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1、第四章第四章 数字图像处理数字图像处理 l数字化图像数字化图像l数字化图像的色彩空间数字化图像的色彩空间l数字化图像的编码和压缩数字化图像的编码和压缩l数字图像的文件格式数字图像的文件格式光（电磁能量波普）敏感器件数字化器件例如：X光透视仪，电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)：1）线阵；2）面阵 互补金属氧化物半导体器件CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)：1）光敏二极管无源像素结构；2）光敏二极管有源像素结构；3）光栅型有源像素结构采集装置和性能指标采集装置和性能指标4.1 4.1 数字化图像数字化图像1.线
2、性响应：输入与输出的关系是否线性2.灵敏度：绝对灵敏度，相对灵敏度3.信噪比：4.不均匀度：输入信号为常数而输出形式不为常数5.快门速度：采集时间6.读取速率：传输速率一、采集装置和性能指标一、采集装置和性能指标图像的数字化指将模拟图像离散化后得到用数字表示的图像。具体来说，就是把图像分割成如图所示一个个小区域（像元或像素），并将各小区域的灰度用整数表示，形成一幅数字图像。它包括采样和量化两个过程。像素的位置和灰度是像素的属性。4.14.1采样采样将空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集的操作称为采样。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。4.1.1采样采样
3、一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时出现马赛克效应；采样间隔越小，所得图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但数据量大。4.1.2 4.1.2 量化量化 将像素所含的明暗信息（灰度）转换成离散的整数值的过程称为量化。若连续灰度值为z，对于zizzi+1的z值，都量化为整数qi。qi称为像素的灰度值，z与qi的差称为量化误差。考虑到人眼的识别能力，目前非特殊用途的图像均为8bit量化，即用0255描述“黑白”。一幅数字图像中不同灰度值的个数称为灰度级数。一幅大小为MN、灰度级数为G(=2g)的图像所需的存储空间，即图像的数据量，大小为 MNg（bit）4.
4、1.2 4.1.2 量化量化 量化等级越多，所得图像层次越丰富，灰度分辨率高，图像质量好，但数据量大；量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓现象，图像质量变差，但数据量小。但在极少数情况下对固定图像大小，减少灰度级能改善质量，这主要由于减少灰度级一般会增加图像对比度。均匀量化 非均匀量化 4.1.4 均匀量化与非均匀量化量化可分为均匀量化和非均匀量化。量化可分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化均匀量化是简单是简单地在灰度范围内等间隔量化。地在灰度范围内等间隔量化。非均匀量化非均匀量化是对像素出现频度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。少的部分量化间隔
5、取大，而对频度大的量化间隔取小。量化参数与数字化图像间的关系数字化方式可分为均匀采样、量化和非均匀采样、量化。所谓“均匀”，指的是采样、量化为等间隔。非均匀采样是根据图象细节的丰富程度改变采样间距。细节丰富的地方，采样间距小，否则间距大。非均匀量化是对像素出现频度少的间隔大，而频度大的间隔小。采用非均匀采样与量化，会使问题复杂化，因此很少采用。当限定数字图像的大小时,采用如下原则可得到质量较好的图像 1）对缓变的图像，应细量化，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）。数字图像的描述数字图像的描述 1.黑白图像黑白图像 指图像的每个像素只能是黑或者白，没
6、有中间的过渡，故又称为二值图像。2值图像的像素值为0、1。011100001I2.灰度图像灰度图像 是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息。100220250180501202001500I灰度图像描述示例4.2 数字化图像的色彩空间数字化图像的色彩空间一、RGB色系RGB相加色示例R G B 强度 颜色色彩效果0 0 0 黑（Black）0 0 1 蓝（Blue）0 1 0 绿（Green）0 1 1 青（Cyan）1 0 0 红（Red）1 0 1 品红（Magenta）1 1 0 黄（Yellow）1 1 1 白（White）二、HSI色系 这种彩色系统格式的设计
7、反映了人类观察彩色的方式。如：红色又分为浅红和深红色等等。几种常用的表色系统几种常用的表色系统I(Intensity)：表示光照强度或称为亮度，它确定了像素的整体亮度，而不管其颜色是什么。二、HSI色系H(Hue)：表示色度，由角度表示。反映了该颜色最接近什么样的光谱波长（既彩虹中的那种颜色）0o为红色，120o为绿色，240o为蓝色。0 o到240o覆盖了所有可见光谱的颜色，240o到300o是人眼可见的非光谱色（紫色）。几种常用的表色系统几种常用的表色系统S(saturation)：表示饱和度，饱和度参数是色环的原点到彩色点的半径长度。表颜色的浓淡。在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱
8、和度值为1。在中心是中性（灰）影调，即饱和度为0。HSI颜色模式 l 从心理学的角度来看，颜色有三个要素：色相、饱和度和亮度。HSB颜色模式便是基于人对颜色的心里感受的颜色模式。HSB色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描述。圆锥空间模型（A）HSI圆锥空间模型（B）线条示意图：圆锥上亮度、色度和饱和度的关系。（C）纵轴表示亮度（D）圆锥纵切面：描述了同一色调的不同亮度和饱和度关系。（E）圆锥横切面：色调H为绕着圆锥截面度量的色环，圆周上的颜色为完全饱和的纯色，色饱和度为穿过中心的半径横轴。Lab颜色模式l 该颜色模式由一个发光率(luminance)和两个颜色(a,b)轴组成。它由颜色轴所构成的
9、平面上的环形线来表示颜色的变化，其中径向表示色饱和度的变化，自内向外，饱和度逐渐增高；圆周方向表示色调的变化，每个圆周形成个色环；而不同的发光率表示不同的亮度并对应不同环形颜色变化线。A.光度=100（白）B.绿到红分量C.蓝到黄分量D.光度=0（黑）到红分量Lab颜色模式 l Lab颜色是由RGB三基色转换而来的 l 它是一种具有“独立于设备”的颜色模式，既不论使用任何一种监视器或者打印机，Lab的颜色不变。CMYKCMYK颜色模式颜色模式 l 这是彩色印刷使用的种颜色模式。它由青(cyan)、洋红(magenta)、黄(yellow)和黑(black)四种颜色组成。l 这种模式的创建基础和
10、RGB不同，它不是靠增加光线，而是靠减去光线。这是因为与监视器或者电视机不同，打印纸不能创建光源，即它不会发射光线，而只能吸收和反射光线，即它只能够吸收特定波长而反射其它波长。l 通过对上述四种颜色的组合，可以产生可见光谱中的绝大部分颜色。CMYK颜色模式颜色模式CMYK相减混色模型 CMYK模型以打印在纸张上油墨的光线吸收特性为基础，白光照射到半透明油墨上时，部分光谱被吸收，部分被反射回眼睛。理论上，青色(C)、洋红(M)和黄色(Y)色素能合成吸收所有颜色并产生黑色。由于这个原因，这些颜色叫作减色。因为所有打印油墨都会包含一些杂质，这三种油墨实际上产生一种土灰色，必须与黑色(K)油墨混合才能
11、产生真正的黑色。将这些油墨混合产生颜色叫作四色印刷。颜色模型的色域 色域是一个色系能够显示或打印的颜色范围。人眼看到的色谱比任何颜色模型中的色域都宽。在颜色模型中，Lab具有最宽的色域，它包括RGB和CMYK色域中的所有颜色。通常RGB色域包含能在计算机显示器或电视屏幕（发出红、绿和蓝光）上所有能显示的颜色。因而一些诸如纯青或纯黄等颜色不能在显示器上精确显示。CMYK色域较窄，仅包含使用印刷色油墨能够打印的颜色。当不能被打印的颜色在屏幕上显示时，它们称为溢色即超出CMYK色域之外。饱和度效果示意图 色度效果示意图 亮度效果示意图 1.RGB到HSI的转换：)(31BGRIBGRBGRS),mi
12、n(312GBHGB)()()()(cos2211BGBRGRBRGR2.HSI到RGB的转换 1）)60cos()cos(1 3HHSRI)1(3SBIBRIG3时当1200 H)180cos()120cos(1 3HHSGI)1(3SRIGRIB3时当240120 H2.HSI到RGB的转换 2）2.HSI到RGB的转换 3）时当300240 H)300cos()240cos(1 3HHSBI)1(3SGIBGIR31.算术运算 算术运算是指两幅图象进行点对点的加、减、乘或除计算而得图象。加法可将一幅图象内容加到另一幅图象上，达到二次暴光的要求。加法可对同一场景的多幅图象求平均，以降低加性
13、随机噪声。图象相减可去除图象中不需要的加性图案。图象相减也可用于运动检测。乘法可用于去除图象中部分影象。除法多用于多光谱遥感运算的比值计算。噪声 加性噪声：加性噪声和图象信号强度不相关。乘性噪声：乘性噪声和图象信号是相关的。椒盐噪声：黑图象上的白点，白图象上的黑点。量化噪声：是由量化过程引起的。2.逻辑运算 AND OR NOT 用于二值图象，常用来进行邻域运算。5 5 图象运算图象运算 5 5 图象运算图象运算110000000000001000zyxfzfxfxzyx将图像沿坐标轴方向进行比例缩放，从而获得一幅新图像。如果在x轴和y轴方向变换比率相同，则称为全比例缩放，否则，图像的尺度变换
14、会改变原始图像像素间的相对位置，产生几何畸变。设尺度因子为f，尺度变换前后两点P0(x0,y0,z0)、P(x,y,z)之间的关系用矩阵形式可以表示为 b.平移变换设点P0(x0,y0,z0)进行平移后，移到P(x,y,z)，其中沿坐标轴方向的平移量分别为x,y,z。则点P(x,y,z)的坐标为 5 5 图象运算图象运算a.尺度变换3.几何运算 5 5 图象运算图象运算110001000100011000zyxzyxzyx11000010000cossin00sincos1000zyxzyx利用齐次坐标，变换前后图像上的象素点之间的关系可用如下矩阵变换表示c.旋转变换这里讨论点绕坐标轴旋转的情
15、况。1)绕z轴旋转角度zzzyyyxxx000 5 5 图象运算图象运算2)绕x轴旋转角度2)绕y轴旋转角度d.复合变换 指对图像连续施行若干次平移、比例、旋转等基本变换后所完成的变换，又叫级联变换。可以证明，复合变换的矩阵等于基本变换的矩阵按顺序依次相乘所得组合矩阵。设对给定的图像依次进行基本变换F1，F2，FN，它们的变换矩阵分别为T1，T2，TN，图像复合变换的矩阵T可以表示为：T=TNTN-1T1。110000cossin00sincos000111000zyxzyx110000cos0sin00100sin0cos1000zyxzyxYUV与RGB彩色空间变换Y=0.299R+0.5
16、87G+0.114BU=-0.147R-0.289G+0.436BV=0.615R-0.515G-0.100B写成矩阵的形式：彩色空间彩色空间RGB-YUVRGB-YUVBGRVUY100.0515.0615.0436.0289.0147.0114.0587.0299.0YIQ与RGB彩色空间变换Y=0.299R+0.587G+0.114BI=0.596R-0.275G-0.321BQ=0.212R-0.523G+0.311B写成矩阵的形式：彩色空间RGB-YIQ彩色空间RGB-YCrCbYCrCb与RGB彩色空间变换 数字域中的彩色空间变换与模拟域的彩色空间变换不同。它们的分量使用Y、Cr和Cb来表示，与RGB空间的转换关系如下：Y0.299R0.578G0.114BCr(0.500R0.4187G0.0813B)128Cb=(-0.1687R0.3313G0.500B)128写成矩阵的形式：图像的种类标准单色图 标准灰度图图像的种类256色标准图像 24位标准图像图像的种类256色标准图像转换成的灰度图 24位标准图像转换成的灰度图统计冗余统计冗余l图像数据存在大量的统计特征的重复
