数字图像表示及其处理

数字图像处理2数字图像表示及其处理2.1人眼成像过程图像构成：照度成分——入射到可见场景上光的量反射成分——场景中目标物体反射光的量图像由照度和反射量相乘得到计算机图像处理目的之一，帮助人更好的观察和理解图像中的信息。2.1人眼成像过程人眼是一个平均半径为20mm的球状器官，由三层薄膜包围。最外层：坚硬的蛋白质膜角膜——透明组织，光线进入眼内巩膜——白色不透明组织，巩固和保护整个眼球。中间一层：由虹膜和脉络膜组成。虹膜的中间有一个圆孔，称为瞳孔。大小由连接虹膜的环状肌肉组织来调节，控制进入眼睛内部的光通量大小，其作用和照相机中的光圈一样。2.1人眼成像过程最内一层：视网膜表面分布有大量光敏细胞。锥状——分布在黄斑区内分辨光的强弱和色彩白天视觉杆状——无法分辨细微差别感知总体形象不能感知色彩，对低照明度比较敏感夜视觉2.1人眼成像过程水晶体——瞳孔后面，扁球形作用：如同可变焦距的透镜曲率可由睫状肌的收缩进行调节使景象始终能刚好聚焦于黄斑区比普通光学透镜的适应性强前室——角膜和水晶体之间对可见光透明水状液体吸收一部分紫外线后室——胶状透明液体（玻璃体）保护眼睛的滤光作用2.1人眼成像过程一般物体在光源照射下呈现彩色——反射或透射照射光源的一部分，吸收其余部分。人眼对彩色感知的3个度量：亮度——光作用于人眼引起的明亮程度的感觉色调——反映颜色种类。物体反射光的光谱成分透射光的波长分布或光谱饱和度——彩色光深浅或纯洁程度饱和度越高，颜色越深，或越纯掺入白光而变浅2.1人眼成像过程三基色原理：红、绿、蓝三基色选择不唯一，必须相互独立（任一颜色不能由其他两种合成）相加二次色：黄、品红、青2.1人眼成像过程马赫带奥地利物理学家E马赫发现的一种明度对比现象明暗交界处，亮度更亮，暗处更暗主观的边缘对比效应人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制2.1人眼成像过程TheColoroftheDressThosewhosubconsciouslyseekdetailinthemanyhorizontalblacklinesconvertthemtoagoldenhue,sothebluedisappearsintoablown-outwhiteOtherswhosebrainsfocusonthebluepartofthedressseethephotoastheblack-and-bluereality2.2简单的图像形成模型一幅图像实际上记录的是物体辐射能量的空间分布，这个分布是空间坐标、时间和波长的函数，即:I=(x,y,z,λ,t)。当一幅图像为平面单色静止图像时，空间坐标变量z,波长λ和时间变量t可以从函数中去除，一幅图像可以用二维函数f(x,y)来表示:f(x,y)=i(x,y)r(x,y)这里0i(x,y)0r(x,y)1反射分量限制在0和1之间。i(x,y)的性质取决于照射源，而r(x，y)取决于成像物体的特性。2.3图像的数字化数字图像可以理解为对二维函数f(x，y)进行采样和量化(即离散处理)后得到的图像，因此，通常用二维矩阵来表示一幅数字图像。将一幅图像进行数字化的过程就是在计算机内生成一个二维矩阵的过程。数字化过程包括三个步骤：扫描、采样和量化。2.3图像的数字化2.3图像的数字化2.3.1采样采样（Sampling）:对图像空间坐标的离散化，它决定了图像的空间分辨率。用一个网格把待处理的图像覆盖，然后把每一小格上模拟图像的各个亮度取平均值，作为该小方格中点的值；或者把方格的交叉点处模拟图像的亮度值作为该方格交叉点上的值。采样行采样列像素行间隔采样间隔2.3图像的数字化2.3.1采样对一幅图像采样时，若每行（即横向）像素为N个，每列（即纵向）像素为M个，则图像大小为M×N个像素，从而f(x,y)构成一个M×N实数矩阵：)1,1()0,1()1,1()1,1()0,1()1,0()1,0()0,0(),(NMfMfNfffNfffyxf每个元素为图像f(x,y)的离散采样值，称之为像元或像素。2.3图像的数字化2.3.2量化把采样后所得的各像素灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。量化是对图像幅度坐标的离散化，它决定了图像的幅度分辨率。2.3图像的数字化2.3.2量化量化的方法包括：分层量化、均匀量化和非均匀量化。分层量化是把每一个离散样本的连续灰度值只分成有限多的层次。均匀量化是把原图像灰度层次从最暗至最亮均匀分为有限个层次，如果采用不均匀分层就称为非均匀量化。2.3图像的数字化2.3.2量化量化示意图2.3图像的数字化2.3.2量化图像量化实例(a)256级灰度图象(b)子图(c)子图对应的量化数据2.3图像的数字化2.3.2量化采样点数和量化级数的关系：对一幅图像，当量化级数一定时，采样点数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。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，图像会出现假轮廓。2.3图像的数字化2.3.2量化采样点数与图像质量之间的关系：(a)采样点256×256时的图像(b)采样点64×64时的图像(c)采样点32×32时的图像(d)采样点16×16时的图像2.3图像的数字化2.3.2量化量化级数与图像质量之间的关系：(a)量化为2级的Lena图像(b)量化为16级的Lena图像(c)量化为256级的Lena图像2.3图像的数字化2.3.2量化量化级数与图像质量之间的关系：2.4数字图像的基本类型计算机一般采用两种方式存储静态图像：位映射（Bitmap），即位图存储模式；向量处理（Vector），也称矢量存储模式。位图也称为栅格图像，是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色属性和位置属性。矢量图只存储图像内容的轮廓部分，而不是存储图像数据的每一点。2.4数字图像的基本类型2.4.1二值图像二值图像也叫黑白图像，就是图像像素只存在0,1两个值。二进制的lenna图像2.4数字图像的基本类型2.4.2灰度图像灰度图像是包含灰度级的图像，如64级，256级等。如当像素灰度级用8bit表示时，每个像素的取值就是256种灰度中的一种，即每个像素的灰度值为0到255中的一个。通常，用0表示黑，255表示白，从0到255亮度逐渐增加。2.4数字图像的基本类型2.4.3灰度图像索引图像把像素值直接作为索引颜色的序号。根据索引颜色的序号就可以找到该像素的实际颜色。当把索引图像读入计算机时，索引颜色将被存储到调色板中。调色板是包含不同颜色的颜色表，每种颜色以红，绿，蓝三种颜色的组合来表示。调色板的单元个数是与图像的颜色数一致的。256色图像有256个索引颜色，相应的调色板就有256个单元。2.4数字图像的基本类型2.4.4RGB彩色图像RGB图像是一类图像的总称。这类图像不使用单独的调色板，每一个像素的颜色由存储在相应位置的红、绿、蓝颜色分量共同决定。RGB图像是24位图像，红、绿、蓝分量分别占用8位，理论上可以包含16M种不同的颜色。2.5数字图像的基本文件格式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。常用的图像文件存储格式主要有BMP文件、JPG文件、PCX文件、TIFF文件以及GIF文件等。2.6小结一幅图像实际上记录的是物体辐射能量的空间分布，这个分布是空间坐标、时间和波长的函数。当一幅图像为平面单色静止图像时，图像可以用二维函数f(x,y)来表示，它是一个有界函数。将一幅图像数字化的过程主要包括扫描，采样和量化，其结果就是在计算机内生成一个二维矩阵。计算机一般采用两种方式存储静态图像：一种是位映射，即位图存储模式；另一种是向量处理，也称矢量存储模式。2.6小结位图可以分成二值图像、索引图像、灰度图像和RGB图像四种。常用的图像文件存储格式主要有BMP图像文件、JPEG图像文件、PCX图像文件、TIFF图像文件以及GIF图像文件等。习题设一颗陆地卫星拍摄的图像分辨率为2340*3240，共4个波段，采样精度为7位，按每天30幅计，计算每天的数据量（以MB为单位）