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1、数字数字图像像处理理2 数字数字图像表示及其像表示及其处理理2.1 人眼成像人眼成像过程程图像构成：像构成： 照度成分照度成分入射到可入射到可见场景上光的量景上光的量反射成分反射成分场景中目景中目标物体反射光的量物体反射光的量图像由照度和反射量相乘得到像由照度和反射量相乘得到计算机算机图像像处理目的之一，帮助人更好的理目的之一，帮助人更好的观察和理解察和理解图像中像中的信息。的信息。2.1 人眼成像人眼成像过程程 人眼是一个平均半径人眼是一个平均半径为20mm的球状的球状 器官，由三器官，由三层薄膜包薄膜包围。最外最外层：坚硬的蛋白硬的蛋白质膜膜角膜角膜透明透明组织，光，光线进入眼内入眼内巩膜
2、巩膜白色不透明白色不透明组织， 巩固和保巩固和保护整个眼球。整个眼球。中中间一一层：由虹膜和脉由虹膜和脉络膜膜组成。成。 虹膜的中虹膜的中间有一个有一个圆孔，称孔，称为瞳孔。瞳孔。大小由大小由连接虹膜的接虹膜的环状肌肉状肌肉组织来来调节，控制，控制进入眼睛内入眼睛内部的光通量大小，其作用和照相机中的光圈一部的光通量大小，其作用和照相机中的光圈一样。 2.1 人眼成像人眼成像过程程最内一最内一层：视网膜网膜表面分布有大量光敏表面分布有大量光敏细胞。胞。 锥状状分布在黄斑区内分布在黄斑区内分辨光的分辨光的强弱和色彩弱和色彩白天白天视觉杆状杆状无法分辨无法分辨细微差微差别感知感知总体形象体形象不能感
3、知色彩，不能感知色彩，对低照明度比低照明度比较敏感敏感夜夜视觉2.1 人眼成像人眼成像过程程水晶体水晶体瞳孔后面，扁球形瞳孔后面，扁球形作用：如同可作用：如同可变焦距的透焦距的透镜曲率可由睫状肌的收曲率可由睫状肌的收缩进行行调节使景象始使景象始终能能刚好聚焦于黄斑区好聚焦于黄斑区比普通光学透比普通光学透镜的适的适应性性强前室前室角膜和水晶体之角膜和水晶体之间对可可见光透明水状液体光透明水状液体吸收一部分紫外吸收一部分紫外线后室后室胶状透明液体（玻璃体）胶状透明液体（玻璃体）保保护眼睛的眼睛的滤光作用光作用2.1 人眼成像人眼成像过程程一般物体在光源照射下呈一般物体在光源照射下呈现彩色彩色反射或
4、透射照射光源的一部分，吸收其余部分。反射或透射照射光源的一部分，吸收其余部分。人眼人眼对彩色感知的彩色感知的3个度量：个度量：亮度亮度光作用于人眼引起的明亮程度的感光作用于人眼引起的明亮程度的感觉色色调反映反映颜色种色种类。物体反射光的光物体反射光的光谱成分成分透射光的波透射光的波长分布或光分布或光谱饱和度和度彩色光深浅或彩色光深浅或纯洁程度程度饱和度越高，和度越高，颜色越深，或越色越深，或越纯掺入白光而入白光而变浅浅2.1 人眼成像人眼成像过程程三基色原理三基色原理：红、绿、蓝三基色三基色选择不唯一，必不唯一，必须相互独立（任一相互独立（任一颜色不能由其他两色不能由其他两种合成）种合成）相加
5、二次色相加二次色：黄、品：黄、品红、青、青2.1 人眼成像人眼成像过程程马赫赫带奥地利物理学家奥地利物理学家E马赫赫发现的一种明度的一种明度对比比现象象明暗交界明暗交界处，亮度更亮，暗，亮度更亮，暗处更暗更暗主主观的的边缘对比效比效应人人类的的视觉系系统有增有增强边缘对比度的机制比度的机制2.1 人眼成像人眼成像过程程The Color of the DressThose who subconsciously seek detail in the many horizontal black lines convert them to a golden hue, so the blue disa
6、ppears into a blown-out whiteOthers whose brains focus on the blue part of the dress see the photo as the black-and-blue reality2.2 简单的的图像形成模型像形成模型一幅一幅图像像实际上上记录的是物体的是物体辐射能量的空射能量的空间分布，分布，这个个分布是空分布是空间坐坐标、时间和波和波长的函数，即的函数，即:I=(x,y,z,t)。当一幅当一幅图像像为平面平面单色静止色静止图像像时，空，空间坐坐标变量量z ,波波长和和时间变量量t可以从函数中去除，一幅可以从函数中去
7、除，一幅图像可以用二像可以用二维函函数数f(x,y)来表示来表示: f(x,y)=i(x,y)r(x,y) 这里里 0i(x,y) 0r(x,y)1 反射分量限制在反射分量限制在0和和1之之间。i(x,y)的性的性质取决于照射源，而取决于照射源，而r(x，y)取决于成像物体的特性。取决于成像物体的特性。2.3 图像的数字化像的数字化数字数字图像可以理解像可以理解为对二二维函数函数f(x，y)进行采行采样和量化和量化(即即离散离散处理理)后得到的后得到的图像，因此，通常用二像，因此，通常用二维矩矩阵来表示一来表示一幅数字幅数字图像。像。 将一幅将一幅图像像进行数字化的行数字化的过程就是在程就是在
8、计算机内生成一个二算机内生成一个二维矩矩阵的的过程。程。数字化数字化过程包括三个步程包括三个步骤：扫描、采描、采样和量化。和量化。 2.3 图像的数字化像的数字化2.3 图像的数字化像的数字化2.3.1 采样采样 采采样（Sampling）:对图像像空空间坐坐标的的离离散散化化，它它决决定定了了图像的空像的空间分辨率。分辨率。 用用一一个个网网格格把把待待处理理的的图像像覆覆盖盖，然然后后把把每每一一小小格格上上模模拟图像像的的各各个个亮亮度度取取平平均均值，作作为该小小方方格格中中点点的的值；或或者者把把方格的交叉点方格的交叉点处模模拟图像的亮度像的亮度值作作为该方格交叉点上的方格交叉点上的
9、值。 2.3 图像的数字化像的数字化2.3.1 采样采样对一一幅幅图像像采采样时，若若每每行行（即即横横向向）像像素素为N个个，每每列列（即即纵向向）像像素素为M个个，则图像像大大小小为MN个个像像素素，从从而而f(x,y)构成一个构成一个MN实数矩数矩阵： 每个元素为图像每个元素为图像f(x,y)的离散采样值，称之为像元或像素。的离散采样值，称之为像元或像素。 2.3 图像的数字化像的数字化2.3.2 量化量化把采把采样后所得的各像素灰度后所得的各像素灰度值从模从模拟量到离散量的量到离散量的转换称称为图像灰度的量化。像灰度的量化。量化是量化是对图像幅度坐像幅度坐标的离散化，它决定了的离散化，
10、它决定了图像的幅度分像的幅度分辨率。辨率。2.3 图像的数字化像的数字化2.3.2 量化量化量化的方法包括：分量化的方法包括：分层量化、均匀量化和非均匀量化。量化、均匀量化和非均匀量化。分分层量化是把每一个离散量化是把每一个离散样本的本的连续灰度灰度值只分成有限多只分成有限多的的层次。次。均匀量化是把原均匀量化是把原图像灰度像灰度层次从最暗至最亮均匀分次从最暗至最亮均匀分为有限有限个个层次，如果采用不均匀分次，如果采用不均匀分层就称就称为非均匀量化。非均匀量化。 2.3 图像的数字化像的数字化2.3.2 量化量化量化示意图量化示意图2.3 图像的数字化像的数字化2.3.2 量化量化图像量化实例
11、图像量化实例(a) 256(a) 256级灰度图象级灰度图象 ( (b) b) 子图子图 ( (c) c) 子图对应的量化数据子图对应的量化数据2.3 图像的数字化像的数字化2.3.2 量化量化采样点数和量化级数的关系：采样点数和量化级数的关系：对一幅一幅图像，当量化像，当量化级数一定数一定时，采，采样点数点数对图像像质量有量有着着显著的影响。采著的影响。采样点数越多，点数越多，图像像质量越好；当采量越好；当采样点数点数减少减少时，图上的上的块状效状效应就逐就逐渐明明显。当当图像的采像的采样点数一定点数一定时，采用不同量化，采用不同量化级数的数的图像像质量量也不一也不一样。量化。量化级数越多，
12、数越多，图像像质量越好，当量化量越好，当量化级数越少数越少时，图像像质量越差。量越差。量化量化级数最小的极端情况就是二数最小的极端情况就是二值图像，像，图像会出像会出现假假轮廓。廓。 2.3 图像的数字化像的数字化2.3.2 量化量化采样点数与图像质量之间的关系：采样点数与图像质量之间的关系：( (a) a) 采样点采样点256256256256时的图像时的图像 ( (b) b) 采样点采样点64646464时的图像时的图像( (c) c) 采样点采样点323232 2时的图像时的图像( (d) d) 采样点采样点161616 6时的图像时的图像2.3 图像的数字化像的数字化2.3.2 量化量
13、化量化级数与图像质量之间的关系：量化级数与图像质量之间的关系：( (a) a) 量化为量化为2 2级的级的LenaLena图像图像 ( (b) b) 量化为量化为1616级的级的LenaLena图像图像( (c) c) 量化为量化为256256级的级的LenaLena图像图像2.3 图像的数字化像的数字化2.3.2 量化量化量化级数与图像质量之间的关系：量化级数与图像质量之间的关系：2.4 数字数字图像的基本像的基本类型型计算机一般采用两种方式存算机一般采用两种方式存储静静态图像：像：位映射（位映射（Bitmap），即位），即位图存存储模式；模式；向量向量处理（理（Vector），也称矢量存）
14、，也称矢量存储模式。模式。 位位图也称也称为栅格格图像，是通像，是通过许多像素点表示一幅多像素点表示一幅图像，像，每个像素具有每个像素具有颜色属性和位置属性。色属性和位置属性。矢量矢量图只存只存储图像内容的像内容的轮廓部分，而不是存廓部分，而不是存储图像数据像数据的每一点。的每一点。2.4 数字数字图像的基本像的基本类型型2.4.1 二二值图像像二二值图像也叫黑白像也叫黑白图像，就是像，就是图像像素只存在像像素只存在0,1两个两个值。二进制的二进制的lenna图像图像2.4 数字数字图像的基本像的基本类型型2.4.2 灰度灰度图像像灰度灰度图像是包含灰度像是包含灰度级的的图像，如像，如64级，
15、256级等。等。如当像素灰度如当像素灰度级用用8 bit表示表示时，每个像素的取，每个像素的取值就是就是256种灰度中的一种，即每个像素的灰度种灰度中的一种，即每个像素的灰度值为0到到255中的一个。中的一个。通常，用通常，用0表示黑，表示黑，255表示白，从表示白，从0到到255亮度逐亮度逐渐增加。增加。 2.4 数字数字图像的基本像的基本类型型2.4.3 灰度灰度图像像索引索引图像把像素像把像素值直接作直接作为索引索引颜色的序号。色的序号。根据索引根据索引颜色的序号就可以找到色的序号就可以找到该像素的像素的实际颜色。色。当把索引当把索引图像像读入入计算机算机时，索引，索引颜色将被存色将被存
16、储到到调色板色板中。中。调色板是包含不同色板是包含不同颜色的色的颜色表，每种色表，每种颜色以色以红，绿，蓝三种三种颜色的色的组合来表示。合来表示。调色板的色板的单元个数是与元个数是与图像的像的颜色色数一致的。数一致的。256色色图像有像有256个索引个索引颜色，相色，相应的的调色板就有色板就有256个个单元。元。 2.4 数字数字图像的基本像的基本类型型2.4.4 RGB彩色彩色图像像RGB图像是一像是一类图像的像的总称。称。这类图像不使用像不使用单独的独的调色板，每一个像素的色板，每一个像素的颜色由存色由存储在相在相应位置的位置的红、绿、蓝颜色分量共同决定。色分量共同决定。RGB图像是像是2
17、4位位图像，像，红、绿、蓝分量分分量分别占用占用8位，理位，理论上可以包含上可以包含16M种不同的种不同的颜色。色。2.5 数字数字图像的基本文件格式像的基本文件格式每一种每一种图像文件均有一个文件像文件均有一个文件头， 在文件在文件头之后才是之后才是图像像数据。数据。文件文件头的内容一般包括文件的内容一般包括文件类型、文件制作者、制作型、文件制作者、制作时间、版本号、文件大小等内容。版本号、文件大小等内容。各种各种图像文件的制作像文件的制作还涉及到涉及到图像文件的像文件的压缩方式和存方式和存储效率等。效率等。常用的常用的图像文件存像文件存储格式主要有格式主要有BMP文件、文件、JPG文件、文
18、件、PCX文件、文件、TIFF文件以及文件以及GIF文件等。文件等。 2.6 小小结一一幅幅图像像实际上上记录的的是是物物体体辐射射能能量量的的空空间分分布布，这个个分分布布是是空空间坐坐标、时间和和波波长的的函函数数。当当一一幅幅图像像为平平面面单色色静静止止图像像时，图像像可可以以用用二二维函函数数f(x,y)来来表表示示，它它是是一个有界函数。一个有界函数。 将将一一幅幅图像像数数字字化化的的过程程主主要要包包括括扫描描，采采样和和量量化化，其其结果就是在果就是在计算机内生成一个二算机内生成一个二维矩矩阵。 计算算机机一一般般采采用用两两种种方方式式存存储静静态图像像：一一种种是是位位映
19、映射射，即位即位图存存储模式；另一种是向量模式；另一种是向量处理，也称矢量存理，也称矢量存储模式。模式。 2.6 小小结位位图可可以以分分成成二二值图像像、索索引引图像像、灰灰度度图像像和和RGB图像像四种。四种。常常用用的的图像像文文件件存存储格格式式主主要要有有BMP图像像文文件件、JPEG图像像文文件件、PCX图像像文文件件、TIFF图像像文文件件以以及及GIF图像像文文件件等。等。习题习题设设一一颗颗陆陆地地卫卫星星拍拍摄摄的的图图像像分分辨辨率率为为2340*3240，共共4个个波波段段，采采样样精精度度为为7位位，按按每每天天30幅幅计计，计计算算每每天天的的数数据据量量（以（以MB为单位）为单位）
