图像信息的基本知识

第2章图像处理基础知识图像和视觉基础视觉基础人眼与亮度视觉颜色视觉成像基础成像模型成像几何采样和量化图像基础像素间联系图像运算图像坐标变换第2章图像处理基础知识2.1图像数字化2.2图像数据结构2.3图像文件格式2.4图像质量评价2.1图像数字化2.1.1图像传感器与数字成像2.1.2数字化原理2.1.1图像传感器与数字成像1.CCD传感器电荷耦合器件（ChargedCoupledDevice），感应可见光的光强...逐行扫描采样量化数字化像素对应扫描线的行扫描行像素灰度整数值扫描仪的图像数字化过程原理图2.1.1图像传感器与数字成像2.CMOS传感器互补性金属氧化物半导体（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）2.1.2数字化原理1．数学模型,,,,,fxyfxyxyfxyAfxy模拟图像的数学模型是一个二元函数，的函数值是能量的记录，是非负有界的实数，同时，一幅实际图像的尺寸是有限的，一般定义在某一矩形域中模拟图像数字化后得到数字图像。数字图像的数学模型仍用二元函数来表示，但此时的坐标值和函数值是离散的，是整数值0≤≤2．采样和量化采样：空间上的离散化量化：灰度上的离散化(0,0)(0,1)(,)(1,0)(1,1)nTffnfxyfnfnn抽样连续信号（抽样、量化）——数字信号2.1.2数字化原理采样点阵：正方形、正三角2.1.2数字化原理图像矩阵的特点：a）b）数字化抽样：正方形点阵、三角形点阵、正六角形点阵等0(,)fxy2.1.2数字化原理3.采样定理一维采样定理：惠特克－卡切尼柯夫－香农whittaker-korelnikov-shannon2()()2cccwfffftfft（）采样定理。当或，则函数的傅立叶变换为0，亦即可由相隔为或更密的样本正确重构≥≥2.1.2数字化原理二维采样定理：采样频率大于图像信号最高频率的2倍00002π()11(,)2cos2π(34),0.2(,)2cos2π(34)edd(3,4)(3,4)3,3,415220.2jxuyvccxysxsysxyfxyxyxyFuvxyxyuvuvfffffffff例：带宽4时为0，采样频率：或不满足采样定理，有混频现象0022xyff奈奎斯特频率：不混叠时采样中的最低限，oxyyx(,)(,)(,)(,)(,)smnsxyxmxynyfxyfxysxy2.1.2数字化原理1122ccxyuv采样间隔满足条件和，此时模拟图像的采样结果可以精确地，无失真地重建原图像≤≤2.1.2数字化原理4.采样误差混叠噪声孔径效应：实际采样脉冲不是理想冲击函数，有一定的宽度，会产生失真插入噪声：由采样图像信号恢复到原图像，无理想滤波器（在内频率特性平坦，相位特性成直线)抖动噪声：采样周期为，但发射与接受端存在相位差异，称相位抖动。TcfT5.量化均匀量化非均匀量化:a）基于视觉特性：对亮度值急剧变化部分无需过细分层，进行粗量化,对亮度值平缓变化部分需过细分层，进行细量化b）先计算所有可能的亮度值出现的概率分布，对概率分布大的进行细量化,对概率分布小的进行粗量化,非均匀量化可以减少量化误差，又能用较少的比特数实现量化2.1.2数字化原理量化和采样是两个不同的概念，量化是在每个采样点上进行的，所以必须先采样后量化。量化和采样是图像数字化的不可或缺的两个操作，二者紧密相关，同时完成。2.1.2数字化原理6.采样和量化的关系,,fxyfxy采样空间离散的像素矩阵量化对信号的幅度进行离散分层的过程2.1.2数字化原理————222128128698304(12)51251282097152(256)mnkkMNGMNGNNGGkBMNK图像尺寸每个像素所具有的离散灰度级数（不同灰度值的个数）=2点采样，每点灰度级级，，占位。存一幅图像所需的位数（bit）、2.1.2数字化原理NNkNkNkkNkNkN总数据量位二进制数据当总存储容量一定时，与怎么分配效果才最佳？解：无一般方法，取决于具体图像。当纹理细节多时大，小。当层次要求多时，则大，小。例如：人头像——要照顾层次？大，小（频带窄平滑，采样间隔可大）。群众场面——纹理丰富？小，大（频带宽，采样间隔要小，不丢细节）。2.1.2数字化原理NKNKNKk和的关系：1）图像质量一般随和的增加而增加。在极小情况下固定的，减小能改进图像质量，因为增加了图像的反差。2)对具有大量细节的图像通常只需要很少的灰度级数就可较好地表示3)为常数的一系列图像主观看起来可以有较大的差异非均匀采样和量化－细节部分，分配较多的采样－灰度突变部分，可用较少的灰度级数2.1.2数字化原理表示灰度级、bright,彩色,连续图像.如X光图像反映人体组织吸收特性，红外图像反映温度辐射特性，CCD反映可见光的特性(,)fxy(,,)fxy(,,,)fxyt在图像建模中涉及到保真度(fidelity)：衡量处理方法好坏，清晰否？采样、量化正交序列展开，Fourier变换统计模型：把图像看成一个集合的成员如均值、方差。2.1.2数字化原理2.2图像数据结构2.2.1图像模式2.2.2彩色空间2.2.3图像存储的数据结构2.2.1图像模式1．灰度图像可由黑白照片数字化得到，或从彩色图像进行去色处理得到（256灰度级）2．二值图像灰度图像经过二值化处理后的结果，两个灰度级，只需用1bit表示。2.2.1图像模式3．彩色图像彩色图像的数据不仅包含亮度信息，还要包含颜色信息。彩色的表示方法是多样化的。三基色模型：RGB（Red/Green/Blue，红绿蓝）RGB三基色可以混合成任意颜色。2.2.1图像模式2.2.2彩色空间1)RGB彩色空间：面向硬件设备的彩色模型三基色原理三基色指可以用来调配出其它颜色的红、绿、蓝三种颜色。彩色图像可由红、绿、蓝三基色图像叠加而成。2.2.2彩色空间在RGB彩色空间中，任意彩色光的配色方程式为：[R][G][B][R][G][B]LrgbrgbL、、为其中，彩色光的三基色分量或百分比。L2)CMY彩色空间自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类——发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，不发光物体称为无源物体。无源物体是不发出光波的物体，其颜色由该物体吸收或反射哪些光波来决定，因此采用CMY三基色相减模型和CMY彩色空间描述。2.2.2彩色空间2.2.2彩色空间油墨和颜料的三基色是CMY（Cyan/Magenta/Yellow，青/洋红/黄）而不是RGB，CMY三基色的特点是油墨和颜料用的越多，颜色越暗（或越黑），所以将CMY称为三减色，而RGB称为三加色。2.2.2彩色空间3)HSI彩色空间区分颜色常用的3种基本特性量：色调（Hue）、饱和度（Saturation）、强度（Intensity）。色调Hue：与混合光谱中主要光波长相联系饱和度Saturation：与一定色调的纯度有关强度Intensity：与物体的反射率成正比1.一维数组方式:行×列2.多波段图像数据结合结构1）按各个波段存储N列行红绿蓝2.2.3图像存储的数据结构MMN2）按扫描行存储红绿蓝…第1行3）按各个像素存储红绿蓝…（1，1）（1，2）2.2.3图像存储的数据结构2.多波段图像数据结合结构2.3图像文件格式2.3.1BMP文件格式2.3.2GIF文件格式2.3.3TIFF文件格式2.3.4JPEG文件格式2.3.5DICOM文件格式2.3图像文件格式2.3.1BMP文件格式不经过压缩直接按位存盘的文件格式，称为位图（bitmap）。2.3.2GIF文件格式GIF（graphicInterchangeFormat）是由CompuServe公司设计和开发的文件存储格式，用于存储图形，也可以用来存储256色图像。扩展名为gif。2.3图像文件格式2.3.3TIFF文件格式TIFF（TaggedImageFileFormat）是相对经典、功能很强的图像文件存储格式，扩展名为tif或tiff。2.3.4JPEG文件格式由（国际）联合图像专家组（JointPhotographicExpertsGroup）提出的静止图像压缩标准文件格式，是面向常规彩色图像及其它静止图像的一种压缩标准。扩展名为jpg或jpeg。2.3.5DICOM文件格式DICOM(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine)是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。DICOM格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。DICOM文件的常见扩展名为DCM。2.3图像文件格式2.4图像质量评价2.4.1图像质量的客观评价2.4.2图像质量的主观评价2.4.1图像质量的客观评价归一化方均误差211211[(,)(,)][(,)]JKjkJKjkfjkfjkNMSEfjk1111111111111221(,)(,)1111122111111111fjkfjkNMSE峰值方均误差等效信噪比21121()[(,)(,)]JKjkfjkfjkJKPMSEA1010log()PSNRPMSE2.4.1图像质量的客观评价PSNRPMSEf(j,k)——被变换的图像场，A——f(j,k)的最大值图像质量评价的研究是图像信息工程的基本技术之一。光电变换——传输——处理——记录——其他变换图像增强：就是为了改善图像的主观视觉显示质量图像复原：是用于补偿图像的降质，使复原后的图像接近原像图像编码技术:在保持被编码图像一定质量的前提下，以尽量少的码字来表示图像，以节省信道和储存器容量2.4.2图像质量的主观评价基本概念图像逼真度（Fidelity）——描述被评价图像与标准图像的偏离程度图像可懂度（Intelligibility)——表示图像能向人或机器提供信息的能力2.4.2图像质量的主观评价外行、内行主观评价：采用目视观察和主观感觉评价图像的质量绝对评价——标准图像作参考。“全优度尺度”：非常好图像5分好图像4分中等图像3分差图像2分非常差图像1分2.4.2图像质量的主观评价相对评价——图像好到坏分类，比较。“群优度尺度”最好、稍好一批中最好的图像7分比该批的平均水平好的图像6分稍好于该批的平均水平图像5分该批平均水平的图像4分稍次于该批的平均水平图像3分比该批的平均水平差的图像2分一批中最差的图像1分2.4.2图像质量的主观评价作业2-1画出视觉信息在眼球内（视网膜中）的传输过程模型示意图，并扼要说明之2-2画出黑白视觉扩展模型，并略加说明作业111111(,)111(,)101111111fjkfjk2-4画出链式码2222225550000的曲线2-3什么叫图像逼真度和图像可懂度？采用归一化方均误差NMSE计算下面两幅数字图像的逼真度