数字图像处理第1章绪论.ppt

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1、数字图像处理,本书章节,第1章 绪论第2章 Matlab图像处理工具箱 第3章 图像的变换第4章 图像的增强 第5章 图像的还原 第6章 图像编码与压缩技术 第7章 数字图像处理的应用与发展,第一章 绪论,1.1 图像的概念 图像是当光辐射能量照在物体上，经过它的反射或透射，或由发光物体本身发出的光能量，在人的视觉器官中所重现出的物体的视觉信息。与图像密切相关的两个基本概念是图片（picture）和图形（graphics）。一般认为，图片是图像的一种类型。图形与图像的数据结构不同，图形采用矢量结构，图像则采用栅格结构。图像处理包括图像增强、模式识别、景物分析和计算机视觉模型等领域。,1.2 图

2、像的分类,1.按照图像的存在形式分类 实际图像：通常为二维分布，又可分为可见图像和不可见图像。可见图像指人眼能够看到并能接受的图像，包括图片、照片、图、画、光图像等。不可见图像如温度、压力、高度和人口密度分布图等。抽象图像：如数学函数图像，包括连续函数和 离散函数。,图像的分类,2.按照图像亮度等级分类 按照图像亮度等级分类，可分为二值图像和灰度图像。二值图像：只有黑白两种亮度等级的图像。灰度图像：有多重亮度等级的图像。,图像的分类,3.按照图像的光谱分类 按照图像的光谱特性分类，可分为彩色图像和黑白图像。彩色图像：图像上的每个点有多于1个的局部特性，如在彩色摄影和彩色电视中重现的3基色（红、

3、绿、蓝）图像，每个像点就有分别对应3个基色的3个亮度值。黑白图像：每个像点只有一个亮度值分量，如黑白照片、黑白电视画面等。,图像的分类,4.按照图像是否随时间变换分类 按照图像是否随时间变换分类，可分为静止图像与活动图像。静止图像：不随时间而变换的图像，如各类图片等。活动图像：随时间而变换的图像，如电影和电视画面等。,图像的分类,5.按照图像所占空间和维数分类 按照图像所占空间和维数分类，可分为二维图像和三维图像。二维图像：平面图像，如照片等。三维图像：空间分布的图像，一般使用2个或者多个摄像头完成。,1.3 图像的表示,图像信号的表示 图像的亮度一般可以用多变量函数表示为 I=f(x,y,z

4、,t)式中，x、y、z 表示空间某个点的坐标；为光的波长；t为时间轴坐标。当 z=z0（常数）时，则表示二维图像；当=0 时，则表示单色图像；当 t=t0 时，则表示静态图像。,1.3.1 图像信号的表示,由3基色原理知，I 可表示为3个基色分量的和，即 I=IR+IG+IB 式中,1.3.2 数字图像的表示,一幅 mn 的数字图像可用矩阵表示为 数字图像中的每个像素都对应于矩阵中相应的元素。把数字图像表示成矩阵的优点在于，能应用矩阵理论对图像进行分析处理。,数字图像的表示,灰度图像是指每个像素由一个量化灰度来描述的图像，没有彩色信息，如图所示。若图像像素灰度只有两级（通常取0（黑色）或1（白

5、色），这样的图像称为二值图像。,数字图像的表示,彩色图像是指每个像素由红、绿、蓝（分别用R、G、B表示）3原色构成的图像，其中R、G、B是由不同的灰度级描述的。,1.4 人类的视觉,视觉研究可分为视觉生理、视觉特性、视觉模型3个方面。人眼构造和视觉现象,1.4.1 人眼构造和视觉现象,上图为人眼的横截面的简单示意图。前部为一圆球，其平均直径约为20mm左右，由3层薄膜包着，即角膜和巩膜外壳、脉络膜和视网膜。角膜是一种硬而透明的组织，盖着眼睛的前表面；巩膜与角膜连在一起，是一层包围着眼球剩余部分的不透明膜。脉络膜位于巩膜的里边，这层膜包含有血管网，它是 眼睛的重要滋养源，脉络膜外壳着色很重，因此

6、有助于减少进入眼内的外来光和眼球内的回射。,人类视觉特性,1.亮度适应能力 暗光适应 亮光适应 亮光适应所需时间比暗光适应短的多，它仅需要12s，而暗光适应需1030s。,人类视觉特性,人能适应亮度的范围是很宽的，由暗视阈值到强闪光之间的光强度差别约为 级。上图中短交叉线说明，在交叉点以上，主观感觉亮度与进入眼内的外界刺激光强并非成线性关系。图中还表明，在很大范围内，主观亮度与光强度的对数成线性关系。图中曲线的下部表明了白昼视觉的暗视觉的不同。,人类视觉特性,2.同时对比度由于人眼对亮度有很强的适应性，因此很难精确判断刺激的绝对亮度。即使有相同亮度的刺激，由于其背景亮度不同，人眼所感受的主观亮

7、度是不一样的。,人类视觉特性,3.对比灵敏度 眼睛的对比灵敏度可以由实验测得。在均匀照度背景 I 上设有一照度为I+I的光斑，眼睛刚能分辨出的照度差I 是 I 的函数，当背景照度 I 增大时，能够分辨出光斑的 I 也需要增大，在相当宽的强度范围内 I/I 的数值为一常数，约等于0.02。这个比值称为韦伯（Weber）比。但是在亮度很强或很弱时，这个比值就不再保持为常数。,人类视觉特性,4.分辨率 对于空间上或者时间上两相邻的视觉信号，人们刚能鉴别出二者存在的能力称为视觉系统的分辨率。这一特性显然与视网膜上单位面积内分布的视细胞数有关。分辨率可用视觉锐度或调制传递函数表示，前者表示能够鉴别最小空

8、间模式的一种测度，后者表示视觉对不同频率的正弦光栅刚能鉴别所要求的信号对比度。这两种测度实际上是相互补充的。第种定义在空间域，第种则定义在相应的频率域。,人类视觉特性,5.Mach带 人们在观察一条由均匀黑和均匀白的区域形成的边界时，可能会认为人的主观感受是与任一点的强度有关的。但实际情况并不是这样，人感觉到的是在亮度变化部位附近的暗区和亮区中分别存在一条更黑和更亮的条带，这就是所谓的Mach带，如下图所示。,人类视觉特性,1.5 图像质量的评价方法,1 图像的主观评价 图像的主观评价就是通过人来观察图像，对图像的优劣作主观评定，然后对评分进行统计平均，得出评价的结果。这时评价出的图像质量与观

9、察者的特性及观察条件等因素有关。为保证主观评价在统计上有意义，选择观察者时既要考虑有未受过训练的“外行”观察者，又要考虑有对图像技术有一定经验的“内行”观察者。,图像质量的评价方法,2 图像的客观评价 对于连续图像场合，设 f(x,y)为一定义在矩形区域 LxxLx、LyyLy 的连续图像，其降质图像为 它们之间的逼真度可用归一化的互相关函数K来表示,图像质量的评价方法,对于数字图像场合，设 f(j,k)为原参考图像，为其降质图像，逼真度可定义为归一化的均方误差值（NMSE）N为,图像质量的评价方法,另外一种常用的为峰值均方误（PMSE）P为 式中，A为 Qf(j,k)的最大值，M、N为图像尺

10、寸。,图像质量的评价方法,3 其他方法 除了前面介绍的2种基本的图像评价方法以外，由于应用场合的不同，还有其他一些评价方法。例如，ISO（国际标准化组织）在制定MPEG4标准时提出采用2种方式进行视频图像质量的评价，一种称为基于感觉的质量评价（perception based quality assessment）；另一种称为基于任务的质量评价（task based quality assessment）。根据具体的应用情况，可以选择其中1种或2种方式。,1.6 数字图像处理,对图像进行一系列的操作，以达到预期目的的技术称作图像处理。图像处理可分为模拟图像处理和数字图像处理。数字信号处理（DS

11、P，Digital Signal Processing）技术通常是指利用采集、滤波、检测、均衡、变换、调制、压缩、去噪、估计等处理，以得到符合人们需要的信号形式。图像信号的数字处理是指将图像作为图像信号的数学处理技术，按照人们通常的习惯，也称为数字图像处理技术。,1.6.1 图像信号的数字化,1 采样 图像的采样是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，就是把一幅连续图像在空间上分割成 MN 个网格，每个网格对应为一个像素点，用一亮度值表示。由于结果是一个样点值阵列，故又叫做点阵取样。设对 f(x,y)按网格均匀采样，x、y 方向上的采样间隔分别为 x、y，则采样点的位置为

12、x=mx,y=ny(m,n=0,1,2,)。,图像信号的数字化,定义采样函数 采样函数如图所示。,图像信号的数字化,采样定理 若函数 f(x,y)的傅里叶变换 F(u,v)在频域中的一个有限区域外处处为0，设 uc和vc为其频谱宽度，只要采样间隔满足条件x1/2uc和y1/2vc，就能由 f(x,y)的采样值 fs(x,y)精确地、无失真地重建 f(x,y)。通常称x1/2uc和y1/2vc为奈奎斯特条件。采样定理反映了图像的频谱与采样间隔（频率）之间的关系。,图像信号的数字化,2 量化 把采样点上对应的亮度连续变化区间转换为单个特定数码的过程，称为量化，即采样点亮度的离散化。把原较低灰度层次

13、从最暗至最亮均匀分为有限个层次，称为均匀量化；如果说采用不均匀分层就称为非均匀量化。用有限个离散灰度值表示无穷多个连续灰度的量必然引起误差，称为量化误差，有时也称为量化噪声。量化分层越多，则量化误差越小；而分层越多则编码进入计算机所需位数越多，相应地影响运算速度与处理过程。,图像信号的数字化,（1）均匀量化 均匀量化最简单，最易于实现。下图是均匀量化的示意图。图中设原图像的灰度变化范围从 r0rk，r0 为最暗，rk 为最亮。把这个灰度动态变化范围均匀分为 k等份。每一层赋予1个固定的码字q0 qk1，凡像素的灰度落在 r0 和 r1 之间，就赋予 q0 码字落在 rk1和 rk 之间，则赋予

14、 qk1码字。其量化过程就是把图像像素的样本灰度与各层灰度的判决值 r0，r1，rk 相比较，凡落在相邻2层之间的像素即赋予该层的值 qi。,图像信号的数字化,图像信号的数字化,设采样之后的离散图像 fs(x,y)的灰度值即为 f(x,y)的幅度，且灰度值取在 r0,rk 范围内，并设该幅图像的所有像素的取值均匀分布在各量化层，即其概率 p(r)=p。在这种条件下采用均匀量化效果最佳，即总量化误差最小。把整个取值范围r0,rk分为 k 个子区间ri,ri1，i=0,1,2,k1。计算机图像处理中 k常取2n，如64，128，256，。每个子区间赋予唯一确定的 qi 值，每个qi值在计算机内用1

15、个码字表示。每个f(x,y)离散值相应赋予1个qi值，其中 i=0,1,2,k1。对应关系是，当 r=f(x,y)ri,ri1时，f(x,y)=qi,图像信号的数字化,对于由量化而引入的量化误差=rqi而言，一般其均值为0。若在ri,ri1 区间内采样值为 r 的概率密度为 p(r)，则在此区间内统计意义上，量化误差 的方差为 一般来讲，qi 是小区ri,ri+1的代表点，可以取区内任意值。若在小区内 p(r)为常数，可以找到唯一的一个 qi 值使其量化误差 的方差最小。可以证明 p(r)为常数时，当 qi 满足 qi=(ri+ri+1)/2,i=0,1,2,时量化误差的方差最小，这样，由于r

16、i也是均匀分区的，所以 ri=(qi+qi1)/2,i=0,1,2,图像信号的数字化,它说明在各小区内，图像像元的灰度概率分布 p(r)为常数时，qi 取区间的中间值，总的量化误差为最小。若灰度均匀分布，各区宽度都是L，各区 p(r)为常数，则 qi 选取各小区的中值，其总误差为/12。它说明灰度量化层次越多，则L越小。,图像信号的数字化,（2）非均匀量化 若各小区的 p(r)不是均匀的，则总误差为最小的解，不再是 qi=(ri+ri+1)/2。由于积分中 p(r)为变量，可得出其解为,图像信号的数字化,此式说明各小区最好也是不均匀的，即ri,ri+1不是均匀间隔才能使总的误差为最小。p(r)

17、不均匀时，可按以下2点来考虑。若 p(r)在小区ri,ri+1内均匀，而各区的 p(r)值不同，这时各区的间隔应不等，即p(r)大的用小间隔，p(r)小的用宽间隔。若 p(r)在各小区中也不均匀时，qi应选在小区内形心点，才能使总误差减少。,图像信号的数字化,3.空间和灰度级分辨率 采样值是决定1幅图像空间分辨率的主要参数，基本上空间分辨率是图像中可辨别的最小细节。灰度级分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化。由于硬件方面的考虑，灰度级数通常是2的整数次幂。大多数情况该值取8bit，在某些特殊的灰度值增强的应用场合可能用16bit。有时，也会用到10或12bit精度数字化1幅图像的系统，但这些

18、系统都是特例而不是常规系统。当没有必要对涉及像素的物理分辨率进行实际度量和在原始场景中分析细节等级时，通常把大小为MN、灰度为L级的数字图像称为空间分辨率为MN像素、灰度级分辨率为L的数字图像。,1.6.2 数字图像文件的存储格式,数字图像在计算机中是以文件的形式存储的。常见的图像数据格式包括BMP格式、TIFF格式、TGA格式、GIF格式、PCX格式以及JPEG格式等。1.BMP格式的图像文件 BMP是Bitmap的缩写，意为“位图”。BMP格式的图像文件是微软公司特意为Windows环境应用图像设计的。,数字图像文件的存储格式,BMP格式的主要特点如下。（1）BMP格式的图像文件以.bmp

19、作为文件扩展名。（2）根据需要，使用者可选择图像数据是否采用压缩形式存放（3）当使用者决定采用压缩格式存放BMP格式的图像时，使用游程编码RLE4压缩方式，可得到16色模式的图像；若采用RLE8压缩方式，则得到256色的图像。（4）可以多种彩色模式保存图像，如16色、256色、24bit真彩色。（5）数据排列顺序与其他格式的图像文件不同，从图像左下角为起点存储图像，而不是以图像的左上角作为起点。（6）调色板数据结构中，RGB 3基色数据的排列顺序恰好与其他格式文件的顺序相反。,数字图像文件的存储格式,BMP格式的图像文件结构可以分为文件头、调色板数据以及图像数据3部分，如图所示。图像文件大小为

20、 灰度图像文件大小文件头像素个数灰度级数 彩色图像文件大小文件头像素个数颜色数,数字图像文件的存储格式,2.TIFF格式的图像文件TIFF格式的图像文件具有如下特点。（1）TIFF格式图像文件的扩展名是.tif。（2）支持从单色模式到32bit真彩色模式的所有图像。（3）不针对某一个特定的操作平台，可用于多种操作平台和应用软件。（4）适用于多种机型，在PC计算机和Macintosh计算机之间，可互相转换和移植TIFF图像文件。（5）数据结构是可变的，文件具有可改写性，使用者可向文件中写入相关信息。（6）具有多种数据压缩存储方式，使解压缩过程变得复杂化。,数字图像文件的存储格式,TIFF格式的图

21、像文件结构如图所示,数字图像文件的存储格式,3.GIF格式的图像文件（1）GIF格式图像文件的扩展名是.gif。（2）对于灰度图像表现最佳。（3）具有GIF87a和GIF89a 2个版本。GIF87a版本是1987年推出的，1个文件存储1个图像；GIF89a版本是1989年推出的很有特色的版本，该版本允许1个文件存储多个图像，可实现动画功能（4）采用改进的LZW（）压缩算法处理图像数据。（5）调色板数据有通用调色板和局部调色板之分，有不同的颜色取值。（6）不支持24bit彩色模式，最多存储256色。,数字图像文件的存储格式,GIF格式的图像文件结构如图所示。,数字图像文件的存储格式,4.JPE

22、G格式的图像文件 JPEG格式的图像文件具有如下特点。（1）JPEG格式图像文件的扩展名是.jpg。（2）适用性广泛，大多数图像类型都可以进行JPEG编码。（3）对于使用计算机绘制的具有明显边界的图形，JPEG编码方式的处理效果不佳。（4）对于数字化照片和表达自然景观的色彩丰富的图片，JPEG编码方式具有非常好的处理效果。（5）使用JPEG格式的图像文件时，需要解压缩过程。,数字图像文件的存储格式,5 TGA格式的图像文件 TGA格式的图像文件目前的版本是2.0，其具有如下特点。（1）TGA格式图像文件的扩展名是.tga。（2）支持任意尺度的图像。（3）支持1bit单色到32bit真彩色模式的

23、所有图像，具有很强的颜色表达能力，特别适合影视广播级的动画制作。（4）图像的存储具有可选择性，图像数据既可以按照从上到下、从左到右的顺序进行存储，也可以相反的顺序存储。（5）TGA格式的图像对硬件的依赖性强，如果显示卡不具备24bit或32bit的显示能力，该格式的图像将不能正确显示。,数字图像文件的存储格式,TGA格式的图像文件结构如图所示。,数字图像文件的存储格式,6.PCX格式的图像文件 PCX格式的图像文件具有如下特点。（1）PCX格式的图像文件的扩展名是.pcx。（2）采用RLE压缩方式存储数据。（3）拥有不同版本，分别用于处理不同显示模式下的数据。文件分为3类：单色文件、不超过16

24、色的文件和256色文件。单色文件和16色文件可不携带调色板数据，但256色文件则必须包含调色板数据。（4）除了最新版本外，其他版本不支持24bit真彩色模式（5）图像显示与计算机硬件设备的显示模式有关。,数字图像文件的存储格式,PCX格式的图像文件结构如图所示,1.6.3 数字图像处理主要的研究内容,1.数字图像信息的特点（1）信息量大。例如1幅电视图像取512行、512列，像素数为512像素512像素，若其灰度级用8bit的二进制来表示，则有256个灰度级，那么1幅图像的信息量即为512像素512像素8bit=2097，152bit=256KB。若每秒有25帧图像，则每秒的信息量为256KB

25、25=6400KB=6.25MB（2）数字图像占用的频带较宽。图像信息与语言信息相比，占用的频带要大几个数量级。如电视图像的带宽为5.6MHz，而语言带宽仅为4kHz左右。,数字图像信息的特点,（3）数字图像中各个像素之间相关性很大。据统计其相关系数可达0.9以上；而相邻2帧之间的相关性比帧内相关性 还要大一些。因此图像信息压缩的潜力很大。（4）数字图像处理系统受人的因素影响较大。由于人的视觉系统很复杂，受环境条件、视觉性能、人的主观意识的影响很大，因此要求系统与人有良好的配合。,数字图像处理主要的研究内容,2.数字图像处理研究的内容 数字图像处理学科所涉及的知识面非常广泛，具体的方法种类繁多

26、，应用也极为普遍，但从学科研究内容上可以分为以下9个方面。（1）图像数字化。其目的是将模拟形式的图像通过数字化设备变为数字计算机可用的离散图像数据。（2）图像变换。为了便于后续的工作，改变图像的表示域和表示数据（3）图像增强。改善图像的质量和视觉效果，或突出感兴趣的部分，以便分析、理解图像内容。,数字图像处理主要的研究内容,（4）图像复原。按照严格的计算机模型和计算程式，对退化的图像进行处理，使处理结果尽量接近原始的未失真的图像。（5）图像分割。根据灰度或几何特性选定的特征，将图像划分成几个有意义的部分，从而使原图像在内容表达上更为简单明了。（6）图像描述和分析。也称图像理解，是对给定的或已分

27、割图像区域的属性及各区域之间的关系用更为简单明确的数值、符号或图形表征。,数字图像处理主要的研究内容,（7）图像数据压缩。减少图像数据量（bit数），以便节省传输和处理时间及存储容量。（8）图像分类。分类是图像处理技术的深入和发展，也可以认为是模式识别的一个分支。其主要内容是在图像经过某些预处理（如几何校正、大气辐射光谱校正、大气模糊复原和压缩等）后，再进行特征提取、分割，进而按一定的判据进行判决分类。（9）图像重建。重建是图像处理的另一个发展方向。它利用 射线、X射线或超声波在三维物体中的投射或散射信息，应用一定的算法（如Radon变换）构造物体某断层面的二维图像或由多个端面构造的三维图像。

28、,1.6.4 数字图像处理系统,图像处理技术的发展很快，图像数据量也越来越大，对计算机的要求也越来越高。计算机图像处理系统是各种各样的，尽管各种系统大小不一，其处理能力也各有所长，但其基本硬件结构则都是由如图所示的几个部分组成，即由主机、输入设备、输出设备和存储器组成。其应用领域有通用的，也有专用的。它们的主要差别在于处理精度、处理速度、专用软件和存储容量等几个方面的性能指标不同。,数字图像处理系统,1.6.5 图像处理、图像分析和图像理解,狭义图像处理是对输入图像进行某种变换得到输出图像，是一种从图像到图像的过程。狭义图像处理主要指对图像进行各种操作以改善图像的视觉效果，或对图像进行压缩编码

29、以减少所需存储空间或传输时间、传输通路的要求。图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，从而建立对图像的描述。图像分析是一个从图像到数值或符号的过程 图像理解则是在图像分析的基础上，基于人工智能和认知理论，研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，对图像内容的含义加以理解及对原来客观场景加以解译，从而指导和规划行动。,图像处理、图像分析和图像理解,1.6.6 图像通信系统,图像通信系统和话音通信系统的组成结构基本相同。按照所传输图像信号的性质，基本的图像通信系统可分为模拟系统和数字系统2种。1 模拟图像通信系统的组成框图 目前大多数国家和地区的广播电视系统都是这种模拟系统。在模拟图像

30、通信系统中，图像信源是以一定的扫描方式产生的电信号，模拟调制器通常有模拟调幅、调频、调相等方式，实际的系统通常还有对图像信号的滤波、电平调整等处理电路，以及产生载波的振荡电路和对已调波的放大电路等。一个典型的模拟图像通信系统的组成框图如图所示。,图像通信系统,图像通信系统,2 数字图像通信系统的组成框图 在数字图像通信系统中，作为信源的输入图像是数字式的，然后由信源编码器进行压缩编码，以减少其数据量。信道编码器则是为了提高图像在信道上的传输质量，减少误码率而采取的有冗余的编码。由于数字图像通信系统具有传输质量好、频带利用率高、易于小型化、稳定性好和可靠性强等特点，正在逐步取代模拟式的图像通信系

31、统。一个典型的数字图像通信系统的组成框图如图所示。,图像通信系统,和以往的模拟系统相比，数字图像传输具有以下优点。（1）可以多次中继传输而不致引起噪声的严重积累。（2）有利于采用压缩编码技术。（3）易于与计算机技术相结合，实现图像、声音、数据等多种信 息内容的综合视听通信业务。（4）可采用数字通信中的信道编码技术，以提高传输中的抗干扰能力（5）易于采用数字的方法实现保密通信，实现数据隐藏，加强对数字图像信息的内容或知识产权的保护。（6）采用大规模集成电路，可以降低功耗，减小体积与重量，提高可靠性，降低成本，便于维护。,1.6.7 数字图像处理的主要应用,计算机图像处理和计算机、多媒体、智能机器人、专家系统等技术的发展密切相关。近年来计算机识别、理解图像的技术发展很快，图像处理除了直接供人观看外，还发展了与计算机视觉有关的应用，如邮件自动分拣、车辆自动驾驶等。,