第2章數(shù)字圖像基礎1第2章數(shù)字圖像基礎第2章數(shù)字圖像基礎2.1 視覺原理2.2 光度學和亮度視覺2.3 圖像感知與獲取2.4 圖像采樣和量化2.5 像素空間的關系2.6 圖像的運算2.7 BMP圖像文件2第2章數(shù)字圖像基礎2.1視覺原理視覺過程包括:光學過程;化學過程;神經(jīng)處理過程光學過程物體在視網(wǎng)膜上成像3第2章數(shù)字圖像基礎2.1視覺原理化學過程接受光的能量并形成視覺圖案（確定成像的亮度或顏色）錐細胞和柱細胞（視網(wǎng)膜表面）（1）錐細胞：數(shù)量少，對顏色很敏感錐細胞視覺：明視覺或亮光視覺（2）柱細胞：數(shù)量多，分辨率比較低；不感受 顏色并對低照度較敏感柱細胞視覺：暗視覺或微光視覺4第2章數(shù)字圖像基礎2.1視覺原理神經(jīng)處理過程對光的感覺轉換為對景物的知覺每個視網(wǎng)膜接收單元都與一個神經(jīng)元細胞借助突觸（synapse）相連每個神經(jīng)元細胞借助其它的突觸與其它細胞連接，從而構成光神經(jīng)（opticalnerve）網(wǎng)絡光神經(jīng)進一步與大腦中的側區(qū)域(sideregionofthebrain)連接，并到達大腦中的紋狀皮層(striatedcortex）對光刺激產(chǎn)生的響應經(jīng)過一系列處理最終形成關于場景的表象，從而將對光的感覺轉化為對景物的知覺5第2章數(shù)字圖像基礎2.1視覺原理整體視覺過程視覺＝“視”＋“覺”6第2章數(shù)字圖像基礎第2章數(shù)字圖像基礎2.1 視覺原理2.2 光度學和亮度視覺2.3 圖像感知與獲取2.4 圖像采樣和量化2.5 像素空間的關系2.6 圖像的運算2.7 BMP圖像文件7第2章數(shù)字圖像基礎2.2光度學和亮度視覺輻射度學研究各種電磁輻射強弱的學科光是一種電磁輻射光度學研究光的強弱的學科光輻射的功率或光輻射量：光通量光通量的單位：lm（流明）8第2章數(shù)字圖像基礎2.2光度學和亮度視覺點光源線度足夠小，或距離觀察者足夠遠發(fā)光強度I：點光源沿某個方向上單位立體角d內發(fā)出的光通量dΦ單位：cd（坎）1cd=1lm/sr(球面度)9第2章數(shù)字圖像基礎擴展光源亮度（brightness/lumiance）單位投影面積上的發(fā)光強度單位：cd/m22.2光度學和亮度視覺10第2章數(shù)字圖像基礎2.2光度學和亮度視覺照度（illumination）一個被光源照射的表面上的照度定義為照射在單位面積上的光通量。設面元dS上的光通量為dΦ

，則此面元上的照度E為：

單位：lx（勒[克斯]），1lx=1lm/m2說明照度：是光源對物體輻射的一種量度{表2.3.2}亮度：觀察者看到的物體表面反射光強的量度{表2.3.1}11第2章數(shù)字圖像基礎2.2光度學和亮度視覺12第2章數(shù)字圖像基礎2.2光度學和亮度視覺13第2章數(shù)字圖像基礎2.2光度學和亮度視覺成像模型2-D亮度函數(shù)：f(x,y)亮度是能量的量度，一定不為零且為有限值光輻射形成物體上能量分布：兩部分

(1)入射到可見場景上的光量：照度成分i(x,y)(2)場景中目標對入射光的反射比率：反射成分r(x,y)14第2章數(shù)字圖像基礎2.2光度學和亮度視覺圖像成像模型f(x,y)與i(x,y)和r(x,y)都成正比i(x,y)的值是由光源決定的r(x,y)的值是由場景中的目標特性所決定的

{典型值：黑天鵝絨0.01;不繡鋼0.65;

粉刷的白墻平面0.80;白雪0.93}15第2章數(shù)字圖像基礎第2章數(shù)字圖像基礎2.1 視覺原理2.2 光度學和亮度視覺2.3 圖像感知與獲取2.4 圖像采樣和量化2.5 像素空間的關系2.6 圖像的運算2.7 BMP圖像文件16第2章數(shù)字圖像基礎2.3圖像感知與獲取圖像數(shù)字化將代表圖像的連續(xù)(模擬)信號轉換為離散(數(shù)字)信號的過程稱為圖像數(shù)字化步驟：采樣和量化主要技術成像：光信息－>電信號模數(shù)轉換（A/DConverter）數(shù)字化（采集）設備基于圖像采集卡或圖像卡（掃描儀）本身帶有數(shù)字化部件（數(shù)碼相機）17第2章數(shù)字圖像基礎2.3圖像感知與獲取關鍵部件：固體成像設備電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevices)利用電荷存儲、傳送和讀取方式進行工作特點：精確、尺寸小、靈敏度高、分辨率高主要設備：攝象機、掃描儀、數(shù)碼相機互補型金屬氧化物半導體CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor)特點：集成性好，體積更小主要設備：可攝像手機18第2章數(shù)字圖像基礎第2章數(shù)字圖像基礎2.1 視覺原理2.2 光度學和亮度視覺2.3 圖像感知與獲取2.4 圖像采樣和量化2.5 像素空間的關系2.6 圖像的運算2.7 BMP圖像文件19第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化實例：數(shù)字化過程20第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化采樣（Sampling）空間坐標的離散化稱為空間采樣，簡稱采樣，確定了圖像的空間分辨率即用空間上部分點的灰度值代表圖像。這些點稱為采樣點兩種方式點陣采樣：直接對表示圖像的二維函數(shù)值進行采樣，所得的結果就是一個樣點值序列正交系數(shù)采樣：先將圖像函數(shù)進行某種正交變換，用其變換系數(shù)作為采樣值21第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化量化（Quantization）對采樣點亮度（灰度）值的離散化過程。確定了圖像的灰（幅）度分辨率兩種量化：均勻量化、非均勻量化均勻量化:將樣點灰度級值等間隔分檔取整，稱為均勻量化非均勻量化:將樣點灰度級值不等間隔分檔取整采樣和量化的級數(shù)假定圖像取M×N個采樣點，對樣點值進行G級分檔取整M,N,G

一般總是取成2的整數(shù)次冪M=2m；N=2n；G=2k22第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化23第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化數(shù)字圖像表示函數(shù)：2-D數(shù)組f(x,y)矩陣矢量元素f(x,y)

稱為像素(Pixel)24第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化可視方式像素區(qū)域中心像素區(qū)域幅度（灰度）值25第2章數(shù)字圖像基礎灰度圖像：單色，一元組彩色圖像：RGB三色，三元組2.4 圖像采樣和量化26第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化圖像質量指標：對比度、亮度和飽和度對比度：是指一幅圖像中灰度反差的大小27第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化圖像質量（續(xù)）亮度亮度是指顏色的明暗程度明度越高色彩越鮮亮

飽和度色飽和度表示光線的彩色深淺度或鮮艷度，取決于彩色中的白色光含量，白光含量越高，即彩色光含量就越低，色彩飽和度即越低，反之亦然

28第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化空間分辨率和灰（幅）度分辨率數(shù)字圖像

圖像（水平）尺寸M：圖像（垂直）尺寸N：像素灰度級數(shù)G(k-bit)：圖像所需的位數(shù)b：29第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化例如：存儲1幅3232，16個灰度級的圖需要4,096bit存儲1幅128128，64個灰度級的圖需要98,304bit存儲1幅512512，256個灰度級的圖需要2,097,152bit

30第2章數(shù)字圖像基礎

與采樣相關的分辨率的概念

分辨率：是指映射到圖像平面上的單個像素的景物元素的尺寸。

單位：像素/英寸，像素/厘米或者是指要精確測量和再現(xiàn)一定尺寸的圖像所必需的像素個數(shù)。

單位：像素*像素2.4 圖像采樣和量化31第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化空間分辨率變化所產(chǎn)生的效果(a)512×512(b)256×256(c)128×128(d)64×64(e)32×32(f)16×16圖像質量隨N的增加而增加32第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化圖像灰度分辨率變化所產(chǎn)生的效果(a)256(b)64(c)16(d)8(e)4(f)2圖像質量隨G(k)的增加而增加33第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化空間和灰度分辨率同時變化(a)256×256，128(b)181×181，64(c)128×128，32(d)90×90，16(e)64×64，8(f)45×45，434第2章數(shù)字圖像基礎2.4 圖像采樣和量化圖像質量一般隨N和k的增加而增加。在極少情況下對固定的N，減小k能改進質量。對具有大量細節(jié)的圖像常只需很少的灰度級數(shù)就可較好地表示；b為常數(shù)的一系列圖像主觀看起來可以有較大的差異。35第2章數(shù)字圖像基礎第2章數(shù)字圖像基礎2.1 視覺原理2.2 光度學和亮度視覺2.3 圖像感知與獲取2.4 圖像采樣和量化2.5 像素空間的關系2.6

圖像的運算2.7 BMP圖像文件36第2章數(shù)字圖像基礎2.5像素空間的關系2.5.1像素的鄰域與連接2.5.2連通性2.5.3距離度量

圖像由像素組成，像素在圖像空間上按規(guī)律排列，相互之間有一定的聯(lián)系37第2章數(shù)字圖像基礎2.5.1像素間聯(lián)系像素的鄰域－鄰接關系4鄰域——N4(p)：

p(x,y):(x+1,y);(x-1,y)(x,y+1);(x,y-1)對角鄰域——ND(p):

p(x,y):(x-1,y-1);(x+1,y-1)(x-1,y+1);(x+1,y+1)8-鄰域——N8(p)：注意：邊緣像素的鄰域38第2章數(shù)字圖像基礎2.5.1像素間聯(lián)系連接(connectivity)鄰接僅考慮像素間的空間關系連接：空間上鄰接且像素灰度值相似兩個像素是否連接：

(1)是否接觸（鄰接）

(2)灰度值是否滿足某個特定的相似準則

.灰度值相等

.同在一個灰度值集合中39第2章數(shù)字圖像基礎2.5.1像素間聯(lián)系三種連接：假設V為灰度值集合（1)4－連接2個像素p和r

在V中取值且r

在N4(p)中

(2)8－連接2個像素p

和r在V

中取值且r

在N8(p)中40第2章數(shù)字圖像基礎2.5.1像素間聯(lián)系例子：V={1}011010001011010001011010001(a)(b)stst如何保證像素s到t間存在一條不含回路的通路？st4－連接8－連接41第2章數(shù)字圖像基礎2.5.1像素間聯(lián)系(3)m-連接（混合連接）2個像素p

和r

在V

中取值，且滿足下列條件之一

①r

在N4(p)中②r在ND(p)中且集合N4(p)∩N4(r)是空集（這個集合是由p和r的在V中取值的4-連接像素組成的）假設V＝

{1}實質：當像素間同時存在4-連接和8-連接時，優(yōu)先采用4-連接，屏蔽兩個和同一像素間存在4-連接的像素之間的8-連接42第2章數(shù)字圖像基礎2.5.2連通性像素的連通反映兩個像素間的空間關系（1）通路像素p(x,y)到像素q(s,t)的一條通路由一系列具有坐標(x0,y0),(x1,y1),…,(xi,yi),…,(xn,yn)的獨立像素組成。這里

(x,y)=(x0,y0),(xn,yn)=(s,t),且

(xi,yi)與

(xi-1,yi-1)鄰接。其中1≤i≤n，n為通路長度通路種類：4-通路；8-通路；m-通路011010001pq43第2章數(shù)字圖像基礎2.5.2連通性像素的連通（續(xù)）(2)連通：通路上的所有像素灰度值滿足相似準則即：(xi,yi)與

(xi-1,yi-1)連接種類：4-連通；8-連通；m-連通實例：像素p和q間（右圖）4-連通：不存在8-連通：兩條m-連通：1條011010001pq44第2章數(shù)字圖像基礎像素集合的鄰接和連通

對2個圖像子集S和T來說，如果S中的一個或一些像素與T中的一個或一些像素鄰接，則可以說2個圖像子集S和T是鄰接的完全在一個圖像子集中的像素組成的通路上的像素集合構成該圖像子集中的一個連通組元如果S中只有1個連通組元，即S中所有像素都互相連通，則稱S是一個連通集2.5.2連通性45第2章數(shù)字圖像基礎2.5.3距離度量距離定義：對于像素p,q和z,分別具有坐標(x,y),(s,t),(u,v),如果：

(a)D(p,q)≥0[D(p,q)=0,當且僅當p=q](b)D(p,q)=D(q,p)(c)D(p,z)≤D(p,q)+D(q,z)則D是距離函數(shù)或度量46第2章數(shù)字圖像基礎2.5.3距離度量歐氏距離De定義距點(x,y)的De距離小于或等于某一值r的像素形成一個中心在(x,y)的半徑為r的圓平面47第2章數(shù)字圖像基礎2.5.3距離度量D4距離（城市距離）定義距點(x,y)的D4距離小于或等于某一值r的像素形成一個中心在(x,y)的菱形D4＝1的像素是(x,y)的N448第2章數(shù)字圖像基礎2.5.3距離度量D8距離（棋盤距離）定義距點(x,y)的D8距離小于或等于某一值r的像素形成一個中心在(x,y)的正方形D8＝1的像素是(x,y)的N849第2章數(shù)字圖像基礎距離量度函數(shù)

距離計算示例DE=5D4=7D8=42.5.3距離度量50第2章數(shù)字圖像基礎范數(shù)和距離

2.5.3距離度量51第2章數(shù)字圖像基礎2.5.3距離度量用距離定義鄰域

考慮在空間點(xp,yp)的象素

p 4-鄰域——N4(p) 8-鄰域——N8(p)52第2章數(shù)字圖像基礎2.5.3距離度量注意D距離與像素的點坐標相關與像素間的連通性無關D4和D8距離可以看作是通路上連接的數(shù)目最小值考慮連通性D距離為通路上的最少連接數(shù)D4、D8和Dm如果像素p和q間無連接，則距離是無窮大以后的距離隱含連通性53第2章數(shù)字圖像基礎2.5.3距離度量例：已知

p=q=1，計算p，q間的D4，D8和Dmtqs1p54第2章數(shù)字圖像基礎第2章數(shù)字圖像基礎2.1 視覺原理2.2 光度學和亮度視覺2.3 圖像感知與獲取2.4 圖像采樣和量化2.5 像素空間的關系2.6 圖像的運算2.7 BMP圖像文件55第2章數(shù)字圖像基礎2.6圖像的運算算術運算：加法定義：C(x,y)=A(x,y)+B(x,y)主要應用去除“疊加性”噪音生成圖像疊加效果去除“疊加性”噪音

對于原圖像f(x，y)，有一個噪音圖像集

{gi(x,y)}i=1,2,...M

其中：gi(x,y)=f(x,y)+h(x,y)iM個圖像的均值定義為：g(x,y)=(g0(x,y)+g1(x,y)+…+gM(x,y))/M當：噪音h(x，y)i為互不相關，且均值為0時，上述圖像均值將降低噪音的影響。56第2章數(shù)字圖像基礎加法運算應用噪聲圖像1噪聲圖像2噪聲圖像3噪聲圖像4噪聲圖像5噪聲圖像6噪聲圖像7噪聲圖像857第2章數(shù)字圖像基礎加法運算應用原始圖像降噪后圖像58第2章數(shù)字圖像基礎2.6圖像的運算算術運算：加法生成圖像疊加效果對于兩個圖像f(x,y)和h(x,y)的均值有：

g(x,y)=1/2f(x,y)+1/2h(x,y)會得到二次暴光的效果。推廣這個公式為：

g(x,y)=αf(x,y)+βh(x,y)其中α+β=1

可以得到各種圖像合成的效果也可以用于兩幅圖像的銜接+=59第2章數(shù)字圖像基礎2.6圖像的運算算術運算：減法定義:

C(x,y)=A(x,y)-B(x,y)主要應用去除不需要的疊加性圖案檢測同一場景兩幅圖像之間的變化計算物體邊界的梯度去除不需要的疊加性圖案設：背景圖像b(x,y)，前景背景混合圖像f(x,y)

g(x,y)=f(x,y)–b(x,y)

g(x,y)為去除了背景的圖像。60第2章數(shù)字圖像基礎減法運算應用1）減去背景鄉(xiāng)村公路61第2章數(shù)字圖像基礎減法運算應用打破寧靜的不速之客62第2章數(shù)字圖像基礎減法運算應用模糊的影像63第2章數(shù)字圖像基礎64第2章數(shù)字圖像基礎2.6圖像的運算算術運算：減法檢測同一場景兩幅圖像之間的變化設：時間1的圖像為T1(x,y)， 時間2的圖像為T2(x,y)

g(x,y)=T2(x,y)-T1(x,y)

=-65第2章數(shù)字圖像基礎例用圖象求差檢測目標運動信息圖(a)到圖(c)為一個視頻序列中的連續(xù)三幀，圖(d)給出第1幀和第2幀的差，圖(e)給出第2幀和第3幀的差，圖(f)給出第1幀和第3幀的差。

(a)(c)(b)

(d)(e)(f)66第2章數(shù)字圖像基礎3）減運算和梯度幅度圖像性質：梯度幅度在物體邊緣處高，而在均勻物體的內部梯度幅度較低。嚴格意義上：求梯度運算是鄰域運算的一種應用。67第2章數(shù)字圖像基礎肺癌穿刺細胞病理涂片圖象68第2章數(shù)字圖像基礎肺癌穿刺細胞病理涂片圖象的梯度圖像69第2章數(shù)字圖像基礎2.6圖像的運算算術運算：乘法定義：C(x,y)=A(x,y)*B(x,y)主要應用圖像的局部顯示用二值蒙板圖像與原圖像做乘法可用于去除圖像中部分影像。首先構造一副掩膜圖像，在需要保留區(qū)域，圖像灰度值為1；而在被去除區(qū)域，圖像灰度值為0；然后將掩膜圖像乘原始圖像。70第2章數(shù)字圖像基礎2.6圖像的運算邏輯運算:求反定義：g(x,y)=255-f(x,y)主要應用舉例獲得一個反圖像獲得一個子圖像的補圖像71第2章數(shù)字圖像基礎2.6圖像的運算邏輯運算:異或定義：g(x,y)=f(x,y)

h(x,y)主要應用舉例獲得相交子圖像=72第2章數(shù)字圖像基礎2.6圖像的運算邏輯運算:或運算定義：

g(x,y)=f(x,y)vh(x,y)主要應用合并子圖像=73第2章數(shù)字圖像基礎2.6圖像的運算邏輯運算:與運算定義:

g(x,y)=f(x,y)

h(x,y)主要應用求兩個子圖像的相交子圖=74第2章數(shù)字圖像基礎與、或可用于從一幅圖像中提取子圖像。75第2章數(shù)字圖像基礎第2章數(shù)字圖像基礎2.1 視覺原理2.2 光度學和亮度視覺2.3 圖像感知與獲取2.4 圖像采樣和量化2.5 像素空間的關系2.6 圖像的運算2.7

BMP圖像文件76第2章數(shù)字圖像基礎2.7BMP圖像文件說明BMP圖像文件格式是Windows所采用的圖像文件格式，幾乎所有的Windows上的應用軟件都支持這種圖像文件BMP文件結構可以分成文件信息、圖像信息、調色板數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)四個部分。文件信息圖像信息調色板數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù)77第2章數(shù)字圖像基礎2.7BMP圖像文件文件信息偏移(字節(jié))長度（字節(jié)）名稱描述02bfTypeASCII碼“BM”，BMP文件標記24bfSize文件長度，以字節(jié)為單位62bfReserved082bfReserved0104bfOffbits圖像數(shù)據(jù)開始偏移量（相對頭）78第2章數(shù)字圖像基礎2.7BMP圖像文件圖像信息偏移長度名稱描述

144biSize

頭的大小，40字節(jié)

184biWidth

圖像寬度（像素）

224biHeight

圖像高度

262biPlanes

圖像位平面數(shù)目，1282biBitCount

像素位數(shù)目：1，4，8，24304biCompressin

壓縮類型0(不壓縮),1(BI_RLE8),2(BI_RLE4)344biSizeImage

壓縮圖像大小

384biXPelsPerMeter

水平分辨率(每米像素數(shù))424biYPelsPerMeter

垂直分辨率(每米像素數(shù))464biClrUsed

彩色數(shù)目(實際使用色彩數(shù)目,若為0，則由位數(shù)定)504biClrImportant

“重要顏色”數(shù)目(為０，表示調色板內所有的顏色都 是重要的)79第2章數(shù)字圖像基礎2.7BMP圖像文件調色板數(shù)據(jù)調色板數(shù)據(jù)緊接在圖像信息之后，用于說明位圖的顏色，它有若干個表項，每個表項是4個域組成的結構體，確定了一種顏色組成BYTErgbBlue;藍色的亮度值。此值0～255BYTErgbGreen;綠色的亮度值。此值0～255BYTErgbRed;紅色的亮度值。此值0～255BYTErgbReserved;此值必須0調