第2章基本概念-xg(80).ppt

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1、第二章 图像的基本概念,2.1 图像的数字化,所谓的图像数字化，是指将模拟图像经过离散化之后，得到用数字表示的图像。,2.1.1 采样,采样是指将在空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集的操作。由于图像是二维分布的信息，所以采样是在 x轴和y轴两个方向上进行。一般情况下， x轴方向与y轴方向的采样间隔相同。,2.1.1 采样,采样时的注意点是：采样间隔的选取，以及采样保持方式的选取。 采样间隔太小，则增大数据量；太大，则会发生频率的混叠现象。 采样保持，一般不做特殊说明都是采用0阶保持的方式，即一个像素的值是其局部区域亮度（颜色）的均值。,2.1.2 分辨率,分辨率是指映射到图像平面上

2、的单个像素的景物元素的尺寸。 单位：像素/英寸，像素/厘米 （如：扫描仪的指标 300dpi）,或者是指要精确测量和再现一定尺寸的图像所必需的像素个数。 单位：像素*像素 （如：数码相机指标30万像素（640*480）,2.1.3 量化,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。一般的量化值为整数。 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“从黑到白”。 在3bit以下的量化，会出现伪轮廓现象。,2.1.4 量化方法,量化可分为均匀量化和非均匀量化。均匀量化是简单地在灰度范围内等间隔量化。非均匀量化是对像素出现频度少的部分量化间隔取大，

3、而对频度大的量化间隔取小。,一般情况下，对灰度变化比较平缓的部分用比较多的量化级，在灰度变化比较剧烈的地方用比较高的分辨率。,2.2 数字图像的描述,所谓的数字图像的描述是指如何用一个数值方式来表示一个图像。 因为矩阵是二维的，所以可以用矩阵来描述数字图像。同时，前面我们已经提到，量化值是整数，因此描述数字图像的矩阵一定是整数阵。,2.2 数字图像的描述,矩阵是按照行列的顺序来定位数据的，但是图像是在平面上定位数据的，所以有一个坐标系定义上的特殊性。 为了编程方便起见，我们这里以矩阵坐标系来定义图像的坐标。,2.2.1 黑白图像,黑白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

4、为值图像。2值图像的像素值为0、1。,2.2.2 灰度图像,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，没有彩色信息。,灰度图像描述示例,2.2.3 彩色图像,彩色图像是指每个像素的信息由RGB三原色构成的图像，其中RBG是由不同的灰度级来描述的。,彩色图像不能用一个矩阵来描述了，一般是用三个矩阵同时来描述。,利用256色的调色板表示灰度图 虽然我们讨论了很多色彩系统，以及彩色图像的表示方法， 但是，为了将重点放在算法上，我们所讨论的图像处理主要以 灰度图为例。灰度图就是只含亮度信息，不含色彩信息的图像。 因此，要表示灰度图，只需要将亮度值进行量化。通常划分成 0到255共256

5、个级别，0表示最暗（全黑），255表示最亮（全 白）。我们如何表示灰度图？方法就是利用256色的调色板， 只不过这种调色板比较特殊，它的每一项的R、G、B分量都相 同，也就是RGB从 到 。每一个像素的亮 度值（灰度值）就是它在该调色板中的索引值。,红蓝品红 蓝绿青 绿红黄,RGB模式是加色模式。因为三种颜色每一种都有256个亮度水平级，所以三种色彩叠加就能形成1670万种色彩了（俗称“真彩”）。RGB模式因为是由红、绿、蓝相叠加形成其他颜色，因此该模式也叫加色模式。 CMYK模式是一种减色模式，K指黑色。当阳光照射到一个物体上时，这个物体吸收一部分光线，并将剩下的光线进行反射，反射的光就是你

6、所看到的物体的颜色。这是一种减色模式。在纸上印刷时应用的也是这种减色模式。,2 .2 .4色彩系统的数学表达式 为了呈现五彩缤纷的图像，我们必须对图像的像素进行 着色。首先我们先讨论常用的色彩系统。 RGB色彩系统 众所周知，自然界中的所有颜色都可以由红、绿、蓝（ R、G、B）3原色组合而成。我们把3原色人为地分成从0到 255共256个等级，比如R=0，表示不含红色；R=255表示含 有100%的红色成分。这样，根据红、绿、蓝各种不同的组合 我们可以表示出 （约1600万）种颜色。 当一幅图像中每个像素点被赋予不同的RGB值时，就能 形成彩色图像了。,YIQ色彩系统 YIQ色彩系统通常被北美

7、的电视系统采用。Y不是指黄色， 而是指颜色的亮度(Luminance)，即亮度(Brightness)。I和Q则 是指色调(Chrominance)，描述图像色彩及饱和度的属性。 RGB与YIQ之间的对应关系如下：,YUV色彩系统 YUV色彩系统被欧洲电视系统采用（属于PAL）。Y指明 视度，U和V虽然也是指色调，但是和I与Q的表达方式不同。 RGB色彩系统与YUV色彩系统的对应关系：,YCbCr色彩系统 YCbCr色彩系统也是一种常见的色彩系统，JPEG采用的 就是该系统。它是从YUV色彩系统衍生出来的。Y是指明视 度，Cb和Cr是将U和V作少量调整得到的。 RGB色彩系统与YCbCr色彩系

8、统的对应关系：,2. 3 灰度直方图,在数字图像处理中，灰度直方图是最简单且最有用 的工具，可以说，对图像的分析与观察，直到形成一个有效的处理方法，都离不开直方图。,2. 3.1 灰度直方图的定义,灰度直方图是灰度级的函数，是对图像中灰度级分布的统计。即：横坐标表示灰度级，纵坐标表示图像中对应某灰度级所出现的像素个数。,灰度直方图的计算示例,灰度直方图,2.3.2 灰度直方图的性质,所有的空间信息全部丢失 每一灰度级的像素个数可直接得到,2.3.3 灰度直方图的应用,前面提到过，灰度直方图是最简单的，最有用的工具。 简单性从其一维的数据形式，以及简单的计算方法可以感受到。 有用性，在这里通过几

9、个应用例子来说明。,2.3.3.1 数字化的参数,直方图给出了一个简单可见的指示，用来判断一幅图像是否合理的利用了全部被允许的灰度级范围。一幅图像应该利用全部或几乎全部可能的灰度级，否则等于增加了量化间隔。丢失的信息将不能恢复。,2.3.3.2 图像分割阈值选取,假设某图像的灰度直方图具有 二峰性，则表明这个图像较亮的区域和较暗的区域可以较好地分离，取二峰间的谷点为阈值点，可以得到好的值处理的效果。,灰度直方图具有二峰性,具有二峰性的灰度图的2值化,2.4 图像的噪声分析 噪声：“妨碍人们感觉 器官对所接收的信源信 息理解的因素”。 “不可预测，只能用概率统计方法来认识的随机误差”。 用概率分

10、布函数和概率密度函数描述随机现象。 但在很多情况下，这样的描述方法是很复杂，甚至不可能的，而实际应用往往也不必要。通常是用数字特征来反映噪声的特征： 。,均值、方差,几个分布的示例,相关函数:,2.4.1 图像噪声分类,图像采集 量化噪声 热噪声等,物理对象,接收者,传输,光：不均匀的光照 电磁：通过辐射耦合,噪声的产生途径,与噪声相关的问题： 望远镜放到太空中：哈勃望远镜 电磁兼容性问题：设备间的干扰,噪声的分类：,注意：为了分析处理方便， 往往将乘性噪声近似认为是加性噪声； U：受干扰的图像。I：原图。n：噪声 而且总是假定信号和噪声是互相统计独立。 f:概率密度,2.4.2 图像系统噪声

11、特点 1)噪声的扫描变换,对扫描成像所构成的系统：垂直方向的带宽为水平方向的带宽宽L倍（L:以扫描线间隔度量,L一般大于1)。许多电视摄像系统中采用高频补偿技术。 结论：图像的获取设备影响噪声特性。,2)噪声与图像的相关性 在数字图像处理技术中存在量化噪声，它与图像的灰度分布相关。,3) 噪声的叠加性 在串联图像传输系统中，各部分窜入噪声若是同类噪声，可以进行功率相加，因此信噪比要下降； 若不是同类噪声，应区别对待，而且要考虑视觉检出特性的影响。 通常的处理：假设各部分的噪声统计独立。,(1)连续图像场逼真度 空间域单变量逼真度Q：,例如： 或者是一个简单的门限检测,两个变量的测量：,F(x,

12、y)的估值,“接近程度”的量度：用互相关函数R表示: 通常也采用归一化的互相关函数表示：,(2)离散图像逼真度 数字图像处理系统：较多使用输出显示图像的离散抽样来确定图像逼真度。 均方误差:,如果两个图像场的抽样满足奈奎斯特(Nyguist)定律，这个误差量度应和连续图像误差量度相同。,归一化均方误差 另一种常用的离散图像逼真度量度为峰值均方误差PMSE，定义为 A：被变换图像g(j,k)的最大值，对8比特灰度图，常取255,峰值均方误差通常被表示成等效的信噪比 峰值信噪比 对均方误差同样处理为:,信噪比,2. 5 Visual C+数字编程基础,设备无关位图（DIB） 前面介绍了一些有关图像

13、的基本概念，下面要介绍如何在 Visual C+中使用图像。 DIB是Device-Independent-Bitmap的缩写，它自带颜色信 息，调色板管理非常容易。DIB是标准的Windows的位图格式， 它通常以BMP文件格式保存。一个BMP文件包含一个DIB位图。 一个BMP文件大体上分成如下4个部分。,BITMAPFILEHEADER（位图文件头）,BITMAPINFOHEADER（位图信息头）,Palette （调色版）,.bmp文件结构图,DIB Pixels （DIB图像数据）,什么是调色板？ 如果一幅图像的每个像素都用RGB分量表示，我们知道 每个分量由256个等级，需要有1个

14、字节表示。那么，一个像素 的颜色信息需要用3个字节表示，图像文件将灰变得非常大。 实际上并不是这样做的，我们先来看一个简单的计算。 对一幅 的16色图像，它共有40000个像素，如果 一个像素都用R、G、B三个分量来表示，一个像素需要3个字 节，这样保存整个图像要用 ，即120000个字节！ 但是我们用下面的方法表示图像，可以节省很多字节。 由于图像只有16种颜色，我们可以创建一个颜色表：表 中的每一行表示一种颜色的R、G、B值。这样当表示一个像素,的颜色时，只需指出改颜色是在第几行，即该颜色在表中的索 引值。16种状态可以用4位表示，所以一个像素要用半个字节， 整个图像要用 ，即20000个

15、字节，再加上颜色表 需要 个字节，共20048个字节。它是前面的 。 这里的RGB颜色表，就是通常所说的调色板。在Windows 位图中，就用到了调色板技术。但是，并不是所用的彩色图像 利用调色板技术，都可以节省字节。在真彩色图像中（又称24 为图像）共有 ，如果利用调色板技术，表示一个 像素颜色在调色板中的索引值需要24位，这和直接用R、G、B 三个颜色分量表示所需要的字节数一样，不但没有节省任何空 间，还要加上一个 个字节大的调色板。,调色板示意图,R,G,B,R,G,B,共16行,3个字节,第一部分：位图文件头BITMAPFILEHEADER，它是一个结构 typedef struct

16、tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; DWORD bfSize; WORD bfReserved1; WORD bfReserved2; DWORD bfOffBits; BITMAPFILEHEADER, FAR *LPBITMAPFILEHEADER;,该结构的长度是固定的，为14个字节，各参数说明如下： bfType：指定文件类型，必须是0x424D，即字符串“BM”。 也就是说所有的“.bmp”文件的头两个字节都是“BM” bfSize：指定文件大小； bfReserved1、bfReserved2：为保留字，不用考虑； bfOffBits：为文件头到实际的

17、位图数据的偏移字节数，也 就是前三部分长度之和。,第二部分：位图信息头BITMAPINFOHEADER typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD bfSize; LONG biWidth; LONG biHeight; WORD biPlanes; WORD biBitCount; DWORD biCompression; DWORD biSizeImage; LONG biXPelsPerMeter; LONG biYPersPerMeter; DWORD biClrUsed; DWORD biClrImportant; BITMAPINFOHEADE

18、R, FAR *LPBITMAPINFOHEADER;,该结构的长度为40个节，各参数的意义说明如下： biSize：指定这个结构的大小，为40个字节； biWidth：指定图像的宽度，单位是像素； biHeight：指定图像的高度，单位是像素； biPlanes：必须是1； biBitCount：指定表示颜色要用到的位数，常用的值1(黑白） 8（256色）、24（真彩色）； biCompression：指定位图是否压缩，有效值为BI_RGB BI_RLE4、BI_RLE8。其中BI_RGB为不压 缩的情况。 biSizeImage；指定实际的位图数据占用的字节数。可以用,下面的公式计算： 需

19、要注意的是：上述公式中的 不一定总等于biWidth 必须是4的整数倍，表示大于或等于biWidth的离4 最近的整倍数。 biXPelsPerMeter：指定目标设备的水平分辨率，单位是每 米的像素个数； biYPelsPerMeter；指定目标设备的垂直分辨率，单位是每 米的像素个数； biClrUsed：指定本图像实际用到的颜色数，如果该值为0 则用到的颜色数为2的biBitCount次幂,biClrImportant：指定本图像中重要的颜色数，如果该值为零，则认为所用的颜色都是重要的。 第三部分：Palette（调色板） 调色板实际上是一个数组，共有biClrUsed个元素（如果该 值

20、为0，则为2的biBitCount次幂）。数组中每个元素的类型为一 个RGBQUAD结构，占4个字节。结构定义如下： typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; BYTE rgbGreen; BYTE rgbRed; BYTE rgbReserved; RGBQUAD;,注意：有些位图，比如真彩色图，没有调色板。他们的位 图信息头（BITMAPINFOHEADER）后直接是DIB数据。 第四部分：DIB图像数据 分两种情况：对于用到调色板的位图，图像数据就是该像 素颜色在调色板中的索引值；对于真彩色图，图像数据就是实 际的R、G、B值。 对于2色位图，用1位

21、就可以表示该像素的颜色，因此一个字 节可以表示8个像素； 对于16色位图，用4位可以表示一个像素的颜色，所以1个字 节可以表示2个像素； 对于256色位图，一个字节刚好表示一个像素；,对于真彩色图，3个字节才能表示1个像素 注意：1. 每一行的字节数必须是4的整倍数，如果不是，则需要 补齐； 2. 图像数据是按照从上到下、从左到右的顺序存储；我 们最先读到的是图像最下面一行的左边第一个像素， 然后是左边第二个像素 接下来是倒数第二行左边 第一个像素，左边第二个像素 依此类推，最后得 到的是最上面一行的最后一个像素。,DIB访问函数 下面介绍两个常用的DIB访问函数 int SetDIBitsT

22、oDevice(HDC hdc,int XDest,int YDest,DWORD dwWidth,DWORD dwHeight,int XSrc,int YSrc,UINT uStartScan UINT cScanLines,CONST VOID *lpBits,CONST BITMAPINFO *lpbmi,UINT fuColorUse) 该函数可以直接在显示器或打印机上显示DIB，在显示时不 进行缩放处理，即位图的每一个像素对应于一个显示像素或打 印机的打印点。其中各参数的含义如下：,HDC hdc：设备上下文句柄。它可以是CDC对象的公共成员 变量m_hDC。 int Xdest：

23、指定绘图区域的左上角x坐标（逻辑单位） int Ydest：指定绘图区域的左上角y坐标（逻辑单位） DWORD dwWidth：指定DIB的宽度（逻辑单位） DWORD dwHeight：指定DIB的高度（逻辑坐标） int Xsrc：指定原绘图要绘制区域的左上角x坐标（逻辑单位） int Ysrc：指定原绘图要绘制区域的左上角y坐标（逻辑单位） UINT uStartScan：指定DIB扫描的起始行 UINT cScanLines：指定DIB扫描的行数（即DIB的高度） CONST VOID* lpBits：指向DIB图像数据的指针,lpbmi：指向BITMAPINFO结构的指针 fuCol

24、orUse：指定BITMAPINFO结构中的bmiColors参数代表 真实的RGB值还是调色板中的索引值，它有两种可能的取值： DIB_PAL_COLORS：代表索引值 DIB_RGB_COLORS：代表真实的RGB值 该函数如果调用成功，返回绘制的行数；失败，则返回0。 2. int StretchDIBits(HDC hdc,int XDest,int YDest,int nDestWidth, int nDestHeight,int XSrc,int YSrc,int nSrcWidth,int nSrcHeight, CONST VOID *lpvBits,CONST BITMAPI

25、NFO *lpbmi,UINT iUsage,DWORD dwRo),HDC hdc：设备上下文句柄 int Xdest：指定绘图区域的左上角x坐标（逻辑单位） int Ydest：指定绘图区域的左上角y坐标（逻辑单位） int nDestWidth：指定DIB的宽度（逻辑单位） int nDestHeight：指定DIB的高度（逻辑单位） int XSrc：指定原位图要绘制区域的左上角x坐标（逻辑单位） int Ysrc：指定原位图要绘制区域的左上角y坐标（逻辑单位） int nSrcWidth：指定要复制原图像矩形区域的宽度（逻辑单位） int nSrcHeight：指定要复制原图像矩形区

26、域的高度（逻辑单位） lpBits：指向DIB图像数据区的指针 lpBitsInfo：指向BITMAPINFO结构的指针,iUsage：指定BITMAPINFO结构中的bmiColors参数代表 真实的RGB值还是调色板中的索引值，它有两种可能的取值： DIB_PAL_COLORS：代表索引值 DIB_RGB_COLORS：代表真实的RGB值 dwRo：指定绘制方式；常用的值为SRCCOPY，表示将原位 图复制到目标位图 该函数如果调用成功，返回绘制的行数；如果调用失败，则 返回GDI_ERROR。 下面我们编写一个读BMP文件以及以.bmp格式保存一幅图像， 以此为例来说明bmp文件的结构。

27、,读.bmp文件的函数原型 HDIB ReadDIBFile(CFile& file) 函数的参数Cfile &file：为文件名；该函数的返回值是文件中的 图像数据的句柄。程序流程图：,开始,定义一个位图文件头结构bmfHdr 将文件的前14个字节读到bmHdr中 分配内存区域，句柄为hDIB,是否.bmp？,将信息头、调色板、图像数据copy到一个内存区域hDIB,是,否,hDIB赋为NULL,将图像数据保存成.bmp文件，函数原型 BOOL WINAPI SaveDIB(HDIB hDib, CFile& file) 第一个参数为hDIB表示保存图像数据的内存区域的句柄 第二个参数为保存图像的文件名。 程序流程图：,创建位图文件头 bmfHdr,计算图像数据 的大小BitsSize,修改位图信息头 biSizeImag的大小,计算bmfHdr结构中biSize的大小 设置其它四个参数,将四部分的内容 分别写入文件中,