圖像獲取與表示本課程將深入探討圖像獲取和表示的原理與技術(shù)。我們將學(xué)習(xí)圖像形成、數(shù)字化、壓縮和重建等關(guān)鍵概念，并探索各種圖像處理方法。緒論圖像獲取與表示概述圖像獲取與表示是計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理的基礎(chǔ)，涉及圖像的采集、處理和理解。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛從醫(yī)學(xué)影像到衛(wèi)星遙感，從安防監(jiān)控到人臉識(shí)別，圖像獲取與表示技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。1.1圖像簡(jiǎn)介視覺信息載體圖像承載著豐富的視覺信息，例如顏色、形狀、紋理和空間關(guān)系。世界模型圖像提供了一種對(duì)真實(shí)世界的數(shù)字化表示，可以幫助我們理解和分析周圍的環(huán)境。廣泛應(yīng)用圖像在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括醫(yī)療、工程、藝術(shù)和娛樂等。1.2圖像獲取和表示的重要性圖像采集圖像獲取是計(jì)算機(jī)視覺的基礎(chǔ)，它將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字形式。圖像表示是圖像處理、分析和理解的關(guān)鍵。不同的表示方法可以突出圖像的特定特征，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行更深入的分析和應(yīng)用。圖像獲取與表示在許多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，例如醫(yī)學(xué)影像、遙感、機(jī)器視覺、圖像識(shí)別等。1.3課程大綱數(shù)字圖像的定義與特點(diǎn)介紹數(shù)字圖像的基本概念、特點(diǎn)和表示方法。數(shù)字圖像的采集深入探討圖像采集原理、設(shè)備和技術(shù)。光柵圖像的表示學(xué)習(xí)圖像矩陣、顏色模型和像素存儲(chǔ)等內(nèi)容。圖像的存儲(chǔ)與壓縮介紹常見的圖像文件格式、壓縮技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。2.數(shù)字圖像的定義與特點(diǎn)數(shù)字圖像是由計(jì)算機(jī)處理的圖像，它由一系列離散的數(shù)字值表示。空間離散化圖像被分割成一個(gè)個(gè)像素，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)圖像空間中的一個(gè)點(diǎn)?；叶入x散化每個(gè)像素的亮度值被量化為有限個(gè)灰度級(jí)，用數(shù)字表示。顏色離散化彩色圖像中的每個(gè)像素被量化為有限個(gè)顏色值，用數(shù)字表示。2.1空間離散化1像素圖像的基本單元2采樣將連續(xù)空間轉(zhuǎn)換為離散點(diǎn)3分辨率像素的密度2.2灰度離散化1量化級(jí)別將連續(xù)的灰度值量化為有限個(gè)離散的灰度級(jí)。2量化誤差量化過(guò)程中會(huì)引入誤差，稱為量化誤差。3灰度級(jí)數(shù)量灰度級(jí)數(shù)量決定了圖像的灰度層次。2.3顏色離散化量化級(jí)別將連續(xù)的顏色值劃分為有限個(gè)離散的級(jí)別，例如，將256個(gè)灰度級(jí)減少到8個(gè)級(jí)別。色深每個(gè)像素用多少位表示顏色，例如，8位表示256個(gè)顏色，16位表示65536個(gè)顏色。顏色空間將顏色表示為不同的三維空間，例如，RGB、CMYK等。3.數(shù)字圖像的采集將現(xiàn)實(shí)世界中的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像的過(guò)程。光學(xué)成像系統(tǒng)將光線聚焦到傳感器上，形成圖像。圖像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將其數(shù)字化。3.1光學(xué)成像系統(tǒng)1光學(xué)鏡頭收集光線并將其聚焦在圖像傳感器上。2光圈控制進(jìn)入鏡頭的光量。3快門控制光線照射傳感器的時(shí)間。3.2圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換圖像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。感光元件感光元件是圖像傳感器的核心，負(fù)責(zé)捕捉光線并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。像素感光元件由許多微小的光電二極管組成，每個(gè)二極管對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。3.3常見的圖像采集設(shè)備1數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)是一種廣泛使用的圖像采集設(shè)備，能夠捕捉靜態(tài)圖像和視頻。2手機(jī)攝像頭智能手機(jī)攝像頭已經(jīng)成為現(xiàn)代人生活中不可或缺的一部分，用于拍照、視頻通話和掃描二維碼等。3掃描儀掃描儀用于將紙質(zhì)文檔或照片數(shù)字化，以便于存儲(chǔ)、編輯和共享。4醫(yī)療成像設(shè)備醫(yī)療成像設(shè)備，例如X射線機(jī)、CT掃描儀和MRI，用于診斷和治療疾病。光柵圖像的表示光柵圖像，也稱為位圖圖像，使用像素網(wǎng)格來(lái)表示圖像。每個(gè)像素都存儲(chǔ)了圖像在該位置的顏色信息。4.1圖像矩陣像素圖像矩陣中的每個(gè)元素代表一個(gè)像素，它是圖像的基本組成單元。灰度值每個(gè)像素都有一個(gè)灰度值，表示該像素的亮度或顏色強(qiáng)度。矩陣維度圖像矩陣的維度由圖像的寬度和高度決定，表示圖像中像素的排列方式。4.2RGB顏色模型紅色表示紅色通道的亮度。綠色表示綠色通道的亮度。藍(lán)色表示藍(lán)色通道的亮度。其他顏色模型CMYK顏色模型用于印刷和出版行業(yè)的顏色模型，基于青色(Cyan)、品紅(Magenta)、黃色(Yellow)和黑色(Key)四種顏色。HSV顏色模型用于描述人類感知顏色的模型，基于色調(diào)(Hue)、飽和度(Saturation)和明度(Value)三個(gè)屬性。圖像的存儲(chǔ)與壓縮圖像數(shù)據(jù)量龐大，直接存儲(chǔ)和傳輸會(huì)占用大量資源。圖像壓縮技術(shù)可以減少存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬，提高效率。圖像文件格式常見的圖像文件格式包括JPEG、PNG、GIF、BMP等，它們采用不同的壓縮算法和編碼方式。無(wú)損壓縮無(wú)損壓縮算法可以完全恢復(fù)原始圖像數(shù)據(jù)，適用于需要保持圖像質(zhì)量的場(chǎng)景，例如醫(yī)學(xué)影像。有損壓縮有損壓縮算法會(huì)丟失部分圖像數(shù)據(jù)，但可以大幅壓縮文件大小，適用于對(duì)圖像質(zhì)量要求不高的場(chǎng)景，例如網(wǎng)頁(yè)圖片。5.1圖像文件格式常見格式常見的圖像文件格式包括JPEG、PNG、GIF和TIFF。存儲(chǔ)方式不同的格式使用不同的壓縮和存儲(chǔ)方法，影響圖像質(zhì)量和文件大小。應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的格式取決于圖像的用途，如網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)、印刷或科學(xué)研究。5.2無(wú)損壓縮數(shù)據(jù)完整性無(wú)損壓縮算法在壓縮過(guò)程中不丟失任何原始數(shù)據(jù)。可逆性壓縮后的數(shù)據(jù)可以通過(guò)解壓縮還原為原始數(shù)據(jù)。應(yīng)用場(chǎng)景適用于需要保留原始數(shù)據(jù)完整性的場(chǎng)合，例如醫(yī)學(xué)影像、財(cái)務(wù)報(bào)表等。5.3有損壓縮1不可逆壓縮過(guò)程中不可避免地會(huì)損失一部分信息。解碼后的圖像與原始圖像存在差異，但人眼通常無(wú)法察覺。2壓縮率高有損壓縮可以實(shí)現(xiàn)更高的壓縮率，從而減小圖像文件的大小。3廣泛應(yīng)用JPEG、MP3等常用的圖像和音頻格式都采用了有損壓縮技術(shù)。圖像處理的基本操作1幾何變換旋轉(zhuǎn)，縮放，平移等。2灰度變換調(diào)整圖像亮度，對(duì)比度等。3濾波處理去除噪聲，增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)等。6.1幾何變換1平移移動(dòng)圖像到新位置。2旋轉(zhuǎn)繞某個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)圖像。3縮放改變圖像的大小。4剪切傾斜圖像。6.2灰度變換1線性變換調(diào)整圖像整體亮度和對(duì)比度。2非線性變換增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)或特定區(qū)域。3直方圖均衡化改善圖像對(duì)比度，使灰度分布更均勻。6.3濾波處理1平滑濾波消除圖像噪聲，使圖像更加平滑。2銳化濾波增強(qiáng)圖像邊緣和細(xì)節(jié)，使圖像更加清晰。3邊緣檢測(cè)提取圖像邊緣信息，用于目標(biāo)識(shí)別和圖像分割。結(jié)語(yǔ)圖像獲取與表示是計(jì)算機(jī)視覺與圖像處理的基礎(chǔ)，掌握?qǐng)D像獲取、表示和處理的關(guān)鍵技術(shù)，將為我們進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用圖像處理技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。思考題本課程結(jié)束后，你將能夠：