数字图像处理基础知识课件1.ppt
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1、第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1 基本概念基本概念2.2 基本系统基本系统2.3 数字图像处理基础数字图像处理基础第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1 基本概念基本概念图像的像素图像的像素图像是像素图像是像素的二维排列的二维排列y yx x 数字图像由二维的元素组成,每一个元素具有数字图像由二维的元素组成,每一个元素具有一个特定的位置(一个特定的位置(x,y)和幅值)和幅值f(x,y),这些元素就称这些元素就称为像素。为像素。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.1
2、 图像的表示图像的表示1.数学表示数学表示(1)二维离散亮度函数二维离散亮度函数f(x,y)f(x,y)(图像函数)(图像函数)1)x y1)x y表示图像像素的坐标;表示图像像素的坐标;2)2)函数值函数值f f 代表了在点代表了在点(x,y)(x,y)处像素的亮度值(灰处像素的亮度值(灰度值)。度值)。(可对应不同物理量,常用灰度表示)(可对应不同物理量,常用灰度表示)一幅彩色图像一幅彩色图像:各点值还应反映出色彩变化,即各点值还应反映出色彩变化,即可用可用f f(x x,y y,)表示,其中)表示,其中 为波长。为波长。活动彩色图像活动彩色图像(电视、电影):电视、电影):还应是时间还应
3、是时间t t的函的函数,即可表示为数,即可表示为 f f(x x,y y,t t)。)。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.1 图像的表示图像的表示(2)二维矩阵二维矩阵Am,nAm,n1)m,n1)m,n表示图像的高和宽;表示图像的高和宽;2)2)矩阵元素矩阵元素a(i j)a(i j)的值表示图像在第的值表示图像在第i i 行、行、第第j j 列的像素的灰度值列的像素的灰度值。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.1 图像的表示图像的表示M像素N像素像素数字图像数字图像(M M N N像素)像素)F=矩阵表示(矩阵表示(M M行行N N列矩
4、阵列矩阵)数字图像的矩阵表示数字图像的矩阵表示 N,M1,M2,21,2N,12,11,1fffffff第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.1 图像的表示图像的表示2.2.计算机表示计算机表示(1)图像数据图像数据 数组数组 顺序存放的连续数顺序存放的连续数据据(2)文件(如:文件(如:BMP格式)格式)第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.2 图像的数字化图像的数字化(DIGITIZING)(DIGITIZING)图像的数字化:图像的数字化:将代表图像的连续(模拟)信号转变为离散(数字)信将代表图像的连续(模拟)信号转变为离散(数字)信号的变
5、换过程。号的变换过程。要解决两个问题:要解决两个问题:空间取样(空间坐标的离散化)空间取样(空间坐标的离散化)幅度的量化(幅度的离散化,灰度值或亮度值变为若幅度的量化(幅度的离散化,灰度值或亮度值变为若干级)干级)数字图像数字图像(DIDITAL IMAGEDIDITAL IMAGE):):在空间坐标和亮度上都离散化了的图像。在空间坐标和亮度上都离散化了的图像。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.2 图像的数字化图像的数字化1.1.抽样(采样,抽样(采样,SAMPLINGSAMPLING)空间上连续的图像变换成离散点(抽样点,空间上连续的图像变换成离散点(抽样点,即像
6、素,即像素,PIXELPIXEL)的集合的一种操作。即图像)的集合的一种操作。即图像空间空间坐标坐标(x,y)(x,y)的数字化的数字化被称为图像抽样。被称为图像抽样。NM 确定水平和垂直方向上的像素个数确定水平和垂直方向上的像素个数M M、N N。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.2 图像的数字化图像的数字化取样点的选取取样点的选取 假定一幅图像取假定一幅图像取M M N N个样点个样点1)M1)M,N N一般为一般为2 2的整数次幂;的整数次幂;2)M2)M,N N可以相等,也可以不等;可以相等,也可以不等;3)3)对于对于M M,N N数值大小的确定:数值大小
7、的确定:M M N N大到满足采样定理,重建图像就不会大到满足采样定理,重建图像就不会产生失真。产生失真。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.2 图像的数字化图像的数字化采样定理采样定理 如果信号所含的最高频率成份为如果信号所含的最高频率成份为f fN N,则采样频率至少是,则采样频率至少是f fN N的两倍时,的两倍时,可保证采样信号的不失真。可保证采样信号的不失真。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识 图像的图像的采样采样与数字图像的质量与数字图像的质量265 180133 9066 4533 222.1.2 图像的数字化图像的数字化第二章第二章
8、 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.2 图像的数字化图像的数字化2.量化(量化(QUANTIZATION)图像函数值(灰度值)的离散化(取值的数字图像函数值(灰度值)的离散化(取值的数字化)化)被称为图像灰度级量化;被称为图像灰度级量化;量化处理:量化处理:将将f 映射到映射到Z的处理;的处理;Z的最大取值,确定像素的灰度级数的最大取值,确定像素的灰度级数Q=2b,如如256。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识Zi+1ZZi-1Qi+1QQi-1连续的连续的灰度值灰度值 量化值量化值(整数值)(整数值)量化量化黑色黑色 灰色灰色 白色白色 从白到黑的从白到黑的
9、连续变化连续变化黑色黑色灰色灰色白色白色灰度标度灰度标度2552541281001128254255灰度级的分配灰度级的分配把从白到黑的灰度值把从白到黑的灰度值(gray level)量化成量化成8比特比特2.1.2 图像的数字化图像的数字化第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.2 图像的数字化图像的数字化若将样点量化为若将样点量化为Q Q级,级,Q Q如何取值如何取值:1)Q1)Q总是取总是取2 2的整数次幂,如的整数次幂,如Q=2Q=2b b;2)b2)b取值越大,重建图像失真越小,若要取值越大,重建图像失真越小,若要完全不失真重建图像完全不失真重建图像 ,b b必
10、须取无穷大,必须取无穷大,否则一定存在失真。这就是所谓量化误否则一定存在失真。这就是所谓量化误差。差。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识 图像的图像的量化量化与数字图像的质量与数字图像的质量256灰度级灰度级16灰度级灰度级8灰度级灰度级4灰度级灰度级2.1.2 图像的数字化图像的数字化第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识 3.非均匀取样和量化非均匀取样和量化 非均匀取样非均匀取样 在变化大细节多的区域在变化大细节多的区域较精(密)取样较精(密)取样 平坦变化缓慢区域平坦变化缓慢区域较粗(稀)取样较粗(稀)取样 2.1.2 图像的数字化图像的数字化第二章第
11、二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.2 图像的数字化图像的数字化 非均匀量化非均匀量化 在边界附近(灰度剧烈变化区)在边界附近(灰度剧烈变化区)量化级少量化级少 灰度级变化比较平滑的区域灰度级变化比较平滑的区域量化级多量化级多,避避免或减少由于量化的太粗糙,在灰度级变化比免或减少由于量化的太粗糙,在灰度级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现象较平滑的区域出现假轮廓的现象第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识4.一个好的近似图像,需要多少采样分辨率和灰度级一个好的近似图像,需要多少采样分辨率和灰度级 胡昂胡昂1965实验:实验:实验方法实验方法 选取一组细节多少不同
12、的、不同选取一组细节多少不同的、不同N、M、Q的图像的图像 让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图像排序让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图像排序 实验结论实验结论 随着采样分辨率和灰度级的提高,主观质量也提高随着采样分辨率和灰度级的提高,主观质量也提高 对有大量细节的图像,质量对灰度级需求相应降低对有大量细节的图像,质量对灰度级需求相应降低2.1.2 图像的数字化图像的数字化第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.3 图像的质量图像的质量 1.灰度层次灰度层次 灰度层次:灰度层次:表示灰度级的数量表示灰度级的数量
13、图像数据的实际层次越多视觉效果就越好。图像数据的实际层次越多视觉效果就越好。16个层次的图像个层次的图像256个层次的图像个层次的图像 64个层次的图像个层次的图像第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.3 图像的质量图像的质量2.清晰度清晰度与清晰度相关的主要因素与清晰度相关的主要因素 亮度亮度 对比度对比度 主题内容的大小(尺寸大小)主题内容的大小(尺寸大小)细微层次细微层次 颜色饱和度颜色饱和度第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.3 图像的质量图像的质量亮度亮度第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.3 图像的质量图像
14、的质量对比度:对比度:是指一幅图像中灰度是指一幅图像中灰度反差的大小反差的大小对比度对比度=最大亮度最大亮度/最小亮度最小亮度对比度对比度第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.3 图像的质量图像的质量尺寸大小尺寸大小第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.3 图像的质量图像的质量细微层次细微层次第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.3 图像的质量图像的质量颜色饱和度颜色饱和度第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.4 图像的颜色图像的颜色1.1.彩色基础知识彩色基础知识 为什么要研究彩色图像处理?为什么
15、要研究彩色图像处理?符合人类视觉特点符合人类视觉特点 人类可以辨别几千种颜色色调和亮度人类可以辨别几千种颜色色调和亮度 只能辨别几十种灰度层次只能辨别几十种灰度层次 有用的描绘子有用的描绘子 简化目标物的区分简化目标物的区分 目标识别:根据目标的颜色特征目标识别:根据目标的颜色特征第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.4 图像的颜色图像的颜色2.1.4 图像的颜色图像的颜色 17世纪,牛顿通过用三棱镜研究对白光的折射发现,白世纪,牛顿通过用三棱镜研究对白光的折射发现,白光可被分解成一系列从红到紫的连续光谱。光可被分解成一系列从红到紫的连续光谱。证明白光是由不同颜色(这些
16、颜色不能再进一步分解)证明白光是由不同颜色(这些颜色不能再进一步分解)的光线相混合而组成的。的光线相混合而组成的。一个物体反射的光若在所有的可见光波长范围内是平衡一个物体反射的光若在所有的可见光波长范围内是平衡的,对观察者来说显示白色。若一个物体对有限的可见的,对观察者来说显示白色。若一个物体对有限的可见光谱范围反射,则物体呈现某种颜色。光谱范围反射,则物体呈现某种颜色。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识 可见光 无线电波 射线 X射线紫 外线 红外线 微波 超短短波中波 长波0.01nm 1nm 0.1 10 0.1cm 10cm 10m 1km 100km 电磁波谱分布
17、 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 0.38 0.43 0.47 0.5 0.56 0.59 0.62 0.76(m)2.1.4 图像的颜色图像的颜色第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.彩色模型(也称彩色空间或彩色系统)彩色模型(也称彩色空间或彩色系统)彩色模型:彩色模型:抽象表示和描述颜色的方法抽象表示和描述颜色的方法 RGB RGB模型模型 CMYK CMYK模型模型 CIE CIE模型模型 HSI HSI模型模型2.1.4 图像的颜色图像的颜色第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.4 图像的颜色图像的颜色1)RGB1)RGB模型模型 杨杨赫姆霍尔兹
18、视觉三基色假说赫姆霍尔兹视觉三基色假说:C=R+G+BC=R+G+B 视网膜锥体细胞感红感绿感蓝色素,对光的视网膜锥体细胞感红感绿感蓝色素,对光的响应峰值分别在红、绿、蓝区,由此综合形成色响应峰值分别在红、绿、蓝区,由此综合形成色觉信息。觉信息。CCDCCD技术直接感知技术直接感知R,G,BR,G,B三个分量三个分量 是图像成像、显示等设备的基础是图像成像、显示等设备的基础第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识人类感光细胞的敏感曲线人类感光细胞的敏感曲线400 450 500 550 600 650 700100806040200蓝蓝绿绿红红波长波长(nm)光光吸吸收收特特性性
19、%三种不同频率响应的锥细胞,各对红、绿、三种不同频率响应的锥细胞,各对红、绿、蓝具有最强的响应,彩色的识别功能蓝具有最强的响应,彩色的识别功能2.1.4 图像的颜色图像的颜色第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识 CIE模型模型2.1.4 图像的颜色图像的颜色第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识红红青青黄黄蓝蓝RGBRGB模型模型绿绿洋红洋红(0,1,0)(0,1,0)(0,0,1)(0,0,1)(1,0,0)(1,0,0)白白黑黑2.1.4 图像的颜色图像的颜色第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.4 图像的颜色图像的颜色 在在RGB
20、彩色空间的原点上,任一基色均没有亮度,即原彩色空间的原点上,任一基色均没有亮度,即原点为黑色。三基色都达到最高亮度时则表现为白色。亮度点为黑色。三基色都达到最高亮度时则表现为白色。亮度较低的等量的三种基色产生灰色的影调。所有这些点均落较低的等量的三种基色产生灰色的影调。所有这些点均落在彩色立方体的对角线上,该对角线被称为灰色线。彩色在彩色立方体的对角线上,该对角线被称为灰色线。彩色立方体中有三个角对应于三基色立方体中有三个角对应于三基色红、绿和蓝色。剩下的红、绿和蓝色。剩下的三个角对应于黄色,青色和洋红(品红)。三个角对应于黄色,青色和洋红(品红)。最直接的方法是使用红,绿,蓝的亮度值,大小限
21、定到最直接的方法是使用红,绿,蓝的亮度值,大小限定到一定范围,如一定范围,如0到到1或或0到到255。我们把这种约定称为。我们把这种约定称为RGB格式。格式。每个像素(任何可能要量化的颜色)都能用三维空间中第一每个像素(任何可能要量化的颜色)都能用三维空间中第一象限的一个点来表示,如上页图中的彩色立方体所示。象限的一个点来表示,如上页图中的彩色立方体所示。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.4 图像的颜色图像的颜色RGB图像图像R分量图像分量图像G分量图像分量图像B分量图像分量图像第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识 CMY(青、洋红、黄青、洋红、黄
22、)、CMYK(青、洋红、黄、黑)青、洋红、黄、黑)运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备,如彩色运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备,如彩色打印机和复印机。打印机和复印机。CMYK 打印中的主要颜色是黑色打印中的主要颜色是黑色 等量的等量的CMY原色产生黑色,但不纯原色产生黑色,但不纯 在在CMY基础上,加入黑色,形成基础上,加入黑色,形成CMYK彩色空间彩色空间2.1.4 图像的颜色图像的颜色红红青青黄黄蓝蓝绿绿洋红洋红白白黑黑第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.4 图像的颜色图像的颜色2)HSI2)HSI格式格式 H(hue):H(hue):色调色调,表示颜色,与波
23、长有关,取值表示颜色,与波长有关,取值0-0-360360。S(saturation):S(saturation):饱和度饱和度,表示色纯度,即单色光表示色纯度,即单色光中渗入白光的程度,取值中渗入白光的程度,取值0-10-1或或0-1000-100。I(intensity):I(intensity):强度强度,表示人眼感知颜色的强弱表示人眼感知颜色的强弱程度,它和能量大小及人眼对不同波长的感知程度,它和能量大小及人眼对不同波长的感知能力有关,能力有关,取值取值0-10-1或或0-100 0-100。第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识2.1.4 图像的颜色图像的颜色白白红红
24、绿绿蓝蓝S S0 0 I I黑黑240240 120120 H H柱形彩色空间柱形彩色空间0 0 红红蓝蓝240240 绿绿120120 H HS S色环色环HSIHSI模型模型第二章第二章 数字图像处理基础知识数字图像处理基础知识HSI(色调、饱和度、亮度)(色调、饱和度、亮度)两个特点:两个特点:I分量与图像的彩色信息无关分量与图像的彩色信息无关 H和和S分量与人感受颜色的方式是紧密相连的分量与人感受颜色的方式是紧密相连的 将亮度将亮度(I)与色调(与色调(H)和饱和度()和饱和度(S)分开)分开 避免颜色受到光照明暗避免颜色受到光照明暗(I)等条件的干扰等条件的干扰 仅仅分析反映色彩本质
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