数字图像处理基础知识精品文稿.ppt

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1、数字图像处理基础知识第1页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2.12.1 视觉特性与三基色原理视觉特性与三基色原理2.1.1 2.1.1 人眼的视觉特性人眼的视觉特性 根据数字图像处理的需要，关注人眼的如下几根据数字图像处理的需要，关注人眼的如下几个重要特性：明暗视觉、彩色视觉、人眼的分辩力、个重要特性：明暗视觉、彩色视觉、人眼的分辩力、视觉惰性与闪烁感觉。视觉惰性与闪烁感觉。第2页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识一、明暗视觉一、明暗视觉 人眼对不同颜色的光的亮度感觉是不一样的，明人眼对不同颜色的光的亮度感觉是不一样的，明暗不同。暗不同。二、彩色视觉二、彩色视觉

2、为确切表示某一彩色光，必须用三个基本参量（亮为确切表示某一彩色光，必须用三个基本参量（亮度、色调和饱和度）来表示，彩色视觉就是对这三个参度、色调和饱和度）来表示，彩色视觉就是对这三个参量的总效应。量的总效应。1 1、亮度：反映光作用于人眼时引起的明亮程度。、亮度：反映光作用于人眼时引起的明亮程度。第3页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2 2、色调：反映了颜色的类别。、色调：反映了颜色的类别。如通常所说的红、绿、蓝。如通常所说的红、绿、蓝。3 3、饱和度：指彩色光所呈现色彩的深浅程度。、饱和度：指彩色光所呈现色彩的深浅程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越高，颜色越深，对于同一色调

3、的彩色光，饱和度越高，颜色越深，如深红；饱和度越低，颜色越浅，如浅红。如深红；饱和度越低，颜色越浅，如浅红。色度：色调和饱和度合称为色度，即表明了彩色色度：色调和饱和度合称为色度，即表明了彩色光的颜色类别，又说明了颜色的深浅程度。光的颜色类别，又说明了颜色的深浅程度。第4页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识三、人眼的分辩力三、人眼的分辩力 是指人在观看景物时对景物细节的分辩能力。是指人在观看景物时对景物细节的分辩能力。分为黑白细节分辩力和彩色细节分辩力，对彩色细分为黑白细节分辩力和彩色细节分辩力，对彩色细节分辩力的要求要比黑白细节分辩力要求低。节分辩力的要求要比黑白细节分辩力要求

4、低。四、视觉惰性与闪烁感觉四、视觉惰性与闪烁感觉1 1、视觉惰性、视觉惰性 当一定强度的光作用于视网膜时，不能在瞬间形当一定强度的光作用于视网膜时，不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉，而有一个短暂的过渡过成稳定的主观亮度感觉，而有一个短暂的过渡过第5页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识程；当光消失后，亮度感觉也并不立刻消失，而是按程；当光消失后，亮度感觉也并不立刻消失，而是按近似指数函数的规律逐渐减小。人眼的这种视觉特性近似指数函数的规律逐渐减小。人眼的这种视觉特性叫做视觉暂留特性，或视觉惰性。叫做视觉暂留特性，或视觉惰性。图图2-1 2-1 视觉惰性视觉惰性第6页，本讲稿共33页

5、数数字字图像像处理基理基础知知识2 2、临界闪烁频率、临界闪烁频率 眼睛在周期性的光脉冲的作用下，如果它的频率眼睛在周期性的光脉冲的作用下，如果它的频率不够高，则眼睛会感到一明一暗的闪烁现象。如果将不够高，则眼睛会感到一明一暗的闪烁现象。如果将光脉冲的频率增加到某一值时，由于视觉惰性，眼睛光脉冲的频率增加到某一值时，由于视觉惰性，眼睛就感觉不到闪烁了。就感觉不到闪烁了。不引起闪烁感觉的光脉冲的最低重复频率称为临界闪烁不引起闪烁感觉的光脉冲的最低重复频率称为临界闪烁频率。频率。经验可知人眼的临界闪烁频率约为经验可知人眼的临界闪烁频率约为46Hz46Hz。第7页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基

6、理基础知知识2.1.2 2.1.2 三基色原理三基色原理 自然界中的颜色有无数多种，如何对这些颜色自然界中的颜色有无数多种，如何对这些颜色加以表示呢？只需要三种颜色，即三基色就可以表加以表示呢？只需要三种颜色，即三基色就可以表示所有的颜色。示所有的颜色。一、含义一、含义 指选择指选择3 3种独立的颜色，将它们按照不同的比例混合，种独立的颜色，将它们按照不同的比例混合，就可以得到不同的颜色；反之，任何颜色也能分解为这就可以得到不同的颜色；反之，任何颜色也能分解为这三种颜色。三种颜色。第8页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识注：注：1 1、三种颜色必须是独立的，即其中的任何一个颜色都

7、、三种颜色必须是独立的，即其中的任何一个颜色都不能由另外两个基色表示。不能由另外两个基色表示。2 2、合成彩色光的亮度等于三个基色的亮度之和；而、合成彩色光的亮度等于三个基色的亮度之和；而色度由三个基色分量的比例决定。色度由三个基色分量的比例决定。在彩色电视系统，彩色图像系统中选择的三基色一般在彩色电视系统，彩色图像系统中选择的三基色一般为：红、绿、蓝，即为：红、绿、蓝，即R、G、B。第9页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识二、相加混色二、相加混色1 1、混色规律：如图、混色规律：如图2 22 2所示所示红蓝品红红蓝品红蓝绿青蓝绿青绿红黄绿红黄红绿蓝白红绿蓝白图图2-2 2-2

8、相加混色规律示意图相加混色规律示意图第10页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2 2、互补色：当两种色光按照适当的比例混合得到、互补色：当两种色光按照适当的比例混合得到 白白光，则这两种色称为互补色。光，则这两种色称为互补色。如：青红白色；黄蓝白色；如：青红白色；黄蓝白色；品绿白色。品绿白色。3 3、相加混色的方法、相加混色的方法 时间混色法：将三种基色轮流投射到某一表面，只要时间混色法：将三种基色轮流投射到某一表面，只要轮换的时间足够快，利用人眼的视觉惰性就可以得到相加轮换的时间足够快，利用人眼的视觉惰性就可以得到相加混色的效果。混色的效果。第11页，本讲稿共33页数数字字图像

9、像处理基理基础知知识 空间混色法：利用人眼分辩力的有限性，把彼此相空间混色法：利用人眼分辩力的有限性，把彼此相距很近的三基色发光点看成是相加合成的光。距很近的三基色发光点看成是相加合成的光。生理混色法：利用两只眼睛同时分别观看两幅不同颜色生理混色法：利用两只眼睛同时分别观看两幅不同颜色的同一幅图像，也可以得到混色的效果。的同一幅图像，也可以得到混色的效果。电视系统中一般是采用这种相加混色的方法。电视系统中一般是采用这种相加混色的方法。相减混色法：用于彩色印刷、彩色胶片、绘画等。相减混色法：用于彩色印刷、彩色胶片、绘画等。第12页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2.1.3 2.1

10、.3 颜色方程颜色方程 自然界中的任何颜色光均可以用颜色方程来表示：自然界中的任何颜色光均可以用颜色方程来表示：F：代表具有特定亮度和色度的彩色光；：代表具有特定亮度和色度的彩色光；RR,GG,BB：F F色光的三色分量；色光的三色分量；RGB：三基色单位量，能配出标准白光的：三基色单位量，能配出标准白光的3 3基色量；基色量；RGB:称为三刺激值，可以测得；称为三刺激值，可以测得；第13页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识 RGB的的比例关系比例关系决定了彩色光的色度，而他们的决定了彩色光的色度，而他们的数数值值决定了彩色光的亮度。决定了彩色光的亮度。色差信号色差信号：由基色信

11、号与亮度信号之差构成：由基色信号与亮度信号之差构成,即：即：R-Y,B-Y,G-Y，一般选取其中的前两个。，一般选取其中的前两个。色差信号不包含有亮度信息；两个色差信号之间相色差信号不包含有亮度信息；两个色差信号之间相互独立；在传输黑白图像时，两个色差信号为互独立；在传输黑白图像时，两个色差信号为0 0。亮度信号亮度信号Y、色差信号与三基色信号、色差信号与三基色信号RGB之间的关系之间的关系为：为：第14页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识 色差信号色差信号R-Y,B-Y幅度范围比较大，还需对其进行幅度范围比较大，还需对其进行压缩，得到压缩后的色差信号压缩，得到压缩后的色差信号U

12、和和V，它们之间的关系，它们之间的关系为：为：第15页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2.22.2 图像的采集和显示图像的采集和显示2.2.1 2.2.1 图像采集图像采集一、图像采集过程一、图像采集过程 首先是利用对某个电磁能量谱波段敏感的物理器首先是利用对某个电磁能量谱波段敏感的物理器件，接受辐射并产生与所接受到的电磁辐射能量成正件，接受辐射并产生与所接受到的电磁辐射能量成正比的模拟电信号。比的模拟电信号。光电转换过程光电转换过程 然后是将前面得到的模拟电信号转化为数字信号以输入然后是将前面得到的模拟电信号转化为数字信号以输入进计算机进行处理。进计算机进行处理。模数转换过程

13、模数转换过程第16页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识二、图像采集设备二、图像采集设备 用于可见光和红外线成像的采集设备主要有：显微密度用于可见光和红外线成像的采集设备主要有：显微密度计、析像管、视像管和固态阵等，其中固态阵线应用最广泛。计、析像管、视像管和固态阵等，其中固态阵线应用最广泛。固态阵可按几何组织形式分为两种：线扫描器和平面固态阵可按几何组织形式分为两种：线扫描器和平面扫描器，其主要元件是电荷耦合器件扫描器，其主要元件是电荷耦合器件CCD。例子：航空航天上用的例子：航空航天上用的CCD数字相机、数字摄像机、数字相机、数字摄像机、微光夜视设备、针孔相机、带微光夜视设备、

14、针孔相机、带CMOS Sensor的手机。的手机。第17页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识三、图像采集的主要性能指标三、图像采集的主要性能指标1 1、线性响应：指输入物理信号的强度与输出响应信号的、线性响应：指输入物理信号的强度与输出响应信号的强度之间关系是否线性。强度之间关系是否线性。2 2、灵敏度：绝对灵敏度可用所能检测到的最小光子个数、灵敏度：绝对灵敏度可用所能检测到的最小光子个数表示，相对灵敏度可用能使输出发生一级变化所需表示，相对灵敏度可用能使输出发生一级变化所需的光子个数表示。的光子个数表示。3 3、信噪比：指所采集的图象中有用信号与无用干扰的、信噪比：指所采集的图

15、象中有用信号与无用干扰的（能量或强度）比值。（能量或强度）比值。4 4、快门速度：采集拍摄时间。、快门速度：采集拍摄时间。第18页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2.2.2 2.2.2 图像的显示图像的显示 常用的显示设备是电视显示器，其又可以分为以常用的显示设备是电视显示器，其又可以分为以下类型：下类型：CRTCRT、液晶显示、液晶显示(LCD)、等离子体显示、等离子体显示(PDP)等。等。CRT CRT：电子扫描。：电子扫描。LCD:它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及色彩丰富的元的透

16、射率及反射率，从而产生不同灰度层次及色彩丰富的图像。图像。第19页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识 PDP:基于一利用稀有气体（惰性气体）放电所产生的基于一利用稀有气体（惰性气体）放电所产生的真空紫外线激励荧光粉发光的显示技术。真空紫外线激励荧光粉发光的显示技术。可以硬拷贝到幻灯片、照片和透明胶带上。可以硬拷贝到幻灯片、照片和透明胶带上。可以使用各种热敏、激光和喷墨打印设备进行图像的输可以使用各种热敏、激光和喷墨打印设备进行图像的输出和显示。出和显示。第20页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2.32.3 数字图像的生成和表示方法数字图像的生成和表示方法2.3.1

17、 2.3.1 数字图像的生成数字图像的生成 常见的图像是连续的，为了适应计算机的处理，常见的图像是连续的，为了适应计算机的处理，必须对连续图像函数进行空间和幅度数字化。必须对连续图像函数进行空间和幅度数字化。空间坐标的数字化称为是空间坐标的数字化称为是空间采样空间采样；幅度数字化称为幅度数字化称为幅度量化幅度量化。第21页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识一、采样一、采样 对连续变化的图像在空间坐标上做离散化的过程，称为对连续变化的图像在空间坐标上做离散化的过程，称为对图像采样（取样、抽样）。对图像采样（取样、抽样）。像素：选取的采样点，是分析图像时的最小、最像素：选取的采样点，

18、是分析图像时的最小、最基本的单元。基本的单元。由像素组成的采样点阵一般是方形点阵，如由像素组成的采样点阵一般是方形点阵，如4444，8888，16161616等。等。满足奈奎斯特采样定理。满足奈奎斯特采样定理。第22页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识二、量化二、量化 量化：对信号的幅度进行离散化分层的过程称为量化。量化：对信号的幅度进行离散化分层的过程称为量化。对像素的连续的亮度值作等间隔分层量化称为对像素的连续的亮度值作等间隔分层量化称为均均匀量化匀量化；作不等间隔分层量化称为；作不等间隔分层量化称为非均匀量化非均匀量化。根据人眼的视觉特性，通常需要根据人眼的视觉特性，通常需

19、要100100多个量化级数。多个量化级数。为了计算机的表达方便，量化级数一般为为了计算机的表达方便，量化级数一般为2 2的整数次幂，的整数次幂，如如256256、128128等。等。第23页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识 量化误差：量化是以有限个离散值近似表示无限的连量化误差：量化是以有限个离散值近似表示无限的连续值，所以存在误差，称其为量化误差。续值，所以存在误差，称其为量化误差。量化失真：量化过程中产生的失真，亦称为量化噪声。量化失真：量化过程中产生的失真，亦称为量化噪声。对应均匀量化，量化层次越多，量化误差越小，但对应均匀量化，量化层次越多，量化误差越小，但编码所需要的

20、码字的比特数越多。编码所需要的码字的比特数越多。采样点数和量化级数不同时会直接关系到图像的清晰度，采样点数和量化级数不同时会直接关系到图像的清晰度，点数和级数越多，图像质量越高。点数和级数越多，图像质量越高。第24页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2.3.22.3.2 数字图像的表示方法数字图像的表示方法 连续图像的最普通的数学表达式为：连续图像的最普通的数学表达式为：其中其中x,y,z代表空间坐标，代表空间坐标，代表波长，代表波长，t代表时间，代表时间，所以该表达式可以代表一幅立体的、彩色的、活动所以该表达式可以代表一幅立体的、彩色的、活动的图像。的图像。代表静止、黑白、平面

21、图像代表静止、黑白、平面图像第25页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识数字图像的表示：数字图像的表示：数字图像可以用数字图像可以用I(r,c)表示，其中表示，其中I代表离散化后的代表离散化后的f，(r,c)代表离散化的代表离散化的(x,y)，其中，其中r代表图像的行代表图像的行，c代表图像的代表图像的列。列。为了分析的方便，仍采用为了分析的方便，仍采用f(x,y)来表示数字图像，其中来表示数字图像，其中f,x,y都在整数集合中取值。都在整数集合中取值。若对原连续图像按等间隔采样，排成若对原连续图像按等间隔采样，排成MN阵列阵列（一般取方阵（一般取方阵NN），则数字图像的表达式为：

22、），则数字图像的表达式为：第26页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识 图像阵列中每个元素都是离散值，在数字图像处理图像阵列中每个元素都是离散值，在数字图像处理中，一般取阵列中，一般取阵列N和灰度级和灰度级G都是都是2 2的整数幂，即取的整数幂，即取N2n及及G2m。对一般电视图像，。对一般电视图像，N取取256或或512，灰度级，灰度级G取取64级级(m6bit)至至256级级(m=8bit)，即可满足图像处理的，即可满足图像处理的需要。需要。彩色图像可以采用彩色图像可以采用R、G、B三个矩阵来表示。三个矩阵来表示。第27页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2.42

23、.4 数字图像的系统模型数字图像的系统模型2.4.1 2.4.1 线性非移变系统线性非移变系统 在图像处理中，为了分析和处理的方便，采用线在图像处理中，为了分析和处理的方便，采用线性和空间不变性的系统模型来解决图像问题。线性非性和空间不变性的系统模型来解决图像问题。线性非移变系统如图移变系统如图2 23 3所示：所示：图图2-3 2-3 线性系统线性系统第28页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识 上上图所示系统的输入和输出具有如下的关系：图所示系统的输入和输出具有如下的关系：由于该系统为线性系统，所以满足叠加性和齐次由于该系统为线性系统，所以满足叠加性和齐次性，所以有：性，所以有

24、：第29页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识 该系统为非移变系统，则有：该系统为非移变系统，则有：说明图像中任一点通过系统时的响应只取决于该说明图像中任一点通过系统时的响应只取决于该点的输入值，而与该点的位置无关。点的输入值，而与该点的位置无关。第30页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识2.4.2 2.4.2 空域卷积空域卷积 信号输入线性非移变系统并输出的过程可以用卷信号输入线性非移变系统并输出的过程可以用卷积来描述。线性非移变系统的输出等于输入信号与表积来描述。线性非移变系统的输出等于输入信号与表征系统特性的函数的卷积。征系统特性的函数的卷积。二维数字图像的卷积

25、称为空域卷积。二维数字图像的卷积称为空域卷积。对于线性非移变系统，其性能完全由其单位冲击响对于线性非移变系统，其性能完全由其单位冲击响应来表征，即：应来表征，即：第31页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识 系统为非移变系统，则对位移信号的响应为：系统为非移变系统，则对位移信号的响应为：第32页，本讲稿共33页数数字字图像像处理基理基础知知识本讲小结：本讲小结：1 1、视觉特性、三基色原理、视觉特性、三基色原理 2 2、图像的采集和显示（采集过程和器件、性能指标、显、图像的采集和显示（采集过程和器件、性能指标、显示等）示等）3 3、数字图像的生成和表示方法（采样、量化、表示方、数字图像的生成和表示方法（采样、量化、表示方法）法）4 4、数字图像处理的系统模型（线性非移变系统）、数字图像处理的系统模型（线性非移变系统）第33页，本讲稿共33页