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1、电子科技大学 光电信息学院 二一年3月4日,第二章 光电图像处理基础,彭真明Email:pengzm_,主要内容,图像的光学与视觉表示图像的采集与显示图像的质量评价数字图像的数学表征数字图像的文件格式,主要内容,图像的光学与视觉表示图像的采集与显示图像的质量评价数字图像的数学表征数字图像的文件格式,1、人眼的视觉特性与错觉,一、图像的光学与视觉表示,视觉的空间特性,人眼的空间分辨能力为1；灰度分辨能力大约64级。,视觉的时间特性,活动图像的帧频至少是15帧/s的时候，人眼才有图像连贯的感觉。,一、图像的光学与视觉表示,1、人眼的视觉特性与错觉,Find a black dot!,1、人眼的视觉
2、特性与错觉,Black or White?,What do you see here?A vase or two men looking at each other?See if you can find them both.,Motion Illusions,This means that Mike may see the standard motion illusions.Barber Pole.,(1)颜色的三种表观特征明度(Luminance)色调(Hue)饱和度(Saturation)：(2)颜色的定量描述：LHSRGB,一、图像的光学与视觉表示,2、图像的颜色与彩色系统,(3)混色
3、原理加混色：S1=（R1，G1，B1）S2=（R2，G2，B2）S=（R1+R2，G1+G2，B1+B2）电视、监视器等设备利用加混色原理减混色：S=1-(R1+R2)，1-(G1+G2)，1-(B1+B2)印刷、染织行业利用减混色原理,一、图像的光学与视觉表示,(4)亮度方程：L=0.222R+0.707G+0.071B(PAL 制式)L=0.299R+0.587G+0.114B(NTSC制式),一、图像的光学与视觉表示,(5)彩色系统RGB和CMY（Cyan青Magenta紫Yellow黄）色彩系统 RGB色度空间可以比较准确的描述图像的光度特性，但是RGB在数值和技术实现上有一些不利的特
4、点。不利于物理记录和传输。YUV（PAL）色彩系统 传输彩色信号，必须传输RGB三路信号，是不经济的。因此人们把RGB和色差信号，因为亮度信号对人的感觉更重要，因此用一路独立信号而把色差信号亚采样合在一路信号中传输，U=R-Y，V=B-Y,一、图像的光学与视觉表示,(5)彩色系统YIQ（NTSC）色彩系统Y-亮度,I，Q-色调（颜色和饱和度）UV分量旋转33后的结果。,一、图像的光学与视觉表示,(5)彩色系统YCrCb色彩系统 Cr=0.713U,Cb=0.564V高质量演播室为目的CCIR601标准方案。,一、图像的光学与视觉表示,(6)彩色图像分类 黑白图象：图像只有明暗程度的变化而没有色
5、彩的变化，最简单的是二值图象，只有两种灰度；伪彩色图像：是指经过伪彩色处理而形成的彩色图象。其像素值是所谓的索引值，是按照灰度值进行彩色指定的结果，其色彩并不一定忠实于外界景物的真实色彩；假彩色图象：是指遥感多波段图象合成的彩色图象；真彩色图象：是忠实于外界景色的色彩的图象，其像素一般是颜色的真实值。,一、图像的光学与视觉表示,一、图像的光学与视觉表示,一、图像的光学与视觉表示,伪彩色,假彩色,主要内容,图像的光学与视觉表示图像的采集与显示图像的质量评价数字图像的数学表征数字图像的文件格式,二、图像的采集及显示,1、图像数字化器：,图像数字化器必须能够把一幅图像分为图像元素（像素）并确定每个像
6、素的位置，测量每个像素的灰度级，将连续数据量化以产生一个整数集合。数字化器件具备以下五个部分：(1)采样孔：使图像数字化器能够在整幅图像中取出独立的像素。(2)扫描器件：以预定的方式在图像上移动采样孔，按照顺序一一传输像素。(3)光传感器：通过采样孔采集每个像素的亮度，将光信号转换为电信号。(4)转换器：将转换器的连续输出转换为正数值，数字化部件由A/D转换电路组成。(5)输出介质：固态存储器，磁盘或其他的设备。,2、图像数字化器的主要参数(1)采样尺寸(2)图像尺寸(3)物理参数(4)灰度级别3、数字化器的组成人工光源光传感器扫描装置,二、图像的采集及显示,4.CCD与CMOS图像传感器 图
7、像传感器(image sensor)CCD 电荷耦合器件（charge couple device）特点：灵敏度高，噪音小，信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。,二、图像的采集及显示,4.CCD与CMOS图像传感器CMOS 互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor）特点：集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。,二、图像的采集及显示,常见的数码摄像机,数码摄像机特点,记录动态影像使用小型盒式DV磁带 拍摄静态图像使用专用的半导体存储卡,5.摄像机(头)工作原理,景物,图像传感器
8、,DSP芯片,/,USB,显示器,二、图像的采集及显示,镜头,二、图像的采集及显示,6.模拟彩色视频扫描显像,CRT(Cathode Ray Tube,阴极射线管),利用人眼的“缺陷”，把二维信号转换为一维时基信号进行显示。研究表明，人眼视网膜上的“印象”保留40ms左右才能消失。因此只要景象在40ms内重新出现，那么，人眼感觉就象景象没有消失一样，感觉到的是连续变化的景象。电影每秒更新24幅，每张图片放两次，相当于48帧/S。由于荧光粉有“余辉效应”，信号消失后，荧光会持续一段时间后才消失，同时加上人眼的暂留作用，因此，实际要在荧光消失前再次接通信号，二维图像的每个点就象同时显示一样。这就是
9、CRT扫描显示原理。,主要内容,图像的光学与视觉表示图像的采集与显示图像的质量评价数字图像的数学表征数字图像的编程基础,1.几个基本术语：(1)像素(pixel)(pixel-picture element）图像的最小信息单位，通常是一个整数，其大小称为像素值。(2)灰度级(gray-level)表示像素明暗程度的整数量称为灰度级。(3)图像分辨率(resolution)指组成一幅图像的像素密度，也就是图幅参数。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。(4)显示分辨率 指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为6
10、40480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。(5)图像深度（bpp)指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的分辨率。,三、图像的质量评价,1.几个基本术语：,三、图像的质量评价,(6)灰度级与图像深度的关系 1位 2级 2位 4级 8位 256级 24位 256256256（真彩色图像）例如：8位灰度图的颜色数。28=256色 24位计算机真彩色表示的颜色数目为：224=256256256=16777216,一般而言，图像的质量取决于：层次(Level or Detail)对比度(Contrast)清晰度(Definition),三、图像
11、的质量评价,图像的层次-Image level,灰度级：表示像素明暗程度的整数量。例如：像素的取值范围为0-255，就称该图像为256个灰度级的图像。层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量。例如：具有32种不同取值的图像，可称该图像具有32个层次。图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好。,图像的层次-Image level,对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小对比度=最大亮度/最小亮度,对比度-Contrast,与清晰度相关的主要因素 亮度(Luminance,Intensity)对比度(Contrast)尺寸大小(Size)细微层次(Fine detail)颜色饱和度(Color Satura
12、tion),清晰度(Definition),清晰度(Definition),清晰度-Definition,清晰度-Definition,清晰度-Definition,清晰度-Definition,主要内容,图像的光学与视觉表示图像的采集与显示图像的质量评价数字图像的数学表征数字图像的文件格式,四、数字图像的数学表征,1、数学表示连续模型：f 表示图像的灰度，（x,y）二维空间的连续变化。离散模型：经过采样和量化后的数字图像就是一个MN矩阵。随机场模型把每一个像素都看成一个随机过程。,2、矩阵表示,四、数字图像的数学表征,3、图像的灰度平均值 图像均值指的是一幅图像中所有像素灰度值的算术平均值，
13、它反映是图像中不同物体的平均反射强度，一般可以表示为：,四、数字图像的数学表征,4、图像灰度方差 图像方差反映各像元与图像平均灰度值的总的离散程度。是衡量一幅图像信息量大小的主要亮度指标，是图像统计特征中最重要的统计量之一。一般可以表示为：,四、数字图像的数学表征,5、图像的熵如果一幅图像共有q种灰度级，并且出现的概率分别为p1,p2,p3,pq，则这幅图像的熵可以表示为：,对于一幅8比特(bit)，有：,熵反映一幅图像信息量的多少，通常对于一幅图像进行不同方法处理时的比较。,四、数字图像的数学表征,算子描述一阶微分算子，即梯度算子幅度表示：方向表示：常用的梯度算子Robert算子,Sobel
14、算子,Prewitt算子,四、数字图像的数学表征,算子描述在数字图像中，可以用差分近似微分，这样图像梯度可以表示为：梯度的幅度：,四、数字图像的数学表征,邻域：在一定意义下，与该像素相邻的像素的集合。,33邻域,5 5邻域,4邻域N4(p),8邻域N8(p),这里：33邻域=(x+1,y),(x,y+1),(x-1,y),(x,y-1)ND(p)=N8(p)-N4(p):对角邻域,四、数字图像的数学表征,锐化,算子运算实例,图像直方图的定义(1)一个灰度级在范围0，L-1的数字图像的直方图是一个离散函数是图像中灰度级为的像素个数是第k个灰度级，k=0,1,2,L-1由于的增量是1，直方图可表示
15、为：即，图像中不同灰度级像素出现的次数,四、数字图像的数学表征,图像直方图的定义（2）一个灰度级在范围0，L-1的数字图像的直方图是一个离散函数 n是图像的像素总数 是图像中灰度级为rk的像素个数 是第k个灰度级，k=0,1,2,L-1,四、数字图像的数学表征,定义(2)使函数值正则化到0,1区间，成为实数函数 函数值的范围与象素的总数无关 给出灰度级rk在图像中出现的概率密度统计,四、数字图像的数学表征,两种图像直方图定义的比较 定义(1):定义(2):注意：直方图仅仅描述了图像中像素的灰度级分布，但没有描述出像素的空间关系。,四、数字图像的数学表征,图象直方图的定义举例,p(rk),Nk,
16、0.1,0.2,0.3,0.4,31,15,7,23,像素出现概率,像素灰度级别,四、数字图像的数学表征,N,L-1,60,120,180,240,31,15,7,23,像素出现次数,像素灰度级别,四、数字图像的数学表征,图象直方图的定义举例,较暗图像,较亮图像,直方图实例,直方图实例,直方图实例,直方图是图像最基本的统计特征,直方图对应概率密度函数,任一特定的图像有唯一的直方图，但反之不成立,整个图像的直方图是部分图像之和,图象直方图的性质,四、数字图像的数学表征,主要内容,图像的光学与视觉表示图像的采集与显示图像的质量评价数字图像的数学表征数字图像的文件格式,绘画以及图像编辑软件都产生位图
17、图像，也叫作栅格图像。位图图像是用小方形网格（位图或栅格），即人所共知的像素来代表图像，每个像素都被分配一个特定位置和颜色值。例如，在位图图像中自行车轮胎是由该位置的像素拼合组成的。处理位图图像时，编辑的是像素而不是对象或形状。,什么是位图(bitmap)?,五、图像的文件格式,位 图,五、图像的文件格式,什么是矢量图形？绘图软件创作的矢量图形，是由叫作矢量的数学对象所定义的直线和曲线组成的。矢量根据图形的几何特性来对其进行描述。例如，矢量图形中的自行车轮胎是由数学定义的圆形组成，这个圆形按某一半径画出，放在特定位置并填充有特定的颜色。移动、缩放轮胎或更改轮胎颜色不会降低图形的品质。,五、图像
18、的文件格式,位图图像与分辨率有关，换句话说，它包含固定数量的像素，代表图像数据。因此，如果在屏幕上以较大的倍数放大显示，或以过低的分辨率打印，位图图像会出现锯齿边缘，且会遗漏细节。在表现阴影和色彩（如在照片或绘画图象中）的细微变化方面，位图图像是最佳选择。矢量图形与分辨率无关，换句话说，您可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上打印出来，都不会遗漏细节或清晰度。因此，矢量图形是文字（尤其是小字）和粗图形的最佳选择，这些图形（比如徽标）在缩放到不同大小时必须保持清晰的线条。,五、图像的文件格式,矢量图缩放,位图(光栅)缩放,五、图像的文件格式,bmp文件格式:bmp位图文件主要由个部分组
19、成：文件头（14 byte)信息头（40 byte)调色板 实际图像数据,文件头BITMAPFILEHEADER,实际位图图像数据ImageData,调色板,位图信息头BITMAPINFOHEADER,调色板Palette,五、图像的文件格式,文件头内容,位图文件头BITMAPFILEHEADER，是一个结构，其定义如下：typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType;DWORD bfSize;WORD bfReserved1;WORD bfReserved2;DWORD bfOffBits;BITMAPFILEHEADER;这个结构的长度是固定的
20、，为14个字节(注：WORD为无符号16位整数，DWORD为无符号32位整数)。,bfType指定文件类型，必须是0 x424D，即字符串“BM”，也就是说所有.bmp文件的头两个字节都是“BM”。bfSize指定文件大小，包括这14个字节。bfReserved1，bfReserved2 为保留字，不用考虑bfOffBits为从文件头到实际的位图数据的偏移字节数，即文件结构图中前三个部分的长度之和。,文件头内容,typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize;LONG biWidth;LONG biHeight;WORD biPlanes;WOR
21、D 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位长整型。,信息头内容,biSize指定这个结构的长度，为40。biWidth指定图像的宽度，单位是像素。biHeight指定图像的高度，单位是像素。biPlanes必须是1，不用考虑。biBitCount 指定表示颜色时要用到的位数，常用的值为1(黑白
22、二色图),4(16色图),8(256色),24(真彩色图)(新的.bmp格式支持32位色，这里就不做讨论了)。,信息头内容,biCompression指定位图是否压缩，有效的值为BI_RGB，BI_RLE8，BI_RLE4，BI_BITFIELDS(都是一些Windows定义好的常量)。要说明的是，Windows位图可以采用RLE4，和RLE8的压缩格式，但用的不多。我们今后所讨论的只有第一种不压缩的情况，即biCompression为BI_RGB的情况。biSizeImage指定实际的位图数据占用的字节数，其实也可以从以下的公式中计算出来：biSizeImage=biWidth biHeig
23、ht要注意的是：上述公式中的biWidth必须是4的整倍数(所以不是biWidth，而是biWidth，表示大于或等于biWidth的，最接近4的整倍数。举个例子，如果biWidth=240，则biWidth=240；如果biWidth=241，biWidth=244)。如果biCompression为BI_RGB，则该项可能为零,信息头内容,biXPelsPerMeter指定目标设备的水平分辨率，单位是每米的象素个数，关于分辨率的概念，我们将在第4章详细介绍。biYPelsPerMeter指定目标设备的垂直分辨率，单位同上。biClrUsed指定本图象实际用到的颜色数，如果该值为零，则用到的
24、颜色数为2biBitCount。biClrImportant指定本图像中重要的颜色数，如果该值为零，则认为所有的颜色都是重要的。,信息头内容,这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。有些位图，如真彩色图，前面已经讲过，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2biBitCount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：typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue;/该颜色的蓝色分量 BYTE rgbGreen;/该颜色的绿色
25、分量 BYTE rgbRed;/该颜色的红色分量 BYTE rgbReserved;/保留值 RGBQUAD;,调色板内容,实际图象数据中。对于用到调色板的位图，图象数据就是该象素颜在调色板中的索引值。对于真彩色图，图象数据就是实际的R、G、B值。2色位图：用1位就可以表示该象素的颜色(一般0表示黑，1表示白)，所以一个字节可以表示8个象素。16色位图：用4位可以表示一个象素的颜色，所以一个字节可以表示2个象素。256色位图：一个字节刚好可以表示1个象素。真彩色图：三个字节才能表示1个象素注意两点：(1)每一行的字节数必须是4的整倍数，如果不是，则需要补齐。(2)一般来说，.bMP文件的数据从
26、下到上，从左到右的。也就是说，从文件中最先读到的是图象最下面一行的左边第一个象素，然后是左边第二个象素接下来是倒数第二行左边第一个象素，左边第二个象素依次类推，最后得到的是最上面一行的最右一个象素。,实际图像数据,Tagged image file format*.TIFDOS,UNIX,and Macintosh imagesEncapsulated PostScript*.EPSPublishing industry formatGraphical interchange format*.GIFCompuServe graphics formatBit-mapped format*.BMP
27、Microsoft Windows format,常见的图像文件格式,Presentation manager*.BMPIBM OS/2 bit-mapped formatMacintosh*.PICTApple Macintosh imagesJPEG*.JPGJoint Photographics Experts GroupMPEG*.MPGMotion Picture Experts Group,常见的图像文件格式,主要内容,图像的光学与视觉表示图像的采集与显示图像的质量评价数字图像的数学表征数字图像的文件格式,Any queastions!,1.给出一幅4bit 的图像，作出各灰度级出现的频数与灰度级的对应关系直方图。,习题：,
