应，需考虑到两部分内容。(1)几何学：几何学：要解决从图像中的什么地方可以找到场景中目要解决从图像中的什么地方可以找到场景中目标的标的投影位置投影

16、位置（x,y）(2)光度学光度学：要解决图像中的目标有多亮，以及该亮度与目：要解决图像中的目标有多亮，以及该亮度与目标的光学性质和成像系统的关系，这就标的光学性质和成像系统的关系，这就确定了在确定了在（x,y）处处的灰度值。的灰度值。在获取可被计算机处理的数字图像时，前者与采样有关而在获取可被计算机处理的数字图像时，前者与采样有关而后者与量化有关后者与量化有关 。2.1.3光度学光度学2.1.3光度学光度学-电磁波谱电磁波谱光是一种光是一种特殊的电磁辐射，它可以被人感知。特殊的电磁辐射，它可以被人感知。而研究各种电磁辐射强而研究各种电磁辐射强弱和度量的学科称为弱和度量的学科称为辐射度学辐射度学

17、，光度学可看作辐射度学的一个特殊分，光度学可看作辐射度学的一个特殊分支。支。光度学主要研究光度学主要研究可见光的强弱和度量。可见光的强弱和度量。电磁波谱如下所示：电磁波谱如下所示：光学谱段光学谱段可见光谱段：指辐射能可见光谱段：指辐射能对人眼产生目视刺激而对人眼产生目视刺激而形成光亮感的谱段，跨形成光亮感的谱段，跨越范围约为：越范围约为：mm79. 043. 0电磁波谱可用电磁波谱可用波长波长 、频率、频率 和和能量能量E来描述。来描述。 其中其中c为光速为光速/csm/10998. 28)(是普朗克常数其中hhE彩色谱可分为彩色谱可分为6个主区个主区域：紫、蓝、绿、黄、域：紫、蓝、绿、黄、橘

18、黄和红色。橘黄和红色。每种颜色不是突然终每种颜色不是突然终止的，而是混合平滑止的，而是混合平滑的过渡到另一种颜色的过渡到另一种颜色的。的。辐射度学中一个最基本的量是辐射通量或辐射辐射度学中一个最基本的量是辐射通量或辐射功率，单位：瓦。功率，单位：瓦。在光度学中，使用光通量表在光度学中，使用光通量表示光辐射的功率或光辐射量。示光辐射的功率或光辐射量。光通量光通量：光源以电磁波的形式辐射出且人眼能光源以电磁波的形式辐射出且人眼能感受到的光功率感受到的光功率。用。用表示，单位为流明表示，单位为流明(lm)。实际上，光通量是指光源在单位时间内所发出的光能多实际上，光通量是指光源在单位时间内所发出的光能

19、多少，可以看作类似于其它量的流速，如：每秒多少米，少，可以看作类似于其它量的流速，如：每秒多少米，每分钟多少毫升等。每分钟多少毫升等。2.1.3光度学光度学-基础知识基础知识 N dde e B dAd2发光强度发光强度 设某个点光源向各个方向都均匀辐射设某个点光源向各个方向都均匀辐射，则光源在给定方向上的发光强度是，则光源在给定方向上的发光强度是该光源在包含给定方向的立体角元该光源在包含给定方向的立体角元dd内传输的光通量内传输的光通量dd与该立体角元之商与该立体角元之商，即，即： 立体角：立体角：指从一点（立体角顶点）出发通指从一点（立体角顶点）出发通过一条闭合曲线上所有点的射线围成的空过

20、一条闭合曲线上所有点的射线围成的空间部分，所以间部分，所以立体角表示由顶点看闭合曲立体角表示由顶点看闭合曲线时的线时的视角。视角。ddI/ 发光强度的单位为坎德拉发光强度的单位为坎德拉(cd)。 1lm定义：定义：发光强度为发光强度为1cd1cd的均匀点光源在一球面立体角内发射的的均匀点光源在一球面立体角内发射的光通量。光通量。亮度亮度是指画面的明亮程度，它取决于是指画面的明亮程度，它取决于单位面积的单位面积的发光强度发光强度，单位是坎德拉每平米，单位是坎德拉每平米(cd/m2)亮度亮度是人对光的是人对光的强度强度的感受。它是一个的感受。它是一个主观的量主观的量。与亮度不同，由物理定义的客观的

21、相应的量是光强。与亮度不同，由物理定义的客观的相应的量是光强。这两个量在一般的日常用语中往往被混淆。这两个量在一般的日常用语中往往被混淆。 照度：入射到某表面的照度：入射到某表面的光通量密度光通量密度（或照射到单（或照射到单位面积上的光通量）。单位为勒克斯位面积上的光通量）。单位为勒克斯lx，用每单位，用每单位面积的流明数表示。面积的流明数表示。2.1.3光度学光度学-基础知识基础知识2/11mlmlx2.2数字图像数字图像基础基础数字图像数字图像:连续的模拟图像连续的模拟图像采样采样和和量化量化而得。而得。组成数字图像的基本单位是组成数字图像的基本单位是像素像素，所以数字，所以数字图像是像素

22、的集合。图像是像素的集合。像素像素为元素的矩阵，像素的值代表图像在该位置的亮为元素的矩阵，像素的值代表图像在该位置的亮度，称为图像的度，称为图像的灰度值灰度值。数字图像像素具有整数坐标和整数灰度值，数字图像像素具有整数坐标和整数灰度值，I（i，j）Digital image, pixel, gray-level2.2数字图像数字图像基础基础-图像模式图像模式灰度灰度图像图像:是数字图像最基本的形式，灰度图像可以由黑是数字图像最基本的形式，灰度图像可以由黑白照片数字化或者对彩色图像进行去色处理得到。白照片数字化或者对彩色图像进行去色处理得到。灰度图灰度图像只表达图像的亮度信息而没有颜色信息像只表

23、达图像的亮度信息而没有颜色信息，因此，灰度图，因此，灰度图像的每个像素点上只包含一个量化的灰度值，用来表示改像的每个像素点上只包含一个量化的灰度值，用来表示改点的亮度水平。通常用点的亮度水平。通常用来存储灰度值。来存储灰度值。 如果灰度值用一个字节表示，则可以表示的正整数范如果灰度值用一个字节表示，则可以表示的正整数范围为：围为：0255，即像素灰度值在此区间取值，灰度级为，即像素灰度值在此区间取值，灰度级为256。 人眼对灰度的分辨能力通常在人眼对灰度的分辨能力通常在2060级，因此以字节为级，因此以字节为单位，既保证了人眼的分辨力，又符合计算机的习惯。单位，既保证了人眼的分辨力，又符合计算

24、机的习惯。 在特殊应用中，可能采用更高的灰度级，比如在特殊应用中，可能采用更高的灰度级，比如CT，采，采用用12位或位或16位。位。灰度级灰度级灰度图像灰度图像(128x128)及其对应的数值矩阵及其对应的数值矩阵125,153,158,157,127, 70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133, 60,133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,1

25、55,115, 88, 49,155,163, 95,112,123,101,137,108, 81, 71, 63, 81,137,142,146,152,159,161,159,154,138, 81, 78, 84,114, 95,167, 69, 85, 59, 65, 43, 85, 34, 69, 78,104,101,117,132,134,149,160,165,158,143,114, 99, 57, 45, 51, 57,（仅列出一部分（仅列出一部分(26x31)）-二值图像：二值图像：是灰度图像经过是灰度图像经过二值化处理后的结果，二值化处理后的结果，二值图像只二值图像只

26、有两个灰度级有两个灰度级0 0和和1 1，理论上只需要，理论上只需要一位二进制位来表示。在文字识别、一位二进制位来表示。在文字识别、图样识别等应用中，灰度图像一般图样识别等应用中，灰度图像一般要经过二值化处理得到二值图像，要经过二值化处理得到二值图像，二值图像中的黑或者白用来表示不二值图像中的黑或者白用来表示不需要进一步处理的背景和需要进一需要进一步处理的背景和需要进一步处理的前景目标，以便于对目标步处理的前景目标，以便于对目标进行识别。进行识别。2.2数字图像数字图像基础基础-图像模式图像模式彩色图象彩色图象可以用可以用红红、绿绿、蓝蓝三元组的二维矩阵来表三元组的二维矩阵来表示。示。 通常，

27、三元组的每个数值也是在通常，三元组的每个数值也是在0到到255之间，之间，0表表示相应的基色在该象素中没有，而示相应的基色在该象素中没有，而255则代表相应的基则代表相应的基色在该象素中取得最大值，这种情况下每个象素可用色在该象素中取得最大值，这种情况下每个象素可用三个字节来表示。三个字节来表示。彩色图象彩色图象(128x128)及其对应的数值矩阵（仅列出一部分及其对应的数值矩阵（仅列出一部分(25x31)）(207,137,130) (220,179,163) (215,169,161) (210,179,172) (210,179,172) (207,154,146) (217,124,1

28、21) (226,144,133) (226,144,133) (224,137,124) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (227,151,136) (230,170,154) (231,178,163) (231,178,163) (231,178,163) (236,187,171) (236,187,171) (239,195,176) (239,195,176) (240,205,187) (239,195,176) (231,138,123) (217,124,121) (215,169,161) (216,179,170) (2

29、16,179,170) (207,137,120) (159, 51, 71) (189, 89,101) (216,111,110) (217,124,121) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (226,159,142) (237,159,135) (237,159,135) (231,178,163) (236,187,171) (231,178,163) (236,187,171) (236,187,171) (236,187,171) (239,195,176) (239,195,176) (236,187,171) (227,133

30、,118) (213,142,135) (216,179,170) (221,184,170) (190, 89, 89) (204,109,113) (204,115,118) (189, 85, 97) (159, 60, 78) (136, 38, 65) (160, 56, 75) (204109113)(227151136)(226159142)(237159135)(227151136)彩色图像彩色图像：彩色图像的数据不仅包含亮度信息，彩色图像的数据不仅包含亮度信息，还包括颜色信息。还包括颜色信息。颜色的表示方法是多样的，最常见颜色的表示方法是多样的，最常见的是三基色模型，例如的是

31、三基色模型，例如RGBRGB（红绿蓝）三基色模型。（红绿蓝）三基色模型。常规的彩色图像都是用常规的彩色图像都是用RGBRGB三基色来表示的，每个像三基色来表示的，每个像素包括红绿蓝三种颜色的数据，每个数据用素包括红绿蓝三种颜色的数据，每个数据用1 1个字节个字节表示，则每个像素的数据为表示，则每个像素的数据为3 3个字节，这就是人们常个字节，这就是人们常说的说的2424位真彩色。位真彩色。2.2数字图像数字图像基础基础-图像模式图像模式Color images have 3 values per pixel; monochrome images have 1 value per pixel.红

32、红 ， 绿绿 ，蓝蓝三分量三分量强度强度分量分量2.12 彩色图像和单色图像彩色图像和单色图像2.2 数字图像数字图像基础基础-图像的图像的数据量数据量u假定图像尺寸为假定图像尺寸为M、N，每个像素所具有的离散灰度级，每个像素所具有的离散灰度级数为数为Gu这些量分别取为这些量分别取为2的整数幂的整数幂m，n，k，即，即M=2m，N=2n，G=2ku存储这幅图像所需的位数是：存储这幅图像所需的位数是： b = MNk n 如果图像是正方形？如果图像是正方形？b=N2kn思考：存储一幅大小为思考：存储一幅大小为256*256，灰度级为，灰度级为256的图像，的图像，需要需要 KB空间。空间。2.2

33、数字图像基础数字图像基础-图像的获取图像的获取(Image Acquisition) 图像的数学描述图像的数学描述图像获取即图像的数字化过程，包括扫描、图像获取即图像的数字化过程，包括扫描、采样和量化。采样和量化。图像获取设备由图像获取设备由5个部分组成：个部分组成：采样孔，扫采样孔，扫描机构，光传感器，量化器和输出存储体。描机构，光传感器，量化器和输出存储体。关键技术有：采样关键技术有：采样成像技术；成像技术； 量化量化模数转换技术。模数转换技术。 2.2 图像的获取图像的获取-数学描述数学描述(Image Digitalization and Representation) 一幅图像可以被

34、看作是空间各点光强度的集合。一幅图像可以被看作是空间各点光强度的集合。l图像有单色与彩色、平面与立体、静止与动态、自发光与图像有单色与彩色、平面与立体、静止与动态、自发光与反射（透射）等区别。反射（透射）等区别。l 任一幅图像，根据它的光强度任一幅图像，根据它的光强度(亮度、密度或灰度亮度、密度或灰度)的空间的空间分布，均可以用下面的函数形式来表达分布，均可以用下面的函数形式来表达.l对于二维图像，可以把光强度对于二维图像，可以把光强度I看作是随空间坐标（看作是随空间坐标（x, y）、）、光线波长光线波长 和时间和时间t变化的连变化的连续函数：续函数： I = f (x, y, , t) ),

35、(tzyxfIu如果只考虑光的能量而不考虑其波长如果只考虑光的能量而不考虑其波长 u图像在视觉上表现为灰色影像图像在视觉上表现为灰色影像-灰度图像：灰度图像： I = f (x, y, t) u静止灰度图像：静止灰度图像： I = f (x, y) 一般地，一个完整的图像处理系统输入和显示的都是便一般地，一个完整的图像处理系统输入和显示的都是便于人眼观察的连续图像（模拟图像）。于人眼观察的连续图像（模拟图像）。为便于数字存储和计算机处理可以通过数模转换（为便于数字存储和计算机处理可以通过数模转换（A/D）将连续图像变为数字图像将连续图像变为数字图像 。 matrix数字图像可以用矩阵的形式表示

36、为：数字图像可以用矩阵的形式表示为： 1, 11 , 10 , 11, 11 , 10 , 11, 01 , 00 , 0,NMMMNNiiiiiiiiiyxII 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。 u 取样取样 ：对空间连续坐标对空间连续坐标( (x x, , y y) )的离散化的离散化 u 量化量化 ：幅值幅值 f f ( (x x, , y y) )的离散化的离散化 设一幅连续图像设一幅连续图像f(x,y)经过数字化后，可以用一个离经过数字化后，可以用一个离散数据量所组成的矩阵，即用二维数组表示为散数据量所组成的矩阵，即用二维数组表示为：) 1,

37、1(.) 1 , 1()0 , 1(.) 1, 1 (.) 1 , 1 ()0 , 1 () 1, 0(.) 1 , 0()0 , 0(),(NMfMfMfNfffNfffjig2.2 图像的获取图像的获取-数字化过程数字化过程(Image Digitalization and Representation) An example of the digital image acquistion process图像数字化图像数字化 2.2 图像的获取图像的获取-数字化过程数字化过程(Image Digitalization and Representation) 矩阵的元素称为数字图像的像素或像

38、元。矩阵的元素称为数字图像的像素或像元。图像图像数字化数字化过程可表示如下过程可表示如下： 代表经过量化后的像素值。代表经过量化后的像素值。 000101101101101111(,)(,)(,)(,)(,)(,)( , ) ( , )(,)(,)(,)( , )NNMNMMMNlMNf xyf xyf xyf x yf x yf xyf x yf i jf xyf xyf xyf i j 采样量化( , )lf i j2.2 图像的获取图像的获取-数字化过程数字化过程(Image Digitalization and Representation) 连续信号连续信号抽样、量化抽样、量化数字信

39、号数字信号1、采样采样图像在空间上的离散化称为采样。用空间上部分点的灰度值图像在空间上的离散化称为采样。用空间上部分点的灰度值代表图像，这些点称为采样点。代表图像，这些点称为采样点。图像是一种二维分布的信息，为了对它进行采样操作，需要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。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。然后，再平方向直线扫描，取出各水平线上灰度值的一维扫描。然后，再对一

40、维扫描线信号按一定间隔采样得到离散信号，对一维扫描线信号按一定间隔采样得到离散信号，即先沿垂直方即先沿垂直方向采样，再沿水平方向采样，通过这两个步骤完成采样操作。向采样，再沿水平方向采样，通过这两个步骤完成采样操作。对于运动图像对于运动图像，即时间域上的连续图像，需要先在时间轴上，即时间域上的连续图像，需要先在时间轴上采样，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。完成。 2.2 图像的获取图像的获取-数字化过程数字化过程(Image Digitalization and Representation) 当对一幅图像采样时，

41、若每行（横向）像素为当对一幅图像采样时，若每行（横向）像素为M个，每列（纵向）像素为个，每列（纵向）像素为N个，则图像大小为个，则图像大小为MXN个像素。个像素。一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率空间分辨率低，质量差，严重时出现马赛克效应；低，质量差，严重时出现马赛克效应；采样间隔越小，所得图像像素数越多，采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨空间分辨率率高，图像质量好，但数据量大。高，图像质量好，但数据量大。 Sampling图像的采样图像的采样图像的采样示例图像的采样示例 2、量化量化模拟图像经过采样后，在时间和空间上离散

42、化为像素。但模拟图像经过采样后，在时间和空间上离散化为像素。但经过采样所得到的像素值仍是连续量。经过采样所得到的像素值仍是连续量。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。称为图像灰度的量化。一幅图像中不同灰度值的个数称为灰度级，像素灰度取值一幅图像中不同灰度值的个数称为灰度级，像素灰度取值范围为范围为0255之间的整数，像素值量化后用之间的整数，像素值量化后用一个字节（一个字节（8位）位）来表示。如图所示，把黑来表示。如图所示，把黑灰灰白连续变化的灰度值量化为白连续变化的灰度值量化为256级灰度值，灰度值的范围为级

43、灰度值，灰度值的范围为0255，表示亮度从深到浅，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白。对应图像中的颜色为从黑到白。2.2 图像的获取图像的获取-数字化过程数字化过程(Image Digitalization and Representation) 量化等级越多量化等级越多，所得图像层次越丰富，所得图像层次越丰富，灰度分辨率灰度分辨率高，图像高，图像质量好，但数据量大；质量好，但数据量大；量化等级越少量化等级越少，图像层次欠丰富，灰图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现度分辨率低，会出现假轮廓现象，图像质假轮廓现象，图像质量变差，但数据量小量变差，但数据量小. Quantization图

44、像的量化示例图像的量化示例 图像的量化图像的量化 （ a）256级 （b）128级 （c）64级 （d）32级 （e）16级 （f）8级 （g）2级 采样点一定量化级数变化对图像质量的影响采样点一定量化级数变化对图像质量的影响 一般情况下，当限定数字图像的大小时，为了得到质量较好的一般情况下，当限定数字图像的大小时，为了得到质量较好的图像图像对采样和量化对采样和量化可以采用如下原则：可以采用如下原则：（1）对对缓变缓变图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓；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，应该细采样，粗量化，以避免模糊）对细节丰富的图像，应该细采样，粗量化，以避

45、免模糊（即混叠）。（即混叠）。 对于彩色图像，是按照颜色成分红（对于彩色图像，是按照颜色成分红（R）、绿（）、绿（G）、蓝）、蓝（B）分别采样和量化的。若各种颜色成分均按）分别采样和量化的。若各种颜色成分均按8位量化，即每位量化，即每种颜色量化级别是种颜色量化级别是256，则可以处理，则可以处理 256256256=16777216种颜色。种颜色。50图像图像景物景物采样图采样图像像数字图像数字图像),(yxf),( yxgs),( yxgd),(yxp图图2.1 图像采集系统图像采集系统 ),(*),(),(yxpyxhyxf2.2 图像的获取图像的获取-图像数字化设备图像数字化设备(Ima

46、ge Digitalization and Representation) u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。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码相机、扫描仪、数字化仪等。数码相机原理结构图数码相机原理结构图CCD扫描仪原理结构扫描仪原理结构2.2 图像的获取图像的获取-图像数字化设备图像数字化设备(Image Digitalization and Representation) 图像数字化设备由如下几种模块组成：图像数字化设备由如下几种模块组成：u采样孔、图像扫描机构采样孔、图像扫描机构 、光传感器、光传感器 、量化器、量化器 、

47、输出存储体、输出存储体 图像数字化硬件示意图图像数字化硬件示意图（1 1）采样孔：）采样孔：使数字化设备能够使数字化设备能够单独地观测特定的图像元素单独地观测特定的图像元素而不而不受图像其他部分的影响。受图像其他部分的影响。孔径越小，成像后空间分辨率越高。孔径越小，成像后空间分辨率越高。（2 2）扫描机构：）扫描机构：使采样孔能够按照预先确定的方式在图像上移使采样孔能够按照预先确定的方式在图像上移动，从而按照顺序观测到每一个像素。动，从而按照顺序观测到每一个像素。将二维空间的图像信号将二维空间的图像信号转换为一维时间的图像信号。转换为一维时间的图像信号。（3 3）光传感器：）光传感器：起光电转

48、换作用起光电转换作用，通过采样检测图像的每一像通过采样检测图像的每一像素的亮度并转化为模拟电信号。目前图像传感器一般为素的亮度并转化为模拟电信号。目前图像传感器一般为CCD传传感器和感器和CMOS传感器。传感器。（4 4）量化器：）量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。典型的量将传感器输出的连续量转化为整数值。典型的量化器是化器是A/DA/D转换电路，它产生一个与输入电压或电流成比例的数转换电路，它产生一个与输入电压或电流成比例的数值。值。（5 5）输出存储装置：）输出存储装置：将量化器产生的灰度值按适当格式存储起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。来，以用于计算

49、机后续处理。 图像数字化器的性能评价图像数字化器的性能评价性 能含 义空间分辨率空间分辨率单位尺寸能够采样的像素数。由采样孔径与间距的单位尺寸能够采样的像素数。由采样孔径与间距的大小和可变范围决定大小和可变范围决定（采样过程中选择和产生）（采样过程中选择和产生）灰（色）度分辨率灰（色）度分辨率 量化量化的等级数（位深度）、颜色数（色深度）的等级数（位深度）、颜色数（色深度）图像大小图像大小仪器允许扫描的最大图幅仪器允许扫描的最大图幅量测特征量测特征数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度扫描速度扫描速度采样数据的传输速度采样数据的传输速度噪声噪声数字化器

50、的噪声水平（应当使噪声小于图像内的反数字化器的噪声水平（应当使噪声小于图像内的反差）差）其他其他黑白黑白/彩色、价格、操作性能等彩色、价格、操作性能等图像输出设备图像输出设备 l数字图像的显示是图像数字化的逆过程（数字图像的显示是图像数字化的逆过程（D/AD/A）。）。l图像显示方法有两种类型：图像显示方法有两种类型：永久性的和暂时性的。永久性的和暂时性的。永久永久性显示方法性显示方法通过永久性地改变纪录媒体的光吸收特性而在纸、通过永久性地改变纪录媒体的光吸收特性而在纸、胶片或其他永久媒体上产生图像的硬拷贝。胶片或其他永久媒体上产生图像的硬拷贝。暂时性显示方法暂时性显示方法则在显示屏上产生一幅