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1、1,医学图像处理,Medical Image Processing,上海理工大学&飞利浦合作课程,2,Lecture 1. 数字图像处理基础,The Fundamentals of Digital Image Processing,3,要深入学习医学图像处理技术，就必须理解和掌握数字图像处理的的一些基本概念和术语。例如数字图像的获取、图像矩阵的表达、图像中的像素、灰度值的意义、图像的数据表达格式、图像的格式、图像直方图等。,4,本章的主要内容,图像的数字化 数字图像的数值描述 数字图像的类型 图像文件格式 数字图像的灰度直方图 图像像素间的基本关系,5,1.1 图像的数字化,图像的分类,根据其
2、形式或产生方法可将图像分成模拟图像和数字图像。,图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，是对客观存在的物体的一种相似性的生动模仿与描述。,6,模拟图像在水平与垂直方向上的像素点位置的变化以及每个像素点位置上的灰度变化都是连续的，因此有时又将模拟图像称之为连续图像( continuous image)。,数字图像是指把模拟图像分解成被称作像素的若干小离散点，并将各像素的颜色值用量化的离散值，即整数值来表示的图像。像素是组成数字图像的基本元素，是按某种规律（如模拟/数字转换）获得一系列二进制数码（0和1）来表示图像中的每个点的信息，即数字图像是将模拟图像经过数字化（或离散化）过程
3、转变而成的。因此，又将数字图像称为离散图像（discrete image)。,模拟图像和数字图像 (analog image & digital image),7,1、what is a continuous image? A continuous image defined in the “real world“ is considered to be a function of two real variables, for example, f(x,y) with f as the amplitude (e.g. brightness) of the image at the real
4、coordinate position (x,y). Film image, photo,etc. 2、Digital Image Definitions A digital image fm,n described in a 2D discrete space is derived from an analog image f(x,y) in a 2D continuous space through a sampling process that is frequently referred to as digitization.,8,由于目前的计算机所能处理的信息必须是数字信号，而我们得
5、到的照片、图纸或景物等原始信息都是连续的模拟信号，所以数字图像处理的第一个环节就是将连续图像信息转化为数字形式。,模拟图像及对应的数字图像,9,数字图像：空间量化(采样)+幅值量化(量化),10,左图显示了投影到一阵列传感器平面上的连续图像。右图显示了取样和量化后的图像。很明显,数字图像的质量很大程度上取决于取样和量化中所用的取样数和灰度级。,11,图像数字化：将模拟图像经过数字化之后，得到用数字表示的图像。图像的数字化包括采样和量化两个过程,12,1.1.1 采样,采样：指将空域上或时域上连续的图像(模拟图像)变换成离散采样点(像素)集合的一种操作。即：空间坐标的离散化。,图像采样是通过先在
6、垂直方向上采样，然后将得到的结果再沿水平方向采样两个步骤来完成的操作。经过采样之后得到的二维离散信号的最小单位就称为像素。一般情况下，水平方向的采样间隔与垂直方向的采样间隔相同。,13,图像采样(栅格化),14,图像采样,15,在进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要的问题，它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的程度。采样间隔的大小选取要依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。一般，图像中细节越多，采样间隔应越小。,对一幅图像采样后，若每行(即横向)像素为M个，每列(即纵向)像素为N个，则图像大小为MN个像素。例如，一幅640480的图像，就表示这幅连续图像在长、宽方向上分别分成640个
7、和480个像素。显然，想要得到更加清晰的图像质量，就要提高图像的采样像素点数，也就是要使用更多的像素点来表示该图像，但相对需要付出更大的存储空间的代价。,16,量化：把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。即：灰度的离散化。,1.1.2 量化,将连续图像的像素值分布落在Zi，Zi+1范围内的点的取值量化为qi+1，称之为灰度值或灰阶(Gray Level)。把真实值Z与量化值qi+1之差称为量化误差，把表示对应于各个像素的亮暗程度称为灰度等级或灰度标度。,17,18,图像的量化等级反映了采样的质量。例如，图像中的每个像素都用8位二进制数表示，有28=256个量级；
8、若采用16位二进制数表示，则有216=65536个量级；若采用24位二进制数表示，则有224=1667万个量级。同样，量级越大，图像质量就越高，存储空间要求就越大。但由于计算机的工作速度、存储空间是相对有限的，各种参数都不能无限地提高。,假定图像取MN个样点，每个像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：,字节数B为,19,图像尺寸计算,为像素的大小,图像大小,20,灰度级和字节,图像 灰度级 所占字节 8位 256 1字节/像素 12位 4096 2字节/像素,21,图像存储容量的计算,一幅灰度图像，矩阵为512512，灰
9、度级别为256，在计算机中保存，图像数据占多少字节？,灰度级别为256，也就是28 ，8位图像。使用一个字节保存一个像素。,像素共有 512512262144,这幅图像占262144字节， 也就是 262144/1024 = 256K,22,空间分辨率和灰度分辨率,空间分辨率(spatial resolution )： 图像空间中可分辨的最小细节。一般用单位长度上采样的像素数目或单位长度上的线对数目表示。灰度分辨率(contrast resolution )： 图像灰度级中可分辨的最小变化。一般用灰度级或比特数表示。,数字图像的两个基本问题,a. 像素数目,b.灰度值的度量,23,灰度级(Gr
10、ay level scale),2的整数次幂 2n 如：8bit 28=256 由256个灰度级别表示白到黑之间的过度,24,像素越多，相同大小的图像的分辨率也就越高，像素太大会使图像的细节丢失。,空间分辨率（图像的采样）与图像质量的关系,25,（a）原始图像(256256)； （b）采样图像1(128128)；（c）采样图像2(6464)； （d）采样图像3(3232)； （e）采样图像4(1616)； （f） 采样图像5(88),不同采样点数对图像质量的影响,26,当图像尺寸一定的时候，图像矩阵越大，空间分辨率越高，可观察的细节越多。,27,Resolution 640x480,28,Re
11、solution 320x240,29,Resolution 160x120,30,Resolution 80x60,31,32,为保持空间分辨率，图像尺寸越来越小。,33,总结： 空间分辨率越高，图像质量越好；空间分辨率越低，图像质量越差，会出现棋盘模式。,空间分辨率（图像的采样）与图像质量的关系,34,The relationship between image quality and the number of gray levels:the ability to distinguish different tissues or structures determined by gray
12、 level resolution,灰度分辨率（图像的量化）与图像质量的关系,35,不同量化级别对图像质量的影响,（a）原始图像(256级)； （b） 量化图像1(128级)； （c） 量化图像2(64级)； （d）量化图像3(32级)； （e） 量化图像4(16级)； （f） 量化图像5(8级) （g）量化图像6(4级)； （h） 量化图像7(2级)；,虚假轮廓,36,总结： 灰度分辨率越高，图像质量越好；灰度分辨率越低，图像质量越差，会出现虚假轮廓。,灰度分辨率（图像的量化）与图像质量的关系,37,空间分辨率和灰度分辨率同时变化，对图像质量的影响,38,采样和量化的原则,当限定数字图像的大
13、小时, 为了得到质量较好的图像，一般可采用如下原则：,（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,39,1.2 数字图像的数值描述,采样和量化的结果是一个实际矩阵。,因为矩阵是二维的，所以可以用矩阵来描述数字图像。,描述数字图像的矩阵目前采用的是整数阵，即每个像素的亮暗，用一个整数来表示。,矩阵是按照行列的顺序来定位数据的，但是图像是在平面上定位数据的，所以有一个坐标系定义上的特殊性。,40,矩阵坐标系与直角坐标系,数字图像坐标系,41,数字图像表示,（2）传统矩阵表示形式,（1）紧凑矩阵表示,42,1.3 数字图像
14、的类型,图像是由像素而构成的点位图。 黑白图: 常用1位值表示 灰度图: 常用4位（16种灰度等级）或8位（256种灰度等级）表示该点的亮度 彩色图: 用8，16，24，32位描述像素点的颜色层次,43,1. 黑白图像,黑白图像是指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为值图像（binary image) 。,2值图像的像素值为0、1,44,黑白图像（二值图像）的表示,45,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。,2. 灰度图像(gray-scale image),在灰度图像中，像素灰度级一般用8 bit表示，所以每个像素都是介于黑色（0）和白色
15、（255）之间的256（28=256）种灰度中的一种。,46,灰度图像的表示,47,3. 彩色图像（true color image）,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RGB是由不同的灰度级来描述的。,每一个像素由红、绿和蓝三个字节组成， 每个字节为8 bit，表示0到255之间的不同的亮度值，这三个字节组合可以产生1670万种不同的颜色。,48,彩色图像不能用一个矩阵来描述了，一般是用三个矩阵同时来描述。,49,彩色图像RGB（red-green-blue）形式。,彩色图像的表示,50,1.4 图像文件格式,数字图像有多种存储格式，每种格式一般由不同的开发商支持。随着
16、信息技术的发展和图像应用领域的不断拓宽，还会出现新的图像格式。因此，要进行图像处理，必须了解图像文件的格式，即图像文件的数据构成。,目前常用的图像格式有BMP、JPG、TIFF、GIF等，此外医学图像专用的格式还有DICOM、img等。不同的图像格式，其对数据和图像信息的存贮与表达方式均不相同 。,51,图像文件的存储格式,BMP位图格式 最典型的应用是Windows的画笔; 应用广泛; 缺点：无损压缩，占用磁盘空间较大，多应用在单机上，不受网络欢迎。GIF格式 Graphics Interchange Format的缩写， 最多存储256色， 是经过压缩的格式，磁盘空间占用较少， 一个GIF文件可以存放多幅图像，在Internet上广泛地应用。,52,图像文件的存储格式,JPEG格式 Joint Photographic Experts Group的缩写 是对静止灰度或彩色图像的一种压缩标准， 使用有损压缩方式时,可节省大量的空间 JPEG和GIF成为HTML语法选用的图像格式TIFF格式（Tagged Image Format File） 是一种独立于操作系统和文件系统的格式 被所有绘画、图像编辑和页面排版程序所支持 几乎所有桌面扫描仪都可以生成 TIFF 图像,
