《数字图像处理》课件第2章 数字图像处理基础.pptx

1、数字图像处理数字图像处理Digital Image ProcessingDigital Image Processing目目 录录1.概论2.2.数字图像处理基础数字图像处理基础3.图像增强4.图像的几何变换5.频域处理6.数学形态学基础7.图像分割8.图像特征与理解第二章第二章 数字图像处理基础数字图像处理基础1.图像数字化技术2.色度学基础与颜色模型3.数字图像类型4.图像文件格式5.OpenCV编程简介2.1 图像图像数字化技术数字化技术n 图像的数字化包括采样采样和量化量化两部分。自然场景可用连续函数f(x,y)表示，其在空间坐标（自空间坐标（自变量）和颜色值变量）和颜色值(因变量因变

2、量)都是连续的都是连续的。为了在计算机上能够进行存储，须同时将空间坐标进行和颜色值进行离散化，这一过程称为数字化。空间坐标数字化的过程称为采样。颜色值数字化的过程称为量化。2.1 图像图像数字化技术数字化技术成像系统成像系统场景场景:模拟模拟图像图像成像平面成像平面数字化结果数字化结果数字化过程示意图2.1.1 采样采样n 采样采样是将在空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集的操作。由于图像是二维分布的信息，所以采样是在x轴和y轴两个方向上进行。采样示意图采样示意图2.1.2 量化量化(Sampling,Quantization)n 量化量化：取样后图像的每个样点的取值范围分成若干区间

3、，并仅用一个数值代表每个区间中的所有取值。量化的结果是图像能够容纳的颜色总数，它反映了采样的质量。连续灰度值连续灰度值 量化值量化值(整数值整数值)灰度标度 灰度量化 (a)量化 (b)量化为量化为8bit 量化示意图2.1.3 采样与量化参数的选择采样与量化参数的选择n 一幅图像在采样时，行、列的采样点行、列的采样点与量化时每个像素量化的级数级数，既影响数字图像的质量质量，也影响到数据量的大小大小。n 假定图像取M MN N个样点个样点，每个像素量化后的灰度二进制位数为Q Q，一般Q总是取为2的整数幂，即Q=2kQ=2k，则存储一幅数字图像所需的二进制位数二进制位数b b为为：b=MNQ 字

4、节数为：B=（MNQ）/8 (Byte)2.1.3 采样与量化参数的选择采样与量化参数的选择不同采样点数对图像质量的影响不同采样点数对图像质量的影响2.1.3 采样与量化参数的选择采样与量化参数的选择不同量化级数对图像质量的影响不同量化级数对图像质量的影响2.1.4 图像数字化设备图像数字化设备n 将模拟图像数字化为数字图像，目前主要有数码相机、扫描仪、数字化仪等设备。数码相机手机扫描仪医学成像人造卫星无人机2.1.4 图像数字化设备图像数字化设备n 图像数字化设备的组成组成(1)采样孔(2)图像扫描机构(3)光传感器(4)量化器(5)输出存储装置n 数字化设备性能设备性能(1)像素大小(2)

5、量化位数(3)图像大小(4)线性度(5)噪声2.2 色度学基础与颜色模型色度学基础与颜色模型n 颜色是通过眼、脑和生活经验所产生的一种对光的视觉效应对光的视觉效应，对色彩的辨认是肉眼受到电磁波辐射能刺激肉眼受到电磁波辐射能刺激后所引起的一种视觉神经视觉神经的感觉的感觉。可见光可见光:电磁波谱中波长约在0.390.76m范围内且为肉眼可见的电磁辐射。2.2.1 色度学基础色度学基础n 多光谱图像f(x,y,),计算机显示一幅彩色图像时，每一个像素的颜色是通过3种基本颜色（即红、绿、蓝）基本颜色（即红、绿、蓝）合成的，即最常见的RGB颜色模型。根据三原色学说，可见光谱内任何颜色都可由红、绿、蓝三色

6、组成。生理学试验表明，视网膜上的光感受器光感受器可分锥细胞锥细胞(cone cell)和杆杆细胞细胞(rod cell)。杆细胞杆细胞锥锥细细胞胞2.2.1 色度学基础色度学基础400020406080100450500550600650700波长(nm)光 吸 收 性%蓝绿红人类感光细胞的敏感曲线敏感曲线Red:700nm,Green:546.1nm,Blue:435.8nm2.2.1 色度学基础色度学基础n 颜色的三个属性三个属性颜色是外界光刺激于人的视觉器官而产生的主观感觉。颜色可分两大类：非彩色和彩色非彩色和彩色。n 非彩色：黑白色n 彩色：根据人的视觉系统感知彩色的方式，颜色有三个基

7、本属性，分别是色调、饱和度、亮度色调、饱和度、亮度。色调：人的感官对不同颜色的感受，如红色、绿色和蓝色。饱和度：颜色的纯度，饱和度越大，颜色看起来就会越鲜艳。强度：对应成像亮度和图像灰度，是颜色的明亮程度明亮程度。2.2.2 颜色模型颜色模型n 按用途可分为三类(1)计算计算颜色颜色模型模型用于进行颜色的理论研究。常见的RGBRGB模模型型、CIE XYZCIE XYZ模型模型、LabLab模型模型等均属于此类型。(2)视觉颜色模型视觉颜色模型是指与人眼对颜色感知的视觉模型相似的模型，它主要用于色彩的理解，常见的有HSIHSI模型模型、HSVHSV模型模型和 HSLHSL模型模型。(3)工业颜

8、色模型工业颜色模型侧重于实际应用，包括彩色显示系统、彩色传输系统 及电视传输系统等。如印刷中用的CMYKCMYK模模型型、电视系统用YUVYUV模型模型、用于彩色图像压缩的YCbCrYCbCr模模型型等。2.2.2 颜色模型颜色模型n RGB颜色模型按照CIE规定的三基色构成表色系统。自然界的任一种颜色都可通过这三种基色按不同比例混合而成不同比例混合而成。由于RGB模型将三基色同时加入以产生新的颜色，所以，它是一个加色系统一个加色系统。RGB (Red,Green,Blue)R:200 G:50B:1202.2.2 颜色模型颜色模型n RGB颜色模型的优点优点(1)RGB模型与显示器显示器等设

9、备有着较好的对应关系。(2)在RGB显示器中，有三种荧光粉三种荧光粉能够分别发出红、绿、蓝三种颜色，三个相邻的荧光点构成了一个像素，这些荧光点受到三束分别为c1,c2,c3的电子束的轰击，会发出不同的亮度，通过物理上的叠加或混合，便可显示出相应的颜色。2.2.2 颜色模型颜色模型n Lab颜色模型Lab颜色模型由三个要素组成，一个要素是亮度（亮度（L L），a a 和和b b是是两个颜色通道两个颜色通道。a包括的颜色是从深绿色（低亮度值）到灰色深绿色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到亮粉红色（高（中亮度值）再到亮粉红色（高亮度值）亮度值）；b是从亮蓝色（低亮度值）到灰色（中亮度值）再到。因此，

10、这种颜色混合后将产生具有明亮效果的色彩。2.2.2 颜色模型颜色模型n HSI 颜色模型色调H(Hue):与光波的波长有关，它表示人的感官对不同颜色的感受，如红色、绿色、蓝色等，饱和度(Saturation):表示颜色的纯度，纯光谱色是完合饱和的，加入白光会稀释饱和度。饱和度越大，颜色看起来就会鲜艳，反之亦然。强度I(Intensity)：对应成像亮度和图像灰度，是颜色的明亮程度。HSI模型建立基于两个重要的事实:(1)I I分量与图像的彩色信息无关分量与图像的彩色信息无关；(2)H H和和S S分量与人感受颜色的方式是紧密相联的分量与人感受颜色的方式是紧密相联的。这些特点使得HSI模型非常适

11、合彩色特性检测与分析。2.2.2 颜色模型颜色模型n HSI 颜色模型RGB颜色模型转换为HSI颜色模型的公式见教材22页 HSI色立体圆柱HSI模型2.2.2 颜色模型颜色模型n CMY模型和CMYK模型CMY模型是硬拷贝设备上输出图像的颜色模型，常用于彩色打印、印刷行业。它的三原色是青(Cyan)、品红(Magenta)、，分别为红、绿、蓝的补色，称为减色基。在CMY中，颜色是从白光中减去一定成分白光中减去一定成分得到的，而不是像素RGB颜色模型那样，在黑光中增加某种颜色黑光中增加某种颜色。CMY坐标可以从RGB模型中得到：1255,0,0025525510,255,0255025510,

12、0,2552552550CRMGYB 2.2.2 颜色模型颜色模型n CMY模型和CMYK模型由于在印刷时CMY模型不可能产生真正的黑色，因此在印刷业中实际上使用的是CMYK颜色模型，K K为第四种颜色为第四种颜色，表示黑色。用以弥补三个颜色混合不够黑的问题。2.2.2 颜色模型颜色模型n YCbCr模型YCbCr模型充分考虑人眼视觉特性，以降低彩色数字图像存储量，是一种适合于彩色图像压缩的模型彩色图像压缩的模型。YCbCr模型与YUV模型一样，由亮度Y、色差Cb、色差Cr构成。与YUV模型的不同是，在构造色差信号时，充分考虑了RGB 3个分量在视觉感受中的不同重要性。2.2.3 颜色变换颜色

13、变换n 对彩色图像进行颜色变换，可实现对彩色图像的增强处理，改善其视觉效视觉效果果，为进一步处理奠定基础。n 基本变换颜色变换模型为：g(x,y)=T f(x,y)式中：f(x,y)是彩色输入图像，其值为一般为向量；g(x,y)是变换或处理后的彩色图像，与f(x,y)同维；T是在空间域上对f的操作。T对图像颜色的操作有多种方式；2.2.3 颜色变换颜色变换n 基本变换nirrrTsnii,2,1,21式中：ri、si为f(x,y)和g(x,y)在图像中任一点的彩色分量值；T1，T2，Tn为变换函数集。n的值由颜色模型而定，若选择RGB模型，则n=3；r1、r2、r3分别表示输入图像的红、绿、蓝

14、分量；选择CMYK模型，则n=4。(a)原图像 (b)HSI模型 (c)RGB模型 彩色图像直方图均衡化处理效果2.2.3 颜色变换颜色变换n 彩色切片彩色切片是通过识别图像中感兴趣的颜色，然后将其作为一个整体从图像中分离出来。彩色切片效果(a)原图像n1,2,i25.01其它injjiirWars(b)提取黄色n1,2,i)(5.01202其它injjiirRars2.3 数字图像类型数字图像类型n 矢量矢量(Vector)(Vector)图图和位图（位图（BitmapBitmap），），位图也称为栅格图像。n 矢量图是用数学数学(准确地说是几何学)公式描述一幅图像公式描述一幅图像。(计算机

15、图形计算机图形学学)优点优点：一是它的文件数据量很小，因为存储的是其数学公式；其二是图像质量与分辨率无关图像质量与分辨率无关，这意味着无论将图像放大或缩小了多少次，图像总是以显示设备允许的最大清晰度显示。缺点缺点，就是不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像色调丰富或色彩变化太多的图像，而且绘制出来的图像不是很逼真，同时也不易在不同的软件间交换文件。在CorelDraw和Adobe Illustrator中生成的图像均为矢量图。2.3 数字图像类型数字图像类型n 位图位图是由许多像素点来表示一幅图像是由许多像素点来表示一幅图像。每个像素具有颜色属性和位置属性。线画稿线画稿：黑白二色01110000

16、1I2.3 数字图像类型数字图像类型n位图是由许多像素点来表示一幅图像。每个像素具有颜色属性和位置属性灰度图像灰度图像：灰度图像像素的灰度级用8 bit表示，每个像素都是介于黑、白之间的256（28=256）种灰度中的一种。100220250180501202001500I2.3 数字图像类型数字图像类型真彩色图像真彩色图像：真彩色图像中，每一个像素由红、绿和蓝3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3个字节组合，可以产生1670万种不同的颜色。00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B2.3 数字图像类型数字图像类型索引图像：在这种模式下，预先定义好每种颜色，且可供选用的一组预先定义好每种颜色，且可供选用的一组颜色数最多为颜色数最多为256256种种。2.3 数字图像类型数字图像类型多多(高高)光谱图像光谱图像：每一个像素点的值是一个多维向量多维向量，是该点在多个波段的反射值反射值。http:/ 数字图像类型数字图像类型n 位图有关术语(1)像素点(Pixel)、点Do