基本概念精選PPT演示文稿

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1、1第二章講解內容 1.圖像數字化概念、數字化參數對圖像質量的影響、數字化器性能評價 2.圖像灰度直方圖的基本概念、計算、性質及其應用 3.數字圖像處理算法形式與數據結構 4.圖像圖像文件格式與特征重點：圖像數字化、圖像灰度直方圖和圖像文件BMP格式難點：圖像數字化、直方圖應用、圖像分層結構數據教學法：靈活應用示例法、啟發式、提問法等目的：1.熟悉本章基本概念和圖像處理算法形式，了解圖像的特征；2.重點掌握圖像數字化圖像灰度直方圖的基本概念及應用、圖像數據結構與特征22.2 成象模型f(x，y)-理想成像面坐標點（x，y）的亮度i(x，y)-照度分量r(x，y)-反射分量，則 f(x，y)i(x

2、，y)r(x，y)其中：0 i(x，y)，0 r(x，y)1 3-D客觀場景到2-D成像平面的中心投影。物方點空間坐標與對應的像方點坐標滿足幾何幾何透視變換關系（共線條透視變換關系（共線條件）。件）。32.3圖像數字化 圖像數字化是將一幅畫面轉化成計算機能處理的形式數字圖像的過程。模擬圖像 數字圖像 正方形點陣 具體來說，就是把一幅圖畫分割成如圖2.3.1所示 的一個個小區域（像元或像素），并將各小區域 灰度用整數來表示，形成一幅點陣式的數字圖像。它包括采樣和量化兩個過程。像素的位置和灰度就是像素的屬性。42.3.1采樣 將空間上連續的圖像變換成離散點的操作稱為采樣。采樣間隔和采樣孔徑的大小是

3、兩個很重要的參數。當對圖像進行實際的抽樣時，怎樣選擇各抽樣點的間隔是個非常重要的問題。關于這一點，圖像包含何種程度的細微的濃淡變化，取決于希望忠實反映圖像的程度。不同形狀的采樣孔徑52.3.2量化 經采樣圖像被分割成空間上離散的像素，但其灰度是連續的，還不能用計算機進行處理。將像素灰度轉換成離散的整數值的過程叫量化。表示像素明暗程度的整數稱為像素的灰度級（或灰度值或灰度）。一幅數字圖像中不同灰度級的個數稱為灰度級數，用G表示。采樣方式:有縫、無縫和重迭6 一般來說，g就是表示存儲圖像像素灰度值所需的比特位數。若一幅數字圖像的量化灰度級數G=256=28級，灰度取值范圍一般是0255的整數，由于

4、用8bit就能表示灰度圖像像素的灰度值，因此常稱8 bit 量化。從視覺效果來看，采用大于或等于6比特位量化的灰度圖像，視覺上就能令人滿意。一幅大小為MN、灰度級數為G的圖像所需的存儲空間，即圖像的數據量，大小為 MNg（bit）gG2 灰度級數就代表一幅數字圖像的層次。圖像數據的實際層次越多視覺效果就越好。7 數字圖像根據灰度級數的差異可分為：黑白圖像、灰度圖像和彩色圖像。黑白圖像黑白圖像 圖像的每個像素只能是黑或白，沒有中間的過渡，故又稱為二值圖像。二值圖像的像素值為0或1。例如011100001I8灰度圖像灰度圖像灰度圖像是指灰度級數大于2的圖像。但它不包含彩色信息。彩色圖像彩色圖像 彩

5、色圖像是指每個像素由R、G、B分量構成的圖像，其中R、B、G是由不同的灰度級來描述。00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B100220250180501202001500I92.3.3 量化參數與數字化圖像間的關系 數字化方式可分為均勻采樣、量化和非均勻采樣、量化。所謂“均勻”，指的是采樣、量化為等間隔方式。圖像數字化一般采用均勻采樣和均勻量化方式。非均勻采樣是根據圖象細節的豐富程度改變采樣間距。細節豐富的地方，采樣間距小，否則間距大。非均勻量化是對圖像層次少的區域采用間隔大量化，而對圖像層次豐富的區域采用

6、間隔小量化。采用非均勻采樣與量化，均會使問題復雜化，因此很少采用。10圖像的質量1.平均亮度 2.對比度 是指一幅圖象中灰度反差的大小。對比度=最大亮度/最小亮度113.清晰度 由圖像邊緣灰度變化的速度來描述。4.分解力或分辨率12 一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素數越少，空間分辨率低，質量差，嚴重時出現像素呈塊狀的國際棋盤效應；采樣間隔越小，所得圖像像素數越多，空間分辨率高，圖像質量好，但數據量大。13 量化等級越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質量好，但數據量大；量化等級越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會出現假輪廓現象，圖像質量變差，但數據量小。但在極少數情況下對固定圖像

7、大小時，減少灰度級能改善質量，產生這種情況的最可能原因是減少灰度級一般會增加圖像的對比度。例如對細節比較豐富的圖像數字化。142.3.4 數字化器 數字化器必須能夠將圖像劃分為若干像素并分別給它們地址，能夠度量每一像素的灰度并量化為整數，能夠將這些整數寫入存儲設備。一、數字化器組成A采樣孔：保證單獨觀測特定的像素而不受其它部分的影響。B圖像掃描機構：使采樣孔按預先確定的方式在圖像上移動。C光傳感器：通過采樣孔測量圖像的每一個像素的亮度。D量化器：將傳感器輸出的連續量轉化為整數值。E輸出存儲體：將像素灰度值存儲起來。它可以是固態存儲器，或磁盤等。常用的數字化器是掃描儀、數碼相機和數碼攝像機。15

8、二、掃描儀工作原理 掃描儀是圖像輸入的常用設備。其工作步驟是:1.將欲掃描的原稿正面朝下鋪在掃描儀的玻璃板上;2.啟動掃描儀驅動程序后，安裝在掃描儀內部的可移動光源 通過機械傳動機構在控制電路的控制下帶動裝著光學系統和CCD的掃描頭與圖稿進行相對運動來完成掃描。3.照射到原稿上的光線經反射后穿過一個很窄的縫隙，形成橫向光帶，又經過一組反光鏡，由光學透鏡聚焦并進入分光鏡，經過棱鏡和紅綠藍三色濾色鏡得到的RGB三條彩色光帶，分別照到各自的CCD上，CCD將RGB光帶轉變為模擬電子信號，該信號又被A/D變換器轉變為數字電子信號。4.將數字電子信號傳送至計算機存儲起來。16掃描儀的類型有很多種，按掃描

9、儀所掃描對象來劃分，可分為反射式和透射式兩種。根據其組成結構，掃描儀可分為手持式、平板式和滾筒式等幾種。手持式掃描儀手持式掃描儀這種掃描儀誕生于1987年，是當年使用比較廣泛的掃描儀品種，最大掃描寬度為105mm，用手推動，完成掃描工作，也有個別產品采用電動方式在紙面上移動，稱為自走式掃描儀。手持式掃描儀掃描幅面太窄，難于操作和捕獲精確圖像，掃描效果也很差。1995 1996年，各掃描儀廠家相繼停止生產這一產品，手持式掃描儀退出了歷史的舞臺17鼓式掃描儀鼓式掃描儀 又稱為滾筒式掃描儀。鼓式掃描儀是專業印刷排版領域應用最廣泛的產品。滾筒式掃描儀的結構特殊，它的工作原理是把原圖貼放在一個有機玻璃滾

10、筒上，讓滾筒以一定的速率圍繞一個光電系統旋轉，探頭中的亮光源發射出的光線通過細小的錐形光圈照射在原圖上，一個像素一個像素地進行采樣。這種掃描儀的光學分辨率高、色深高、動態范圍寬，而且輸出的圖像普遍具有色彩還原逼真、陰影區細節豐富、放大效果優良等特點。但它的體積大，價格也很高。18平臺式掃描儀平臺式掃描儀 又稱平板式掃描儀、臺式掃描儀，這種掃描儀誕生于1984年，是目前掃描儀的主流產品。它的掃描區域為一塊透明的平板玻璃，將原圖放在這塊玻璃平板上，光源系統通過一個傳動機構作水平移動，發射出的光線照射在原圖上，經反射或透射后，由接收系統接收并生成模擬信號，再通過AD轉換成數字信號，直接傳送到電腦，由

11、電腦進行相應的處理，完成掃描過程。平板式掃描儀的掃描速度、精度、質量很好，已得到了很好的普及。19圖像數字化器的性能評價項目項 目內 容空間分辨率單位尺寸能夠采樣的像素數。由采樣孔徑與間距的大小和可變范圍決定?；?色)度分辨率量化為多少等級(位深度),顏色數(色深度)圖像大小儀器允許掃描的最大圖幅量測特征數字化器所測量和量化的實際物理參數及精度掃描速度采樣數據的傳輸速度噪聲數字化器的噪聲水平(應當使噪聲小于圖像內的反差)其他黑白/彩色，價格,操作性能等202.4圖像灰度直方圖2.4.1 概念一、定義 灰度直方圖反映的是一幅圖像中各灰度級像素出現的頻率。以灰度級為橫坐標，縱坐標為灰度級的頻率，繪

12、制頻率同灰度級的關系圖就是灰度直方圖。它是圖像的一個重要特征，反映了圖像灰度分布的情況。下圖是一幅圖像的灰度直方圖。頻率的計算式為 nnvii21灰度圖像的直方圖22彩色圖像的分波段直方圖230132132105762567160635122675365032272416225627601232121231231221v0=5/64v1=12/64v2=18/64v3=8/64v4=1/64v5=5/64v6=8/64v7=5/64ivi二、計算 該圖像像元總數為8*8=64,i=0,7242.4.2 直方圖的性質灰度直方圖只能反映圖像的灰度分布情況，而不能反映圖像像素的位置,即丟失了像素的位

13、置信息。一幅圖像對應唯一的灰度直方圖，反之不成立。不同的圖像可對應相同的直方圖。圖2.4.2給出了一個不同的圖像具有相同直方圖的例子。圖2.4.2 不同的圖像具有相同直方圖一幅圖像分成多個區域，多個區域的直方圖之和即為原圖像的直方圖。252.4.3 直方圖的應用用于判斷圖像量化是否恰當 (a)恰當量化 (b)未能有效利用 (c)超過了動態范圍 圖2.4.4直方圖用于判斷量化是否恰當用于確定圖像二值化的閾值 TyxfTyxfyxg),(1),(0),(26具有二峰性的灰度圖象27當影像上目標的灰度值比其它部分灰度值大或者灰度區間已知時，可利用直方圖統計圖像中物體的面積。A=(2.4-3)計算圖像

14、信息量H（熵）（2.4-4）Tiivn102logLiiiPPH282.5圖像處理算法的形式 2.5.1圖像處理基本功能的形式 按圖像處理的輸出形式，圖像處理的基本功能可分為三種形式。1）單幅圖像 單幅圖像,如圖2.5.1(a)。2）多幅圖像 單幅圖像,如圖2.5.1(b)。3）單（或多）幅圖像 數字或符號等，如圖2.5.1(c)。292.5.2圖像處理的幾種具體算法1.局部處理 鄰域鄰域 對于任一像素（i，j），該像素周圍的像素構成的集合（i+p,j+q），p、q取合適的整數，叫做該像素的鄰域。如圖2.5.2（a）。常用的鄰域如圖2.5.2（b）、(c),分別表示中心像素的4-鄰域、8-鄰域

15、。圖2.5.2 像素的鄰域30局部處理 對輸入圖像IP（i,j）處理時，某一輸出像素JP(i,j)值由輸入圖像像素（i,j)及其鄰域N(IP(i,j)中的像素值確定。這種處理稱為局部處理。局部處理的計算表達式為 ),(),(jiIPNjiJPN31例如 對一幅圖象采用33模板進行卷積運算。32點處理點處理 在局部處理中，當輸出值JP(i,j)僅與IP(i,j)有關，則稱為點處理點處理，如圖2.5.5。點處理的計算表達式為：)25.2(),(),(jiIPjiJPp圖2.5.5 點處理 33 大局處理 在局部處理中，輸出像素JP(i,j)的值取決于輸入圖像大范圍或全部像素的值，這種處理稱為大局處

16、理。如圖5.6。其計算表達式為：)35.2(),(),(jiIPGjiJPG圖2.5.6 大局處理 342.迭代處理 反復對圖像進行某種運算直至滿足給定的條件，從而得到輸出圖像的處理形式稱為迭代處理。如2.5.7圖像的細化處理過程。3.跟蹤處理 選擇滿足適當條件的像素作為起始像素，檢查輸入圖像和已得到的輸出結果，求出下一步應該處理的像素，進行規定的處理，然后決定是繼續處理下面的像素，還是終止處理。這種處理形式稱為跟蹤處理。354.位置不變處理和位置可變處理 輸出像素JP(i，j)的值的計算方法與像素的位置(i，j)無關的處理稱為位置不變處理或位移不變處理。隨位置不同計算方法也不同的處理稱為位置

17、可變處理或位移可變處理。5.窗口處理和模板處理 對圖像的處理，一般采用對整個畫面進行處理，但也有只對畫面中特定的部分進行處理的情況。這種處理方式的代表有窗口處理和模板處理。圖2.5.8窗口處理 單獨對圖像中選定的矩形區域內的像素進行處理的方式叫做窗口處理 36模板：任意形狀的區域；模板平面：一個和處理圖像相同大小的二維數組，用來存儲模板信息。一般是一幅二值圖像；模板處理：邊參照模板平面邊對圖象進行某種操作。希望單獨處理任意形狀的區域時，可采用模板處理。若模板成矩形區域，則與窗口處理具有相同的效果，但窗口處理與模板處理不同之處是后者必須設置一個模板平面。372.6 圖像的數據結構與特征 2.6.

18、1 圖像的數據結構1.組合方式 組合方式是一個字長存放多個像素灰度值的方式。它能起到節省內存的作用，但導致計算量增加，使處理程序復雜。解壓壓縮組合方式圖像處理382.比特面方式 按比特位存取像素，即將所有像素的相同比特位用一個二維數組表示，形成比特面。n個比特位的灰度圖像采用比特面方式存取就有n個比特面。這種結構能充分利用內存空間，便于比特面之間的邏輯運算，但對灰度圖像處理耗時多。n-1 2 1 0 39 錐形結構是對2k2k個像素形成的圖像，看成是分辨率不同的k+1幅圖像的層次集合，即20202k2k。但2020不具有反映輸入圖像的信息。如圖2.6.1所示，從輸入圖像I0開始，依序產生像素數

19、縱橫都按1/2遞減的一幅一幅的圖像I1，I2，Ik。此時，作為圖像Ii的各像素的值，就是它前一個圖像Ii-1的相應的22像素的平均值(一般采用平均值，但也可以采用能表示22像素的性質的某個值)確定。3.分層結構 由原始圖像開始依次構成像素數愈來愈少的一幅幅圖像，就能使數據表示具有分層性，其代表有錐形(金字塔)結構。40 處理具有這種結構的數據時，首先對像素數少的圖像進行處理，然后根據需要，進到下面的像素數多的圖像的對應位置，使用較豐富的信息進行處理。同只對原始圖像進行處理的場合相比，這種先對粗圖像進行處理，并限定應該仔細進行處理的范圍，再進行精處理的方法，可使處理的效率得到提高。4.樹結構 對

20、于如圖所示的一幅二值圖像的行、列接連不斷地二等分，如果圖像被分割部分中的全體像素都變成具有相同的特征時，這一部分則不再分割。用這種方法，可以把圖像用樹結構(4叉樹)表示。這可以用在特征提取和信息壓縮等方面。41 5.多重圖像數據存儲 在獲取的彩色圖像（紅、綠、蘭）或多波段圖像中，每個像素包含著多個圖像的信息。對這類圖像數據的處理，以多譜圖像為例，有下列三種存儲方式：逐波段存儲，分波段處理時采用；逐行存儲，行掃描記錄設備采用；逐像素存儲，用于分類。422.6.2 圖像文件格式 按不同的方式進行組織或存儲數字圖像像素的灰度，就得到不同格式的圖像文件。圖像文件按其格式的不同具有相應的擴展名。常見的圖

21、像文件格式按擴展名分為：RAW格式、BMP格式、TGA格式、PCX格式、GIF格式、TIFF格式等。1.RAW格式 它是將像素按行列號順序存儲在文件中。這種文件只含有圖像像素數據，不含有信息頭，因此，在讀圖像時，需要事先知道圖像大?。ň仃嚧笮。?。它是最簡單的一種圖像文件格式。2.BMP格式由以下四個部分組成1）14字節的文件頭；2）40字節的信息頭；3）8字節的顏色定義；4）位圖數據。43 1)位圖文件頭BITMAPFILEHEADER它的結構如下：typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType;/*指定文件類型，必須是0 x424D，即字符串“B

22、M”*/DWORD bfSize;/*指定文件大小*/WORD bfReserved1;為/*保留字*/WORD bfReserved2;/*保留字*/DWORD bfOffBits;為/*文件頭到實際的位圖數據的偏移字節數*/BITMAPFILEHEADER,FAR*LPBITMAPFILEHEADER;該結構的長度是固定的，為14個字節。2）位圖信息頭BITMAPINFOHEADER結構的長度為40個節，其結構如下：typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD bfSize;/*指定這個結構的大小，為40個字節 LONG biWidth;/*指定圖像的寬

23、度，單位是像素 LONG biHeight;/*指定圖像的高度，單位是像素；WORD biPlanes;/*必須是1 WORD biBitCount;/*指定表示顏色位數，1(黑白)8（256色）、24（真彩色）DWORD biCompression;/*指定是否壓縮,分別為BI_RGB、BI_RLE4、BI_RLE8 DWORD biSizeImage;/*指定實際的位圖數據占用的字節數。LONG biXPelsPerMeter;/*指定目標設備的水平分辨率 LONG biYPersPerMeter;/*指定目標設備的垂直分辨率 DWORD biClrUsed;/*指定本圖像實際用到的顏色數

24、 DWORD biClrImportant;/*指定本圖像中重要的顏色數 BITMAPINFOHEADER,FAR*LPBITMAPINFOHEADER;443)palette（調色板）調色板實際上是一個數組,數組中每個元素的類型為一個RGBQUAD結構，占4個字節。結構定義如下：typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue;BYTE rgbGreen;BYTE rgbRed;BYTE rgbReserved;RGBQUAD;有些位圖，比如真彩色圖，沒有調色板。他們的位圖信息頭后直接是位圖數據。4)位圖數據 它分兩種情況：對于用到調色板的位圖，圖像數據就是該像素

25、顏色在調色板中的索引值；對于真彩色圖，圖像數據就是實際的R、G、B值。45 對于2色位圖，用1位就可以表示該像素的顏色，因此一個字節可以表示8個像素；對于16色位圖，用4位可以表示一個像素的顏色，所以1個字節可以表示2個像素；對于256色位圖，一個字節剛好表示一個像素；a）位圖是1，4，8位時，有調色板。RGB46對于真彩色圖，3個字節才能表示1個像素.b）位圖是24位（真彩色）時，無調色板 Rn Gn Bn :R2 G2 B2 R1 G1 B1472.7 圖像的特征1圖像的特征1）自然特征 光譜特征 幾何特征 時相特征 2）人工特征 直方圖特征 灰度邊緣特征 線、角點、紋理特征48 圖像的特

26、征有很多，按提取特征的范圍大小又可分為：點特征 僅由各個像素就能決定的性質。如單色圖像中的灰度值、彩色圖像中的紅(R)、綠(G)、藍(B)成分的值。局部特征 在小鄰域內所具有的性質，如線和邊緣的強度、方向、密度和統計量(平均值、方差等)等。區域特征 在圖像內的對象物(一般是指與該區域外部有區別的具有一定性質的區域)內的點或者局部的特征分布，或者統計量，以及區域的幾何特征(面積、形狀)等。整體特征 整個圖像作為一個區域看待時的統計性質和結構特征等。49圖2.6.3圖像的特征提取 2特征提取 獲取圖像特征信息的操作稱作特征提取。它作為模式識別、圖像理解或信息量壓縮的基礎是很重要的。通過特征提取，可以獲得特征構成的圖像（稱作特征圖像）和特征參數。50圖2.6.4 特征空間聚類 3特征空間 把從圖像提取的m個特征量y1，y 2，ym，用m維的向量Yy1 y2ymt表示稱為特征向量。另外，對應于各特征量的m維空間叫做特征空間。