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1、第2章图像处理基础知识 视觉和图像基础 视觉基础 人眼视觉机理颜色空间 成像基础 成像模型数字化原理 图像基础 分辨率图像模式图像格式图像质量评价 颜色空间 RGB加混色颜色空间 彩色图像可由红 绿 蓝三基色图像叠加而成 红 绿 蓝越多 颜色越亮 CMY减混色颜色空间 CMY减混色颜色空间 CMY油墨和颜料用的越多 颜色越暗 Whitelight Pigmentlayers Reflectinglayer whitepaper Green Red Blue Black White Cyan Yellow Magenta Cyan Magenta Yellow Black 5 CMYImageD
2、ata FullColorImage CyanImage 1 R MagentaImage 1 G YellowImage 1 B HSI颜色空间 也称为视觉生理模型 色调 H Hue 色饱和度 S Saturation 明度 I Intensity 例如 孟塞尔颜色系统应用 设计 试衣网 HSI颜色空间 也称为视觉生理模型 色调 H Hue 色饱和度 S Saturation 明度 I Intensity 例如 孟塞尔颜色系统应用 设计 试衣网 8 HSIImageData HueChannel SaturationChannel IntensityChannel FullImage RGB
3、到HIS空间的转换 HSI到RGB空间的转换 YUV和RGB之间转换 PAL制式彩色电视使用YUV模型其中 Y为亮度 U V为色度 下式可实现与RBG间的转换 Y 0 299R 0 587G 0 114BU 0 169R 0 331G 0 5BV 0 5R 0 419G 0 081B 图像数字化 图像传感器与数字成像数字化原理 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 扫描仪的图像数字化过程原理图 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 OxideSemicond
4、uctor 应用范围 低端领域 监控 聊天高端领域 专业单反数码相机 数字化原理 1 数学模型 2 采样和量化采样 空间上的离散化量化 灰度上的离散化 数字化原理 连续信号 抽样 量化 数字信号 采样点阵 正方形 正三角 数字化原理 图像矩阵的特点 数字化采样 正方形点阵 三角形点阵 正六角形点阵等 数字化原理 3 二维采样定理 采样频率大于图像信号最高频率的2倍 非均匀采样和均匀采样 细节部分 分配较多的采样 数字化原理 均匀采样 非均匀采样 5 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
5、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 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 6 采样和量化的关系 数字化原理 图像空间分辨率变化所产生的效果 数字化原理 图像幅度分辨率变化所产生的效果 数字化原理 空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果 数字化原理 图像 水平 尺寸M 图像 垂直 尺寸N 象素灰度级数G k bit 图像数字化后所需的位数b 数字化原理 几种常用的图像大小如下 汉字
6、取决于字的大小 每个字可以从16 16到256 256象素 显微镜图像 256 256或512 512象素 电视图像 500 700 480象素 CRT显示器 一般640 480或1024 1024象素 2048 2048象素等 数字化原理 图像分辨率 图像中每单位长度上的像素数目 称为图像的分辨率 其单位为像素 英寸 PPI 或是像素 厘米 在相同尺寸的两幅图像中 高分辨率的图像包含的像素比低分辨率的图像包含的像素多 72像素10像素 图像的尺寸 图像的分辨率和图像文件的大小三者之间有着密切的联系 图像的尺寸越大 图像的分辨率越高 图像文件也就越大 调整图像的大小和分辨率即可改变图像文件的大
7、小 屏幕分辨率 屏幕分辨率是显示器上每单位长度显示的点的数目 DPI 屏幕分辨率取决于显示器大小及其像素设置 当图像分辨率高于显示器分辨率时 屏幕中显示的图像比实际尺寸大 25dpi150dpi300dpi图2 3不同分辨率之比较 输出分辨率 打印机分辨率输出分辨率是照排机或打印机等输出设备产生的每英寸的油墨点数 dpi 打印机的分别率在720dpi以上的 可以使图像获得比较好的效果 CTP分辨率印刷机分辨率 LPI 二值图像 1 灰度图像 2 彩色图像 3 图像数据量计算 数字图像处理中的lenna 莱娜 lenna 图在数字图像处理学习与研究中颇为知名 常被用作数字图像处理各种实验的例图
8、该图原本是刊于1972年11月号花花公子杂志上的一张裸体插图照片的一部分 这期花花公子也是历年来最畅销的一期 销量达7 161 561本 1973年6月 美国南加州大学的信号图像处理研究所的一个助理教授和他的一个研究生打算为了一个学术会议找一张数字照片 而他们对于手头现有成堆 无聊 照片感到厌烦 事实上他们需要的是一个人脸照片 同时又能让人眼前一亮 这时正好有人走进实验室 手上带着一本当时的花花公子杂志 结果故事发生了 而限于当时实验室设备和测试图片的需要 lenna的图片只抠到了原图的肩膀部分 数字图像处理中的lenna Lenna女士现在仍住在她的家乡瑞典 拥有一个有三个孩子的家庭 并且在
9、国家酒类专卖局工作 在1988年的时候 她接受了瑞典一些计算机相关出版社的访问 她对于她的照片有这样的奇遇感到非常的惊奇与兴奋 这是她首次得知她的照片被应用在计算机行业 Lenna于1997年被邀请为嘉宾 参加了数字图像科学技术50周年学术会议 在该会议上 Lenna成了最受欢迎的人之一 她做了关于自己介绍的简要发言 并被无数的fans索取签名 莱娜图在图像压缩算法是最广泛应用的标准测试图 她的脸部与裸露的肩部已经变成了事实上的工业标准 然而 这张图像的使用也引起了一些争议 一些人担心它的色情内容 花花公子 杂志曾经威胁要起诉对莱娜图未经授权的使用 不过这家杂志已经放弃了这种威胁 取而代之的是
10、鼓励因为公众利益使用莱娜图 戴维 C 蒙森 IEEE图像处理汇刊的主编 在1996年1月引用了两个原因来说明莱娜图在科研领域流行的原因 1 该图适度的混合了细节 平滑区域 阴影和纹理 从而能很好的测试各种图像处理算法 2 Lenna是个美女 对于图象处理界的研究者来说 美女图可以有效的吸引他们来做研究 图像文件格式 一般的图像文件结构主要都包含有文件头 文件体和文件尾等三部分 图像文件格式分类 位图图像 位图图像也叫点阵图像 它是由许多单独的小方块组成的 这些小方块又称为像素点 每个像素点都有特定的位置和颜色值 像素点越多 图像的分辨率越高 相应地 图像的文件量也会随之增大 使用放大工具放大后
11、 可以清晰地看到像素的小方块形状与不同的颜色 原始效果放大后的效果 Image 是由输入设备捕捉的实际场景画面 静止图像由一些排列成行和列的点组成 即像素点 图像文件格式分类 矢量图形 矢量图也叫向量图 它是一种基于图形的几何特性来描述的图像 矢量图中的各种图形元素称为对象 每一个对象都是独立的个体 都具有大小 颜色 形状 轮廓等属性 矢量图与分辨率无关 可以将它设置为任意大小 其清晰度不变 也不会出现锯齿状的边缘 原始效果放大后的效果 Graphic 是一组点 线 面等的大小 形状及位置 维数的指令集合 BMP格式TIFF格式GIF格式JPEG格式EPS格式PSD格式 DICOM文件格式 常
12、用的图像文件格式 BMP 常用文件格式 Tiff Tif 常用文件格式 1 平面设计作品的最佳表现形式 2 用于提供印刷文件 3 不适于网络传送 文件头 标识信息区 图像数据 应用 特点 TIFF格式 TIFF格式是标签图像格式 可以用于PC Macintosh以及UNIX工作站3大平台 是这3大平台上使用最广泛的绘图格式 用TIFF格式存储时应考虑到文件的大小 因为TIFF格式的结构要比其他格式更复杂 但TIFF格式支持24个通道 能存储多于4个通道的文件格式 TIFF格式还允许使用PhotoshopCS3中的复杂工具和滤镜特效 TIFF格式非常适合于印刷和输出 GIF 常用文件格式 应用
13、特点 1 扩展名采用 gif 2 具有87a 89a两种格式87a 描述单一 静止 图像89a 描述多帧图像 3 彩色模式 28 256色 4 采用改进的LZW压缩算法 文件头 逻辑屏幕描述 图像数据 结束标志 调色板信息 GIF格式 GIF图像格式还增加了渐显方式 也就是说 在图像传输过程中 用户可以先看到图像的大致轮廓 然后随着传输过程的继续而逐步看清图像中的细节部分 从而适应了用户的 从朦胧到清楚 的观赏心理 由于8位存储格式的限制 使其不能存储超过256色的图像 最适合在图片颜色总数少于256色的使用 GIF格式 文体体积小 而且清晰度非常高 JPEG JPG 常用文件格式 应用 特点
14、 1 用于保存表现自然景观的图像 2 用于网络传送 3 不适于表现有明显边界的图形 4 不适用于高质量印刷文件 1 扩展名采用 jpg 2 采用有损压缩编码形式 数据量小 3 彩色模式 真彩色 4 经解压缩 方可显示图像 显示速度慢 EPS格式 EPS格式可以用于存储矢量图形 几乎所有的矢量绘制和页面排版软件都支持该格式 在Photoshop中打开其他应用程序创建的包含矢量图形的EPS文件时 Photoshop会对此文件进行栅格化 将矢量图形转换为位图图像 EPS格式支持Lab CMYK RGB 索引颜色 灰度和位图色彩模式 不支持Alpha通道 但该格式支持剪贴路径 PNG格式 PNG po
15、rtablenetworkgraphic 便携网络图像 图像由于受到W3C WorldWideWebConsortium 组织的大力推荐 目前已经在网络上逐渐推广 它既可以采用无损压缩算法 又可以采用有损压缩算法 以期在质量与文件大小之间找到最好的平衡 同时又支持真彩色 目前较高版本的浏览器 都支持PNG格式的图像 PSD格式 PSD格式格式是Photoshop自身的专用文件格式 能够支持从线图到CMYK的所有图像类型 但由于在一些图形处理软件中没有得到很好的支持 所以其通用性不强 PSD格式格式能够保存图像数据的细小部分 如图层 附加的遮膜通道等PhotoshopCS3对图像进行特殊处理的信
16、息 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 DICOM文件格式 选择合适的图像文件存储格式 选择合适的图像文件存储格式 用于印刷 TIFF EPS 出版物 PDF Internet图像 GIF JPEG PNG 用于PhotoshopCS3工作 PSD PDD TIFF医学应用 DICOM文件格式 图像质量评价 图像质量的客观评价图像质量的主观评价 图像质量的客观评价 归一化方均误差 峰值方均误差 等效信噪比 图像质量的客观评价 f 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
