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1、第二章第二章 数字图像处理基础数字图像处理基础数字图像处理数字图像处理数字图像处理数字图像处理课程课程课程课程2.1 2.1 电磁波谱与可见光谱电磁波谱与可见光谱电磁波谱与可见光谱电磁波谱与可见光谱一、电磁辐射波一、电磁辐射波 在实际的图像处理应用中，最主要的图像来源于电在实际的图像处理应用中，最主要的图像来源于电 磁辐射成像。磁辐射成像。电磁辐射波包括无线电波电磁辐射波包括无线电波、微波微波、红外线红外线、可见光、可见光、紫外线、紫外线、X射线、射线、射线。射线。电磁辐射波的波谱范围很广：波长最长的是无线电电磁辐射波的波谱范围很广：波长最长的是无线电 波为波为3103m，其波长是可见光波长的
2、几亿倍；，其波长是可见光波长的几亿倍；波长最波长最短的是短的是射线，波长为射线，波长为310-12m，其波长，其波长 比可见光小几十万倍。比可见光小几十万倍。图图2.1 2.1 电磁辐射波普电磁辐射波普 0.001nm 1nm 10nm 0.001nm 1nm 10nm 电波电波 可见光可见光 射线射线 x x射线射线 紫外线紫外线 红外线红外线 微波微波 视频、无线电波视频、无线电波 紫紫 蓝蓝 青青 绿绿 黄黄 橙橙 红红 近红外近红外 短波红外短波红外 中红外中红外 热红外热红外 远红外远红外400nm 500nm 600nm 700nm 1300 nm 3m 8m 14m 1mm毫米波
3、毫米波 厘米波分米波厘米波分米波 超短波超短波 短波短波 中波中波 长波长波 超长波超长波1mm 10mm 1cm 1m 10m 100m 0.1km 10km 100km一、电磁辐射波一、电磁辐射波 500500600600紫紫紫紫400400700700750750蓝蓝蓝蓝绿绿绿绿黄黄黄黄橙橙橙橙红红红红350350可见光谱：青青青青二、可见光谱二、可见光谱 太阳的电磁辐射波恰好主要占据整个可见光谱范太阳的电磁辐射波恰好主要占据整个可见光谱范太阳的电磁辐射波恰好主要占据整个可见光谱范太阳的电磁辐射波恰好主要占据整个可见光谱范 围。围。围。围。可见光随波长的不同依次呈现出紫可见光随波长的不同
4、依次呈现出紫可见光随波长的不同依次呈现出紫可见光随波长的不同依次呈现出紫、蓝蓝蓝蓝、青、绿青、绿青、绿青、绿、黄黄黄黄、橙橙橙橙(橘红橘红橘红橘红)、红七种颜色，白光是由不同颜色的可红七种颜色，白光是由不同颜色的可红七种颜色，白光是由不同颜色的可红七种颜色，白光是由不同颜色的可 见光线混合而成的。见光线混合而成的。见光线混合而成的。见光线混合而成的。二、可见光谱二、可见光谱 可见光谱二、可见光谱二、可见光谱 人从一个物体感受到的颜色是由物体反射的可见人从一个物体感受到的颜色是由物体反射的可见人从一个物体感受到的颜色是由物体反射的可见人从一个物体感受到的颜色是由物体反射的可见 光的特性决定的，若
5、一个物体反射的光在所有可光的特性决定的，若一个物体反射的光在所有可光的特性决定的，若一个物体反射的光在所有可光的特性决定的，若一个物体反射的光在所有可 见光波长范围内是平衡的，则对观察者来说显示见光波长范围内是平衡的，则对观察者来说显示见光波长范围内是平衡的，则对观察者来说显示见光波长范围内是平衡的，则对观察者来说显示 的是白色；若一个物体只反射可见光谱中有限范的是白色；若一个物体只反射可见光谱中有限范的是白色；若一个物体只反射可见光谱中有限范的是白色；若一个物体只反射可见光谱中有限范 围的光，则物体就呈现某种颜色。围的光，则物体就呈现某种颜色。围的光，则物体就呈现某种颜色。围的光，则物体就呈
6、现某种颜色。二、可见光谱二、可见光谱 nX X射线射线 （a a）胸部）胸部X X射线图像射线图像（b b）主动脉造影图像）主动脉造影图像（c c）头部）头部CTCT（d d）电路板）电路板（e e）天鹅星座环）天鹅星座环三、电磁辐射波的成像方法及其应用领域三、电磁辐射波的成像方法及其应用领域n其他图像成像方式其他图像成像方式 电子显微镜成像电子显微镜成像 (a)(a)过热损坏的钨丝过热损坏的钨丝 250250倍倍 (b)(b)损坏的集成电路损坏的集成电路 25002500倍倍四、电磁辐射波的成像方法及其应用领域四、电磁辐射波的成像方法及其应用领域2.2 2.2 人眼的亮度视觉特性人眼的亮度视
7、觉特性人眼的亮度视觉特性人眼的亮度视觉特性一、视觉适应性一、视觉适应性 大量实验表明，主观亮度大量实验表明，主观亮度(人的视觉系统感觉到的亮人的视觉系统感觉到的亮度度)与进入人眼的光的强度成对数关系。与进入人眼的光的强度成对数关系。对图像进行对对图像进行对对图像进行对对图像进行对数运算处理后数运算处理后数运算处理后数运算处理后,比较适应人的视觉特性。比较适应人的视觉特性。比较适应人的视觉特性。比较适应人的视觉特性。人眼对从亮突变到暗环境的适应能力称为暗适应性。人眼对从亮突变到暗环境的适应能力称为暗适应性。人眼对从亮突变到暗环境的适应能力称为暗适应性。人眼对从亮突变到暗环境的适应能力称为暗适应性
8、。人眼对亮度变化跟踪滞后的性质称为视觉惰性（或短人眼对亮度变化跟踪滞后的性质称为视觉惰性（或短人眼对亮度变化跟踪滞后的性质称为视觉惰性（或短人眼对亮度变化跟踪滞后的性质称为视觉惰性（或短 暂的记忆特性）。暂的记忆特性）。暂的记忆特性）。暂的记忆特性）。二、同时对比效应二、同时对比效应 是指人眼对某个区域的亮度感觉并不仅仅取决于是指人眼对某个区域的亮度感觉并不仅仅取决于该区域的强度，而是与该区域的背景亮度或周围的亮该区域的强度，而是与该区域的背景亮度或周围的亮度有关的特性。度有关的特性。图图2.2 2.2 同时对比效应示例同时对比效应示例 三、马赫带效应三、马赫带效应图图2.3 2.3 马赫带效
9、应示例马赫带效应示例 感觉亮度感觉亮度实际亮度实际亮度三、马赫带效应三、马赫带效应 人类视觉在人类视觉在人类视觉在人类视觉在亮度有变化亮度有变化亮度有变化亮度有变化的地方会出现的地方会出现的地方会出现的地方会出现虚幻虚幻虚幻虚幻的亮的亮的亮的亮或暗的条纹，使得人们在观察某窄条时，感觉在靠近或暗的条纹，使得人们在观察某窄条时，感觉在靠近或暗的条纹，使得人们在观察某窄条时，感觉在靠近或暗的条纹，使得人们在观察某窄条时，感觉在靠近该窄条的另一个亮度该窄条的另一个亮度该窄条的另一个亮度该窄条的另一个亮度较低较低较低较低的的的的窄条窄条窄条窄条的那一侧似乎更亮一的那一侧似乎更亮一的那一侧似乎更亮一的那一
10、侧似乎更亮一些，而在靠近该窄条的另一个亮度较高的窄条的那一些，而在靠近该窄条的另一个亮度较高的窄条的那一些，而在靠近该窄条的另一个亮度较高的窄条的那一些，而在靠近该窄条的另一个亮度较高的窄条的那一侧似乎更暗一些，也即在不同亮度区域边界有侧似乎更暗一些，也即在不同亮度区域边界有侧似乎更暗一些，也即在不同亮度区域边界有侧似乎更暗一些，也即在不同亮度区域边界有“欠调欠调欠调欠调”和和和和“过调过调过调过调”现象。现象。现象。现象。四、视觉错觉四、视觉错觉 是指人眼填充了不存在的信息或者错误地感知物是指人眼填充了不存在的信息或者错误地感知物体的几何特点的特性。体的几何特点的特性。图图2.4 2.4 视
11、觉错觉示例视觉错觉示例 （d）（e）（f）（a）（b）（c）人眼的亮度视觉特性人眼的亮度视觉特性-实例实例 它们会在动吗？人眼的亮度视觉特性人眼的亮度视觉特性-实例实例 你看到了什么？那些交叉点是不是在放射火花？在Grid火花错觉中，眼球的运动也是非常重要的。尽管在视觉研究领域有对这种错觉进行全面介绍的文章，但它本质的原因仍然没有被充分的了解。栅 格 火 花 错 觉长度与透视：线AB和线CD长度完全相等，虽然它们看起来相差很大。长度与透视长度与透视人眼的亮度视觉特性人眼的亮度视觉特性-实例实例 人眼的亮度视觉特性人眼的亮度视觉特性-实例实例 曲线正方形曲线正方形曲线正方形：这些是完全的正方形吗
12、？【解析】正方形看起来是变形了，但其实它们的边线都是笔直而彼此平行的。比尔切斯塞尔创作了这个曲线幻觉的视觉艺术版本。2.3 2.3 图像的表示图像的表示图像的表示图像的表示一、简单的图像成像模型一、简单的图像成像模型 一幅图像可定义成一个二维函数一幅图像可定义成一个二维函数f(x,y)f(x,y)。由于幅值由于幅值f f实质上反映了图像源的辐射能量，所实质上反映了图像源的辐射能量，所以以f(x,y)f(x,y)一定是非零且有限的，也即有：一定是非零且有限的，也即有：0f(x,y)A0f(x,y)A0 0 (2.3)(2.3)图像是由于光照射在景物上，并经其反射或透射图像是由于光照射在景物上，并
13、经其反射或透射作用于人眼的结果。所以：作用于人眼的结果。所以：f(x,y)f(x,y)可由两个分量来表征可由两个分量来表征:一是照射到观察景物的光的总量；一是照射到观察景物的光的总量；一是照射到观察景物的光的总量；一是照射到观察景物的光的总量；二是景物反射或透射的光的总量。二是景物反射或透射的光的总量。二是景物反射或透射的光的总量。二是景物反射或透射的光的总量。一、简单的图像成像模型一、简单的图像成像模型 设设i(x,y)i(x,y)表示照射到观察景物表面表示照射到观察景物表面(x,y)(x,y)处的白处的白光强度，光强度，r(x,y)r(x,y)表示观察景物表面表示观察景物表面(x,y)(x
14、,y)处的平均反处的平均反射射(或透射或透射)系数，系数，则有则有：f(x,y)=i(x,y)r(x,y)f(x,y)=i(x,y)r(x,y)(2.4)其中：其中：0 i(x,y)A0 i(x,y)A1 1 0 0 r(x,y)r(x,y)1 1一、简单的图像成像模型一、简单的图像成像模型 对于消色光图像对于消色光图像(有些文献称其为单色光图像有些文献称其为单色光图像)，f(x,y)f(x,y)表示图像在坐标点表示图像在坐标点(x,y)(x,y)的灰度值的灰度值l l，且：且：且：且：l=f(x,y)(2.5)l=f(x,y)(2.5)这种只有灰度属性没有彩色属性的图像称为这种只有灰度属性没
15、有彩色属性的图像称为灰度灰度图像。图像。由式由式由式由式(2.4)(2.4)(2.4)(2.4)，显然有：，显然有：，显然有：，显然有：L LminminllL Lmxamxa (2.6)(2.6)区间区间区间区间LLLLminminminmin，L L L Lmaxmaxmaxmax 称为灰度的取值范围。称为灰度的取值范围。称为灰度的取值范围。称为灰度的取值范围。在实际中，一般取在实际中，一般取L Lminmin的值为的值为0 0，L Lmaxmax=L-1=L-1。这样。这样,灰度的取值范围就可表示成灰度的取值范围就可表示成00，L-1L-1。一、简单的图像成像模型一、简单的图像成像模型
16、当一幅图像的当一幅图像的x x和和y y坐标及幅值坐标及幅值f f都为都为连续量连续量时，时，称该图像为称该图像为连续图像连续图像。为了把连续图像转换成计算机。为了把连续图像转换成计算机可以接受的数字形式，必须先对连续的图像进行可以接受的数字形式，必须先对连续的图像进行空间空间和和幅值幅值的的离散化离散化处理。处理。图像的采样：图像的采样：图像的采样：图像的采样：对图像的连续空间坐标对图像的连续空间坐标对图像的连续空间坐标对图像的连续空间坐标x x x x和和和和y y y y的离散的离散的离散的离散化。化。化。化。图像灰度级的量化图像灰度级的量化图像灰度级的量化图像灰度级的量化：对图像函数的
17、幅值对图像函数的幅值对图像函数的幅值对图像函数的幅值 f f f f 的离散的离散的离散的离散化化化化。二、数字图像的表示二、数字图像的表示 1 1、均匀采样和量化、均匀采样和量化 均匀采样：均匀采样：均匀采样：均匀采样：对一幅二维连续图像对一幅二维连续图像f(x,y)f(x,y)的连续空间坐标的连续空间坐标x x和和y y的的均匀采样均匀采样，实质上就是把二维图像平面在，实质上就是把二维图像平面在x x方向和方向和y y方向分别进行方向分别进行等间距等间距划分，从而把二维图像平面划分划分，从而把二维图像平面划分成成M MN N个网格，并使各网格中心点的位置与用一对实个网格，并使各网格中心点的
18、位置与用一对实整数表示的笛卡尔坐标整数表示的笛卡尔坐标(i i,j),j)相对应。二维图像平面相对应。二维图像平面上所有网格中心点位置对应的上所有网格中心点位置对应的有序实整数有序实整数对的笛卡尔对的笛卡尔坐标的坐标的全体全体就构成了该幅图像的采样结果。就构成了该幅图像的采样结果。二、数字图像的表示二、数字图像的表示 1 1、均匀采样和量化、均匀采样和量化 均匀采样的基本采样方式：均匀采样的基本采样方式：均匀采样的基本采样方式：均匀采样的基本采样方式：（1 1 1 1）线扫方式）线扫方式）线扫方式）线扫方式 （2 2 2 2）面扫方式）面扫方式）面扫方式）面扫方式二、数字图像的表示二、数字图像
19、的表示 1 1、均匀采样和量化、均匀采样和量化 均匀量化：均匀量化：对一幅二维连续图像对一幅二维连续图像f(x,y)f(x,y)的幅值的幅值f f的的均匀量化均匀量化，实质上就是将图像的灰度取值范围实质上就是将图像的灰度取值范围00，L Lmaxmax 划分成划分成L L个等级（个等级（L L为正整数，为正整数，L Lmaxmax=L-1=L-1），并将二维图像平面），并将二维图像平面上上M MN N个网格的中心点的灰度值分别量化成与个网格的中心点的灰度值分别量化成与L L个等个等级中最接近的那个等级的值。级中最接近的那个等级的值。二、数字图像的表示二、数字图像的表示 1 1、均匀采样和量化、
20、均匀采样和量化 均匀量化的实现：均匀量化的实现：实际中的量化有不同的实现方法，一种实现思路实际中的量化有不同的实现方法，一种实现思路是：将量化点上的实际幅值与是：将量化点上的实际幅值与L L个等间距的判决电平个等间距的判决电平dj(j=0dj(j=0，1 1，2 2，L-1)L-1)进行比较，只要实际幅值落进行比较，只要实际幅值落在半开闭区间在半开闭区间djdj，dj+1)dj+1)的任一电平上，量化器就输的任一电平上，量化器就输出一个确定的整数量化结果出一个确定的整数量化结果r(r=0r(r=0，1 1，2 2，L-1)L-1)。二、数字图像的表示二、数字图像的表示 1 1、均匀采样和量化、
21、均匀采样和量化 二、数字图像的表示二、数字图像的表示均匀量化示意图量化原理量化为8 bit 2 2、非均匀采样和量化、非均匀采样和量化 二、数字图像的表示二、数字图像的表示n在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样度级比较平滑的区域，用粗糙的采样 3 3、数字图像的表示、数字图像的表示 为了描述上的方便为了描述上的方便,本书仍用本书仍用f(x,y)f(x,y)表示数字图表示数字图像。设像。设x0 x0，M-1M-1，y0y0，N-1N-1，f0f0，L-1L-1，则数字图像可表示成下式形式的一个则数字图像可表示成下式形
22、式的一个M MN N的二维数字的二维数字阵列。阵列。(2.7)二、数字图像的表示二、数字图像的表示其中其中其中其中:每个每个(x,y)(x,y)对应数字图像中的一个基本单元，称对应数字图像中的一个基本单元，称其为图像元素其为图像元素(picture element)(picture element)，简称为像素，简称为像素（pixelpixel）；且一般取）；且一般取M M、N N和灰度级和灰度级L L为为2 2的整次幂，的整次幂，即：即：M=2M=2m m （2.82.8）N=2N=2n n （2.92.9）L=2L=2k k （2.102.10）这里，这里，这里，这里，m m、n n和和k
23、 k为正整数。为正整数。二、数字图像的表示二、数字图像的表示显然显然显然显然:存储一幅存储一幅M MN N的数字图像，需要的存储位数为：的数字图像，需要的存储位数为：b b =M M N k （2.112.11）二、数字图像的表示二、数字图像的表示 4 4、不同类别数字图像的表示、不同类别数字图像的表示 二、数字图像的表示二、数字图像的表示 1 1）黑白图像）黑白图像（式（式（2.112.11）中当中当k=1k=1时）时）是指图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的是指图像的每个像素只能是黑或白，没有中间的过渡，一般又称为过渡，一般又称为二值图像二值图像。注意：注意：注意：注意：黑白图像一定是黑
24、白图像一定是2 2值图像，但值图像，但2 2值图像不一定是值图像不一定是0-0-黑和黑和1-1-白两种值。白两种值。4 4、不同类别数字图像的表示、不同类别数字图像的表示 二、数字图像的表示二、数字图像的表示 2 2）灰度图像）灰度图像（式（式（2.11）中当中当k=8时）时）是指图像中每个像素的信息是一个量化了的灰度是指图像中每个像素的信息是一个量化了的灰度级的值，没有彩色信息。级的值，没有彩色信息。y 一个像素 f(x,y）N-1 3 2 1 0 x O 0 1 2 3 M-1 原点 原点 O 0 1 2 3 N-1 0 y 1 2 3 M-1 f(x,y)一个像素 x(a)数字图像运算的
25、坐标系统数字图像运算的坐标系统 (b)数字图像显示的坐标系统数字图像显示的坐标系统 图图2.5 2.5 数字图像的坐标表示数字图像的坐标表示 二、数字图像的表示二、数字图像的表示灰度图像描述示例二、数字图像的表示二、数字图像的表示 4 4、不同类别数字图像的表示、不同类别数字图像的表示 二、数字图像的表示二、数字图像的表示 3 3）彩色图像）彩色图像（当（当R、B、G 均用均用8位表示时）位表示时）彩色图像一般是指每个像素的信息由彩色图像一般是指每个像素的信息由R R、G G、B B三三原色构成的图像，其中的原色构成的图像，其中的R R、B B、G G是由不同的灰度级是由不同的灰度级来描述的。
26、来描述的。二、数字图像的表示二、数字图像的表示二、数字图像的表示二、数字图像的表示看上去一个看上去一个“像素像素”就是一个正方形就是一个正方形的色块，事实上，的色块，事实上，“像素像素”是一个纯是一个纯理论的概念，它没有形状也没有尺寸，理论的概念，它没有形状也没有尺寸，看不见摸不着，只存在于理论计算中。看不见摸不着，只存在于理论计算中。像素的“形状”是一个理论性上的概念：2.4 2.4 空间分辨率和灰度级分辨率空间分辨率和灰度级分辨率空间分辨率和灰度级分辨率空间分辨率和灰度级分辨率一、空间分辨率和灰度级分辨率一、空间分辨率和灰度级分辨率 空间分辨率是图像中可分辨的最小细节，主要由空间分辨率是图
27、像中可分辨的最小细节，主要由 采样间隔值决定。采样间隔值决定。一种常用的空间分辨率的定义是单位距离内可分一种常用的空间分辨率的定义是单位距离内可分一种常用的空间分辨率的定义是单位距离内可分一种常用的空间分辨率的定义是单位距离内可分 辨的最少辨的最少辨的最少辨的最少黑白线对黑白线对黑白线对黑白线对数目数目数目数目(单位是每毫米线对数单位是每毫米线对数单位是每毫米线对数单位是每毫米线对数)，比如每毫米比如每毫米比如每毫米比如每毫米80808080线对。线对。线对。线对。1 1、空间分辨率、空间分辨率 图图2.6 2.6 空间分辨率的线对概念示例空间分辨率的线对概念示例 宽度为宽度为W W的黑线的黑
28、线宽度为宽度为W W的白线的白线 一个一个宽度为宽度为 2W2W线对线对一、空间分辨率和灰度级分辨率一、空间分辨率和灰度级分辨率 对于一个同样大小的景物来说，对其进行采样的对于一个同样大小的景物来说，对其进行采样的空间分辨率越高，采样间隔就越小，景物中的细节越空间分辨率越高，采样间隔就越小，景物中的细节越能更好地在数字化后的图像中反映出来，也即反应该能更好地在数字化后的图像中反映出来，也即反应该景物的图像的质量就越高。景物的图像的质量就越高。一、空间分辨率和灰度级分辨率一、空间分辨率和灰度级分辨率 一幅数字图像的阵列大小（简称为图像大小）通一幅数字图像的阵列大小（简称为图像大小）通常用常用M
29、MN N表示。表示。在景物大小不变的情况下，在景物大小不变的情况下，在景物大小不变的情况下，在景物大小不变的情况下，采样的空间分辨率越采样的空间分辨率越高，获得的图像阵列高，获得的图像阵列M MN N就越大；反之，采样的空间就越大；反之，采样的空间分辨率越低，获得的图像阵列分辨率越低，获得的图像阵列M MN N就越小。就越小。在空间分辨率不变的情况下，在空间分辨率不变的情况下，在空间分辨率不变的情况下，在空间分辨率不变的情况下，图像阵列图像阵列M MN N越大，越大，图像的尺寸就越大；反之，图像阵列图像的尺寸就越大；反之，图像阵列M MN N越小，图像越小，图像的尺寸就越小。的尺寸就越小。一、
30、空间分辨率和灰度级分辨率一、空间分辨率和灰度级分辨率 2 2、灰度分辨率、灰度分辨率 灰度级分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变灰度级分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化，通常把灰度级级数化，通常把灰度级级数 L L 称为图像的灰度级分辨率。称为图像的灰度级分辨率。#1一、空间分辨率和灰度级分辨率一、空间分辨率和灰度级分辨率 下面的图下面的图(a)(a)给出了一幅灰度级分辨率为给出了一幅灰度级分辨率为256256，空，空间分辨率为间分辨率为512512512512的图像。的图像。图图(b)(b)是从图是从图(a)(a)的的512512512512的图像中，每隔一行的图像中，每隔一行删去一行和
31、每隔一列删去一列而得到的删去一行和每隔一列删去一列而得到的256256256256的图的图像。图像。图(c(c）、）、(d)(d)、(e)(e)、(f)(f)的获得与上述方法类似。的获得与上述方法类似。二、采样数变化对图像视觉效果的影响二、采样数变化对图像视觉效果的影响 (a)(b)(c)(d)(e)(f)图图2.7 2.7 采样数变化对图像视觉效果的影响示例采样数变化对图像视觉效果的影响示例 原图对应的景物原图对应的景物大小没有变化，对大小没有变化，对原图采样的原图采样的“线对线对”宽度也没有变化宽度也没有变化,只是对同一景物图只是对同一景物图像的采样数目减少像的采样数目减少了。了。二、采样
32、数变化对图像视觉效果的影响二、采样数变化对图像视觉效果的影响 (a)(b)(c)(d)(e)(f)图图2.7 2.7 采样数变化对图像视觉效果的影响示例采样数变化对图像视觉效果的影响示例 由此说明：由此说明：由此说明：由此说明：（1）在图像的空间分辨率不变）在图像的空间分辨率不变(这里指线对宽这里指线对宽度不变度不变)的情况下，采样数越少，图像越小。（的情况下，采样数越少，图像越小。（2）在景物大）在景物大小不变的情况下，图像阵列小不变的情况下，图像阵列MN越小，图像的尺寸就越小。越小，图像的尺寸就越小。二、采样数变化对图像视觉效果的影响二、采样数变化对图像视觉效果的影响 下面的图下面的图(a
33、)(a)给出了一幅灰度级分辨率为给出了一幅灰度级分辨率为256256，空，空间分辨率为间分辨率为512512512512的图像。的图像。图图(b)(b)、(c(c）、）、(d)(d)、(e)(e)及及(f)(f)的灰度级分辨率与的灰度级分辨率与图图(a)(a)相同相同(为为256)256)，但空间分辨率依次降低为，但空间分辨率依次降低为256256256256、128128128128、64646464、32323232和和161616(16(也也即，线对宽度一次加宽了即，线对宽度一次加宽了)。二、采样数变化对图像视觉效果的影响二、采样数变化对图像视觉效果的影响 （a）（b）（c）（d）（e）
34、（f）图图2.8 2.8 空间分辨率变化对图像视觉效果的影响示例空间分辨率变化对图像视觉效果的影响示例 二、采样数变化对图像视觉效果的影响二、采样数变化对图像视觉效果的影响 上面各图的共同特征是大小尺寸相同，这种特征上面各图的共同特征是大小尺寸相同，这种特征的获得是通过降低空间分辨率，也即增加采样的线对的获得是通过降低空间分辨率，也即增加采样的线对宽度保证的。宽度保证的。由此可见由此可见，随着空间分辨率的降低，图像中的细，随着空间分辨率的降低，图像中的细节信息在逐渐损失，棋盘格似的粗颗粒像素点变得越节信息在逐渐损失，棋盘格似的粗颗粒像素点变得越来越明显。由此也说明，图像的空间分辨率越低，图来越
35、明显。由此也说明，图像的空间分辨率越低，图像的视觉效果越差。像的视觉效果越差。二、采样数变化对图像视觉效果的影响二、采样数变化对图像视觉效果的影响 下面的图下面的图(a)(a)给出了一幅灰度级分辨率为给出了一幅灰度级分辨率为256256，空，空间分辨率为间分辨率为512512512512的图像。的图像。图图(b)(b)、(c(c）、）、(d)(d)、(e)(e)及及(f)(f)的空间级分辨率与的空间级分辨率与图图(a)(a)相同相同(为为512512512)512)，但灰度分辨率依次降低为，但灰度分辨率依次降低为3232、1616、8 8、4 4和和2 2。三、灰度级分辨率对图像视觉效果的影响
36、三、灰度级分辨率对图像视觉效果的影响 （a）256 （b）32 （c）16（d）8 （e）4 （f）2图图2.9 2.9 灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响示例灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响示例 三、灰度级分辨率对图像视觉效果的影响三、灰度级分辨率对图像视觉效果的影响 由上图可见由上图可见，随着灰度分辨率的降低，图像的细，随着灰度分辨率的降低，图像的细节信息在逐渐损失，伪轮廓信息在逐渐增加。节信息在逐渐损失，伪轮廓信息在逐渐增加。图中由于伪轮廓信息的积累，图像已显现出了木图中由于伪轮廓信息的积累，图像已显现出了木刻画的效果。刻画的效果。由此也说明由此也说明：灰度分辨率越低，图像的：灰度分辨
37、率越低，图像的视觉效果越差。视觉效果越差。三、灰度级分辨率对图像视觉效果的影响三、灰度级分辨率对图像视觉效果的影响 2.5 2.5 像素间的关系像素间的关系像素间的关系像素间的关系 本节在讨论有关问题时约定：本节在讨论有关问题时约定：用诸如用诸如p p、q q和和r r这样的一类小写字母表示某些特这样的一类小写字母表示某些特 指的像素；指的像素；用诸如用诸如S S、T T和和R R这样的一类大写字母表示像素子这样的一类大写字母表示像素子 集。集。1 1、相邻像素与、相邻像素与4-4-邻域邻域 设相对于设相对于显示坐标系显示坐标系显示坐标系显示坐标系的图像中的像素的图像中的像素p p位于位于(x
38、(x，y)y)处，则处，则p p在在水平方向水平方向和和垂直方向垂直方向相邻的像素相邻的像素 q qi i最多最多可有可有4 4个，其坐标分别为：个，其坐标分别为：（x-1x-1，y y）,（x x，y-1y-1）,（x x，y+1y+1）,（x+1x+1，y y）由这由这4 4个像素组成的集合称为像素个像素组成的集合称为像素p p的的4-4-邻域邻域,记记为为N N4 4(p)(p)。一、像素的相邻和邻域一、像素的相邻和邻域x-1 xx+1(x,yx,y)y-1 y y+1 2 2、对角相邻像素与、对角相邻像素与4-4-对角邻域对角邻域 设相对于设相对于显示坐标系显示坐标系的图像中的像素的图
39、像中的像素p p位于位于(x(x，y)y)处，则处，则p p的的对角相邻像素对角相邻像素r ri i最多可有最多可有4 4个，其坐标分个，其坐标分别为：别为：(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)由这由这4 4个像素组成的集合称为像素个像素组成的集合称为像素p p的的4-4-对角邻对角邻域域,记为记为N ND D(p)(p)。x-1 xx+1(x,yx,y)y-1 y y+1一、像素的相邻和邻域一、像素的相邻和邻域 3 3、8-8-邻域邻域 把像素把像素p p的的4-4-对角邻
40、域像素和对角邻域像素和4-4-邻域像素组成的邻域像素组成的集合称为像素集合称为像素p p的的8-8-邻域，记为邻域，记为N N8 8(p)(p)。x-1 xx+1(x,yx,y)y-1 y y+1一、像素的相邻和邻域一、像素的相邻和邻域二、像素的邻接性与连通性二、像素的邻接性与连通性 自学自学 1 1、距离度量函数、距离度量函数 对于在图像显示坐标系中坐标分别位于对于在图像显示坐标系中坐标分别位于(x(x，y)y)，(u(u，v)v)和和(w(w，z)z)处的像素处的像素p p、q q和和r r，如果：，如果：(1(1）D(p,q)0D(p,q)0（D(p,q)=0D(p,q)=0，当且仅当，
41、当且仅当p=qp=q，即，即p p和和q q是指同一像素）；是指同一像素）；(2(2）D(p,q)=D(q,p)D(p,q)=D(q,p)；(3(3）D(p,r)D(p,q)+D(q,r)D(p,r)D(p,q)+D(q,r)。则则D D是距离度量函数。是距离度量函数。三、距离的度量三、距离的度量 2 2、欧氏距离、欧氏距离 像素像素p p和和q q之间的欧氏（之间的欧氏（EuclideanEuclidean）距离定义为：）距离定义为：D De e(p,q)=(x-u)(p,q)=(x-u)2 2+(y-v)+(y-v)2 2 1/21/2 （2.122.12）也即，所有距像素点也即，所有距像
42、素点(x,y)(x,y)的欧氏距离小于或等的欧氏距离小于或等于于De的像素都包含在以的像素都包含在以(x,y)(x,y)为中心，以为中心，以De为半径的为半径的圆平面中。圆平面中。三、距离的度量三、距离的度量 3 3、街区距离、街区距离 像素像素p p和和q q之间的之间的D D4 4距离，也即街区（距离，也即街区（city-city-blockblock）距离，定义为：）距离，定义为：D D4 4(p,q)=|x-u|+|y-v|(p,q)=|x-u|+|y-v|（2.132.13）也即，所有由相距像素点也即，所有由相距像素点(x,y)(x,y)的街区距离（的街区距离（D D4 4）小于）小
43、于D4或等于或等于D4的像素组成一个中心点在的像素组成一个中心点在(x,y)(x,y)的的菱形。菱形。三、距离的度量三、距离的度量 3 3、街区距离、街区距离 （续）（续）比如，那些与点比如，那些与点(x,y)(x,y)的街区距离小于的街区距离小于2 2或等于或等于2 2的像素组成了如下图所示的等距离轮廓的像素组成了如下图所示的等距离轮廓。2 2 2 1 22 1 2 2 1 0 1 22 1 0 1 2 2 1 22 1 2 2 2 D4(p,q)=|x-u|+|y-v|三、距离的度量三、距离的度量 4 4、棋盘距离、棋盘距离 像素像素p p和和q q之间的之间的D D8 8距离，也即棋盘距
44、离，定义为：距离，也即棋盘距离，定义为：D D8 8(p,q)=max(|x-u|(p,q)=max(|x-u|，|y-v|)|y-v|)（2.142.14）也即，所有由距像素点也即，所有由距像素点(x,y)(x,y)的棋盘距离（的棋盘距离（D D8 8）小于小于D8或等于或等于D8的像素组成一个中心点在的像素组成一个中心点在(x,y)(x,y)的方的方形。形。三、距离的度量三、距离的度量 4 4、棋盘距离、棋盘距离 比如，距点比如，距点(x,y)(x,y)的棋盘距离小于或等于的棋盘距离小于或等于2 2的像素的像素组成了如下图所示的等距离轮廓。组成了如下图所示的等距离轮廓。2 2 2 2 2
45、2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 2 1 1 1 2 2 1 0 1 2 2 1 0 1 2 2 1 1 1 2 2 1 1 1 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 D8(p,q)=max(|x-u|，|y-v|)三、距离的度量三、距离的度量2.6 2.6 图像的显示图像的显示图像的显示图像的显示 一、显示分辨率与图像分辨率一、显示分辨率与图像分辨率 显示分辨率是指显示屏上能够显示的数字图像的显示分辨率是指显示屏上能够显示的数字图像的最大像素行数和最大像素列数，取决于显示器上所能最大像素行数和最大像素列数，取决于显示器上所能够显示的像素点之间的距离。够显示的像素点之间的距离。图像分
46、辨率反映了数字化图像中可分辨的最小细图像分辨率反映了数字化图像中可分辨的最小细图像分辨率反映了数字化图像中可分辨的最小细图像分辨率反映了数字化图像中可分辨的最小细节，也即图像的空间分辨率。在这里将图像分辨率看节，也即图像的空间分辨率。在这里将图像分辨率看节，也即图像的空间分辨率。在这里将图像分辨率看节，也即图像的空间分辨率。在这里将图像分辨率看成是图像阵列的大小。成是图像阵列的大小。成是图像阵列的大小。成是图像阵列的大小。同一显示器（或显示分辨率相同的不同显示器）同一显示器（或显示分辨率相同的不同显示器）显示的图像大小只与被显示的图像（阵列）的空间分显示的图像大小只与被显示的图像（阵列）的空间
47、分辨率大小（图像尺寸）有关，与显示器的显示分辨率辨率大小（图像尺寸）有关，与显示器的显示分辨率无关。无关。换句话说，具有不同空间分辨率的数字图像在同换句话说，具有不同空间分辨率的数字图像在同换句话说，具有不同空间分辨率的数字图像在同换句话说，具有不同空间分辨率的数字图像在同一显示器上的显示分辨率相同。一显示器上的显示分辨率相同。一显示器上的显示分辨率相同。一显示器上的显示分辨率相同。一、显示分辨率与图像分辨率一、显示分辨率与图像分辨率 当同一幅图像（或图像分辨率相同的不同图像）当同一幅图像（或图像分辨率相同的不同图像）显示在两个不同显示分辨率的显示器上时，显示的图显示在两个不同显示分辨率的显示
48、器上时，显示的图像的外观尺寸与显示器的显示分辨率有关：显示分辨像的外观尺寸与显示器的显示分辨率有关：显示分辨率越高，显示出的图像的外观尺寸越小；显示分辨率率越高，显示出的图像的外观尺寸越小；显示分辨率越低，显示出的图像的外观尺寸越大。越低，显示出的图像的外观尺寸越大。一、显示分辨率与图像分辨率一、显示分辨率与图像分辨率二、光度分辨率与灰度分辨率二、光度分辨率与灰度分辨率 光分辨率光分辨率光分辨率光分辨率是指显示系统在每个像素位置产生正确是指显示系统在每个像素位置产生正确的亮度或光密度的精度，部分地依赖于控制每个像素的亮度或光密度的精度，部分地依赖于控制每个像素亮度的比特数。亮度的比特数。灰度分
49、辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化灰度分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化灰度分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化灰度分辨率是指在灰度级别中可分辨的最小变化,一般把灰度级数一般把灰度级数一般把灰度级数一般把灰度级数L L L L称为数字图像的灰度级分辨率。称为数字图像的灰度级分辨率。称为数字图像的灰度级分辨率。称为数字图像的灰度级分辨率。位映像位映像位映像位映像，是指一个二维的像素阵列。，是指一个二维的像素阵列。位图位图位图位图，是指采用位映像方法显示和存储的图像。，是指采用位映像方法显示和存储的图像。位映像设备位映像设备位映像设备位映像设备，是指把位映像形式的二维像素阵列，是指把位映像
50、形式的二维像素阵列图像，按先行后列的顺序，通过逐像素地重复扫描的图像，按先行后列的顺序，通过逐像素地重复扫描的方式来显示位图的设备（显示器）。方式来显示位图的设备（显示器）。三、位图三、位图图图2.17 2.17 机械零件轮廓图像机械零件轮廓图像 图图2.18 2.18 机械零件轮廓图像的位图机械零件轮廓图像的位图 三、位图三、位图 人眼的视觉过程是一个复杂的过程，可用亮度人眼的视觉过程是一个复杂的过程，可用亮度（灰度）、色调和饱和度这三个基本特征量来区分颜（灰度）、色调和饱和度这三个基本特征量来区分颜色。色。亮度与物体的反射率（或透射率）成正比；亮度与物体的反射率（或透射率）成正比；色调与混