第2章图像知识及运算.ppt

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1、第第2章图像的基本知识及运算章图像的基本知识及运算专业术语及表示方法专业术语及表示方法图像与视觉之间的关系图像与视觉之间的关系图像象素间的关系图像象素间的关系图像间的运算图像间的运算专业术语专业术语n数字图像与物理图像数字图像是离散的，物理图像是连续的函数n数字化为了适应数字计算机的处理，必须对连续图像函数进行空间和幅值数字化。空间坐标(x,y)的数字化称为图像采样，而幅值数字化被称为灰度级量化。经过数字化后的图像称为数字图像(或离散图像)。n采样就是图像在空间上的离散化处理，即使空间上连续变化的图像离散化 n量化经过取样的图像，只是在空间上被离散为像素（样本）的阵列，而每一个样本灰度值还是一

2、个有无穷多个取值的连续变化量，必须将其转化为有限个离散值，赋于不同码字才能真正成为数字图像，再由数字计算机或其它数字设备进行处理运算，这样的转化过程称其为量化 n分辨率 空间分辨率和灰度分辨率 灰度分辨率是指值的单位幅度上包含的灰度级数，即在灰度级数中可分辨的最小变化。若用8比特来存储一幅数字图像，其灰度级为256。空间分辨率是指图像中可辨别的最小细节，采样间隔决定空间分辨率的主要参数。一般情况下，如果没有必要实际度量所涉及象素的物理分辨率和在原始场景中分析细节等级时，通常将图像大小MN，灰度为L级的数字图像称为空间分辨率为MN，灰度级分辨率为L级的图像。对比度指一幅图像中灰度反差的大小，对比

3、度最大亮度对比度指一幅图像中灰度反差的大小，对比度最大亮度/最小亮度最小亮度n图像噪声妨碍人们感觉器官对所接收的信息理解的因素，种类很多，如加性噪声、乘性噪声、白噪声和高斯噪声采样点和量化级的选取n假定一幅图像取MN个样点，对样点值进行Q 级分档取整。那么对 M、N和Q如何取值呢？n为了存取的方便，Q一般总是取成2的整数次幂，如Q2b，b为正整数，通常称为对图像进行b比特量化。n对b来讲，取值越大，重建图像失真越小 n对MN的取值，主要的依据是取样的约束条件，也就是在MN达到满足取样定理的情况下，重建图像就不会产生失真，否则就会因取样点数不够而产生所谓混淆失真 数字图像的表示数字图像的表示n灰

4、度图像表示)1,1()1,1()0,1()1,1()1,1()0,1()1,0()1,0()0,0(),(NNfNfNfNfffNfffyxf象素象素(pixel)125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133,60,133,154,158,100,116,120,97,74,54,74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,灰度图象灰度图象(128x128)及其对应的数值矩阵（仅列出一部分及其对

5、应的数值矩阵（仅列出一部分(26x31)）n彩色图像表示彩色图象彩色图象可以用可以用红、红、绿、绿、蓝蓝三元组的二维矩阵来表示。三元组的二维矩阵来表示。通常，三元组的每个数值也是在通常，三元组的每个数值也是在0 0到到255255之间，之间，0 0表表示相应的基色在该象素中没有，而示相应的基色在该象素中没有，而255255则代表相则代表相应的基色在该象素中取得最大值，这种情况下每应的基色在该象素中取得最大值，这种情况下每个象素可用三个字节来表示个象素可用三个字节来表示(207,137,130)(220,179,163)(215,169,161)(210,179,172)(210,179,172

6、)(207,154,146)(217,124,121)(226,144,133)(226,144,133)(224,137,124)(227,151,136)(227,151,136)(226,159,142)(227,151,136)(230,170,154)(231,178,163)(231,178,163)(231,178,163)(236,187,171)(236,187,171)(239,195,176)(239,195,176)(240,205,187)(239,195,176)彩色图象彩色图象(128x128)及其对应的数值矩阵（仅列出一部分及其对应的数值矩阵（仅列出一部分(25

7、x31)）n二值图像表示为了减少计算量，常将灰度图像转为二值图像处理。为了减少计算量，常将灰度图像转为二值图像处理。定义：只有黑白两个灰度级，即象素灰度级非定义：只有黑白两个灰度级，即象素灰度级非1即即0，如，如文字图片，其数字图像可用每个象素文字图片，其数字图像可用每个象素1bit的矩阵表示的矩阵表示二值图像的特殊表示法二值图像的特殊表示法：如链码：如链码(Freeman码码)适合表示直线和曲线组成的二值图像，以及描述适合表示直线和曲线组成的二值图像，以及描述图像的边界轮廓图像的边界轮廓采用链码节省很多的比特数规定了链的起采用链码节省很多的比特数规定了链的起点坐标和链的斜率序列，这样就可以完

8、全描点坐标和链的斜率序列，这样就可以完全描述曲线和直线述曲线和直线八向链码八向链码图像信息的基本知识图像信息的基本知识n图像与视觉之间的关系图像与视觉之间的关系n图像象素之间联系图像象素之间联系n图像之间的运算图像之间的运算n人眼与亮度视觉人眼与亮度视觉镜头镜头成像成像面面人眼的亮度适应范围人眼的亮度适应范围 量级量级同时亮度适应区间不大，同时亮度适应区间不大，一般一般 64级级 1010晶状体晶状体视网膜视网膜人眼截面示意图人眼截面示意图15m100m17mmx/17=15/100 x=2.55mm假设一个平面如磨砂玻璃一样散光，被假设一个平面如磨砂玻璃一样散光，被1个强度为个强度为I且可且

9、可以变化的光源从背后照亮，以变化的光源从背后照亮，1个照度增量为个照度增量为I，像短促，像短促闪光一样加在均匀照明的平面上，可使人感到平面中间闪光一样加在均匀照明的平面上，可使人感到平面中间像像1个圆形亮点，如图所示个圆形亮点，如图所示如果如果I不够亮，实验者没有感知上的变化，当不够亮，实验者没有感知上的变化，当I逐步逐步增强，感知上发生变化。如果增强，感知上发生变化。如果50的机会感知亮度变化，的机会感知亮度变化，则量则量I50/I为韦伯率，小的韦伯率表示可区分强度的为韦伯率，小的韦伯率表示可区分强度的小变化，有较好的亮度区分能力；大的韦伯率表示只有小变化，有较好的亮度区分能力；大的韦伯率表

10、示只有大的强度变化才能区分，有较差的亮度区分能力大的强度变化才能区分，有较差的亮度区分能力n亮度适应亮度适应n马赫带效应马赫带效应亮背景下显得暗、暗亮背景下显得暗、暗背景下显得亮背景下显得亮它是基于人眼对某个区域感它是基于人眼对某个区域感觉到的亮度并不仅仅依赖于觉到的亮度并不仅仅依赖于它的强度它的强度 n同时对比度同时对比度视觉系统有趋视觉系统有趋向于过高或过向于过高或过低估计不同亮低估计不同亮度区域边界值度区域边界值的现象的现象每个条带内部的亮度每个条带内部的亮度是常数，但仍然有强是常数，但仍然有强烈的边缘效应烈的边缘效应颜色视觉颜色视觉R 波长波长700 nmG 波长波长546.1 nmB

11、 波长波长435.8 nm三基色三基色颜色分解颜色分解亮度（亮度（Intensity）色调色调(Hue)饱和度饱和度(Saturation)区分颜色的区分颜色的3种基本特性种基本特性色度色度对彩色图像来说，颜色中对彩色图像来说，颜色中掺入白色越多，就越亮，掺入白色越多，就越亮，掺入黑色越多灰度就越小掺入黑色越多灰度就越小与混合光谱中主要光波长与混合光谱中主要光波长相联系相联系与一定色调的纯度有关，纯光与一定色调的纯度有关，纯光谱是完全饱和的，随着白光的谱是完全饱和的，随着白光的加入，饱和度逐渐减少加入，饱和度逐渐减少颜色模型颜色模型nRGBnCMYnYUVnYCrCbnHSVRGB彩色空间彩色

12、空间nRGB颜色模型主要应用于颜色模型主要应用于CRT监视器和图形刷新设备监视器和图形刷新设备中。尽管该彩色空间是最普遍的，但是由于中。尽管该彩色空间是最普遍的，但是由于R、G、B三色之间存在强烈的相关性三色之间存在强烈的相关性 nCMY-在印刷行业,CMY分别是青色（Cyan)、品红(Magenta)、黄色(Yellow)三种油墨色 nCMY常用于从白光中滤去某种颜色，又被称为减性原色系统。nCMY颜色模型与RGB颜色模型几乎完全相同。差别仅仅在于前者的原点为白，而后者的原点为黑。前者是定义在白色中减去某种颜色来定义一种颜色，而后者是通过从黑色中加入颜色来定义一种颜色。CMY彩色空间HSV彩

13、色空间彩色空间该模型经常为艺术家所使用。这种格式反映了人该模型经常为艺术家所使用。这种格式反映了人类观察色彩的方式，同时也有利于图像处理类观察色彩的方式，同时也有利于图像处理 优点优点亮度（亮度（V）与反映色彩本质特性的两个参）与反映色彩本质特性的两个参数色度（数色度（H）和饱和度（）和饱和度（S）分开分开 光照明暗给物体颜色带来的直接影响就是亮度分光照明暗给物体颜色带来的直接影响就是亮度分量（量（V），所以若能将亮度分量从色彩中提取出），所以若能将亮度分量从色彩中提取出去，而只用反映色彩本质特性的色度、饱和度来去，而只用反映色彩本质特性的色度、饱和度来进行聚类分析，会获得比较好的效果。这也正

14、是进行聚类分析，会获得比较好的效果。这也正是HSV模型在彩色图像处理和计算机视觉的研究模型在彩色图像处理和计算机视觉的研究中经常被中经常被使用的原因使用的原因n与与RGB之间关系之间关系60*),min(),max(),max(hHbgrbgrmmVmmSBGRV其它和若和若和若和若和若5),min(),max(3),min(),max(3),min(),max(1),min(),max(1),min(),max(5rbgrgbgrbgbgrbbgrgbbgrbbgrgrbgrgbgrrgbgrgbgrrbhmmbVbmmgVgmmrVrYUV彩色空间彩色空间n一种彩色传输模型，主要用于彩色电

15、视一种彩色传输模型，主要用于彩色电视信号传输标准信号传输标准nY黑白亮度分量，黑白亮度分量，U,V彩色信息用以彩色信息用以显示彩色图像显示彩色图像BGRVUY10.0515.0615.0436.0287.0147.0114.0587.0299.0与与RGB之间的转换关系：之间的转换关系：YCrCb彩色空间彩色空间n一种彩色传输模型一种彩色传输模型，主要用于彩色电视信号传输标主要用于彩色电视信号传输标准方面，被广泛的应用在电视的色彩显示等领域中准方面，被广泛的应用在电视的色彩显示等领域中 优点优点人类视觉人类视觉感知过程感知过程相类似相类似应用于电视显应用于电视显示，视频压缩，示，视频压缩，MP

16、GE/JPEG将色彩中的将色彩中的亮度分量分亮度分量分离离计算过程和计算过程和空间坐标形空间坐标形式简单式简单n与与RGB之间关系之间关系12812816214.18786.93112112203.74797.37966.24553.128481.652561BGRCCYrb图像象素间的联系图像象素间的联系n主要介绍数字图像中基本而又重要的象主要介绍数字图像中基本而又重要的象素间的关系素间的关系yxf,表示一幅图像表示一幅图像p和和q 表示图像中某个特定的象素表示图像中某个特定的象素象素的邻域象素的邻域4邻域和邻域和8邻域邻域4邻域邻域 pN4 pND4对角邻域对角邻域 pN88邻域邻域连通性连通性n为了确定目标的边界和区域的元素为了确定目标的边界和区域的元素n分为连接和连通，连接是连通的一个特例分为连接和连通，连接是连通的一个特例V定义为连接的灰度值集合定义为连接的灰度值集合如在一幅二值图中，为考虑灰度值为如在一幅二值图中，为考虑灰度值为1的象素之间的连通性，的象素之间的连通性，V=1。又知在。又知在l幅灰度图中，考虑具有灰度值在幅灰度图中，考虑具有灰度值在8到到16之之间象素的连通