第2章 圖像處理基礎(chǔ)知識(shí),圖像和視覺 基礎(chǔ),視覺基礎(chǔ),人眼與亮度視覺 顏色視覺,成像基礎(chǔ),成像模型 成像幾何 采樣和量化,圖像基礎(chǔ),像素間聯(lián)系 圖像運(yùn)算 圖像坐標(biāo)變換,第2章 圖像處理基礎(chǔ)知識(shí),2.1 圖像數(shù)字化 2.2 圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.3 圖像文件格式 2.4 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià),2.1 圖像數(shù)字化,2.1.1 圖像傳感器與數(shù)字成像 2.1.2 數(shù)字化原理,2.1.1 圖像傳感器與數(shù)字成像,1. CCD傳感器 電荷耦合器件（Charged Coupled Device），感應(yīng)可見光的光強(qiáng),掃描儀的圖像數(shù)字化過程原理圖,2.1.1 圖像傳感器與數(shù)字成像,2. CMOS傳感器 互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）,2.1.2 數(shù)字化原理,1數(shù)學(xué)模型,2采樣和量化 采樣：空間上的離散化 量化：灰度上的離散化,連續(xù)信號(hào)（抽樣、量化）數(shù)字信號(hào),2.1.2 數(shù)字化原理,采樣點(diǎn)陣：正方形、正三角,2.1.2 數(shù)字化原理,圖像矩陣的特點(diǎn)： a） b）數(shù)字化抽樣：正方形點(diǎn)陣、三角形點(diǎn)陣、正六角形點(diǎn)陣等,2.1.2 數(shù)字化原理,3. 采樣定理 一維采樣定理：惠特克卡切尼柯夫香農(nóng),2.1.2 數(shù)字化原理,二維采樣定理：采樣頻率大于圖像信號(hào)最高頻率的2倍,2.1.2 數(shù)字化原理,2.1.2 數(shù)字化原理,4.采樣誤差 混疊噪聲 孔徑效應(yīng)：實(shí)際采樣脈沖不是理想沖擊函數(shù)，有一定的寬度，會(huì)產(chǎn)生失真 插入噪聲：由采樣圖像信號(hào)恢復(fù)到原圖像，無理想濾波器（在 內(nèi)頻率特性平坦，相位特性成直線) 抖動(dòng)噪聲：采樣周期為 ，但發(fā)射與接受端 存在相位差異，稱相位抖動(dòng)。,5.量化 均勻量化 非均勻量化: a）基于視覺特性：對(duì)亮度值急劇變化部分無需過細(xì)分層，進(jìn)行粗量化,對(duì)亮度值平緩變化部分需過細(xì)分層，進(jìn)行細(xì)量化 b）先計(jì)算所有可能的亮度值出現(xiàn)的概率分布，對(duì)概率分布大的進(jìn)行細(xì)量化,對(duì)概率分布小的進(jìn)行粗量化,非均勻量化可以減少量化誤差，又能用較少的比特?cái)?shù)實(shí)現(xiàn)量化,2.1.2 數(shù)字化原理,量化和采樣是兩個(gè)不同的概念，量化是在每個(gè)采樣 點(diǎn)上進(jìn)行的，所以必須先采樣后量化。 量化和采樣是圖像數(shù)字化的不可或缺的兩個(gè)操作， 二者緊密相關(guān)，同時(shí)完成。,2.1.2 數(shù)字化原理,6. 采樣和量化的關(guān)系,2.1.2 數(shù)字化原理,2.1.2 數(shù)字化原理,2.1.2 數(shù)字化原理,非均勻采樣和量化 細(xì)節(jié)部分，分配較多的采樣 灰度突變部分，可用較少的灰度級(jí)數(shù),2.1.2 數(shù)字化原理,表示灰度級(jí)、bright, 彩色 ,連續(xù)圖像 .如X光圖像反映人體組織吸收特性，紅外圖像 反映溫度輻射特性，CCD反映可見光的特性,在圖像建模中涉及到 保真度(fidelity)：衡量處理方法好壞，清晰否？ 采樣、量化 正交序列展開，F(xiàn)ourier變換 統(tǒng)計(jì)模型：把圖像看成一個(gè)集合的成員如均值、方差。,2.1.2 數(shù)字化原理,2.2 圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),2.2.1 圖像模式 2.2.2 彩色空間 2.2.3 圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),2.2.1 圖像模式,1灰度圖像 可由黑白照片數(shù)字化得到，或從彩色圖像進(jìn)行去色處理得到（256灰度級(jí)）,2二值圖像 灰度圖像經(jīng)過二值化處理后的結(jié)果，兩個(gè)灰度級(jí)，只需用1bit表示。,2.2.1 圖像模式,3彩色圖像 彩色圖像的數(shù)據(jù)不僅包含亮度信息，還要包含顏色信息。彩色的表示方法是多樣化的。 三基色模型：RGB（Red / Green / Blue，紅綠藍(lán)） RGB三基色可以混合成任意顏色。,2.2.1 圖像模式,2.2.2 彩色空間,1)RGB彩色空間：面向硬件設(shè)備的彩色模型 三基色原理三基色指可以用來 調(diào)配出其它顏色的紅、綠、藍(lán) 三種顏色。 彩色圖像可由紅、綠、藍(lán) 三基色圖像疊加而成。,2.2.2 彩色空間,在RGB彩色空間中，任意彩色光 的配色方程式為：,2)CMY彩色空間 自然界物體顏色光的形成方式將物體劃分為兩類發(fā)光物體和不發(fā)光物體，發(fā)光物體稱為有源物體，不發(fā)光物體稱為無源物體。無源物體是不發(fā)出光波的物體，其顏色由該物體吸收或反射哪些光波來決定，因此采用CMY三基色相減模型和CMY彩色空間描述。,2.2.2 彩色空間,2.2.2 彩色空間,油墨和顏料的三基色是CMY（Cyan / Magenta / Yellow，青 / 洋紅 / 黃）而不是RGB，CMY三基色的特點(diǎn)是油墨和顏料用的越多，顏色越暗（或越黑），所以將CMY稱為三減色，而RGB稱為三加色。,2.2.2 彩色空間,3)HSI彩色空間 區(qū)分顏色常用的3種基本特性量：色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）、強(qiáng)度 （Intensity）。 色調(diào)Hue：與混合光譜中主要光波長相聯(lián)系 飽和度Saturation ：與一定色調(diào)的純度有關(guān) 強(qiáng)度Intensity：與物體的反射率成正比,1. 一維數(shù)組方式: 行 列 2.多波段圖像數(shù)據(jù)結(jié)合結(jié)構(gòu) 1）按各個(gè)波段存儲(chǔ),2.2.3 圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),2）按掃描行存儲(chǔ),3）按各個(gè)像素存儲(chǔ),2.2.3 圖像存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),2.多波段圖像數(shù)據(jù)結(jié)合結(jié)構(gòu),2.3 圖像文件格式,2.3.1 BMP文件格式 2.3.2 GIF文件格式 2.3.3 TIFF文件格式 2.3.4 JPEG文件格式 2.3.5 DICOM文件格式,2.3 圖像文件格式,2.3.1 BMP文件格式 不經(jīng)過壓縮直接按位存盤的文件格式，稱為位圖（bitmap）。 2.3.2 GIF文件格式 GIF（graphic Interchange Format）是由CompuServe公司設(shè)計(jì)和開發(fā)的文件存儲(chǔ)格式，用于存儲(chǔ)圖形，也可以用來存儲(chǔ)256色圖像。擴(kuò)展名為gif。,2.3 圖像文件格式,2.3.3 TIFF文件格式 TIFF（Tagged Image File Format）是相對(duì)經(jīng)典、功能很強(qiáng)的圖像文件存儲(chǔ)格式，擴(kuò)展名為tif或tiff。 2.3.4 JPEG文件格式 由（國際）聯(lián)合圖像專家組（Joint Photographic Experts Group）提出的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)文件格式，是面向常規(guī)彩色圖像及其它靜止圖像的一種壓縮標(biāo)準(zhǔn)。擴(kuò)展名為jpg或jpeg。,2.3.5 DICOM文件格式 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 是醫(yī)學(xué)圖像文件存儲(chǔ)格式，為各類醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的存檔、傳輸和共享而起草和頒布的。DICOM格式支持幾乎所有的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像設(shè)備，例如CT、MR、DR、超聲、內(nèi)窺鏡、電子顯微鏡等，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)傳輸技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要組成部分。DICOM文件的常見擴(kuò)展名為DCM。,2.3 圖像文件格式,2.4 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià),2.4.1 圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià) 2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià),2.4.1 圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià),歸一化方均誤差,峰值方均誤差,等效信噪比,2.4.1 圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià),f(j,k)被變換的圖像場，Af(j,k )的最大值,圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究是圖像信息工程的基本技術(shù)之一。 光電變換傳輸處理記錄其他變換,圖像增強(qiáng)：就是為了改善圖像的主觀視覺顯示質(zhì)量 圖像復(fù)原：是用于補(bǔ)償圖像的降質(zhì)，使復(fù)原后的圖像接近原像,圖像編碼技術(shù) :在保持被編碼圖像一定質(zhì)量的前提下， 以盡量少的碼字來表示圖像，以節(jié)省信道和儲(chǔ)存器容量,2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià),基本概念 圖像逼真度（Fidelity）描述被評(píng)價(jià)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的偏離程度,圖像可懂度（Intelligibility) 表示圖像能向 人或機(jī)器提供信息的能力,2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià),外行、內(nèi)行 主觀評(píng)價(jià)：采用目視觀察和主觀感覺評(píng)價(jià)圖像的質(zhì)量 絕對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)圖像作參考。,“全優(yōu)度尺度”： 非常好圖像 5分 好圖像 4分 中等圖像 3分 差圖像 2分 非常差圖像 1分,2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià),相對(duì)評(píng)價(jià)圖像好到壞分類，比較。 “群優(yōu)度尺度”最好、稍好,一批中最好的圖像 7分 比該批的平均水平好的圖像 6分 稍好于該批的平均水平圖像 5分 該批平均水平的圖像 4分 稍次于該批的平均水平圖像 3分 比該批的平均水平差的圖像 2分 一批中最差的圖像 1分,2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià),作業(yè) 2-1 畫出視覺信息在眼球內(nèi)（視網(wǎng)膜中）的傳輸過程模型示 意圖，并扼要說明之 2-2 畫出黑白視覺擴(kuò)展模型，并略加說明,作業(yè),