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1、第2章 数字图像的基本知识,本章介绍数字图像的描述方法。讨论内容如下：,2.1 彩色计色体系 2.2 位图图像的组成 2.3 VC+下位图文件数据的读取与显示 2.4 灰度直方图,位图文件的读取与显示是图像处理和分析的最基本操作，必须熟练掌握。 直方图是评价、处理和分析图像效果的有力工具；是本章的重点之一。,2.1 彩色计色体系,2.1.1 像素 将一幅摸拟图象划分为很多逐行逐列排列的点，每一点称为一个像素。像素是组成图像的最小单位。 对于一幅彩色图象，每个像素需要用3个量来描述。,（1） 用 RGB 三基色描述像素,R 红色分量 ，G 绿色分量，B 蓝色分量,R、G、B按不同的比例混合，可得
2、到不同的颜色。,例： 24位真彩色图像， 每个分量用一个字节表示，值范围为0255。 能表达的颜色数目为 2563 = 16777216 种，足以描述自然界中的绝大部分颜色。 目前，.BMP文件大部分都是这种格式。,2.1.2 计色体系,（2） 用 YUV 分量描述像素,Y 亮度分量 ，U 蓝差分量，V 红差分量 已知RGB，可求出YUV：,Y = 0.30R + 0.59G + 0.11B U = BY= 0.30R 0.59G + 0.89B V= RY = 0.7R 0.59G 0.11B,矩阵形式：,亮度分量代表像素的明暗程度，对于图像的清晰度起决定性作用。 由于U、V分量是三基色分量
3、中扣除色度信号的结果，因此不包括 亮度成分。 U、V分量代表像素的颜色，根据“大面积着色原理”，对图像的清 晰度影响不大。,（3） 用 YSC 分量描述像素,Y 亮度分量 ，S 色饱和度分量，C 色调分量 已知YUV ，可求出YSC：,色饱和度 S 代表颜色的深浅， 色调 C 代表颜色的种类。 S和C统称为色度。,U,V,C,S,0,建立直角坐标系U-V，则: S为色度的大小，C为色度的辐角,例：纯红色像素，三基色值为 R=255，G=0，B=0。分别用YUV和YSC 计色制表示该像素。 Y=0.3255 + 0.590 + 0.110=76.5 77 U=BY=0 77= 77 V=RY=2
4、55 77= 178 S= (-77)2 + (178) 2 0.5 = 193.9 C=arctg ( 178 /77) = arctg(2.31 ) = 113,U,V,C=113,S=193.9,0,77,178,8 种标准颜色的 YSC 值如下表：,U,V,红113,将标准颜色画在U-V坐标系中，称为彩色矢量图。,青293,品45,绿225,蓝354,黄173,例：有一像素，三基色值为 R=100，G=50，B=200。试判断该像素的颜色。 Y=0.3100 + 0.5950 + 0.11200 = 81.5 （较暗） U=BY=50 81.5= 31.5 V=RY=100 81.5=
5、 19.5 S= ( 31.5)2 + (19.5) 2 0.5 = 37 (颜色深浅中等） C=arctg ( 19.5 / 31.5) = arctg(0.62 ) = 32（紫偏蓝）,若知一个像素的三基色值，由彩色矢量图，很容易判断该像素的颜色。,R=100，G=50，B=200,U,V,红113,青293,品45,绿225,蓝354,黄173,2.2 位图图像的组成,位图（BITMAP）： 由逐行逐列的像素排列构成的图像。 各像素的存储顺序与像素在图像中的坐标位置成一定的影射关系。 没有经过数据压缩，图像质量高。但数据量大。 显示时不存在解压缩过程，显示速度快。,图像文件： 图像文件的
6、格式主要有： 位图文件 .BMP。 Windows系统定义的一种图像文件，直接记录 三基色，未压缩，图像质量高。 .JPG文件。采用专门方法进行压缩，压缩是有损的，图像质量有 一定的损失。允许损失越大，能获得的压缩比越高。 其他格式。如 .GIF、.TIFF等。 本节将重点介绍.BMP文件的结构。,2.2.1 基本概念,BMP文件由4部分组成： 文件头、信息头、彩色表（调色板）、位图点阵,2.2.2 BMP文件的结构,（1）文件头，共14字节。在VC中用一个结构类型描述： tydef sturct WORD bfType; /.BMP文件的标志,必须为“BM”的ASC码 DWORD bfSiz
7、e; /.BMP文件的大小（以字节为单位） WORD bfReserved1; /保留，必须为0X0000 WORD bfReserved2; /保留，必须为0X0000 DWORD bfOffBits; /从文件开头到位图数据开始的字节数 BITMAPFILEHEADER;,（2）信息头，共40个字节。在VC中用一个结构类型描述： tydef sturct DWORD biSize； /本信息头占用的字节数: 0x28 LONG biWidth；/图像的宽度（以像素点为单位） LONG biHeight；/图像的高度（以像素点为单位） WORD biPlanes；/彩色表。24位.BMP文件
8、为0x1，无彩色表 WORD biBitCount； /一个像素点数据的位数 DWORD biCompression；/压缩方式，0x0为未压缩 DWORD biSizeImage； /图象尺度 LONG biXPelsPerMeter； /水平分辨率 LONG biYPelsPerMeter； /垂直分辨率 DWORD biClrUsed； /使用的颜色数 DWORD biClrImportant; /重要颜色数 BITMAPINFOHEADER；,（3）彩色表 对于24位BMP图像，每像素的三基色分别用3个字节记录，不需要彩色表。 对于256色BMP图像，每像素用一个字节记录，该字节表示颜
9、色的编号。什么编号代表什么颜色，由彩色表决定。 通过像素编号查找彩色表， 从而获得该像素的RG B值。,0号颜色,1号颜色,255号颜色,（4）位图点阵 24位BMP图像，逐行逐列记录各像素的三基色值： 每像素点占用3个BYTE，分别为B，G，R。则一行像素至少要占用3n个字节。位图电阵用一维数组存放，顺序为： （1）从最下面的一行开始，逐行存放，直到第0行； （2）当一行占用的字节数不是4的整数倍时，应补充13个无效字节，使一行占用的字节数能被4整除。所补充的无效字节可为任意值，不会影响图像内容。 例：设图像为638480（宽高），则每行占用的有效字节数为6383=1914。但1914不能被
10、4整除，应补充两个无效字节，即每行占用的字节数为1916。则： 第i行、第j 列像素的蓝色分量在一维数组中的下标为: (480-1-i)1916+j3 第i行、第j 列像素的绿色分量在一维数组中的下标为: (480-1-i)1916+j3 + 1,2.3 VC+下位图文件数据的读取与显示,BITMAPFILEHEADER FileHead; /存放文件头 BITMAPINFOHEADER InfoHead; /存放信息头 LPBYTE lpImage; /存放位图点阵，显示时需要 /存放像素的三基色值，480列，640行 struct BYTE B; /红色分量 BYTE G; /蓝色分量 B
11、YTE R; /绿色分量 C3480640; /存放像素的YSC值， 480列，640行 struct BYTE Y; /亮度 BYTE S; /色饱和度 BYTE C; /色调 YSC480640;,（1）定义全局变量。一般在类的头文件中定义,（2）打开BMP文件，读取像素。关键代码如下:,CFile f; BOOL OK=f.Open( PathName, / PathName= BMP文件名 CFile:modeRead|CFile:typeBinary|CFile:shareExclusive, NULL ); if(!OK) return; /如果打开失败 f.Read( /关闭文件
12、,（3）显示图像。调用下面的程序断可显示位图:,CClientDC dc(this); /建立客户区绘图对象 dc.SetStretchBltMode(COLORONCOLOR); /按可延伸的彩色影射模式绘图 :StretchDIBits ( dc.GetSafeHdc(), /得到绘图对象的句柄 0,0,640,480, /客户区中的矩形（左上角坐标，右下角坐标） 0,0,InfoHead.biWidth,InfoHead.biHeight, /源图像中的矩形 lpImage, /存放位图点阵的内存区 (LPBITMAPINFO) ,（3）从位图点阵中提取各像素的RGB分量,存放到C3数组
13、中,进而计算YSC分量:,double u,v,c; for(y=InfoHead.biHeight-1;y=0;y-) /逐行转换 memcpy(C3y,lpImage+(InfoHead.biHeight-1-y)*z*3,z*3); /存储到C3数组 for(x=0;xInfoHead.biWidth;x+) YSCyx.Y=C3yx.R*0.3+C3yx.G*0.59+C3yx.B*0.11; /计算灰度 u=(C3yx.B-YSCyx.Y)/(double)YSCyx.Y; /计算归一化蓝差分量 v=(C3yx.R-YSCyx.Y)/(double)YSCyx.Y; /计算归一化红差
14、分量 c=atan2(v,u)*180/3.14; /计算色调，弧度转换为度 if(c0) c=c+360.0; /将角度由180180转换为0360 c=c*255.0/360.0; /将角度由036 0转换为0255，使能用字节变量存储 YSCyx.C=(BYTE)c; /存储到YSC数组 YSCyx.S=(BYTE)(sqrt(u*u+v *v)*100); /将色饱和度由01转换为0100 ,2.4 灰度直方图,灰度直方图是一种表达图像的灰度分布概率的图示方法，它描述了各种灰度值在图像中所占的比例。,设图像有总共 n 个像素点，灰度值为 i 的像素点有 ni 个。则灰度值为 i 的像素
15、点在图像中出现的概率（频度）p( i )为： p( i )= ni / n i=0 , 1 , , L1 L为灰度级。对于24位位图，L=256。,以灰度 i 为横坐标， p( i )为纵坐标，绘制 p( i ) 曲线，就得到灰度直方图,2.4.1 概念,2.4.2 灰度直方图的性质,（1） 不含像素点的位置信息。 （2） 一幅图像的直方图是唯一的，反之不成立。 （3） 叠加性。把一幅图像分成多个区域，则全图像的直方图为各区域直方 图的叠加。,区域1的直方图,区域2的直方图,全图象的直方图,2.4.2 灰度直方图的应用,（1） 判断图像的整体灰度分布情况,像素大部分集中在低灰度值端，整幅图像较暗，几乎没有很亮的区域。,像素的灰度值分布较均匀，整幅图像层次分明，视觉效果较好。,（2） 确定图像的分割阈值,在原图像上 选定一个区域,求此区域中图像的直方图。 直方图呈双峰，左峰由牌照的底色形成，右峰由字符色形成。用谷点作分割阈值能有效地将底色与字符分开。,用220 作阈值进行分割， 灰度值220的显示为白色，灰度值=220的显示为黑色。,（3） 估计图像中含有的信息量（熵）,熵是信息论中度量信息的紊乱程度的量。 在图像分析中，熵表示图像中的像素灰度值的不一致程度。 熵的定义：,上式中，H为熵，p(i), i=0,1,L-1 为直方图，L为灰度级。,H=3.03,H=6.04,