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第2章 圖像處理基礎知識,圖像和視覺 基礎,視覺基礎,人眼與亮度視覺 顏色視覺,成像基礎,成像模型 成像幾何 采樣和量化,圖像基礎,像素間聯(lián)系 圖像運算 圖像坐標變換,,,,,第2章 圖像處理基礎知識,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)量評價,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），感應可見光的光強,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 互補性金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）,2.1.2 數(shù)字化原理,1．數(shù)學模型,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（抽樣、量化）——數(shù)字信號,2.1.2 數(shù)字化原理,采樣點陣：正方形、正三角,2.1.2 數(shù)字化原理,圖像矩陣的特點： a） b）數(shù)字化抽樣：正方形點陣、三角形點陣、正六角形點陣等,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：實際采樣脈沖不是理想沖擊函數(shù)，有一定的寬度，會產(chǎn)生失真 插入噪聲：由采樣圖像信號恢復到原圖像，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。,5.量化 均勻量化 非均勻量化: a）基于視覺特性：對亮度值急劇變化部分無需過細分層，進行粗量化,對亮度值平緩變化部分需過細分層，進行細量化 b）先計算所有可能的亮度值出現(xiàn)的概率分布，對概率分布大的進行細量化,對概率分布小的進行粗量化,非均勻量化可以減少量化誤差，又能用較少的比特數(shù)實現(xiàn)量化,2.1.2 數(shù)字化原理,量化和采樣是兩個不同的概念，量化是在每個采樣 點上進行的，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操作， 二者緊密相關，同時完成。,2.1.2 數(shù)字化原理,6. 采樣和量化的關系,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，可用較少的灰度級數(shù),2.1.2 數(shù)字化原理,表示灰度級、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)計模型：把圖像看成一個集合的成員如均值、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，或從彩色圖像進行去色處理得到（256灰度級）,2．二值圖像 灰度圖像經(jīng)過二值化處理后的結(jié)果，兩個灰度級，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） 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 三種顏色。 彩色圖像可由紅、綠、藍 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 強度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）按各個波段存儲,2.2.3 圖像存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),2）按掃描行存儲,3）按各個像素存儲,2.2.3 圖像存儲的數(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公司設計和開發(fā)的文件存儲格式，用于存儲圖形，也可以用來存儲256色圖像。擴展名為gif。,2.3 圖像文件格式,2.3.3 TIFF文件格式 TIFF（Tagged Image File Format）是相對經(jīng)典、功能很強的圖像文件存儲格式，擴展名為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準文件格式，是面向常規(guī)彩色圖像及其它靜止圖像的一種壓縮標準。擴展名為jpg或jpeg。,2.3.5 DICOM文件格式 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 是醫(yī)學圖像文件存儲格式，為各類醫(yī)學圖像數(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)學數(shù)字成像設備，例如CT、MR、DR、超聲、內(nèi)窺鏡、電子顯微鏡等，成為現(xiàn)代醫(yī)學圖像存儲傳輸技術(shù)和醫(yī)學影像學的主要組成部分。DICOM文件的常見擴展名為DCM。,2.3 圖像文件格式,2.4 圖像質(zhì)量評價,2.4.1 圖像質(zhì)量的客觀評價 2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評價,2.4.1 圖像質(zhì)量的客觀評價,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)量的客觀評價,f(j,k)——被變換的圖像場，A——f(j,k )的最大值,圖像質(zhì)量評價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：就是為了改善圖像的主觀視覺顯示質(zhì)量 圖像復原：是用于補償圖像的降質(zhì)，使復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)省信道和儲存器容量,2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評價,基本概念 圖像逼真度（Fidelity）——描述被評價圖像與標準圖像的偏離程度,圖像可懂度（Intelligibility) ——表示圖像能向 人或機器提供信息的能力,2.4.2 圖像質(zhì)量的主觀評價,外行、內(nèi)行 主觀評價：采用目視觀察和主觀感覺評價圖像的質(zhì)量 絕對評價——標準圖像作參考。,“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)量的主觀評價,,相對評價——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)量的主觀評價,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 畫出黑白視覺擴展模型，并略加說明,作業(yè),