第3章-数字图象处理基础.

多媒体通信北京科技大学杨扬第3章数字图像处理基础概述图像数字化技术数字图像类型图像文件格式色度学基础颜色模型1、概述数字图像：以数字格式存放的图像在计算机中，图像被分割成像素的形式，各像素的灰度值用整数表示。一幅M*N个像素的数字图像，其像素灰度值可以用M行、N列的矩阵表示。数字图像处理：(DigitalImageProcessing,即DIP)利用计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、特征提取等的理论、方法和技术。1.1目的（1）提高图像的视感质量。如去除图像中的噪声，改变图像的亮度、颜色，增强或抑制图像中的某些成分；（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于计算机分析。常用作模式识别、计算机视觉的预处理；（3）对图像数据进行变换、编码和压缩。1.2主要内容计算机图像处理系统对图像数据进行输入、加工和输出。研究的内容主要有以下7个过程：（1）图像获取（2）图像复原（3）图像增强（4）图像分割（5）图像分析（6）图像重建（7）图像压缩1.3图像工程图像理解图像分析图像处理低高抽象程度小大数据量象素目标符号高层中层低层操作对象语义1.4相关学科和领域图像图像符号人新新新理工概论具念模式识别数据图像处理计算机图形学图像理解图像分析图像理解计算机视觉客观世界（转换）1.5数字图像处理系统数字图像处理系统硬件1）图像输入装置：如电视摄像机、扫描仪、数码照相机、遥感图像获取设备2）图像输入卡3）显示卡4）计算机5）图像存储装置高速图像处理卡图像处理系统软件MATLAB的图像处理工具箱、AVS和SPIDER、IUE等1.6数字图像处理的应用数字图像处理主要应用于下面一些领域：1）通讯2）宇宙探测3）遥感4）生物医学领域5)工业生产中的应用6）军事、公安等领域7)机器人视觉8）视频和多媒体系统9）科学可视化10）电子商务1.7发展动向图像处理面临的主要任务是研究新的处理方法，构造新的处理系统，开拓更广泛的应用领域，需要进一步研究的有：（1）提高精度的同时解决处理速度问题（2）加强软件和新处理方法的研究（3）加强边缘学科的研究（4）加强理论研究，逐步形成图像处理自身的理论体系（5）图像处理领域的标准化图像处理技术未来将围绕HDTV的研制、硬件芯片以及新理论、新方法的研究来进行。2、图像数字化技术图像的数字化包括采样和量化两个过程设连续图像f(x,y)经数字化后，可以用一个离散量组成的矩阵g(i,j)（二维数组）来表示。g(0,0)g(0,1)…g(0,n-1)g(i,j)＝g(1,0)g(1,1)…g(1,n-1)......g(m-1,0)g(m-1,1)..g(m-1,n-1)g(i,j)代表(i,j)点的灰度值，即亮度值。2、图像数字化技术数字化有以下几点说明：1）由于g(i,j)代表该点图像的光强度，而光是能量的一种形式，故g(i,j)必须大于零，且为有限值，即0g(i,j)。2）数字化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、正六角形点阵取样等等。3）以上是用g(i,j)的数值来表示（i,j)位置点上灰度值的大小，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,)表示，其中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,,t)。2.1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。由于图像是二维分布的信息，所以采样是在x轴和y轴两个方向上进行。2.1采样采样时的注意点是：采样间隔的选取。采样间隔取得不合适除了画面出现马赛克之外，还会发生频率的混叠现象。2.1采样采样公式+g(t)=g(iT)s(t-iT)t=-s(t)=sin(t)/tT1/22.2量化是将各个像素所含的明暗信息离散化后，用数字来表示称为图像的量化，一般的量化值用整数来表示。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0~255描述“黑~白”。2.2量化采样与量化参数的选择假定图象取M*N个样点，每个象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b=M*N*Q字节数B=M*N*Q/8(Byte)2.2量化对限定数字图像大小时，一般采用如下规则：1）对缓变的图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓2）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，以避免模糊（混叠）2.2量化量化技术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。均匀量化非均匀量化2.3数字图像类型静态图像可分为矢量图(Vector)和位图(Bitmap)位图也称为栅格图像。位图可分为以下几类：1.线画稿（黑白图像）2.灰度图像3.索引图像4.真彩色图像2.3数字图像类型黑白图像011100001I2.3数字图像类型灰度图像100220250180501202001500I2.3数字图像类型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。00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B2.3数字图像类型位图的有关术语1.象素（Pixel)、点(Dot)和样点（Sample)2.分辨率1）图像分辨率2）屏幕分辨率3）打印机分辨率4）扫描仪分辨率2.4图像文件格式BMP图像文件格式BMP(BitMapPicture)文件格式是Windows系统交换图形图像数据的一种标准格式BMP图像的数据由四部分组成：1）位图文件头2）位图信息头3）调色板4）图像数据2.4图像文件格式-位图文件头BITMAPFILEHEADER是一个结构体，定义如下：typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{WORDbfType;DWORDbfSize;WORDbfReserved1;WORDbfReserved2;DWORDbfOffBits;}BITMAPFILEHEADER;这个结构是固定的，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2.4图像文件格式-位图信息头BITMAPINFOHEADER也是一个结构体，定义如下：typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORDbfSize;LONGbiWidth;LONGbiHeight;WORDbiPlanes;WORDbiBitCount;DWORDbiCompression;DWORDbiSizeImage;LONGbiXpelsPerMeter;LONGbiYPelsPerMeter;DWORDbiClrUsed;DWORDbiClrImportant;}BITMAPINFOEADER;这个结构的长度固定为40个字节（LONG为32位二进制整数）2.4图像文件格式-调色板调色板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RGBQUAN结构，占4个字节，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BYTErgbRserved;//保留色}RGBQUAD;2.4图像文件格式-图像数据对于用到调色板的位图，图像数据就是该象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。—对于2色位图，0表示黑，1表示白，一个字节表示8个象素；—对于16色位图，用4位表示一个象素的颜色，所以一个字节表示2个象素；—对于256色位图，一个字节刚好表示一个象素。下面两点需要注意：（1）每一行的字节必须是4的整数倍，如果不是，需要补齐。（2）BMP文件的数据存放是从下到上，从左到右的。最先读到的是最下面一行左边第一个象素，然后是左边第二个象素，以此类推，是倒数第二行左边第一个象素，左边第二个象素，等等，最后是最上面一行的最右边的一个象素。2.5色度学基础三色原理根据人眼的结构，所有颜色都可看作是三种基本颜色——R表示红(Red)、G表示绿(Green)和B表示篮(Blue)按照不同的比例组合而成。国际照度委员会(CIE)早在1931年就规定三种基本色的波长分别为R:700nm,G:546.1nm,B:435.8nm。颜色的三个基本属性分别是色调、饱和度和亮度。基于这三个基本属性，提出了一种重要的颜色模型HIS(Hue、Saturation、Intensity)2.5色度学基础彩色的描述原理：可视光区的波长在400nm~700nm，当光谱采样限制到三个人类视觉系统敏感的红、绿、蓝光波段时，对这三个光谱带的光能量进行采样，就可以得到一幅彩色图像。400nm700nm紫外光红外光可见光区546.1nm435.8nm780nm2.5色度学基础感兴趣的范围：红外区、可见光区一直到紫外光区。多光谱图像：光谱采样不限于三个波段，即为多光谱图像。其研究课题最多的是在遥感领域。2.6颜色模型--RGB模型z篮(Blue)品红(Magenta)青(Cyan)红(Red)x绿(Green)黄(Yellow)y2.6颜色模型--HSI模型色相环和柱形彩色空间示意图120o绿绿S红H00红篮I12002400篮0o24002.6颜色模型—RGB与HIS转换RGB转换到HIS对任何3个[0,1]范围内的R、G、B值，其对应HIS模型中的I、S、H分量的计算公式为：I=1/3(R＋G+B)S=I-3/(R+G+B)[min(R,G,B)]H=arccos{[(R-G)+(R-B)]/2[(R-G)2+(R-B)(G-B)]1/2}2.6颜色模型—RGB与HIS转换HIS转换到RGB假设S、I的值在[0,1]之间，R、G、B的值也在[0,1]之间,则HIS转换为RGB的公式为：(分成3段)(1)当H在[0o,120o]之间B=I(1-S)R=I[1+ScosH/cos(60o-H)G=3I-(B+R)(2)当H在[120o,240o]之间R=I(1-S)G=I[1+Scos(H-120o)/cos(180o-H)]G=3I-(R+B)(3)当H在[240o,360o]之间G=I(1-S)R=I[1+Scos(H-120o)/cos(300o-H)]B=3I-(G+B)2.6颜色模型—其它模型CMYK表色系统其它表色系（1）YUV电视信号彩色坐标系统（2）Lab表色系