数字图像处理及基本知识

数字图像处理相关基本知识主讲：吴发根图像处理的内容相当丰富，涉及的相关知识和领域也非常宽广。本章从应用的角度介绍一些与图像和数字处理密切相关的图像的基本知识，为后续各章内容的学习做准备。第二章图像的基本知识2.1图像的概念2.2图像信息的分类2.3图像的获取及图像函数2.4图像的数字化和图像描述2.5图像的统计特性2.6常用的图像文件格式2.7计算机图像数据处理2.8图像质量评价2.9彩色图像简介2.1图像的概念“图像”一词在汉语中很难给出一个明确的定义。三个与图像有关的英语词：“Picture”、“image”和“Pattern”。“Picture”画、图画、图像、图片、电影等等；“image”像、图像、景像、映像、影像、映射等；“Pattern”模型、式样、样本、图案、图、图形等。三个词大致可做如下区分：“Picture”是指与照片等相似的用手工描绘的人物或景物，其中侧重于手工描绘的一类“画”。“image”是指用镜头等科技手段得到的视觉形象。一般来讲可定义为“以某一技术手段被再现于二维画面上的视觉信息”。通俗的说就是指那些用技术手段把目标（Object）原封不动的一模一样的再现的景物。它包含用计算机等机器产生的景物。“Pattern”指的是图形，在拉丁语中指裁衣服的纸样。因此，它主要是指图案、曲线、图形。综上所述我们所说的图像处理应是“ImageProcessing”。这里要处理的主要是属于照片、复印图、电视、传真、计算机显示的一类图像。2.2图像信息的分类：图像信息的种类是多种多样的，这里就常见的图像信息进行简单的分类。概括起来，图像信息大致可分成三类，即：符号信息景物信息情绪信息。（1）符号图像信息一般是用文字、符号、图形等表示的具体的或抽象的事物。例如文字，利用文字可组成文章，可以看成是用二值图像的形式携带这篇文章的寓意。最有代表意义的符号图像信息是电路图、机械图、建筑图等，它们都是用二值图像的形式向人们提供信息的。符号信息是以某一规则排列的记号，因此，在传送及处理中只要能表达清楚就可以了，它允许有较大的压缩。（2）景物图像信息这是一种能给人以主观感觉但并不取决于人本身的客观场景信息。一般来讲它包含有丰富的内容，所含的信息量也较多。其特点是景物画面的内容比较复杂，在传输和处理中做到较大的压缩比较困难，在人机识别中需要较大的信息量。但在事先设定某种条件的情况下，是有可能在任何情况下保证正确判断的。（3）、情绪图像信息这是一类依赖于受信者的图像信息，它不仅能给人以直观感觉，而能以其特殊的艺术内容刺激人的感官，使受信者“触景生情”引起感情上的波动和情绪上的共鸣。因此，它包含有更多的信息。这类图像信息不仅取决于图像本身的内容而且还与受信者的经历、文化修养、年龄、嗜好以及此时此刻的心境情绪有密切关系。因此，这类图像不仅无法考虑其概率模型，而且明确其信息量也是极其困难的。以上是从图像所携带的信息的种类出发进行简单分类的。当然还可以从其他角度出发进行分类。如把图像分成静止图像和活动图像、单色图像和彩色图像等。在我们数字图像处理中所涉及到的是一些最普通类型的图像，它们的突出特点是都具有特殊的统计特性，并且有专门的应用。它包括：①TV型的自然风景：常见有的图片，如肖象、风景画、建筑物照片等。②空间摄影照片和地球资源探测图片：这类图片的特点是往往没有适宜的方向，构图不十分明显，除了海岸线外，没有可区别的形状。③电子显微镜照片和标准的显微镜照片：这是一类在冶金学、生物学、医学以及石油探测等都很感兴趣的一类照片。④文本：这是指一类打印或手写的记号图像。⑤图样：它们通常就是简单地由线段和图形构成的单色二值图像。⑥专用图像：如：X射线照片、微波照片、红外热象或超声波图像等。这些图像各有特点，与在可见光下得到的图像有所不同。注：在今后讲课中所提到的一些图像只是极少数的有代表性而又实用的图像。这些图像经过研究大部分可以找到较为近似的模型和规律，这对方便处理和深入研究来讲无疑都是十分有利的。图像是由照射源和形成图像的场景元素对光能的反射或吸收相结合而产生的。照射源:可由传统光源引起如可见光等,也可由非传统光源引起如超声波等;场景:可以是人们日常可见的物体，也可以是分子等。获取图像的要素:2.3图像的获取及图像函数(1)图像获取图2-1显示了用来把照射能量变为数字图像的三种主要传感器装置。其原理是：利用对特殊类型能源敏感的传感器材料，把输入能源转换变为输出电压波形，然后将其数字化，从而得到数字图像信息。2-1(c)传感器阵列输出电压波形能量滤光器电源输入外壳敏感材料2-1(a)单个成像传感器b)2-1(b)带状传感器a.用单个传感器获取图像为用单个传感器获取二维图像，传感器和场景对象之间必须在x和y方向有相对位移。下图显示了一个高精度扫描装置（鼓形扫描或光电滚筒扫描器）。工作原理为:把一张图片装在一个滚筒上，滚筒由相应的装置驱动其转动，使传感器相对于图像做垂直方向运动。传感器安装在引导螺杆上，它可以在水平方向上移动。其工作过程为:图像传感器电压信号与光强成正比随光照到不同的灰度位置而变化数字图像数字化光源优点:b.用带状传感器获取图像在获取数字图像中更常用的是由单个传感器按线状排列而形成的带状传感器或传感器带,如下图b)缺点:是得到高分辨率图像的廉价方法速度太慢传感器带在一个方向上提供成像单元。相对于传感器带垂直方向的运动在另一方向上成像,如下图所示:这是大多数平板扫描仪所用的装置。成像传感器带一次输出一幅图像的一行，随着传感器带的运动完成二维图像的获取。线性移动传感器带也可以安装成圆环形状，称为传感器环或环形传感器带它主要用于医学和工业成像，以得到三维物体的横断截面（切片）图像，如右图所示:一个旋转的X射线源提供照射，而相对于射线源的传感器部分接受通过物体的X射线能量。c.用传感器阵列获取图像将各个传感器以二维阵列形式排列就形成了传感器阵列。这是在数字摄像机上常见的主要结构。如右图:下图是用传感器阵列获取数字图像的过程照射(能)源成像系统(内部)图像平面输出(数字化后的)图像场景元素右图所示的传感器阵列是二维的，主要优点是把图形能量聚焦到阵列表面一次就能得到完整的图像。(2)图像函数图像是用某一技术手段获得的、能为人的视觉系统所感受的信息形式。图像的实质:客观世界反射或透射某种物质能量的分布图,这种物质可能是可见光、X射线、红外线、超声波等。(2)数字图像的描述描述方法矢量图法点位图法定义：矢量图是用一系列计算机指令来表示和描述一幅图定义：把一幅图像分成许许多多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。显示器显示的结果几乎没有什么差别实际上，一幅自然的、模拟的图像经过数字化进入计算机后，一般都是用点位图来表示和描述的。一幅图像由许许多多描述每个像素的数据组成，这些数据通常称为图像数据，而这些数据通常是作为一个文件来存储的，这种文件又称为图像文件。点位图的获取通常用扫描仪、摄像机、激光视盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这些设备把模拟的图像信号变成数字图像数据。影响点位图文件大小的因素：图像分辨率：分辨率越高，就是组成一幅图的像素越多，则图像文件越大。像素深度：像素深度越深，就是表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件越大。点位图表示和描述的模式可分为：黑白图像、灰度图像、彩色图像。a.黑白图像定义：只有黑白两种颜色的图像称为黑白图像或单色图像，是指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为二值图像。特点：二值图像的像素值只能为0和1，图像中的每个像素值用1位存储。b.灰度图像定义：灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像。如果每个像素的灰度值用一个字节表示，灰度值级数就等于256级，每个像素可以是0～255之间的任何一个数。特点：它只有亮度信息，没有颜色信息。占据存储空间较黑白图像要大。图2-9黑白图像图2-10灰度图像c.彩色图像定义：彩色图像除有亮度信息外，还包含有颜色信息。特点：彩色图像的表示与所采用的彩色空间，即彩色的表示模型有关。同一幅彩色图像如果采用不同的彩色空间表示，对其的描述可能会有很大不同。举例：以RGB（红绿蓝）彩色空间为例来简要说明彩色图像。在RGB彩色空间中，一幅彩色数字图像的各个像素的信息由RGB三原色信息构成，其中R(红)、G（绿）、B（蓝）是由不同的灰度级来描述的，三者共同决定了像素的亮度和色彩。彩色图像可按照颜色的数目来划分。例如，256色图像和真彩色图像（2的16次方＝216777216种颜色）等。图2—3帧差值信号分布密度特性由图可见，变化剧烈的图像与变化缓慢的图像其差值的分布是不一样的。对于电视信号来说，除了像素间的差值外，还存在帧间差值。对帧间差值信号的分布密度特性测定的结果如图2—3所示。2.6常用的图像文件格式常用的静态图像文件格式BMPGIFTIFFJPEG数字图像在计算机中是以图像文件的形式存放的，图像文件的格式一般包含文件数据的存储形式、大小、起止位置等内容。(1)BMP文件格式定义：BMP文件又称为位图文件（bitmap,简称BMP），是一种与设备无关的图像文件格式。特点：是一种位映射的存储形式。BMP文件的划分：分四个域位图文件参数头域位图参数头域调色板域位图数据域位图文件参数头域包含关于这个文件的信息，例如从哪里开始是位图数据的定位信息。位图参数头域含有关这幅图像的信息，例如以像素为单位的宽度和高度、位图的彩色、压缩方法等。调色板域中有图像颜色的RGB值定义。位图数据域是图像数据，用BYTE数据结构。其数据取决于压缩方法。(2)GIF文件格式定义：即图形交换格式,GraphicsInterchangeFormat,简称GIF。特点:GIF文件格式支持2～16M种颜色，单个文件的多重图像，按行扫描的快速解码、有效地压缩以及硬件无关性。GIF图像文件以数据块(Block)为单位来存储图像的相关信息。数据块的分类如下:数据块控制块专用块图形描绘块GIF文件头逻辑屏幕描述块图形控制扩展块文件结束块图像描述块无格式文件扩展块注释扩展块应用扩展块包含有用来控制数据流或者设置硬件参数的信息包含有用来描绘在显示设备上显示图形的信息和数据包含有与图像处理无关的信息(3)TIFF文件格式定义：标记图像文件格式（TagImageFileFormat,简称TIFF）是基于标志域的图像文件格式。有关图像的所有信息都存储标志域中，如图像的大小、所用计算机型号、制造商、图像的作者、说明、软件及数据。特点：TIFF文件是一种极其灵活易变的格式，它可以支持多种压缩方法，TIFF文件一般比较大。存储形式：图像数据以“条状”形式存储，可以通过图像文件目录中的登记项找到需要的图像数据。(4)JPEG文件格式定义:JPEG是JointPhotographicExpertsGroup（联合图像专家组）的缩写，是用于连续色调静态图像压缩的一种标准。其主要方法是采用预测编码（DPCM）、离散余弦变换（DCT）以及熵编码，以去除冗余的图像和彩色数据，属于有损压缩方式。特点:JPEG是一种高效率的24位图像文件压缩格式，同样一幅图像，用JPEG格式存储的文件是其他类型文件的1/10-1/20，通常只有几十KB，而颜色仍然是24位，其质量损失非常小，基本上无法看出.扩展名:jpg或jpeg。JPEG文件的由下面8个部分组成：1）图像开始SOI标记。2）APPO标记。长度、表识符、版本号、X和Y的密度单位（units=0;无单位；units=1;点数/英寸；units=2;点数/厘米）、X方向像素密度、Y方向像素密度、缩略图水平像素数目、缩略图垂直像素数目、缩略图RGB位图。3）APPn标记，其中n=1-15（任选）。包括：APPn长度。4）一个或者多个量化表。包括：量化表长度、量化表数目、量化表。5）桢图像开始SOFO。包括：桢开始长度、精度、每个颜色分量每个像素位数、图像高度、图像宽度、颜色分量数、对每个颜色分量的ID、垂直方向的样本因子、水平方向的样本因