《数字图像基础》PPT课件.ppt

数字图像基础,什么是图像,“图”是物体投射或反射光的分布， “像”是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成的印象或反映。是客观和主观的结合。 图像是人们最主要的信息源！,百闻不如一见,百闻不如一见 One picture is worth more than ten thousand words. Anonymous,数字图像,图像的类别,可见光成像和不可见光成像,彩色与非彩色图像,模拟图像和数字图像,1模拟图像 模拟图像可用连续函数来描述。 特点：光照位置和光照强度均为连续变化的。 2数字图像image 可用矩阵或数组来描述 像素pixel(2-D)属性：空间位置和灰度。,数字图象坐标系,图像处理的概念,图像处理：它是研究图像的获取、传输、存储，变换、显示、理解与综合利用的一门崭新学科。 图像的数字化 图像变换 图像变换目的在于：处理问题简化、有利 于特征提取、加强对图像信息的理解,图像处理的内容,图像处理的内容,图像增强 介绍各种增强方法及其应用，增强图像的有用信息，消弱噪声的干扰。 图像的恢复与重建 把退化、模糊了的图像复原，包括图像辐射和几何校正等内容；由断层扫描重建二、三维图像。,图像编码提高图象传输和存储效率简化图像的表示，以压缩图像的数据，便于存储和传输。 图像分割 提取出感兴趣的对象。为进一步的理解和识别做准备。重点介绍图像分割的方法及其应用。,二值图像处理与形状分析 介绍二值图像的几何概念、二值图像连接成分的各种变形算法和二值图像特征提取与分析的各种方法。 纹理分析 主要介绍影像纹理的概念及其特征提取与分析的一些方法与应用。,图像识别 对图像中的不同对象进行分类、描述和解释。,数字图像处理系统概述,图像采集模块,获取数字图像的设备即采集装置 扫描仪 数码照相机 数码摄像机 图像采集模块 采集装置都包括下面两个部件： 光敏感器件 模/数转换装置,存储模块,图像显示的主要形式： 常用硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、 光盘、磁带等 在海量图像存储备份系统中，采用 磁盘阵列、磁带库、光盘塔等存储设备。,图像通信模块,图像通信就是把图像传送到远方终端。 按传输图像种类分为 静止图像通信，如电报、传真和图文电视等 活动图像通信，如电视、可视电话等。,数字图像处理的特点,精度高 对于一幅图像而言，数字化时不管是用多少比特表示，只需改变计算机中程序的参数，处理方法不变。所以从原理上讲不管对多高精度的数字图像进行理都是可能的。而在模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必须对装置进行大幅度改进。,数字图像处理的特点,再现性好 不管是什么数字图像，均用数组或数组集合表示。在传送和复制图像时，只在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢失或遭破坏，保持了完好的再现性。而在模拟图像处理过程中，就会因为各种干扰因素而无法保持图像的再现性。,数字图像处理的特点,通用性、灵活性强 不管是可视图像还是X光图像、热红外图像、超声波图像等不可见光图像，尽管这些图像生成体系中的设备规模和精度各不相同，但当把这些图像数字化后，对于计算机来说，都可同样进行处理，这就是计算机处理图像的通用性。另外，改变处理图像的计算机程序，可对图像进行各种各样的处理，如上下滚动、漫游、拼接、合成、变换、放大、缩小和各种逻辑运算等，所以灵活性很高 便于集成化 不需复杂的阻抗匹配 抗噪声干扰能力强,图象处理存在缺点,图象信号的数字化处理也存在一些缺点：比如处理速度较慢、系统相对比较复杂、信号量化过程中可能引入噪声、量化时损失的信息无法恢复。,人类视觉模型,人类视觉系统 人类视觉是人眼对场景可见光能量在视网膜上形成的一种刺激，通过人脑对刺激信号的处理，获取场景的描述和感知。 重要性 图象系统的输出是给人们观看的，了解可视图象被人眼接收过程，对于测度图象逼真度是重要的，它有助于评价图象处理算法。,眼的构造,光学系统： Lens(镜头)、Pupil（瞳孔）、iris(虹膜) 视网膜(Retina)：有锥状和杆状光电接收器 锥状细胞(cone)：白昼视觉，感光、感色 杆状细胞(rod)：夜间视觉，不感色 视神经：视神经脉冲传入大脑进行图象处理,视觉影像,视觉分辨率,人眼在某一距离能区分相邻两点的能力。 用最小视角表示： = d / l d:刚好能分辨的两点间的最小距离; l:眼睛到两点连线的垂距.,人类视觉的弱点:,1. 人只能感觉可见光波段能量，对其它波段不敏感； 2. 人眼视场角固定，空间分辨率和灰度分辨率有限； 3. 人眼有积分效应，对单次图象瞬间变化、快速运动图象分析存储困难； 4. 准确测量图象参数能力较差； 5受知识水平差异的影响，人对同一图象的响应不同； 6人是有思想的生物体，视觉受情绪和疲劳程度的影响。,图像的表示,图像的像素,数学表示,二维离散亮度函数f(x,y) 1 x y说明图像像素的坐标 2 函数值f 代表了在点(x,y)处像素的亮度值 二维矩阵Am,n 1 m , n说明图像的宽和高 2 矩阵元素a(i j)的值表示图像在第i 行，第j 列的像素的灰度值,计算机表示,图像描述信息 一般以结构或类来描述 主要包括宽高等 图像数据 数组 顺序存放的连续数据 BMP格式,图像质量：层次,表示象素明暗程度的整 数量称为灰度级 层次表示灰度级的数量 图像数据的实际层次越多视觉效果就越好,层次,对比度,清晰度,降低饱和度,减少细微层次,图像的像素:邻域,图像的像素：像素的连通性,连通性是描述区域和边界的重要概念 两个像素连通的两个必要条件是： 两个像素的位置在某种情况下是否相邻 两个像素的值是否满足某种相似性 4-连通8-连通,色彩属性,色彩具有基本的三属性： 色相（Hue）就是色彩的颜色，如红，橙，黄，绿，蓝，紫等各代表一种色相，而黑，白以及各种灰色则属于无色系； 色调（Brightness）是指色彩的明暗程度; 饱和度（Saturation）则是指色彩的纯度，又称为彩度。 对比度是指不同颜色之间的差异。,HSI模型(基于人眼感知心理),HSI模型,HSI模型 H色度：取值0-360 S饱和度: 取值0-1 I亮度：取值0-1,HSI模型,加色模式,色光三原色 (R.G.B) 屏幕显示的色彩是由 RGB（红，绿，蓝）三种色光所合成的。可以用加色法来计算混合后的色彩，色光越多越接近白色。,加色原色,原色包括加色原色和减色原色 加色原色是指三种色光（红色、绿色和蓝色），当按照不同的组合将这三种色光添加在一起时，可以生成可见色谱中的所有颜色。添加等量的红色、蓝色和绿色光可以生成白色。完全缺少红色、蓝色和绿色光将导致生成黑色。计算机的显示器是使用加色原色来创建颜色的设备。,R+G+B 白光 颜色空间 256*256*256 RGB(255,255,255)白色，RGB(0,0,0)黑色 R=G=B，灰色,RGB模型(加色模式),RGB模型 杨赫姆霍尔兹视觉三基色假说： C=R+G+B RGB分别取值0-1 或0-255,24位色立方体,每幅彩色图包括3个独立的基色平面,即可分解到3个平面上。反过来如果图象可被表示为3个平面，用这个模型比较方便。,减色原色,减色原色是指一些颜料，当按照不同的组合将这些颜料添加在一起时，可以创建一个色谱。与显示器不同，打印机使用减色原色（青色、洋红色、黄色和黑色颜料）并通过减色混合来生成颜色。使用“减色”这个术语是因为，这些原色都是纯色，将它们混合在一起后生成的颜色都是原色的不纯版本。例如，橙色是通过将洋红色和黄色进行减色混合创建的。,CMYK模型(减色模式),C,M,Y三个密度值表示一个颜色 网点(Screen)的概念及成色原理: 网格上的最小墨点 调幅网点：通过改变网点的大小 调频网点：通过改变单位面积中，相同大小网点的出现次数,例：书在暗房看不见，不会发光，光线不同显示颜色不同 CMY数值，1-100% 光-吸收-反射 白纸，不印，MCY(0,0,0)白色 白纸，CMY（100，100，100）黑色 理论 提高黑色纯度，黑色油墨K,CIE(国际照明委员会)色度图,周围是光的波长从380到700纳米，采用归一化表示方法，X，Y分别是红绿的比例，蓝光的比例为1-X-Y，白光的坐标（0.33，033）,CIE模型,归一化颜色空间,Lab颜色空间,Lab模式,Lab模式通过两个色调参数（a、b）和一个光强度参数（L）来控制色彩。 Lab颜色是Photoshop在不同颜色模式之间转换时使用的中间颜色模式。如当RGB和CMYK两种模式互换时，都需要先转换为Lab模式，这样才能减少转换过程中的损耗,色轮,如果您是第一次调整颜色分量，在处理色彩平衡时手头有一个标准色轮图表会很有帮助。可以使用色轮来预测一个颜色分量中的更改如何影响其它颜色，并了解这些更改如何在 RGB 和 CMYK 颜色模型之间转换。,蓝+绿=青 红+绿=黄 红+蓝=品红 两个加色得到一个减色 青色墙面照红光 黑色 青色是红色的补色，青色吸收红光， 绿色的树，照品红，黑色 互补原色 吸收对方,伪彩色模型,定义: 通过颜色映射表描述色彩 实际上是RGB颜色模型的变体。 用伪彩色描述颜色的方法: 建立颜色映射表, 一般表的长度16-256。 像素值用其RGB值在映射表中的位置代替 通过抖动技术缓解颜色种类不足的问题 如何找出16-256种关键颜色是成败的关键。,图像颜色的表示,亮度和颜色感觉的视觉特征,1 刺激强度与感觉的关系,2亮度适应和颜色适应,3亮度对比和颜色对比,在相同亮度的刺激下，背景亮度不同所感觉到的明暗程度也不同。,4颜色感觉与刺激面积的关系,对一个色觉正常的人来说，颜色刺激面积非常小时就不能识别颜色了第三色盲。 这个原理被用到彩色电视机原理中，对减少传送频带作出了贡献。,视觉的空间性质,马赫带效应轮廓增强现象: 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，马赫带效应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：人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制。 马赫带现象是1868年由奥地利物理学家 E.马赫发现的一种明度对比现象，即是指人们在明暗交界处感到亮处更亮，暗处更暗的现象。它是一种主观的边缘对比效应。当观察两块亮度不同的区域时，边界处亮度对比加强，使轮廓表现得特别明显。,视觉的时间特性,指对光刺激的过渡反应特性。如对闪烁的灵敏度特性、适应性、残像、对运动的感觉及眼球运动和感觉的关系等性质。 视觉暂留: 这种主观感觉是由于视觉暂留效应和大脑内插功能形成的。视觉暂留效应是电影、电视、动画的基础。,形状感觉与错,视觉系统所感觉到的物体的形状并是简单的投影到视网膜上的形状。对形状的感觉受到物体自身形状及周围背景的影响，也有心理因素的作用。 错视是视觉对图形感觉的一个重要现象。,颜色同化,当某一色被其他色所包围时，如果被包围的色在色相、明度方面与包围色非常接近，或者两者面积对比十分悬殊，被包围之色面积很小，那么，被包围之色就会被包围之色“吃掉”，这种色彩现象称之为“色彩同化 ”。,All the red squares in both diagonals are exactly the same red color. Yet, when the pattern is seen as a whole, the two red diagonals appear different from each other。,图像数字化,图像数字化是将一幅画面转化成计算机能处理的形式数字图像的过程。 连续图象经采样、分层、量化、编码等步骤变成数字图象。 1 采样： 将空间上连续的图像变换成离散点（象素）集的操作称为采样。由于图象是二维分布的信息，所以采样是在x和y轴两个方向上进行。若在模拟图象的x方向采M个点，y方向采N个点，就得到M*N个点的数字化图象的形式。,图像数字化,采样定理,图像的采样与数字图象的质量,一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现像素呈块状的国际棋盘效应；采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。,图像数字化,2 量化 经采样图像被分割成空间上离散的像素，但其灰度是连续的，还不能用计算机进行处理。 量化：将测量的灰度值用整数表示。 一般图象均量化为8bit, 即用0255描述“黑白”（称灰度级Grey level为256级） 灰度分辨率：指值的单位幅度上包含的灰度级数。,图像的量化与数字图象的质量,量化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率高，图像质量好，但数据量大； 量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓现象，图像质量变差，但数据量小。但在极少数情况下对固定图像大小时，减少灰度级能改善质量，产生这种情况的最可能原因是减少灰度级一般会增加图像的对比度。例如对细节比较丰富的图像数字化。,数字化器,数字化器,数字化器必须能够将图像划分为若干像素并分别给它们地址，能够度量每一像素的灰度并量化为整数，能够将这些整数写入存储设备。 数字化器组成 A采样孔：保证单独观测特定的像素而不受其它部分的影响。 B图像扫描机构：使采样孔按预先确定的方式在图像上移动。 C光传感器：通过采样孔测量图像的每一个像素的亮度。 D量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。 E输出存储体：将像素灰度值存储起来。它可以是固态存储器，或磁盘等。 常用的数字化器是扫描仪和数码相机。,数字图像的种类,1黑白图像：指图像的每个像素只能是黑或白，没有中间过渡，又称二值图像。像素值为0或1。,数字图像的种类,2灰度图像 指每个像素的信息有一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息。,数字图像的种类,3彩色图像 指每个像素的信息由RGB三原色构成的图像，其中RGB是由不同的灰度级来描述的。,图像文件格式,BMP(Bit-mapped format) BMP文件是最普遍的点阵图格式之一，是WINDOWS系统下的标准格式，我们利用WINDOWS的“画图”程序绘图，就是存成BMP文件BMP格式支持RGB、索引颜色、灰度和位图颜色模式，不支持Alpha通道. JPEG联合图象专家组(Joint Photographics Experts Group) JPEG是一种高效率的压缩文件，在存文件时能够将人眼无法分辨的资料删除，以节省储存空间，但这些被删除的资料无法在解压时还原，所以JPEG文件并不适合放大观看，输出成印刷品时品质也会受到影响，这种类型的压缩文件，称为失真（Loosy）压缩或破坏性压缩,图像文件格式,TIF(Tagged image file format)和EPS TIFF和EPS格式都包含两个