数字图像处理第二章教材

第二章数字图象处理基本概念

图像与二维光强度函数有关，在空间坐标（x,y）处的值就是该点的光强度（亮度），用表示。因为光是能量的一种形式，故大于零，

2.1图像模型

第二章基本概念遥感的成像机理遥感的成像机理遥感的成像机理遥感的成像机理大气辐射传输过程人眼看到的图像一般都是由物体反射的光组成的。可被看成由两个分量组成：一个分量是在所见场景上的入射光量，另一分量是场景中物体反射光量的能力，即反射率。这两分量被称为照射分量和反射分量，分别表示为i(x,y)和r(x,y)。函数和之积形成，即

式中

并且

的性质由光源确定。而则由景物中物体的特性而定，取值范围在极限0（全吸收）和1（全反射）之间。

将浓淡图像f(x,y)在（x,y）处的强度称为图像该点的灰度l的范围为

在理论上，必须为正，是有限的。间隔叫做灰度范围，通常把这一间隔在数值上归化到，即l∈0。表示黑，1表示白，所有中间值都是由黑连续变为白时的灰度值。图像数字化，是指将模拟图像经过离散化之后，得到用数字表示的图像。图像数字化是将一幅画面转化成计算机能处理的形式。

模拟图像数字图像正方形点阵

具体来说，就是把一幅图画分割成一个个小区域（像元或像素），并将各小区域灰度用整数来表示，形成一幅数字图像。小区域的位置和灰度就是像素的属性。

包括采样和量化两个过程。

2.2图像数字化1、数字图像的描述数字图像的描述是指如何用一个数值方式来表示一个图像。矩阵是二维的，所以可以用矩阵来描述数字图像。描述数字图像的矩阵是整数阵。矩阵是按照行列的顺序来定义数据的，为了编程方便起见，以矩阵坐标系来定义图像的坐标。行（i）列（j）矩阵A(i,j)矩阵坐标系X轴（i）Y轴（j）图像f(i,j)直角坐标系2.采样

采样间隔和采样孔径的大小是两个重要的参数。当对图像进行实际的抽样时，图像包含何种程度的细微的浓淡变化，取决于希望忠实反映图像的程度。

采样是指将在空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集的操作。采样是在x轴和y轴两个方向上进行。x轴方向与y轴方向的采样间隔相同。

采样一般是按正方形点阵取样的，除此之外还有三角形点阵、正六角形点阵取样。采样网格(a)正方形网格;(b)正六角形网格采样过程中的像元的形状可以是正三角形、方形、正六角形等各种形状，但为方便图像输入输出及计算机处理，最好采用正方形特别是正方形的形状。正方形点阵正三角形点阵正六角形点阵

对一幅图像采样时，若每行（即横向）像素为M个，每列（即纵向）像素为N个，则图像大小为M×N个像素。

以一景Landsat4或5的TM数字图像为例，共7个波段，其中6个波段有6166行，6166列，代表地面约185kmx185km的范围。每一个波段约有6166x6166=38M个像元，则7个波段共(6x38M)+24M=252M个像元，即需要252M字节存储空间才能存下一景全部的TM数据。采样采样的原理采样示意图

阵列成像传感器，如面CCD等。

不需要扫描，就能形成二维图像数字图像表示（1）紧凑矩阵表示（2）传统矩阵表示形式

采样时的注意点是

采样间隔的选取。采样间隔太小，则增大数据量；太大，则会发生信息的混叠，导致细节无法辨认。采样效果细节清晰，数据量为100%细节无法辨认，数据量为1%3.量化经采样图像被分割成空间上离散的像素，其灰度是连续的，还不能用计算机进行处理。将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫量化。一幅数字图像中不同灰度值的个数称为灰度级数，用G表示。一般来说，，g就是表示图像像素灰度值所需的比特位数。若连续灰度值用z来表示，对于满足zi≤z≤zi+1的z值，都量化为整数qi，qi称为像素的灰度值，z与qi的差称为量化误差。一般，像素值量化后用一个字节8bit来表示。把由黑—灰—白的连续变化的灰度值，量化为0～255共256级灰度值，灰度值的范围为0～255，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白。灰度级量化示意图（a）量化；(b)量化为8bit量化量化的概念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。即：灰度的离散化

连续灰度值量化为灰度级的方法有两种：一种是等间隔量化等间隔量化就是简单地把采样值的灰度范围等间隔地分割并进行量化。对于像素灰度值在黑—白范围较均匀分布的图像，这种量化方法可以得到较小的量化误差。该方法也称为均匀量化或线性量化。为了减小量化误差，引入了非均匀量化的方法。

另一种是非等间隔量化非均匀量化是依据一幅图像具体的灰度值分布的概率密度函数，按总的量化误差最小的原则来进行量化。具体做法是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，则量化间隔取大一些。由于图像灰度值的概率分布密度函数因图像不同而异，所以不可能找到一个适用于各种不同图像的最佳非等间隔量化方案。因此，实用上一般都采用等间隔量化。

采样与量化参数的选择一幅图像在采样时，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，也影响到该数字图像数据量的大小。假定图像取M×N个样点，每个像素量化后的灰度二进制位数为Q，一般Q总是取为2的整数幂，即Q=2k,则存储一幅数字图像所需的二进制位数b为(数据量)字节数B为

对一幅图像，当量化级数Q一定时，采样点数M×N对图像质量有着显著的影响。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。同理，当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一样。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，图像出现假轮廓。

量化是将各个像素所含的明暗信息离散化后，用数字来表示。一般的量化值为整数。充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊用途的图像均为8bit量化，即用[0255]描述“从黑到白”。量化可分为均匀量化和非均匀量化:均匀量化是简单地在灰度范围内等间隔量化。非均匀量化是对像素出现频度少的部分量化间隔取大，而对频度大的量化间隔取小。

一般情况下，对灰度变化比较平缓的部分用比较多的量化级，在灰度变化比较剧烈的地方用比较高的分辨率。用g(i,j)的数值来表示(i,j)位置点上灰度级值的大小，即只反映了黑白灰度的关系，如果是一幅彩色图像，各点的数值还应当反映色彩的变化，可用g(i,j,λ)表示，其中λ是波长。如果图像是运动的，还应是时间t的函数，即可表示为g(i,j,λ,t)。黑白图像是指图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的过渡，故又称为二值图像。二值图像的像素值为0或1。灰度图像灰度图像是指每个像素由一个量化的灰度值来描述的图像。它不包含彩色信息。彩色图像

彩色图像是指每个像素由R、G、B三原色像素构成的图像，其中R、B、G是由不同的灰度级来描述的。黑白图像

黑白图像是指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为２值图像。2值图像的像素值为0、1。黑白图像灰度图像

灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息。灰度图像彩色图像

彩色图像是指每个像素的信息由RGB三原色构成的图像，其中RBG是由不同的灰度级来描述的。彩色图像不能用一个矩阵来描述了，一般是用三个矩阵同时来描述。彩色图像数字图像的存储位图文件

——真彩色模式的数据区结构真彩色数据区像素的RGB值

：：数字图像的存储位图文件

——索引色模式的调色板

调色板RGBQUAD索引值

R

G

B

1

R1

G1

B1

2

R2

G2

B2：

:

:

:

N

RN

GN

BN数字图像的存储位图文件

——索引色模式的数据区索引值

R

G

B

1

R1

G1

B1

2

R2

G2

B2：

:

:

:

N

RN

GN

BN数据区像素的调色板索引值4.量化参数与数字化图像间的关系

数字化方式可分为均匀采样、量化和非均匀采样、量化“均匀”，指的是采样、量化为等间隔图像数字化一般采用均匀采样和均匀量化方式采用非均匀采样与量化，会使问题复杂化，因此很少采用。

量化参数与数字化图像间的关系采样间隔越大，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。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。

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采用如下原则：对缓变的图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓对细节丰富的图像，应细采样，粗量化,以避免模糊（混叠）对于彩色图像，是按照颜色成分——红（R）、绿（G）、蓝（B）分别采样和量化的。若各种颜色成分均按8bit量化，即每种颜色量级别是256，则可以处理256×256×256=16777216种颜色。

４.分辨率分辨率是指映射到图像平面上的单个像素的景物元素的尺寸。

1）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，分辨率的单位为dpi。例如，250dpi表示的就是该图像每英寸含有250个点或像素。在数字图像中，分辨率的大小直接影响到图像的质量。分辨率越高，图像细节越清晰，但产生的文件尺寸大，同时处理的时间也就越长，对设备的要求也就越高。所以在制作图像时要根据需要来选择分辨率。另外，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，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像文件的大小。

2）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率。通常以每英寸点数(dpi)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，标准的VGA显示卡的分辨率是640×480，即水平方向640点（像素），垂直方向480点（像素）。现在高性能的显示卡已支持1280×1024点以上的分辨率。

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(dpi)。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较为平滑。打印机的分辨率可达300dpi，甚至720dpi（需用特殊纸张）；而较老机型的激光打印机分辨率通常在300～360dpi之间，由于超微细碳粉技术的成熟，新的激光打印机的分辨率可达600～1200dpi，作为专业排版输出已经绰绰有余了。

4）扫描仪分辨率扫描仪分辨率的表示方法与打印机相类似，一般也用dpi表示。一般扫描仪提供的方式是水平分辨率要比垂直分辨率高。台式扫描仪的分辨率可以分为光学分辨率和输出分辨率。光学分辨率是指扫描仪硬件所真正扫描到的图像分辨率，目前市场上的产品，其光学分辨率可达800～1200dpi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，大约为光学分辨率的3～4倍。所以当你见到号称分辨率高达4800dpi或6400dpi的扫描仪时，这一定指的是输出分辨率。5.分辨率单位：像素/英寸，像素/厘米

（如：扫描仪的指标300dpi）

或者是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

（如：数码相机指标30万像素（640*480））

空间分辨率和灰度分辨率

（1）空间分辨率：图像空间中可分辨的最小细节。一般用单位长度上采样的像素数目或单位长度上的线对数目表示。（2）灰度分辨率：图像灰度级中可分辨的最小变化。一般用灰度级或比特数表示。（3）空间分辨率（图像的采样）与图像质量的关系265x180133x9066x4533x22问题：观察上面四幅图，总结空间分辨率与图像质量的关系。

总结：空间分辨率越高，图像质量越好；空间分辨率越低，图像质量越差，会出现棋盘模式。

灰度分辨率（图像的量化）与图像质量的关系256灰度级16灰度级8灰度级4灰度级问题：观察上面四幅图，总结灰度分辨率与图像质量的关系。

总结：灰度分辨率越高，图像质量越好；灰度分辨率越低，图像质量越差，会出现虚假轮廓。空间分辨率和灰度分辨率同时变化，对图像质量的影响航天影像分辨率0.80m机载数字影像分辨率0.20m机载光学影像分辨率0.10m分辨率分辨率(Resolution)IRS-IC5.8米分辨率图像IKONOS1米分辨率图像TM30mSPOT10m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字相机、扫描仪、数字化仪等。

1.图像数字化设备的组成采样和量化是数字化一幅图像的两个基本过程。即把图像划分为若干图像元素(像素)并给出它们的地址（采样）；度量每一像素的灰度，并把连续的度量结果量化为整数（量化）；最后将这些整数结果写入存储设备。为完成这些功能，图像数字化设备必须包含以下五个部分：

(1)采样孔(Samplingaperture)：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。

(2)图像扫描机构：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。

(3)光传感器：通过采样检测图像的每一像素的亮度，通常采用CCD阵列。

(4)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A/D转换电路，它产生一个与输入电压或电流成比例的数值。

(5)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。

2.图像数字化设备的性能虽然各种数字化设备的组成不相同，但可从如下几个方面对其性能进行比较。

1)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。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。

2)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。

3)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。能将图像量化为多少级灰度也是非常重要的参数。图像的量化精度经历了早期的黑白二值图像、灰度图像及现在的彩色及真彩色图像。当然，量化精度越高，存储像素信息需要的字节数也越大。

4)噪声数字化设备的噪声水平也是一个重要的性能参数。例如，数字化一幅灰度值恒定的图像，虽然输入亮度是一个常量，但是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(即对比度)。

6.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。一、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。

大面幅彩色打印机摄像头数码摄像机彩色打印机数码相机采用半导体隔离CCD采用硅氧化物隔离CCDCanon656U采用CIS技术

常用的数字化器是扫描仪和数码相机。

扫描仪工作原理扫描仪是图像输入设备。其工作步骤是:将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上;启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源通过机械传动机构在控制电路的控制下带动装着光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动来完成扫描。照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成横向光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带，分别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号，该信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。将数字电子信号传送至计算机存储起来。扫描仪的类型有很多种，按扫描仪所扫描对象来划分，可分为反射式和透射式两种。根据其组成结构，扫描仪可分为手持式、平板式和滚筒式等几种。

手持式扫描仪这种扫描仪诞生于1987年，是当年使用比较广泛的扫描仪品种，最大扫描宽度为105mm，用手推动，完成扫描工作，也有个别产品采用电动方式在纸面上移动，称为自走式扫描仪。手持式扫描仪扫描幅面太窄，难于操作和捕获精确图像，扫描效果也很差。1995~1996年，各扫描仪厂家相继停产了这一产品，使手持式扫描仪退出了历史的舞台

鼓式扫描仪

又称为滚筒式扫描仪。鼓式扫描仪是专业印刷排版领域应用最广泛的产品。滚筒式扫描仪的结构特殊，它的工作原理是把原图贴放在一个有机玻璃滚筒上，让滚筒以一定的速率围绕一个光电系统旋转，探头中的亮光源发射出的光线通过细小的锥形光圈照射在原图上，一个像素一个像素地进行采样。

这种扫描仪的光学分辨率高、色深高、动态范围宽，而且输出的图像普遍具有色彩还原逼真、阴影区细节丰富、放大效果优良等特点。但它的体积大，价格也很高。平台式扫描仪

它的扫描区域为一块透明的平板玻璃，将原图放在这块玻璃平板上，光源系统通过一个传动机构作水平移动，发射出的光线照射在原图上，经反射或透射后，由接收系统接收并生成模拟信号，再通过A／D转换成数字信号，直接传送到电脑，由电脑进行相应的处理，完成扫描过程。平板式扫描仪的扫描速度、精度、质量很好，已得到了很好的普及。图像数字化器的性能评价项目项目内容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大小和可变范围决定。灰(色)度分辨率量化为多少等级(位深度),颜色数(色深度)图像大小仪器允许扫描的最大图幅量测特征数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度扫描速度采样数据的传输速度噪声数字化器的噪声水平(应当使噪声小于图像内的反差)其他黑白/彩色，价格,操作性能等

2.3图像灰度直方图

概念

灰度直方图反映的是一幅图像中各灰度级像素出现的频率。以灰度级为横坐标，纵坐标为灰度级的频率，绘制频率同灰度级的关系图就是灰度直方图。它是图像的一个重要特征，反映了图像灰度分布的情况。下图一幅图像的灰度直方图。

频率的计算式为

1.

灰度直方图在数字图像处理中，灰度直方图是最简单且最有用的工具，可以说，对图像的分析与观察，直到形成一个有效的处理方法，都离不开直方图。

灰度直方图灰度直方图是灰度级的函数，是对图像中灰度级分布的统计。即：横坐标表示灰度级，纵坐标表示图像中对应某灰度级所出现的像素个数。灰度直方图的计算示例

123456643221166466345666146623136466灰度直方图0132132105762567160635122675365032272416225627601232121231231221v0=5/64v1=12/64v2=18/64v3=8/64v4=1/64v5=5/64v6=8/64v7=5/64ivi计算

该图像像元总数为8*8=64,

i=[0,7]

2.灰度直方图的性质所有的空间信息全部丢失每一灰度级的像素个数可直接得到灰度直方图只能反映图像的灰度分布情况，而不能反映图像像素的位置,即丢失了像素的位置信息。一幅图像对应唯一的灰度直方图，反之不成立。不同的图像可对应相同的直方图。下图给出了一个不同的图像具有相同直方图的例子。

图不同的图像具有相同直方图一幅图像分成多个区域，多个区域的直方图之和即为原图像的直方图。彩色图的灰度直方图灰度图的灰度直方图不同反差特征的图像灰度直方图具有二峰性具有二峰性的灰度图的2值化灰度分布效果比较示意图均匀量化效果示意图非均匀量化效果示意图均匀量化与非均匀量化的比较量化与采样的效果说明图例

原图低灰度级量化低分辨率低bit量化的伪轮廓现象示意图灰度图像的直方图彩色图像的分波段直方图3.灰度直方图的应用灰度直方图是最简单的，最有用的工具。简单性从其一维的数据形式，以及简单的计算方法可以感受到。有用性，在这里通过几个应用例子来说明。

数字化的参数直方图给出了一个简单可见的指示，用来判断一幅图像是否合理的利用了全部被允许的灰度级范围。一幅图像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。

图像分割阈值选取假设某图像的灰度直方图具有二峰性，则表明这个图像较亮的区域和较暗的区域可以较好地分离，取二峰间的谷点为阈值点，可以得到好的２值处理的效果。直方图的应用①用于判断图像量化是否恰当

(a)恰当量化(b)未能有效利用(c)超过了动态范围图2.4.4直方图用于判断量化是否恰当②用于确定图像二值化的阈值

具有二峰性的灰度图象③当物体部分的灰度值比其它部分灰度值大时，可利用直方图统计图像中物体的面积。

A=④计算图像信息量H（熵）

2.4图像处理算法的形式

图像处理基本功能的形式

按图像处理的输出形式，图像处理的基本功能可分为三种形式。1）单幅图像→单幅图像

。

2）多幅图像→单幅图像。3）单（或多）幅图像→数字或符号等。图像处理的几种具体算法1.局部处理

邻域

对于任一像素（i，j），集合{（i+p,j+q），p、q取合适的整数}叫做该像素的邻域。常用的邻域如下图,分别表示中心像素的4-邻域、8-邻域。

像素的邻域图局部处理

对输入图像处理时，计算某一输出像素JP(i,j)值由输入图像IP（i,j）像素的邻域N(i,j)中的像素值确定。这种处理称为局部处理，或者称邻域处理。

局部处理的计算表达式为

例如对一幅图象采用3×3模板进行卷积运算。点处理

在局部处理中，当邻域N(i,j)仅包含IP(i,j)像素时的处理称为点处理，如图。点处理的计算表达式为：图点处理

大局处理

在局部处理中，输出像素JP(i,j)的值取决于输入图像大范围或全部像素的值，这种处理称为大局处理。如图。其计算表达式为：大局处理

2.迭代处理

反复对图像进行某种运算直至满足给定的条件，从而得到输出图像的处理形式称为迭代处理。如图像的细化处理过程。

3.跟踪处理选择满足适当条件的像素作为起始像素，检查输入图像和已得到的输出结果，求出下一步应该处理的像素，进行规定的处理，然后决定是继续处理下面的像素，还是终止处理。这种处理形式称为跟踪处理。

跟踪处理有以下特点：①对某个像素的处理，依赖于这以前的处理结果，从而也就依赖于起始像素的位置。跟踪处理的结果与从图像哪一部份开始进行处理相关。②利用在此以前的处理结果来限定处理范围，避免徒劳的处理。另外，由于限制了处理范围，有可能提高处理精度。③用于边界线、等高线等线的跟踪(检测)方面。如根据搜索法检测边缘曲线。

4.位置不变处理和位置可变处理输出像素JP(i，j)的值的计算方法与像素的位置(i，j)无关的处理称为位置不变处理或位移不变处理。随位置不同计算方法也不同的处理称为位置可变处理或位移可变处理。5.窗口处理和模板处理对图像的处理，一般采用对整个画面进行处理，但也有只对画面中特定的部分进行处理的情况。这种处理方式的代表有窗口处理和模板处理。窗口处理单独对图像中选定的矩形区域内的像素进行处理的方式叫做窗口处理

模板：任意形状的区域；模板平面：一个和处理图像相同大小的二维数组，用来存储模板信息。一般是一幅二值图像；模板处理：边参照模板平面边对图象进行某种操作。

希望单独处理任意形状的区域时，可采用模板处理。

若模板成矩形区域，则与窗口处理具有相同的效果，但窗口处理与模板处理不同之处是后者必须设置一个模板平面。

6.串行处理和并行处理后一像素输出结果依赖于前面像素处理的结果，并且只能依次处理各像素而不能同时对各像素进行相同处理的一种处理形式称为串行处理。串行处理的特点是：①用输入图像的第(i,j)像素邻域的像素值和输出图像(i,j)以前像素的处理结果计算输出图像(i,j)像素的值；②处理算法要按一定顺序进行。因此，不能同时并行计算各像素的输出值，且串行处理的顺序会影响处理结果。

对图像内的各像素同时进行相同形式运算的一种处理形式称为并行处理。其特点如下：①输出图像像素(i,j)的值，只用输入图像的(i,j)像素的邻域像素进行计算；②相对于不同(i,j)的输出值可以独立进行计算。2.5图像的数据结构与特征

图像的数据结构1.组合方式

组合方式是一个字长存放多个像素灰度值的方式。它能起到节省内存的作用，但导致计算量增加，使处理程序复杂。解压压缩组合方式图像处理2.比特面方式按比特位存取像素，即将所有像素的相同比特位用一个二维数组表示，形成比特面。n个比特位的灰度图像采用比特面方式存取就有n个比特面。这种结构能充分利用内存空间，但对灰度图像处理耗时多。

n-1210

锥形结构是对2k×2k个像素形成的图像，看成是分辨率(20×20→2k×2k,但20×20不具有反映输入图像二维构造的信息)不同的k+1幅图像的层次集合。如图所示，从输入图像I0开始，顺序产生像素数纵横都变为1/2的一个一个的图像I1，I2，…Ik。此时，作为图像Ii的各像素的值，就是它前一个图像Ii-1的相应的2×2像素的平均值(一般采用平均值，但也可以采用能表示2×2像素的性质的某个值)。3.分层结构由原始图像开始依次构成像素数愈来愈少的一幅幅图像，就能使数据表示具有分层性，其代表有锥形(金字塔)结构。4.树结构对于一幅二值图像的行、列都接连不断地二等分，如果图像被分割部分中的全体像素都变成具有相同的特征时，这一部分则不再分割。

用这种方法，可以把图像用树结构(4叉树)表示。这可以用在特征提取和信息压缩等方面。5.多重图像数据存储

在获取的彩色图像（红、绿、兰）或多波段图像中，每个像素包含着多个图像的信息。对这类图像数据的处理，以多谱图像为例，有下列三种存储方式：①逐波段存储，分波段处理时采用；②逐行存储，行扫描记录设备采用；③逐像素存储，用于分类。

2.5图像文件格式

数字图像有多种存储格式，每种格式一般由不同的开发商支持。随着信息技术的发展和图像应用领域的不断拓宽，还会出现新的图像格式。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、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。下面介绍几种常见的图像文件格式。

数字图像的存储位图文件

——文件的总体结构

文件头

BITMAPFILEHEADER

信息头

BITMAPINFOHEADER

调色板

RGBQUAD

数据区

文件头

BITMAPFILEHEADER

信息头

BITMAPINFOHEADER

数据区

像素的RGB值

像素的调色板索引值真彩色模式索引色模式数字图像的存储位图文件

——文件头信息

文件头BITMAPFILEHEADERbfType文件类型标识“BM”bfSize文件总字节数bfReserved1保留字“0”bfReserved2保留字“0”数字图像的存储位图文件

——信息头信息

biSize信息头结构体长度，为40biWidth图像宽度，单位是像素

biHeight图像高度，单位是像素

biPlanes必须为1，暂无意义

biCompression指定位图是否压缩

biSizeImage实际位图数据所占字节数

biXperlsPerMeter指定目标设备的水平分辨率

biYperlsPerMeter指定目标设备的垂直分辨率

biClrImportant图像中重要的颜色数

信息头

BITMAPINFOHEADER1．BMP图像文件格式

第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER，它是一个结构体，其定义如下：

typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{WORD bfType;DWORD bfSize;WORD bfReserved1;WORD bfReserved2;DWORD bfOffBits;}BITMAPFILEHEADER;这个结构的长度是固定的，为14个字节（WORD为无符号16位二进制整数，DWORD为无符号32位二进制整数）。第二部分为位图信息头BITMAPINFOHEADER，也是一个结构，其定义如下：typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORD biSize;LONG biWidth;LONG biHeight;WORD biPlanes;WORD biBitCount;DWORD biCompression;DWORD biSizeImage;LONG biXPelsPerMeter;LONG biYPelsPerMeter;DWORD biClrUsed;DWORD biClrImportant;}BITMAPINFOHEADER;

这个结构的长度是固定的，为40个字节（LONG为32位二进制整数）。其中，biCompression的有效值为BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDS，这都是一些Windows定义好的常量。由于RLE4和RLE8的压缩格式用的不多，今后仅讨论biCompression的有效值为BI_RGB，即不压缩的情况。

第三部分为调色板(Palette)，当然，这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。真彩色图像是不需要调色板的，BITMAPINFOHEADER后直接是位图数据。调色板实际上是一个数组，共有biClrUsed个元素（如果该值为零，则有2的biBitCount次方个元素）。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构，占4个字节，其定义如下：typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue; //该颜色的蓝色分量

BYTErgbGreen; //该颜色的绿色分量

BYTErgbRed; //该颜色的红色分量

BYTErgbReserved; //保留值}RGBQUAD;

第四部分就是实际的图像数据。对于用到调色板的位图，图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值，对于真彩色图像，图像数据就是实际的R、G、B值。下面就2色、16色、256色和真彩色位图分别介绍。对于2色位图，用1位就可以表示该像素的颜色（一般0表示黑，1表示白），所以一个字节可以表示8个像素。对于16色位图，用4位可以表示一个像素的颜色，所以一个字节可以表示2个像素。对于256色位图，一个字节刚好可以表示1个像素。

注意：（1）每一行的字节数必须是4的整数倍，如果不是，则需要补齐。这在前面介绍biSizeImage时已经提到过。（2）BMP文件的数据存放是从下到上，从左到右的。也就是说，从文件中最先读到的是图像最下面一行的左边第一个像素，然后是左边第二个像素，接下来是倒数第二行左边第一个像素，左边第二个像素。依次类推，最后得到的是最上面一行的最右边的一个像素。

DIB（DeviceIndependentBitmap）图像格式是设备无关位图文件，描述图像的能力基本与BMP相同，并且能运行于多种硬件平台，只是文件较大。2其他文件格式

1）.TIF图像文件格式标记图像文件格式TIF(TagImageFileFormat)，它是现存图像文件格式中最复杂的一种，它提供存储各种信息的完备的手段，可以存储专门的信息而不违反格式宗旨，是目前流行的图像文件交换标准之一。TIF格式文件的设计考虑了扩展性、方便性和可修改性，因此非常复杂，要求用更多的代码来控制它，结果导致文件读写速度慢，TIF代码也很长。TIF文件由文件头、参数指针表与参数域、参数数据表和图像数据4部分组成。（1）文件头

表TIF文件文件头结构（2）参数指针

TIF文件参数指针表

由一个2字节的整数和其后的一系列12字节参数域构成，最后以一个长整型数结束。若最后的长整型数为0，表示文件的参数指针表到此为至，否则该长整数为指向下一个参数指针表的偏移。

（3）参数块结构

TIF文件参数块结构

2）.GIF图像文件格式

CompuServe开发的图形交换文件格式GIF（GraphicsInterchangeFormat），目的是在不同的系统平台上交流和传输图像。它是在Web