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1、关于图像处理基础知识第1页，讲稿共86张，创作于星期日第2章 图像处理基础知识2.1 光度学基础2.2 色度学基础2.3 图像数字化2.4 图像数据结构 2.5 图像文件格式2.6 图像质量评价第2页，讲稿共86张，创作于星期日2.1光度学的基本知识光度学的基本知识第3页，讲稿共86张，创作于星期日人的视觉特性人眼的构造与机理要点人眼的机理与照相机类似：瞳孔瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，控制进入人眼内之光通量(照相机光圈作用)。晶状体晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成象(照相机透镜作用)。第4页，讲
2、稿共86张，创作于星期日视细胞视细胞：视网膜上集中了大量视细胞，分为两类：锥状细胞锥状细胞：明视细胞，在强光下检测亮度和颜色；杆杆(柱柱)状细胞状细胞：暗视细胞，在弱光下检测亮度，无色彩感觉。其中，每个锥状视细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率高，分辨细节、颜色；多个杆状视细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率低，仅分辨图的轮廓。人眼成象过程：人眼成象过程：第5页，讲稿共86张，创作于星期日人的视觉模型人的视觉模型点光源的表示函数点源d可以用函数表示，表示平面图像的二维d函数为：则任意一幅图像可表示为：第6页，讲稿共86张，创作于星期日人的视觉模型人的视觉模型人看图像时，对亮度高的信息识别率高，低亮
3、度的信息会因为无法分别而忽略。适应环境后，即使在弱光下，也可以分辨出景物大致轮廓光刺激经角膜，照射在视网膜上，由于瞳孔大小限制，这一阶段可视为低通滤波过程光敏细胞对光的响应，这个过程满足韦伯-费克纳定律，等效于对数运算非线性环节视神经对光信号的传递，等效于一个空间的高通滤波器第7页，讲稿共86张，创作于星期日人眼的亮度感觉(1)图象“黑”“白”（“亮”、“暗”）对比参数对比度:c=Bmax/Bmin 相对对比度:Cr=(B-B0)/B0(2)人眼亮度感觉范围 总范围很宽（c=108）人眼适应某一环境亮度后，范围限制 适当平均亮度下：c=103很低亮度下：c=10(3)同时对比度：人眼对亮暗程度
4、所形成的“黑”“白”感觉具有相对性，即按对比度cc感觉物体亮度对比。第8页，讲稿共86张，创作于星期日马赫带（Mach BandMach Band）效应马赫带效应的出现，是因为人眼对于图像中不同空间频率具有不同的 灵敏度，而在空间频率突变处就出现了“欠调”或“过调”。第9页，讲稿共86张，创作于星期日主观亮度S与实际亮度B之间的关系S=K lnB+k0人眼亮度感觉之应用若一幅原图像经过处理，恢复后得到重现图像，重现图像的亮度不必等于原图像的亮度，只要保证二者的对比度及亮度层次（灰度级）相同，就能给人以真实的感觉。对一个色觉正常的人来说，颜色刺激面积非常小时就不能识别颜色了第三色盲。第10页，讲
5、稿共86张，创作于星期日人类视觉的弱点:1.人只能感觉可见光波段能量，对其它波段不敏感；2.人眼视场角固定，空间分辨率和灰度分辨率有限；3.人眼有积分效应，对单次图象瞬间变化、快速运动图象分析存储困难；4.准确测量图象参数能力较差；5受知识水平差异的影响，人对同一图象的响应不同；6人是有思想的生物体，视觉受情绪和疲劳程度的影响。第11页，讲稿共86张，创作于星期日眼见为实？第12页，讲稿共86张，创作于星期日眼见为实？第13页，讲稿共86张，创作于星期日视觉系统所感觉到的物体的形状并不是简单的投影到视网膜上的形状。对形状的感觉受到物体自身形状及周围背景的影响，也有心理因素的作用。错视错视是视觉
6、对图形感觉的一个重要现象。第14页，讲稿共86张，创作于星期日2.1光度学的基本知识光度学的基本知识研究人眼对电磁波的亮度感知的学科。研究人眼对电磁波的亮度感知的学科。核心为相对视敏函数核心为相对视敏函数V()：人眼对等能可见光所产生的主观亮人眼对等能可见光所产生的主观亮度。可见光波长从度。可见光波长从380nm到到780nm,对波长为对波长为555nm的光有最大的光有最大的敏感度的敏感度。光度量度:返回返回第15页，讲稿共86张，创作于星期日2.2色度学的基本知识 研究人眼对色彩感知的学科。研究人眼对色彩感知的学科。描述色彩：1.心理物理感知心理物理感知（主观）2.物理配色机理物理配色机理（
7、客观）3.其他表示方法其他表示方法4.CIE国际标准5.HSB RGB返回返回第16页，讲稿共86张，创作于星期日心理物理感知（主观）HSB:色调、饱和度、亮度。色调（Hue）是指光的颜色(光谱色）。饱和度（Saturation）是指颜色的纯度。亮度（Brightness）是指彩色光所引起的人眼对明暗程度的感觉。返回返回绿青黄灰蓝红黑白饱和度亮度色调、饱和度、亮度色调第17页，讲稿共86张，创作于星期日物理配色机理1.加色法：红、绿、蓝（加色法：红、绿、蓝（RGB）红色+绿色=黄色，红色+蓝色品红，绿色+蓝色青色 红色+绿色+蓝色白色通用配色公式通用配色公式：C=rR+gG+bB 发光体：电视
8、机的CRT2.减色法：青、品、黄、灰（减色法：青、品、黄、灰（CMYK）青色+黄色=绿色，青色+品红蓝色，黄色+品红=红色 青色+黄色+晶红=黑色 吸收体：胶片，像纸返回返回第18页，讲稿共86张，创作于星期日其他表示方法其他表示方法把一种彩色表示成一个亮度分量和两个色度分量的形式。例如：彩电NTSC制：Y=0.299R+0.587G+0.114B I=0.596R-0.274G-0.322BQ=0.211R+0.523G+0.312B彩电PAL制：Y=0.222R+0.707G+0.071B R-Y B-Y返回返回第19页，讲稿共86张，创作于星期日CIE国际标准国际标准CIE-RGB、CI
9、E-XYZ、CIE-L*u*v*、CIE-la*b*1931CIE-RGB系统色品图系统色品图 1931CIE-RGB系统色品图系统色品图返回返回第20页，讲稿共86张，创作于星期日RGB 与 HSB的相互转换没有统一标准,MSPAINT 与 PHOTOSHOP 不一致.第21页，讲稿共86张，创作于星期日RGB 到 HSB的转换PHOTOSHOP 格式:MAX，MID，MIN：最大值，中间值，最小值第22页，讲稿共86张，创作于星期日HSBRGB的转换的转换(1)第23页，讲稿共86张，创作于星期日HSBRGB的转换的转换(2)第24页，讲稿共86张，创作于星期日2.3 图像数字化2.1.1
10、 图像传感器与数字成像2.1.2 数字化原理第25页，讲稿共86张，创作于星期日2.3.1 图像传感器与数字成像1.CCD传感器 电荷耦合器件（Charged Coupled Device），感应可见光的光强 扫描仪的图像数字化过程原理图 第26页，讲稿共86张，创作于星期日2.3.1 图像传感器与数字成像2.CMOS传感器 互补性金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）第27页，讲稿共86张，创作于星期日图像图像景物景物成像成像成像成像系统系统系统系统采样采样图像图像采采采采样样样样子子子子系系系系统统统统数字数字图像图像量量量量化化
11、化化器器器器图像采集系统图像采集系统 第28页，讲稿共86张，创作于星期日2.3.2 数字化原理1数学模型第29页，讲稿共86张，创作于星期日2采样和量化 采样：空间上的离散化量化：灰度上的离散化2.3.2 数字化原理连续信号（抽样、量化）数字信号第30页，讲稿共86张，创作于星期日 采样点阵：正方形、正三角2.3.2 数字化原理图像矩阵的特点：a）b）数字化抽样：正方形点阵、三角形点阵、正六角形点阵等第31页，讲稿共86张，创作于星期日2.3.2 数字化原理3.采样定理一维采样定理：惠特克卡切尼柯夫香农第32页，讲稿共86张，创作于星期日2.1.2 数字化原理二维采样定理：采样频率大于图像信
12、号最高频率的2倍第33页，讲稿共86张，创作于星期日2.3.2 数字化原理第34页，讲稿共86张，创作于星期日2.3.2 数字化原理4.采样误差混叠噪声 孔径效应：实际采样脉冲不是理想冲击函数，有一定的宽度，会产生失真插入噪声：由采样图像信号恢复到原图像，无理想滤波器（在 内频率特性平坦，相位特性成直线)抖动噪声：采样周期为 ，但发射与接受端 存在相位差异，称相位抖动。第35页，讲稿共86张，创作于星期日5.量化均匀量化非均匀量化:a）基于视觉特性：对亮度值急剧变化部分无需过细分层，进行粗量化,对亮度值平缓变化部分需过细分层，进行细量化 b）先计算所有可能的亮度值出现的概率分布，对概率分布大的
13、进行细量化,对概率分布小的进行粗量化,非均匀量化可以减少量化误差，又能用较少的比特数实现量化2.3.2 数字化原理第36页，讲稿共86张，创作于星期日第37页，讲稿共86张，创作于星期日量化和采样是两个不同的概念，量化是在每个采样 点上进行的，所以必须先采样后量化。量化和采样是图像数字化的不可或缺的两个操作，二者紧密相关，同时完成。2.3.2 数字化原理6.采样和量化的关系第38页，讲稿共86张，创作于星期日2.3.2 数字化原理第39页，讲稿共86张，创作于星期日2.3.2 数字化原理第40页，讲稿共86张，创作于星期日2.3.2 数字化原理第41页，讲稿共86张，创作于星期日非均匀采样和量
14、化细节部分，分配较多的采样灰度突变部分，可用较少的灰度级数2.1.2 数字化原理第42页，讲稿共86张，创作于星期日 表示灰度级、bright,彩色 ,连续图像 .如X光图像反映人体组织吸收特性，红外图像 反映温度辐射特性，CCD反映可见光的特性在图像建模中涉及到保真度(fidelity)：衡量处理方法好坏，清晰否？采样、量化正交序列展开，Fourier变换统计模型：把图像看成一个集合的成员如均值、方差。2.1.2 数字化原理第43页，讲稿共86张，创作于星期日黑黑白白图图像像灰灰度度图图像像彩彩色色图图像像第44页，讲稿共86张，创作于星期日第45页，讲稿共86张，创作于星期日第46页，讲稿
15、共86张，创作于星期日第47页，讲稿共86张，创作于星期日灰度级为256，空间像素从10241024到3232的一组图像空间与灰度级分辨率第48页，讲稿共86张，创作于星期日所有图像放大到10241024空间与灰度级分辨率第49页，讲稿共86张，创作于星期日灰度级从灰度级从256256到到2 2的数字图像的数字图像空间与灰度级分辨率第50页，讲稿共86张，创作于星期日同时改变N和k值第51页，讲稿共86张，创作于星期日第52页，讲稿共86张，创作于星期日同时改变N和k值第53页，讲稿共86张，创作于星期日facecameramancrowd同时改变N和k值三类图像的典型等偏爱曲线第54页，讲稿
16、共86张，创作于星期日水纹效应的实例香农定理:如果一个函数以等于或大于其最高频率的2倍取样,那么就能从取样完全复原原函数.如果函数被亚取样,则混淆的现象将恶化取样.2.6数字图像基本概念混淆的水纹图样第55页，讲稿共86张，创作于星期日图像的放大与收缩 最近邻域内插方法 在原图像上寻找最靠近的像 素并把它的灰度值赋给栅格上 的新像素。双线性内插方法第56页，讲稿共86张，创作于星期日用最近领域内插法(上一行)和双线性内插法(下一行)得到的放大图像 分别将128128,6464,3232放大到10241024图像的放大与收缩第57页，讲稿共86张，创作于星期日2.4 图像数据结构2.4.1 图像
17、模式2.4.2 彩色空间2.4.3 图像存储的数据结构第58页，讲稿共86张，创作于星期日2.4.1 图像模式1灰度图像 可由黑白照片数字化得到，或从彩色图像进行去色处理得到（256灰度级）第59页，讲稿共86张，创作于星期日2二值图像 灰度图像经过二值化处理后的结果，两个灰度级，只需用1bit表示。2.4.1 图像模式第60页，讲稿共86张，创作于星期日3彩色图像彩色图像的数据不仅包含亮度信息，还要包含颜色信息。彩色的表示方法是多样化的。三基色模型：RGB（Red/Green/Blue，红绿蓝）RGB三基色可以混合成任意颜色。2.4.1 图像模式第61页，讲稿共86张，创作于星期日2.2.2
18、 彩色空间1)RGB彩色空间：面向硬件设备的彩色模型三基色原理三基色指可以用来 调配出其它颜色的红、绿、蓝 三种颜色。彩色图像可由红、绿、蓝 三基色图像叠加而成。第62页，讲稿共86张，创作于星期日2.4.2 彩色空间在RGB彩色空间中，任意彩色光 的配色方程式为：第63页，讲稿共86张，创作于星期日2)CMY彩色空间 自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，不发光物体称为无源物体。无源物体是不发出光波的物体，其颜色由该物体吸收或反射哪些光波来决定，因此采用CMY三基色相减模型和CMY彩色空间描述。2.4.2 彩色空间第64页，讲稿共86张，创作于
19、星期日2.4.2 彩色空间 油墨和颜料的三基色是CMY（Cyan/Magenta/Yellow，青/洋红/黄）而不是RGB，CMY三基色的特点是油墨和颜料用的越多，颜色越暗（或越黑），所以将CMY称为三减色，而RGB称为三加色。第65页，讲稿共86张，创作于星期日2.4.2 彩色空间3)HSI彩色空间 区分颜色常用的3种基本特性量：色调（Hue）、饱和度（Saturation）、强度（Intensity）。色调Hue：与混合光谱中主要光波长相联系饱和度Saturation：与一定色调的纯度有关强度Intensity：与物体的反射率成正比第66页，讲稿共86张，创作于星期日1.一维数组方式:行
20、列2.多波段图像数据结合结构1）按各个波段存储 列 行红绿蓝2.4.3 图像存储的数据结构第67页，讲稿共86张，创作于星期日2）按扫描行存储红 绿 蓝 第1行3）按各个像素存储 红 绿 蓝 （1，1）（1，2）2.4.3 图像存储的数据结构2.多波段图像数据结合结构第68页，讲稿共86张，创作于星期日2.5 图像文件格式BMP文件格式GIF文件格式TIFF文件格式JPEG文件格式DICOM文件格式第69页，讲稿共86张，创作于星期日图像描述信息 一般以结构或类来描述 主要包括宽高等 图像数据 数组 顺序存放的连续数据2.5 图像文件格式第70页，讲稿共86张，创作于星期日1、位图文件头、位图
21、文件头typedef struct tagBITMAPFILEHEADERWORD bfType;/文件类型，必须是字符串”BM”DWORD bfSize;/指定文件大小WORD bfReserved1;/保留字，不考虑WORD bfReserved2;/保留字，不考虑DWORD bfOffBits;/从文件头到位图数据的偏移字节数 BITMAPFILEHEADER;BMP文件格式不经过压缩直接按位存盘的文件格式，称为位图（bitmap）。第71页，讲稿共86张，创作于星期日2、位图信息头、位图信息头typedef struct tagBITMAPINFOHEADERDWORD biSize;
22、/该结构的长度，40个字节LONG biWidth;/图像的宽度，单位是像素LONG biHeight;/图像的高度，单位是像素WORD biPlanes;/必须是1WORD biBitCount/颜色位数，如1，4，8，24DWORD biCompression;/压缩类型，如BI_RGB,BI_RLE4DWORD biSizeImage;/实际位图数据占用的字节数LONG biXPelsPerMeter;/水平分辨率LONG biYPelsPerMeter;/垂直分辨率DWORD biClrUsed;/实际使用的颜色数DWORD biClrImportant;/重要的颜色数 BITMAPI
23、NFOHEADER;第72页，讲稿共86张，创作于星期日3、调色板、调色板typedef struct tagRGBQUADBYTE rgbBlue;/该颜色的蓝色分量BYTE rgbGreen;/该颜色的绿色分量BYTE rgbRed;/该颜色的红色分量BYTE rgbReserved;/保留值，不考虑 RGBQUAD;注：有些位图不需要调色板，如真彩色图，它们的BITMAPINFOHEADER后面直接是位图数据第73页，讲稿共86张，创作于星期日4 4、实际的图像数据、实际的图像数据 对于2色位图，1位表示一个像素颜色，所以一个字节表示8个像素 对于16色位图，4位表示一个像素颜色，所以一
24、个字节表示2个像素 对于256色位图，1个字节表示1个像素 对于真彩色图，3个字节表示一个像素第74页，讲稿共86张，创作于星期日2.5 图像文件格式GIF文件格式 GIF（graphic Interchange Format）是由CompuServe公司设计和开发的文件存储格式，用于存储图形，也可以用来存储256色图像。扩展名为gif。第75页，讲稿共86张，创作于星期日2.5 图像文件格式TIFF文件格式 TIFF（Tagged Image File Format）是相对经典、功能很强的图像文件存储格式，扩展名为tif或tiff。JPEG文件格式 由（国际）联合图像专家组（Joint Ph
25、otographic Experts Group）提出的静止图像压缩标准文件格式，是面向常规彩色图像及其它静止图像的一种压缩标准。扩展名为jpg或jpeg。第76页，讲稿共86张，创作于星期日DICOM文件格式 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。DICOM格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。DICOM文件的常见扩展名为DCM。2.5 图像文件格
26、式第77页，讲稿共86张，创作于星期日2.6 图像质量评价2.6.1 图像质量的客观评价2.6.2 图像质量的主观评价第78页，讲稿共86张，创作于星期日2.4.1 图像质量的客观评价归一化方均误差第79页，讲稿共86张，创作于星期日峰值方均误差2.6.1 图像质量的客观评价等效信噪比 f(j,k)被变换的图像场，Af(j,k)的最大值第80页，讲稿共86张，创作于星期日图像质量评价的研究是图像信息工程的基本技术之一。光电变换传输处理记录其他变换图像增强：就是为了改善图像的主观视觉显示质量 图像复原：是用于补偿图像的降质，使复原后的图像接近原像 图像编码技术:在保持被编码图像一定质量的前提下，
27、以尽量少的码字来表示图像，以节省信道和储存器容量2.6.2 图像质量的主观评价第81页，讲稿共86张，创作于星期日基本概念图像逼真度（Fidelity）描述被评价图像与标准图像的偏离程度图像可懂度（Intelligibility)表示图像能向 人或机器提供信息的能力2.6.2 图像质量的主观评价第82页，讲稿共86张，创作于星期日外行、内行主观评价：采用目视观察和主观感觉评价图像的质量 绝对评价标准图像作参考。“全优度尺度”：非常好图像 5分 好图像 4分 中等图像 3分 差图像 2分 非常差图像 1分2.6.2 图像质量的主观评价第83页，讲稿共86张，创作于星期日相对评价图像好到坏分类，比较。“群优度尺度”最好、稍好一批中最好的图像 7分比该批的平均水平好的图像 6分稍好于该批的平均水平图像 5分该批平均水平的图像 4分稍次于该批的平均水平图像 3分比该批的平均水平差的图像 2分一批中最差的图像 1分2.6.2 图像质量的主观评价第84页，讲稿共86张，创作于星期日作业2-1 画出视觉信息在眼球内（视网膜中）的传输过程模型示 意图，并扼要说明之2-2 画出黑白视觉扩展模型，并略加说明第85页，讲稿共86张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第86页，讲稿共86张，创作于星期日