第1,2章 绪论以及图像处理和视觉基础

数字图像处理(图像获取与处理)任课老师：伍济钢湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室主要参考书目徐杰等.数字图像处理,武汉:华中科技大学出版社张铮,王艳平,薛桂香等.数字图像处理与机器视觉:VisualC++与Matlab实现,北京:人民邮电出版社KennethR.Castleman.DigitalImageProcessing,北京:清华大学出版社,PrenticeHallRafaelC.Gonzalez,RichardEWoods.DigitalImageProcessing(SecondEdition),北京:电子工业出版社艾海舟等译.图像处理、分析与机器视觉(第二版),北京:人民邮电出版社姓名：伍济钢办公室地址：第二教学楼213室第2间办公室电话：[phone]-2132手机：[phone]E-mail：[e-mail]：12717003联系方式第一章绪论、图像处理和视觉基础（一）一.图像和信息一般说来，人获取外部世界信息的主要渠道是视觉（百闻不如一见）。视觉75％听觉15％其它10％第一章绪论、图像处理和视觉基础（二）二.何为信息?1.信息处理(去伪存真),信号分析(由表及里)加工、变换处理（如调制），便于传输信号是信息的载体；信息是隐含在信号（对象）中的反映客观世界各种运动状态或存在状态本质的内容或研究者感兴趣的内容。常以文字、图像、语言或符号等形式出现。第一章绪论、图像处理和视觉基础（二）2.信息的其它说法:(a)信息是人们适应外部世界并且使这种适应作用于外部世界的过程中同外部世界互相交换的内容的名称。（b）信息是关于事物运动和存在的千差万别的状态和方式的知识。（c）信息是含于客体间的差别中，而不是在客体本身中。第一章绪论、图像处理和视觉基础（二）物质世界的三大支柱：物质能量信息（哲学的概念，更是物理学的概念！）与信息传输、处理等相关的三个概念：时间（时分复用）（越短越好）空间（空分复用）（越小越好）频率（频分复用）（越细越好）第一章绪论、图像处理和视觉基础（二）3.物质、能量、时间、空间和频率是可以度量的。信息也可以度量：信息量。事物状态的不确定性与该事物可能出现的各种状态及其出现的概率有关。各种状态用：12[,,]n表示。i则：出现的概率i()iP越小，则事件所含的信息量越大。第一章绪论、图像处理和视觉基础（二）所以定义事件i()iI的自信息为1()log()log()iiiIPP事物的状态是确定的，则无信息量；事物的状态越不确定，则所含有的信息量越大；对于相同大小的图像而言，所含的信息量也是不一样的，如果信息量小，则可对该副图像进行无失真压缩。第一章绪论、图像处理和视觉基础（二）第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）三.图像是什么?1.定义(1).用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。(狭义的)(2).图像是具有特定信息的某种集合体。(泛指）(3).图像是一个事物的另一种表示。(泛指)第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）2.图像的分类图像物理图像数学图像不可见物理图像可见物理图像如温度，湿度，人口分布等光图像：如透镜，光栅显示器，全息技术等照片(photograph)，图(drawing)，画(painting)连续函数（模拟）离散函数（数字）第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）物体图像数学图像物理图像可见的图象照片、图、画光图像不可见的物理图像第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）3.图象的表示:★客观世界在空间上是三维（3-D）的，但从客观景物得到的图象是二维（2-D）的。★日常所见图象多是连续的。★一副图象可以用一个2-D函数来表示，这里表示图象中的一个点，代表图象在点的某种性质F的数值。注意：广义地说，任一个2-D函数可以看作是一副图像！所以所有针对二维函数的处理方法可移植到图像处理领域。),(yxf),(yxfyx,第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）4.连续图像的数字化：连续图像离散图像数字图像(这里的都是整数)图象中每个基本单元叫做图象元素，即象素（pictureelement）在2-D图象用pixel表示在3-D图象中用voxel表示（如1024×768）crI,,(,)xyrc空间离散fI幅度量化(,)fxy,,rcI第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）（1）空间离散就是对连续图像的采样，指导采样的基本原则是采样定理：要无失真地恢复原连续信号，则最低采样频率应大于等于信号最高频率的2倍。实际上：要无失真地恢复原连续信号，则最低采样频率应大于等于信号频宽的2倍。（参见《通信原理》）第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）采样间隔取得不合适除了画面出现棋盘效应之外，还会发生频率的混叠现象。均匀采样非均匀采样第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）（2）幅度的量化是将各个像素所含的明暗信息离散化后，用数字来表示称为图像的量化，一般的量化值用整数来表示。充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊用途的图像均为8bit量化，即用0~255描述“黑~白”（量化深度8bit，量化级数G=256）。(a)黑白图像（二值图像；1bit图像）(b)灰度图像（8bit图像）(c)彩色图像（24bit图像，R，G，B分量各用8bit）第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）对于给定的幅度量化级数在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区域以避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现象。（非均匀量化）f第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）图象分辨率：区分图象细节的程度空间分辨率由空间取样点数M，N确定图象分辨率（像素/英寸，像素/厘米）幅度分辨率由灰度级数G确定理论上，M、N、G越大，数字图象与原始图象越接近，实际上，由于存储和处理的要求随M、N、G的增加而迅速增加，所以采样点数和灰度级数也不能太大。第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）在数字化过程中需要确定图象的尺寸M，N和每个象素具有的离散灰度级数G（不同灰度值的个数）。数字图象处理中一般将这些量取为2的整数次幂，即:2mM2nN2kG第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）存储一幅数字图象所需的位数b（单位为bit）如果M=N则1幅128X128，64个灰度级的图需要98304bit1幅512X512，256个灰度级的图需要2097152bitkNMbkNb2第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）例子图象空间分辨率变化所产生的效果图象幅度分辨率变化所产生的效果第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）(3)数字图象的表示:坐标系第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）矩阵表示1,10,10,11,11,10,11,01,00,0),(NNfNfNfNfffNfffyxf第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）描述数字图像的其它数据结构：矩阵；链码；（第8章）拓扑数据结构；关系结构；分层数据结构：金字塔、四叉树等。（参阅：艾海舟等译图像处理、分析与机器视觉（第二版）人民邮电出版社2003）第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）（4）数字图像文件的存储格式：（参阅：何斌等VisualC++数字图像处理人民邮电出版社2001）存储图像信息图像特点：以象素为单位，矩形区域信息量大与操作系统有关：windows、unix、mac编码方式：无压缩、无损压缩、有损压缩常用的图像文件格式：BMP、JPEG、TIFF、GIF等第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）BMP文件格式(Windows位图)：（a）Windows操作系统的标准文件格式。(b)虽然大部分BMP文件是不压缩的形式，它本身还是支持图像压缩的，如rle格式（行程长度编码，runlengthencoding）和LZW压缩格式等。(c)位图数据记录了位图的每一个象素值（真彩色）或该对应象素的颜色表的索引值（调色板）（d）注意：图像记录顺序是在扫描行内从左到右；扫描行间从下到上（对应屏幕坐标）。第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）BMP文件结构：第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）BMP图像文件头结构：第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）BMP图像信息头结构定义：第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）BMP图像调色板结构：第一章绪论、图像处理和视觉基础（三）图像数据：（1）对于用到调色板的位图，图像数据就是该颜色在调色板中的索引值。（2）对于真彩色，图像数据就是实际的RGB值。例如：对于16色位图，1个字节可以表示2个象素。对于256色位图，对于真彩色，1个字节刚好表示1个象素。3个字节才能表示一个象素。第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）四.颜色视觉1.颜色基础(a)：颜色定义色彩是与人的感觉（外界的刺激）和人的知觉（记忆、联想、对比…）联系在一起的。色彩感觉总是存在于色彩知觉之中，很少有孤立的色彩感觉存在。美国光学学会（OpticalSocietyofAmerica）的色度学委员会曾经把颜色定义为：颜色是除了空间的和时间的不均匀性以外的光的一种特性，即光的辐射能刺激视网膜而引起观察者通过视觉而获得的景象。在我国国家标准GB5698-85中，颜色的定义为：色是光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性。第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）四.颜色视觉1.颜色基础(b)：颜色本质颜色的本质是牛顿最早系统研究和发现的。不同颜色的光线实际上是不同频率的电磁波，人的脑和眼将不同频率的电磁波感知为不同的颜色。第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）在以波长λ为中心的微小波长范围内的辐射能与该波长的宽度之比称为光谱密度.光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小。光谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布。在实用上更多的是以光谱密度的相对值与波长之间的函数关系来描述光谱分布，称为相对光谱能量（功率）分布。第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）1.颜色基础(c)：光源色温根据能量守恒定律：物体吸收的能量越多，加热时它辐射的本领愈大。黑色物体对光能具有较大的吸收能力。如果一个物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射，那么这个物体称为绝对黑体。绝对黑体的吸收本领是一切物体中最大的，加热时它辐射本领也最大。天然的、理想的绝对黑体是不存在的。人造黑体是用耐火金属制成的具有小孔的空心容器。第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）色温用绝对温度K表示，绝对温度等于摄氏温度加273。如正午的日光具有色温为6500K，就是说黑体加热到6500K时发出的光的颜色与正午的颜色相同。其它如白炽灯色温约为2600K。一个黑体若被加热，其表面按单位面积辐射光谱能量的大小及其分布完全决定于它的温度。因此我们把任一光源发出的光的颜色与黑体加热到一定温度下发出的光的颜色相比较，来描述光源的光色。所以色温可以定义为：当某一种光源的色度与某一温度下的绝对黑体的色度相同时绝对黑体的温度。因此，色温是以温度的数值来表示光源颜色的特征。第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）2.颜色匹配(参考：《包装色彩学》，)既然由所有可见光谱的颜色混合而成的光由人眼和脑感知为白色（白噪声），那么能否由较少数量的单色光合成并为人感知的五彩缤纷的艳丽色彩呢？绿（G,green）波长：546.1nm蓝（B,blue）波长：435.8nm红（R,red）波长：700nm根据人眼的结构，多数颜色可由红、绿、蓝三种颜色（三基色）组合而成。国际照度委员会（CIE）在1931规定三基色的波长为：第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）把两个颜色调整到视觉相同的方法叫颜色匹配，颜色匹配实验是利用色光加色来实现的。第一章绪论、图像处理和视觉基础（四）三基色的单位量：在颜色匹配实验中，当这红、绿、蓝三原色光的相对亮度比例为1.0000：4.59