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1、 光接受细胞有两种：光接受细胞有两种：锥细胞和柱细胞锥细胞和柱细胞。锥。锥细胞在亮度较高时活跃，可以分辨光的颜色，细胞在亮度较高时活跃，可以分辨光的颜色，但数量较少；柱细胞对低亮度较为敏感，不感但数量较少；柱细胞对低亮度较为敏感，不感受颜色，只提供视野的整体信息，这就是为什受颜色，只提供视野的整体信息，这就是为什么人眼在天色较暗时看到的物体都是黑白剪影么人眼在天色较暗时看到的物体都是黑白剪影的原因。的原因。由于数字图象是以亮度点集合的形式显示的，由于数字图象是以亮度点集合的形式显示的，眼睛区分不同亮度的能力在表达图象处理结果时眼睛区分不同亮度的能力在表达图象处理结果时是很重要的。是很重要的。第
2、2页/共73页第1页/共73页 人的视觉系统能够适应的光强度级别范围是人的视觉系统能够适应的光强度级别范围是很宽的。从夜视阈值到强闪光约有很宽的。从夜视阈值到强闪光约有10101010量级量级。但是但是人的视觉系统并不能同时在这么大范围工作人的视觉系统并不能同时在这么大范围工作,确切确切地说地说,它是利用改变其整个灵敏度来完成这一大变它是利用改变其整个灵敏度来完成这一大变动的动的,这就是所谓的这就是所谓的亮度适应亮度适应现象。与整个适应范现象。与整个适应范围相比围相比,能同时鉴别的光强度级的总范围很小。能同时鉴别的光强度级的总范围很小。在一定的条件下，一个视觉系统当前的灵敏在一定的条件下，一个
3、视觉系统当前的灵敏度叫做亮度适应级。度叫做亮度适应级。人人眼在某一时刻所能感受到的主观亮度范围眼在某一时刻所能感受到的主观亮度范围是以此适应级为中心的一个小范围。是以此适应级为中心的一个小范围。第3页/共73页第2页/共73页2.1.2 2.1.2 颜色视觉颜色视觉1 1、RGBRGB模型（面向彩色显示器或打印机）模型（面向彩色显示器或打印机）视觉三基色假说视觉三基色假说:C=R+G+B C=R+G+B视网膜锥细胞感红视网膜锥细胞感红,感绿感绿,感蓝色素感蓝色素波长：波长：R:700nmR:700nmG:546.1nmG:546.1nmB:435.8nmB:435.8nm利用三基色叠加可产生光
4、的三补色：利用三基色叠加可产生光的三补色：品红品红:红红+蓝蓝蓝绿蓝绿:绿绿+蓝蓝黄黄:红红+绿绿第4页/共73页第3页/共73页区分颜色的区分颜色的3种基本特征量种基本特征量*辉度：辉度：辉度与物体的反射率成正比辉度与物体的反射率成正比*色调：色调：是与混合光谱中主要光的波长相联系的是与混合光谱中主要光的波长相联系的*饱和度：饱和度：与色调的纯度有关，纯光谱色是完全与色调的纯度有关，纯光谱色是完全饱和的，随着白光的加入饱和度逐渐减少。饱和的，随着白光的加入饱和度逐渐减少。色调和饱和度合起来称为色调和饱和度合起来称为色度色度。颜色可用。颜色可用辉度和色度共同表示。为组成某种颜色所需的辉度和色度
5、共同表示。为组成某种颜色所需的红、绿、蓝的量称为红、绿、蓝的量称为3个刺激量，用个刺激量，用X，Y，Z表示。从而，一种颜色可用它的表示。从而，一种颜色可用它的3个色系数表个色系数表示，分别为：示，分别为：第5页/共73页第4页/共73页1931年，国际照度委员会（年，国际照度委员会（CIE）制定）制定了一个色度图，用组成某种颜色的三原了一个色度图，用组成某种颜色的三原色的比例来规定这种颜色（如图）。色的比例来规定这种颜色（如图）。色度图中，边界上的点代表纯颜色，色度图中，边界上的点代表纯颜色，移向中心表示混合的白光增加而纯度移向中心表示混合的白光增加而纯度减少。到中心点减少。到中心点C处各种光
6、谱能量相等处各种光谱能量相等而显为白色，此处纯度为零。某种颜而显为白色，此处纯度为零。某种颜色的纯度一般称为该颜色的饱和度。色的纯度一般称为该颜色的饱和度。色度图中，连接任色度图中，连接任2端点的直线上的点表端点的直线上的点表示由这示由这2端点的颜色相加而组成的一种颜端点的颜色相加而组成的一种颜色。色。3点可组成一个三角形。点可组成一个三角形。第6页/共73页第5页/共73页2 2、HSIHSI模型（面向彩色处理，如动画中的彩色模型（面向彩色处理，如动画中的彩色模型）模型）H H色色调（调（huehue）S S饱饱和度（和度（saturationsaturation）I I密密度（度（inte
7、nsityintensity，对应成象亮度和图象灰度），对应成象亮度和图象灰度）这个模型有两个特点这个模型有两个特点：（1 1）I I分量与图象的彩色信息无关；分量与图象的彩色信息无关；（2 2）H H和和S S分量与人感受颜色的方式是紧密相分量与人感受颜色的方式是紧密相连的。连的。上述特点使得上述特点使得HSIHSI模型非常适合于借助人的视模型非常适合于借助人的视觉系统来感知彩色特性的图象处理算法。觉系统来感知彩色特性的图象处理算法。第7页/共73页第6页/共73页对色点对色点P P，H H的值对应指向该点的矢量与的值对应指向该点的矢量与R R轴的夹角。轴的夹角。S S与指向该点的矢量长成正
8、比，与指向该点的矢量长成正比，越长越饱和。越长越饱和。I I的值是沿的值是沿1 1根通过三角形中根通过三角形中心并垂直于三角形平面的直心并垂直于三角形平面的直线来测量的。从纸面出来越线来测量的。从纸面出来越多越白，进入纸面越多越黑。多越白，进入纸面越多越黑。第8页/共73页第7页/共73页3 3、从、从RGBRGB转换到转换到HSIHSI （Smith1978）第9页/共73页第8页/共73页4 4、从、从HSIHSI转换到转换到RGBRGB第10页/共73页第9页/共73页例例2.1 2.1 彩色图象的彩色图象的R R、G G、B B和和H H、S S、I I各分量各分量 的图示的图示图图2
9、.1 2.1 一幅彩色图象的一幅彩色图象的R R、G G、B B和和H H、S S、I I各分量各分量 (a)(b)(c)(a)(b)(c)分别为分别为R R、G G、B B分量分量 (d)(e)(f)(d)(e)(f)分别为分别为H H、S S、I I分量分量第11页/共73页第10页/共73页2.2 成象基础2.2.1 2.2.1 成象模型成象模型图象代表一个图象代表一个2-D2-D的亮度函数，记为的亮度函数，记为 。在特定的坐标在特定的坐标 处处,的值或幅度是一个的值或幅度是一个正的标量正的标量,其物理意义由图像源决定。当一幅其物理意义由图像源决定。当一幅图像从物理过程产生时图像从物理过
10、程产生时,它的值正比于物理源它的值正比于物理源的辐射能量的辐射能量(如电磁波如电磁波)。因此。因此,一定是一定是非零和有限的非零和有限的,这就是这就是:第12页/共73页第11页/共73页函数函数 可由两个量来表征可由两个量来表征:(1):(1)入射到观察场入射到观察场景的光源的量和景的光源的量和(2)(2)场景中物体反射光的量。相场景中物体反射光的量。相应地称为入射分量和反射率应地称为入射分量和反射率,并分别表示为并分别表示为 和和 。因为。因为 与与 和和 都成正都成正比，所以可以认为是由这两个函数相乘得到的：比，所以可以认为是由这两个函数相乘得到的：其中其中反射分量限制在反射分量限制在0
11、(0(全吸收全吸收)和和1(1(全反射全反射)之间。之间。的性质取决于照射源的性质取决于照射源,而而 取决于成取决于成象物体的特性。象物体的特性。第13页/共73页第12页/共73页没有颜色的光叫消色或单色光。这种光的属性是没有颜色的光叫消色或单色光。这种光的属性是它的强度或大小。灰度级这一词汇通常用来描述它的强度或大小。灰度级这一词汇通常用来描述单色光强度单色光强度,因为它的范围从黑到灰因为它的范围从黑到灰,最后到白。最后到白。单色图象单色图象 在坐标在坐标 处的强度称为图象在那处的强度称为图象在那一点的灰度值一点的灰度值,即即:的要求仅仅是正的的要求仅仅是正的,要求为有限。要求为有限。区间
12、区间 称为灰度级。实际常常令该区间称为灰度级。实际常常令该区间为为 ，为黑为黑,在灰度级中为白。所有在灰度级中为白。所有中间值是从黑到白的各种灰度值。中间值是从黑到白的各种灰度值。第14页/共73页第13页/共73页2.2.2 2.2.2 成象变换成象变换 摄象机坐标系统摄象机坐标系统 中的图象平面与中的图象平面与 平平面重合，光学轴沿面重合，光学轴沿 轴轴。图象平面的中心处于原点，镜头中心的坐图象平面的中心处于原点，镜头中心的坐标是标是 是镜头的焦距。假设是镜头的焦距。假设摄象摄象机坐标系统与世界坐标系统机坐标系统与世界坐标系统 平行平行。第15页/共73页第14页/共73页设设 是是3-D
13、3-D空间中任意点的世界坐标。空间中任意点的世界坐标。，即所有客观场景中感兴趣的点都在镜头的前面。即所有客观场景中感兴趣的点都在镜头的前面。点点 与其投影到图象平面的坐标间的关与其投影到图象平面的坐标间的关系为：系为：第16页/共73页第15页/共73页2.2.3 2.2.3 采样和量化采样和量化 图图象象函数函数f(x,y)f(x,y)在空间和取值在空间和取值(灰度灰度)上必须数上必须数字化才能被计算机处理字化才能被计算机处理.图象的采样图象的采样空间坐标空间坐标(x,y)的数字化的数字化被称为图象采样被称为图象采样确定水平和垂直方向上的象素个数确定水平和垂直方向上的象素个数N N、M MM
14、N1、均匀采样和量化、均匀采样和量化第17页/共73页第16页/共73页n图象采样的形式化定义n设Z表示整数集合。n采样过程：将xy平面分配到一个网格上，且每一个网格中心的坐标是一个笛卡儿乘积ZxZ的元素对，即所有有序元素对(m,n)的集合，其中m和n属于整数集合Z。xy平面(m,n)第18页/共73页第17页/共73页图象的量化图象的量化 取值的数字化被称为图取值的数字化被称为图象象灰度级量化灰度级量化 量化处理：将量化处理：将f f 映射到映射到Z Z的处理的处理(均匀量均匀量化、最佳量化化、最佳量化)Z Z的最大取值，确定的最大取值，确定象象素的灰度级数素的灰度级数 G=2G=2k k，
15、如如256256存储存储1 1幅数字图象所需的位数（幅数字图象所需的位数（bitbit）当一幅图象有当一幅图象有2 2k k灰度级时，通常称该图象灰度级时，通常称该图象是是k k比特图象。比特图象。第19页/共73页第18页/共73页空间分辩率与图象质量空间分辩率与图象质量256x256x256128x128x25664x64x25632x32x256第20页/共73页第19页/共73页幅度分辩率与图象质量256x256x256256x256x128256x256x64256x256x32第21页/共73页第20页/共73页采样分辨率和灰度级与图象质量之间的关系采样分辨率和灰度级与图象质量之间
16、的关系Huang1965Huang1965实验：实验：实验方法实验方法选取一组细节多少不同的、不同选取一组细节多少不同的、不同N N、M M、G G的图象的图象让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图象排序让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图象排序实验结论实验结论随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提高随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提高对有大量细节的图象，质量对灰度级需求相应降低对有大量细节的图象，质量对灰度级需求相应降低第22页/共73页第21页/共73页2、非均匀采样采用自适应的采样方法来改善图象质量n在尖锐的灰度过渡区采用较密的采样n在平滑区域采用较稀采样MN第23页/共7
17、3页第22页/共73页2.3 图象基础2.3.1 2.3.1 象素间联系象素间联系1 1、象素的邻域、象素的邻域：位于坐标：位于坐标(x,y)(x,y)的一个象素的一个象素p p有有4 4个水平和垂直的相邻象素个水平和垂直的相邻象素,其坐标由下式给出其坐标由下式给出:(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)(x+1,y),(x-1,y),(x,y+1),(x,y-1)这个象素集称为这个象素集称为p p的的4 4邻域邻域,用用N N4 4(p)(p)表示。每个象表示。每个象素距素距(x,y)(x,y)一个单位距离一个单位距离,如果如果(x,y)(x,y)位于图象的边位于图象
18、的边界界,则则p p的某一邻域象素位于图象的外部。的某一邻域象素位于图象的外部。第24页/共73页第23页/共73页p p p p的的的的4 4 4 4个对角近邻象素有如下坐标个对角近邻象素有如下坐标个对角近邻象素有如下坐标个对角近邻象素有如下坐标:(x+1,y+1),(x+1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)(x+1,y+1),(x+1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)(x+1,y+1),(x+1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)(x+1,y+1),(x+1,y-1),(x-1,y+1),(x-1,y-1)并用并用并用并用N N N ND D
19、D D(p)(p)(p)(p)表示。与表示。与表示。与表示。与4 4 4 4个邻域点一起把这些点个邻域点一起把这些点个邻域点一起把这些点个邻域点一起把这些点叫做叫做叫做叫做p p p p的的的的8 8 8 8邻域邻域邻域邻域,用用用用N N N N8 8 8 8(p)(p)(p)(p)表示。与前边一样表示。与前边一样表示。与前边一样表示。与前边一样,如果如果如果如果(x,y)(x,y)(x,y)(x,y)位于图象的边界位于图象的边界位于图象的边界位于图象的边界,则则则则 N N N ND D D D(p)(p)(p)(p)和和和和N N N N8 8 8 8(p)(p)(p)(p)中的某些点落
20、入图象的外边。中的某些点落入图象的外边。中的某些点落入图象的外边。中的某些点落入图象的外边。第25页/共73页第24页/共73页2 2、连接性、连通性 象素间的连通性是一个基本概念象素间的连通性是一个基本概念,它简化它简化了许多数字图象概念的定义了许多数字图象概念的定义,如区域和边界如区域和边界.为为了确定两个象素是否连接了确定两个象素是否连接,必须确定它们是否必须确定它们是否相邻及它们的灰度值是否满足特定的相似性准相邻及它们的灰度值是否满足特定的相似性准则则(或者说或者说,它们的灰度值是否相等它们的灰度值是否相等)。例如。例如,在在具有具有0,10,1值的二值图象中值的二值图象中,两个象素可
21、能是两个象素可能是4-4-近近邻象素邻象素,但是但是,仅当它们具有同一灰度值时才仅当它们具有同一灰度值时才能说是连接的。能说是连接的。第26页/共73页第25页/共73页 令令V V表示定义连接的灰度值集合。在二值图像中表示定义连接的灰度值集合。在二值图像中,如考虑灰度值为如考虑灰度值为1 1的象素之间的连通性的象素之间的连通性,则则V=1V=1。在灰度图象中在灰度图象中,考虑灰度值在考虑灰度值在8 8到到1616之间象素的连通之间象素的连通性，则性，则V=8V=8，9 9，1515，1616。n(a)4-(a)4-连接连接:2:2个象素个象素p p和和r r在在V V中取值且中取值且r r在
22、在N N4 4(p)(p)中。中。n(b)8-(b)8-连接连接:2:2个象素个象素p p和和r r在在V V中取值且中取值且r r在在N N N N8 8 8 8(p)(p)(p)(p)中。中。n(c)m-(c)m-连接连接(混合连接混合连接:2:2个象素个象素p p和和r r在在V V中取值中取值且满足下列条件之一：且满足下列条件之一：(i)r(i)r在在N N4 4(p)(p)中中;(ii)r(ii)r在在N ND D(p)(p)中且集合中且集合N N4 4(p)N(p)N4 4(r)(r)没有没有V V中的值。中的值。第27页/共73页第26页/共73页 混合连接是混合连接是混合连接是
23、混合连接是8-8-8-8-连接的改进。混合连接的引人连接的改进。混合连接的引人连接的改进。混合连接的引人连接的改进。混合连接的引人是为了消除采用是为了消除采用是为了消除采用是为了消除采用8-8-8-8-连接常常发生的二义性。例如连接常常发生的二义性。例如连接常常发生的二义性。例如连接常常发生的二义性。例如,下图中下图中下图中下图中(a)(a)(a)(a)对于对于对于对于V=1V=1V=1V=1所示的象素安排。位于所示的象素安排。位于所示的象素安排。位于所示的象素安排。位于(b)(b)(b)(b)上上上上部的三个像素显示了多重部的三个像素显示了多重部的三个像素显示了多重部的三个像素显示了多重(二
24、义性二义性二义性二义性)8-)8-)8-)8-连接连接连接连接,如虚线如虚线如虚线如虚线指出的那样。这种二义性可以通过指出的那样。这种二义性可以通过指出的那样。这种二义性可以通过指出的那样。这种二义性可以通过m-m-m-m-连接消除连接消除连接消除连接消除,如如如如 (c)(c)(c)(c)所示。所示。所示。所示。第28页/共73页第27页/共73页 如果图象子集如果图象子集如果图象子集如果图象子集S S S S1 1 1 1中的某些象素与中的某些象素与中的某些象素与中的某些象素与S S S S2 2 2 2中的某中的某中的某中的某些象素毗邻些象素毗邻些象素毗邻些象素毗邻,则则则则S S S
25、SI I I I和和和和S S S S2 2 2 2是毗邻的。是毗邻的。是毗邻的。是毗邻的。如果一个象素如果一个象素如果一个象素如果一个象素p p p p与另一个象素与另一个象素与另一个象素与另一个象素q q q q相连接，则相连接，则相连接，则相连接，则他们相毗邻。他们相毗邻。他们相毗邻。他们相毗邻。从具有坐标从具有坐标从具有坐标从具有坐标(x,y)(x,y)(x,y)(x,y)的象素的象素的象素的象素p p p p到具有坐标到具有坐标到具有坐标到具有坐标(s,t)(s,t)(s,t)(s,t)的象素的象素的象素的象素q q q q的通路是由一系列特定象素组成的，这的通路是由一系列特定象素组
26、成的，这的通路是由一系列特定象素组成的，这的通路是由一系列特定象素组成的，这些象素具有坐标些象素具有坐标些象素具有坐标些象素具有坐标 (x(x(x(x0 0 0 0,y,y,y,y0 0 0 0),(x),(x),(x),(x1 1 1 1,y,y,y,y1 1 1 1).(x.(x.(x.(xn n n n,y,y,y,yn n n n)这里这里这里这里(x(x(x(x0 0 0 0,y,y,y,y0 0 0 0)=(x,y),(x)=(x,y),(x)=(x,y),(x)=(x,y),(xn n n n,y,y,y,yn n n n)=(s,t),)=(s,t),)=(s,t),)=(s,
27、t),并且象素并且象素并且象素并且象素(x(x(x(xi i i i,y,y,y,yi i i i)与与与与(x(x(x(xi-1i-1i-1i-1，y y y yi-1i-1i-1i-1)毗邻。在这种情况下毗邻。在这种情况下毗邻。在这种情况下毗邻。在这种情况下,n,n,n,n是是是是通路的长度。通路的长度。通路的长度。通路的长度。第29页/共73页第28页/共73页 令令令令S S S S代表一幅图象中象素的子集代表一幅图象中象素的子集代表一幅图象中象素的子集代表一幅图象中象素的子集.如果在如果在如果在如果在S S S S中中中中p,qp,qp,qp,q象素之间存在一个通路象素之间存在一个通
28、路象素之间存在一个通路象素之间存在一个通路,则则则则说两个象素说两个象素说两个象素说两个象素p p p p和和和和q q q q在在在在S S S S中是连通的。中是连通的。中是连通的。中是连通的。对于对于对于对于S S S S中的任何象素中的任何象素中的任何象素中的任何象素p,Sp,Sp,Sp,S中连通到该象素的中连通到该象素的中连通到该象素的中连通到该象素的象素集叫做象素集叫做象素集叫做象素集叫做S S S S的连通分量（组元，的连通分量（组元，的连通分量（组元，的连通分量（组元，componentcomponentcomponentcomponent）。）。）。）。第30页/共73页第2
29、9页/共73页3 3、距离量度 对于像素对于像素p,qp,q和和r,r,其坐标分别为其坐标分别为(x,y),(s,t)(x,y),(s,t)和和(v,w),(v,w),如果如果:(a)D(p,q)0,D(p,q)=0,(a)D(p,q)0,D(p,q)=0,当且仅当当且仅当 p=qp=q (b)D(p,q)=D(q,p)(b)D(p,q)=D(q,p)(c)D(p,r)D(p,q)+D(q,r)(c)D(p,r)D(p,q)+D(q,r)则则D D是距离量度函数。是距离量度函数。第31页/共73页第30页/共73页np p和和q q间的欧氏距离定义如下间的欧氏距离定义如下:D De e(p,q
30、)=(x-s)(p,q)=(x-s)2 2+(y-t)+(y-t)2 2 1/21/2(2.5.1)(2.5.1)对于距离量度对于距离量度,距点距点(x,y)(x,y)的距离小于或等于某一的距离小于或等于某一值值d d的象素是的象素是,中心在中心在(x,y)(x,y)半径为半径为d d的圆平面。的圆平面。np p和和q q间的间的D D4 4距离（城市街区距离）如下式定义距离（城市街区距离）如下式定义:D D4 4(p,q)=|x-s|+|y-t|(p,q)=|x-s|+|y-t|在这种情况下在这种情况下,距距(x,y)(x,y)的的D D4 4距离小于或等于距离小于或等于某一值某一值d d的
31、象素形成一个中心在的象素形成一个中心在(x,y)(x,y)的菱形。的菱形。第32页/共73页第31页/共73页例如例如,距距(x,y)(x,y)的的D D4 4距离小于或等于距离小于或等于2 2的象素的象素形成固定距离的下列轮廓形成固定距离的下列轮廓:2 2 1 22 1 0 1 2 2 1 2 2D D4 4=1=1=1=1的象素是的象素是的象素是的象素是(x,y)(x,y)(x,y)(x,y)的的的的4 4 4 4邻域。邻域。邻域。邻域。第33页/共73页第32页/共73页np p和和q q间的间的D D8 8距离距离(也叫棋盘距离也叫棋盘距离)定义为下式定义为下式:D D8 8(p,q)
32、=max(|x-s|,|y-t|)(p,q)=max(|x-s|,|y-t|)在这种情况下在这种情况下,距距(x,y)(x,y)的的D D8 8距离小于或等距离小于或等于某一值于某一值d d的象素形成中心在的象素形成中心在(x,y)(x,y)的正方形。的正方形。例如例如,距点距点(x,y)(x,y)(中心点中心点)的的D D8 8距离小于或等于距离小于或等于2 2的象素形成下列固定距离的轮廓的象素形成下列固定距离的轮廓:2 2 2 2 22 1 1 1 22 1 0 1 22 1 1 1 22 2 2 2 2D D8 8=1=1=1=1的象素是的象素是的象素是的象素是(x,y)(x,y)(x,
33、y)(x,y)的的的的8 8 8 8邻域。邻域。邻域。邻域。第34页/共73页第33页/共73页n注意：注意：p p和和q q之间的之间的D D4 4和和D D8 8距离与任何通路无距离与任何通路无关关,因为这些距离仅与点的坐标有关。然而因为这些距离仅与点的坐标有关。然而,如果选择考虑如果选择考虑m-m-连通连通,则两点间的则两点间的D Dm m距离用点距离用点间最短的通路定义。在这种情况下间最短的通路定义。在这种情况下,两象素间两象素间的距离将依赖于沿通路的象素值以及它们的邻的距离将依赖于沿通路的象素值以及它们的邻点值。点值。例如例如,考虑下列安排的象素：考虑下列安排的象素：t qs 1 p
34、p=1,q=1 0 q0 1 pD Dm m(p,q)=2(p,q)=2 1 q0 1 pD Dm m(p,q)=3(p,q)=3 0 q1 1 p 1 q1 1 pD Dm m(p,q)=4(p,q)=4第35页/共73页第34页/共73页2.3.2 2.3.2 图象运算（图象运算（算术运算算术运算、逻辑运算逻辑运算）1 1、算术运算、算术运算n加法、减法加法、减法n乘法、除法乘法、除法 图象的算术运算是逐象素进行的。一般用图象的算术运算是逐象素进行的。一般用于灰度图象。于灰度图象。图象象素的坐标也可以进行算术运算图象象素的坐标也可以进行算术运算（如：图象平移、旋转与缩放等）（如：图象平移、
35、旋转与缩放等）第36页/共73页第35页/共73页n加法运算的定义加法运算的定义C(x,y)=A(x,y)+B(x,y)C(x,y)=A(x,y)+B(x,y)n主要应用举例主要应用举例n去除去除“叠加性叠加性”噪声噪声n生成图象叠加效果生成图象叠加效果图象的加法运算图象的加法运算第37页/共73页第36页/共73页去除去除“叠加性叠加性”噪声噪声 设有一幅混有噪声的图设有一幅混有噪声的图g(x,y)g(x,y)是由原始图是由原始图f(x,y)f(x,y)和噪声图和噪声图e(x,y)e(x,y)叠加而成，即叠加而成，即g(x,y)=f(x,y)+e(x,y)g(x,y)=f(x,y)+e(x,
36、y)这里假设每个坐标点这里假设每个坐标点(x,y)(x,y)上的噪声都不相关且上的噪声都不相关且均值为零均值为零.我们处理的目标就是通过加入一系列我们处理的目标就是通过加入一系列噪声图像噪声图像 ggi i(x,y)(x,y)来减少噪声。如果噪声符来减少噪声。如果噪声符合上述限制合上述限制,若对若对M M幅不同的图象取平均得幅不同的图象取平均得:第38页/共73页第37页/共73页可以证明：可以证明：可见，随着平均图数量可见，随着平均图数量M M的增加，噪声在的增加，噪声在每个象素位置每个象素位置(x,y)(x,y)的影响逐步减少。的影响逐步减少。例例2.3.12.3.1：用图象平均消除随机噪
37、声：用图象平均消除随机噪声(练习练习)第39页/共73页第38页/共73页n图象叠加对于两个图象f1(x,y)和f2(x,y)的加权组合g(x,y)=f1(x,y)+f2(x,y)其中+=1 得到各种图象合成的效果，也可以用于两张相片的衔接。第40页/共73页第39页/共73页n减法运算的定义 C(x,y)=A(x,y)-B(x,y)n主要应用n去除不需要的叠加性图案n检测同一场景两幅图象之间的变化第41页/共73页第40页/共73页去除不需要的叠加性图案去除不需要的叠加性图案设：背景图象设：背景图象b(x,y)b(x,y)，前景背景混合图象，前景背景混合图象f(x,y)f(x,y)g(x,y
38、)=f(x,y)b(x,y)g(x,y)g(x,y)为去除了背景的图象。为去除了背景的图象。第42页/共73页第41页/共73页n检测同一场景两幅图象之间的变化 设：时间1的图象为T1(x,y)，时间2的图象为T2(x,y)g(x,y)=T2(x,y)-T1(x,y)=-如：运动检测、运动估计等如：运动检测、运动估计等第43页/共73页第42页/共73页2 2、逻辑运算、逻辑运算n图象象素之间的逻辑运算图象象素之间的逻辑运算n求反求反n异或、或异或、或n与与 逻辑运算是对二值图象的象素值进逻辑运算是对二值图象的象素值进行处理的一种图象运算行处理的一种图象运算第44页/共73页第43页/共73页
39、求反的定义求反的定义g(x,y)=255-f(x,y)主要应用主要应用获取一个阴图象（反色图像）获取一个阴图象（反色图像）获取一个子图像的补图像获取一个子图像的补图像第45页/共73页第44页/共73页反色反色获取阴图象第46页/共73页第45页/共73页子图象的补图象子图象的补图象第47页/共73页第46页/共73页n异或运算的定义异或运算的定义g(x,y)=f(x,y)h(x,y)（相同输出0，相异输出1）n获取相交子图象获取相交子图象=黑色代表黑色代表1，白色代表，白色代表0第48页/共73页第47页/共73页n或运算的定义或运算的定义 g(x,y)=f(x,y)/h(x,y)n合并子图
40、象合并子图象=黑色代表黑色代表1，白色代表，白色代表0第49页/共73页第48页/共73页图象的非几何变换非几何变换（针对图像象素灰度）非几何变换（针对图像象素灰度）非几何变换的定义：非几何变换的定义：对于原图象对于原图象f(x,y)f(x,y)，灰度值变换函数，灰度值变换函数T T唯一确定了非几何变换：唯一确定了非几何变换：g(x,y)=T(f(x,y)g(x,y)=T(f(x,y)g(x,y)g(x,y)是目标图象，图像没有几何位置的改是目标图象，图像没有几何位置的改变，只是图像的灰度取值发生了变化。变，只是图像的灰度取值发生了变化。对于彩色原图象对于彩色原图象f(x,y)f(x,y)，颜
41、色值变换函数，颜色值变换函数Tr(f(x,y);Tg(f(x,y);Tb(f(x,y);Tr(f(x,y);Tg(f(x,y);Tb(f(x,y);第50页/共73页第49页/共73页n基于模板的图象运算（T为卷积模板）n模板的定义n模板大小n模板系数n模板运算的定义n模板运算举例：均值变换第51页/共73页第50页/共73页n模板的定义（模板的定义（二维滤波器的系数构成模板二维滤波器的系数构成模板）n所谓模板就是一个系数矩阵所谓模板就是一个系数矩阵n模板大小：通常是奇数，如：模板大小：通常是奇数，如：3x3 5x5 7x73x3 5x5 7x7n模板系数模板系数:矩阵的元素矩阵的元素w w1
42、 1 w w2 2 w w3 3w w4 4 w w5 5 w w6 6w w7 7 w w8 8 w w9 9第52页/共73页第51页/共73页n模板运算的定义对于某图象的子图像：z1 z2 z3 z4 z5 z6 z7 z8 z9象素z5的模板运算公式为：R=w1z1+w2z2+.+w9z9第53页/共73页第52页/共73页模板运算例：均值变换(均值滤波)模板系数：模板系数：w wi i=1/9=1/9计算公式：计算公式：R=（z1+z2+.+z9）/9均值滤波第54页/共73页第53页/共73页灰度级变换（点运算）灰度级变换（点运算）定义：对于输入图象定义：对于输入图象f(x,y)f
43、(x,y)，灰度级变换，灰度级变换T T将产将产生一个输出图象生一个输出图象g(x,y)g(x,y)，且，且g(x,y)g(x,y)的每一个象素的每一个象素值，都是由值，都是由f(x,y)f(x,y)的对应输入象素点的值决定的，的对应输入象素点的值决定的，与其邻域点的取值无关。与其邻域点的取值无关。g(x,y)=T(f(x,y)g(x,y)=T(f(x,y)灰度级变换（点运算）的实现灰度级变换（点运算）的实现 通过灰度级映射关系通过灰度级映射关系R=T（r）(R,r取值范围为取值范围为0255)来实现灰度级变换。来实现灰度级变换。输入象素值与输出象素之间的映射关系可以通过查表来实现。输入象素值
44、与输出象素之间的映射关系可以通过查表来实现。因此灰度级变换也被称为因此灰度级变换也被称为LUT（Look Up Table）变换变换。第55页/共73页第54页/共73页例如：图象求反R=T(r)=255-r第56页/共73页第55页/共73页如：对比度拉伸与动态范围压缩如：对比度拉伸与动态范围压缩 根据图象直方图（图象的灰度统计分布）根据图象直方图（图象的灰度统计分布）改变图象质量改变图象质量第57页/共73页第56页/共73页2.3.3 2.3.3 图象坐标变换图象坐标变换 -平移变换平移变换 -放缩变换放缩变换 -旋转变换旋转变换镜象变换：水平镜象、垂直镜象镜象变换：水平镜象、垂直镜象第
45、58页/共73页第57页/共73页1 1、平移变换、平移变换第59页/共73页第58页/共73页2 2、缩放变换、缩放变换3 3、旋转变换、旋转变换绕原点旋转 度(逆时针)，可表示为第60页/共73页第59页/共73页图象的平移与旋转图象的平移与旋转第61页/共73页第60页/共73页4 4、水平镜象与垂直镜象、水平镜象与垂直镜象水平镜象水平镜象垂直镜象垂直镜象第62页/共73页第61页/共73页2.3.4 2.3.4 图象格式图象格式1、调色板、调色板 调色板是包含不同颜色的颜色表，每种颜色以红、调色板是包含不同颜色的颜色表，每种颜色以红、绿、蓝三种颜色的组合来表示，图象的每一个象素对绿、蓝
46、三种颜色的组合来表示，图象的每一个象素对应一个数字，而该数字对应调色板中的一种颜色。如应一个数字，而该数字对应调色板中的一种颜色。如某象素值为某象素值为1，则表示该颜色为调色板的编号为，则表示该颜色为调色板的编号为1的颜的颜色。色。16色或色或256色需要调色板。色需要调色板。真彩色图象的每个象素直接用真彩色图象的每个象素直接用R、G、B三个字节三个字节来表示颜色，不需要调色板。来表示颜色，不需要调色板。第63页/共73页第62页/共73页2、图象格式、图象格式 图象格式指的是存储图象采用的文件格式。常用图象格式指的是存储图象采用的文件格式。常用的图象格式有：的图象格式有：(1)BMP(Bit
47、map)文件文件;(2)GIF(Graphics Interchange Format)文件文件;(3)TIFF(Tag Image File Format)文件文件;(4)PCX文件文件;(5)JPEG格式；格式；(6)PSD格式；格式；(7)PCD格式；格式；(8)WMF矢量格式。矢量格式。第64页/共73页第63页/共73页(1)、BMP文件文件 BMP文件是文件是Microsoft Windows所定义的图象文件所定义的图象文件格式，最早应用在格式，最早应用在Microsoft公司的公司的Microsoft Windows窗口系统中。窗口系统中。BMP图象文件的特点：图象文件的特点：该
48、结构只能存放一幅图象；该结构只能存放一幅图象；只能存储四种图象数据：只能存储四种图象数据：单色、单色、16色、色、256色、真彩色色、真彩色 图象数据有压缩和不压缩两种处理方式，压缩方式图象数据有压缩和不压缩两种处理方式，压缩方式有：有：RLE4和和RLE8；调色板的数据存储结构与文件头的某些参数有关调色板的数据存储结构与文件头的某些参数有关BMP图象文件的文件结构可分为三部分：图象文件的文件结构可分为三部分：表头；表头；长度固定为长度固定为54个字节个字节 调色板；调色板；真彩色没有调色板真彩色没有调色板 图象数据。图象数据。第65页/共73页第64页/共73页(2)、GIF文件文件 GIF
49、文件是文件是CompuServe公司为了方便网络用户传输公司为了方便网络用户传输图象数据而制定的一种图象文件格式。图象数据而制定的一种图象文件格式。GIF图象文件经常图象文件经常用于网页的动画、透明等特技制作。其特点为：用于网页的动画、透明等特技制作。其特点为：具有多元化结构，能够存储多幅图象；具有多元化结构，能够存储多幅图象；调色板数据有通用调色板和局部调色板之分；调色板数据有通用调色板和局部调色板之分；采用采用LZW压缩法；压缩法；图象数据一个字节存储一点；图象数据一个字节存储一点；文件内的各种图象数据区和补充区多数没有固定的文件内的各种图象数据区和补充区多数没有固定的数据长度和存放位置；
50、数据长度和存放位置；图象数据有图象数据有顺序排列顺序排列和和交叉排列交叉排列两种方式；两种方式；最多只能存储最多只能存储256色图象。色图象。第66页/共73页第65页/共73页GIF图象文件的文件结构一般由七个数据单元组成：图象文件的文件结构一般由七个数据单元组成：表头；表头；通用调色板；通用调色板；真彩色没有调色板真彩色没有调色板 图象数据区以及四个补充区。图象数据区以及四个补充区。表头和图象数据区是文件不可缺少的单元，其它是可表头和图象数据区是文件不可缺少的单元，其它是可选内容。选内容。第67页/共73页第66页/共73页(3)、TIFF文件文件 TIFF文件是文件是Aldus公司与微软