数字图像处理的基本概念

数字图像根据灰度级数的差异可分为：黑白图像、 灰度图像和彩色图像。
黑白图像
图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的过渡， 故又称为二值图像。二值图像的像素值为0或1。
例如
1 0 0 I 0 0 1 1 1 0
灰度图像
灰度图像是指灰度级数大于2的图像。但它不包 含彩色信息。 0 150 200 I 120 50 180 250 220 100
图像数字化器的性能评价项目
项 目 内 容
空间分辨率
灰(色)度分 辨率 图像大小
量测特征
单位尺寸能够采样的像素数。由采样孔径与间距的大 小和可变范围决定。 量化为多少等级(位深度),颜色数(色深度) 仪器允许扫描的最大图幅 数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度
扫描速度
噪声 其他
采样数据的传输速度
目的：
1. 熟悉本章基本概念和图像处理算法形式，了解图像的特 征； 2.重点掌握图像数字化图像灰度直方图的基本概念及应用、 图像数据结构与特征
2.2 成象模型
3-D客观场景到2-D 成像平面的中心投影。 物方点空间坐标与对应 的像方点坐标满足几何 透视变换关系（共线条 件）。 f(x，y)---理想成像面坐标点（x，y） 的亮度 i(x，y)---照度分量 r(x，y)---反射分量，则 f(x，y)＝i(x，y)×r(x，y) 其中 ：0< i(x，y)< ∞ ， 0 <r(x，y)<1
2.3.1采样
将空间上连续的图像变换成离散点的操作称为采样。 采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。 当对图像进行实际的抽样时，怎样选择各抽样点的 间隔是个非常重要的问题。关于这一点，图像包含何种 程度的细微的浓淡变化，取决于希望忠实反映图像的程 度。
不同形状的采样孔径
采样方式:有缝、无缝和重迭
图2.4.2 不同的图像具有相同直方图 ③一幅图像分成多个区域，多个区域的直方图之 和即为原图像的直方图。
2.4.3 直方图的应用
①用于判断图像量化是否恰当
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(a) 恰当量化
(b)未能有效利用
(c)超过了动态范围
图2.4.4直方图用于判断量化是否恰当
②用于确定图像二值化的阈值
0 g ( x, y ) 1
下图是一幅图像的灰度直方图。 频率的计算式为
灰度图像的直方图
彩色图像的分波段直方图
二、计算
该图像像元总数为8*8=64, i=[0,7]
0 0 1 2 3 2 1 3 1 5 6 6 2 2 2 1 3 7 0 7 2 5 3 2 2 6 6 5 7 6 2 3 1 2 3 3 2 2 1 1 3 5 5 6 4 7 2 2 2 6 1 5 1 6 1 2 1 7 2 0 6 0 2 1
第二章 基本概念
第二章
讲解内容
1. 图像数字化概念、数字化参数对图像质量的影响、 数 字化器性能评价 2. 图像灰度直方图的基本概念、计算、 性质及其应用 3.数字图像处理算法形式与数据结构 4.图像图像文件格式与特征 重点：图像数字化、图像灰度直方图和图像文件BMP格式 难点：图像数字化、直方图应用、图像分层结构数据 教学法：灵活应用示例法、启发式、提问法等
扫描仪的类型有很多种，按扫描仪所扫描对象来划分，可 分为反射式和透射式两种。根据其组成结构，扫描仪可分为手 持式、平板式和滚筒式等几种。
手持式扫描仪 这种扫描仪诞生于1987年，是当年使用比较广泛的扫描仪 品种，最大扫描宽度为105mm，用手推动，完成扫描工作， 也有个别产品采用电动方式在纸面上移动，称为自走式扫描仪。 手持式扫描仪扫描幅面太窄，难于操作和捕获精确图像， 扫描效果也很差。1995 ~1996年，各扫描仪厂家相继停止生 产这一产品，手持式扫描仪退出了历史的舞台
局部处理的计算表达式为
JP(i, j ) N ( N ( IP(i, j )))
例如 对一幅图象采用3×3模板进行卷积运算。
点处理 在局部处理中，当输出值JP(i,j)仅与IP(i,j)有关， 则称为点处理，如图2.5.5。
图2.5.5 点处理
点处理的计算表达式为：
JP(i, j) p (IP(i, j)) (2.5 2)
2.3.2量化 经采样图像被分割成空间上离散的像素，但其灰度 是连续的，还不能用计算机进行处理。 将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫量化。
表示像素明暗程度的整数称为像素的灰度级（或灰 度值或灰度）。
一幅数字图像中不同灰度级的个数称为灰度级数， 用G表示。
灰度级数就代表一幅数字图像的层次。图像数据的 实际层次越多视觉效果就越好。
彩色图像
彩色图像是指每个像素由R、G、B分量构成的图 像，其中R、B、G是由不同的灰度级来描述。
255 240 240 R 255 0 80 255 0 0
0 160 80 G 255 255 160 0 255 0
80 160 0 B 0 0 240 255 255 255
大局处理 在局部处理中，输出像素JP(i,j)的值取决于输入图 像大范围或全部像素的值，这种处理称为大局处理。如图 ２.5.6。
其计算表达式为：
图2.5.6 大局处理
JP(i, j ) G (G( IP(i, j )))
(2.5 3)
2.迭代处理
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 对固定图像大小时，减 少灰度级能改善质量， 产生这种情况的最可能 原因是减少灰度级一般 会增加图像的对比度。 例如对细节比较丰富的 图像数字化。
二、扫描仪工作原理 扫描仪是图像输入的常用设备。其工作步骤是: 1.将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上; 2.启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源 通过机械传动机构在控制电路的控制下带动装着光学系统和 CCD的扫描头与图稿进行相对运动来完成扫描。 3.照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成 横向光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜 ，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带，分 别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号， 该信号又被A/D变换器转变为数字 电子信号。 4.将数字电子信号传送 至计算机存储起来。
2.5图像处理算法的形式 2.5.1图像处理基本功能的形式
按图像处理的输出形式，图像处理的基本功能可分 为三种形式。 1）单幅图像 → 单幅图像 ,如图2.5.1(a)。
2）多幅图像 →单幅图像, 如图2.5.1(b)。
3）单（或多）幅图像→ 数字或符号等，如图2.5.1(c)。
2.5.2图像处理的几种具体算法
均匀量化效果示意图
非均匀量化效果示意图
图像的质量
1.平均亮度
2.对比度 是指一幅图象中灰度反差的大小。 对比度=最大亮度/最小亮度
3.清晰度 由图像边缘灰度 变化的速度来描述。
4.分解力或分辨率
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 像素呈块状的国际 棋盘效应； 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。
f ( x, y ) T f ( x, y ) T
具有二峰性的灰度图象
③当影像上目标的灰度值比其它部分灰度值大或者灰 度区间已知时，可利用直方图统计图像中物体的面 积。 A= n vi
i T
(2.4-3)
④ 计算图像信息量H（熵）
L1 i 0
H Pi log2 Pi
（2.4-4）
2.3.3 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 隔方式。图像数字化一般采用均匀采样和均匀 量化方式。 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。 非均匀量化是对图像层次少的区域采用间 隔大量化，而对图像层次丰富的区域采用间隔 小量化。 采用非均匀采样与量化，均会使问题复杂 化，因此很少采用。
v0=5/64 v1=12/64 v2=18/64 v3=8/64 v4=1/64 v5=5/64 v6=8/64 v7=5/64
vi
i
2.4.2 直方图的性质
①灰度直方图只能反映图像的灰度分布情况，而 不能反映图像像素的位置,即丢失了像素的位置 信息。 ②一幅图像对应唯一的灰度直方图，反之不成立。 不同的图像可对应相同的直方图。图2.4.2给出 了一个不同的图像具有相同直方图的例子。
数字化器的噪声水平(应当使噪声小于图像内的反差) 黑白/彩色，价格,操作性能等
2.4图像灰度直方图
2.4.1 概念 一、定义
灰度直方图反映的是一幅图像中各灰度级像素出现 的频率。以灰度级为横坐标，纵坐标为灰度级的频率， 绘制频率同灰度级的关系图就是灰度直方图。它是图像 的一个重要特征，反映了图像灰度分布的情况。
平台式扫描仪 又称平板式扫描仪、台式扫描仪，这种扫描仪诞生于 1984年，是目前扫描仪的主流产品。 它的扫描区域为一块透明的平板玻璃，将原图放在这 块玻璃平板上，光源系统通过一个传动机构作水平移动， 发射出的光线照射在原图上，经反射或透射后，由接收系 统接收并生成模拟信号，再通过A／D转换成数字信号，直 接传送到电脑，由电脑进行相应的处理，完成扫描过程。 平板式扫描仪的扫描速度、精度、质量很好，已得到了很 好的普及。
1.局部处理 邻域 对于任一像素（i，j），该像素 周围的像素构成的集合{（i+p,j+q）， p、q取合适的整数}，叫做该像素的邻 域。如图2.5.2（a）。 常用的邻域如图2.5.2（b）、(c), 分别表示中心像素的4-邻域、8-邻域。