数字图像处理 贾永红

第二章基本概念

贾永红武汉大学

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、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

图像数字化是将一幅画面转化成计算机能处理的形式——数字图像的过程。模拟图像数字图像正方形点阵具体来说，就是把一幅图画分割成如图2.3.1所示的一个个小区域（像元或像素），并将各小区域灰度用整数来表示，形成一幅点阵式的数字图像。它包括采样和量化两个过程。像素的位置和灰度就是像素的属性。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。一般来说，G?2，g就是表示存储图像像素灰度值所需的比特位数。若一幅数字图像的量化灰度级数G=256=28级，灰度取值范围一般是0~255的整数，由于用8bit就能表示灰度图像像素的灰度值，因此常称8bit量化。从视觉效果来看，采用大于或等于6比特位量化的灰度图像，视觉上就能令人满意。一幅大小为M×N、灰度级数为G的图像所需的存储空间，即图像的数据量，大小为M×N×g（bit）g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?100???I??001???110??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。?0150200???I??12050180???250220100??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。?255240240??R??255080???0??2550??016080??G??255255160????02550??80160??0?B??00240????255255255??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。

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。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。2.3.4 数字化器数字化器必须能够将图像划分为若干像素并分别给它们地址，能够度量每一像素的灰度并量化为整数，能够将这些整数写入存储设备。一、数字化器组成A．采样孔：保证单独观测特定的像素而不受其它部分的影响。B．图像扫描机构：使采样孔按预先确定的方式在图像上移动。C．光传感器：通过采样孔测量图像的每一个像素的亮度。D．量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。E．输出存储体：将像素灰度值存储起来。它可以是固态存储器，或磁盘等。常用的数字化器是扫描仪、数码相机和数码摄像机。

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。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鼓式扫描仪

又称为滚筒式扫描仪。鼓式扫描仪是专业印刷排版领域应用最广泛的产品。滚筒式扫描仪的结构特殊，它的工作原理是把原图贴放在一个有机玻璃滚筒上，让滚筒以一定的速率围绕一个光电系统旋转，探头中的亮光源发射出的光线通过细小的锥形光圈照射在原图上，一个像素一个像素地进行采样。这种扫描仪的光学分辨率高、色深高、动态范围宽，而且输出的图像普遍具有色彩还原逼真、阴影区细节丰富、放大效果优良等特点。但它的体积大，价格也很高。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。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

a）位图是1，4，8位时，有调色板。

BGR对于2色位图，用1位就可以表示该像素的颜色，因此一个字节可以表示8个像素；对于16色位图，用4位可以表示一个像素的颜色，所以1个字节可以表示2个像素；对于256色位图，一个字节刚好表示一个像素；b）位图是24位（真彩色）时，无调色板B1G1R1B2G2R2:BnGnRn对于真彩色图，3个字节才能表示1个像素.2.7 图像的特征1．图像的特征1）自然特征①光谱特征②几何特征③时相特征2）人工特征①直方图特征②灰度边缘特征③线、角点、纹理特征图像的特征有很多，按提取特征的范围大小又可分为：①点特征仅由各个像素就能决定的性质。如单色图像中的灰度值、彩色图像中的红(R)、绿(G)、蓝(B)成分的值。②局部特征在小邻域内所具有的性质，如线和边缘的强度、方向、密度和统计量(平均值、方差等)等。③区域特征在图像内的对象物(一般是指与该区域外部有区别的具有一定性质的区域)内的点或者局部的特征分布，或者统计量，以及区域的几何特征(面积、形状)等。④整体特征整个图像作为一个区域看待时的统计性质和结构特征等。2．特征提取获取图像特征信息的操作称作特征提取。它作为模式识别、图像理解或信息量压缩的基础是很重要的。通过特征提取，可以获得特征构成的图像（称作特征图像）和特征参数。图2.6.3图像的特征提取

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