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1、数字图像处理数字图像处理相关基本学问相关基本学问主讲：吴发根主讲：吴发根 图像处理的内容相当丰富，涉及的相关学问和图像处理的内容相当丰富，涉及的相关学问和图像处理的内容相当丰富，涉及的相关学问和图像处理的内容相当丰富，涉及的相关学问和领域也特别宽广。本章从应用的角度介绍一些与图领域也特别宽广。本章从应用的角度介绍一些与图领域也特别宽广。本章从应用的角度介绍一些与图领域也特别宽广。本章从应用的角度介绍一些与图像和数字处理亲密相关的图像的基本学问，为后续像和数字处理亲密相关的图像的基本学问，为后续像和数字处理亲密相关的图像的基本学问，为后续像和数字处理亲密相关的图像的基本学问，为后续各章内容的学习
2、做准备。各章内容的学习做准备。各章内容的学习做准备。各章内容的学习做准备。其次章 图像的基本学问2.1 图像的概念图像的概念2.2 图像信息的分类图像信息的分类2.3 图像的获得及图像函数图像的获得及图像函数2.4 图像的数字化和图像描述图像的数字化和图像描述2.5 图像的统计特性图像的统计特性2.6 常用的图像文件格式常用的图像文件格式2.7 计算机图像数据处理计算机图像数据处理 2.8 图像质量评价图像质量评价2.9 彩色图像简介彩色图像简介2.1 图像的概念图像的概念 “图像图像”一词在汉语中很难给出一个明确的定义。一词在汉语中很难给出一个明确的定义。三个与图像有关的英语词：三个与图像有
3、关的英语词：“Picture”、“image”和和“Pattern”。“Picture”画、图画、图像、图片、电影等等；画、图画、图像、图片、电影等等；“image”像、图像、景像、映像、影像、映射等；像、图像、景像、映像、影像、映射等；“Pattern”模型、式样、样本、图案、图、图形等。模型、式样、样本、图案、图、图形等。三个词大致可做如下区分：“Picture”是指与照片等相像的用手工描绘的人物或景物，其中侧重于手工描绘的一类“画”。“image”是指用镜头等科技手段得到的视觉形象。是指用镜头等科技手段得到的视觉形象。一般来讲可定义为一般来讲可定义为“以某一技术手段被再现于二维以某一技术
4、手段被再现于二维画面上的视觉信息画面上的视觉信息”。通俗的说就是指那些用技术。通俗的说就是指那些用技术手段把目标（手段把目标（Object）原封不动的一模一样的再）原封不动的一模一样的再现的景物。它包含用计算机等机器产生的景物。现的景物。它包含用计算机等机器产生的景物。“Pattern”指的是图形，在拉丁语中指裁衣服的指的是图形，在拉丁语中指裁衣服的纸样。因此，它主要是指图案、曲线、图形。纸样。因此，它主要是指图案、曲线、图形。综上所述我们所说的图像处理应是综上所述我们所说的图像处理应是“Image Processing”。这里要处理的主要是属于照片、。这里要处理的主要是属于照片、复印图、电视
5、、传真、计算机显示的一类图像。复印图、电视、传真、计算机显示的一类图像。2.2 图像信息的分类：图像信息的分类：图像信息的种类是多种多样的，这里就常见的图像信息进行简洁的分类。概括起来，图像信息大致可分成三类，即：符号信息 景物信息 心情信息。（1）符号图像信息 一般是用文字、符号、图形等表示的具体的或抽象的事物。例如文字，利用文字可组成文章，可以看成是用二值图像的形式携带这篇文章的寓意。最有代表意义的符号图像信息是电路图、机械图、建筑图等，它们都是用二值图像的形式向人们供应信息的。符号信息是以某一规则排列的记号，因此，在传送及处理中只要能表达清晰就可以了，它允许有较大的压缩。（2）景物图像信
6、息 这是一种能给人以主观感觉但并不取决于人本身的客观场景信息。一般来讲它包含有丰富的内容，所含的信息量也较多。其特点是景物画面的内容比较困难，在传输和处理中做到较大的压缩比较困难，在人机识别中须要较大的信息量。但在事先设定某种条件的状况下，是有可能在任何状况下保证正确推断的。（3）、心情图像信息 这是一类依靠于受信者的图像信息，它不仅能给人以直观感觉，而能以其特殊的艺术内容刺激人的感官，使受信者“触景生情”引起感情上的波动和心情上的共鸣。因此，它包含有更多的信息。这类图像信息不仅取决于图像本身的内容而且还与受信者的经验、文化修养、年龄、嗜好以及此时此刻的心境心情有亲密关系。因此，这类图像不仅无
7、法考虑其概率模型，而且明确其信息量也是极其困难的。以上是从图像所携带的信息的种类动身进行简洁分类的。当然还可以从其他角度动身进行分类。如把图像分成静止图像和活动图像、单色图像和彩色图像等。在我们数字图像处理中所涉及到的是一些最一般类型的图像，它们的突出特点是都具有特殊的统计特性，并且有特地的应用。它包括：TV型的自然风景：常见有的图片，如肖象、风景画、建筑物照片等。型的自然风景：常见有的图片，如肖象、风景画、建筑物照片等。空间摄影照片和地球资源探测图片：这类图片的特点是往往没有适宜的方向，构图不特别明显，除了海岸线外，没有空间摄影照片和地球资源探测图片：这类图片的特点是往往没有适宜的方向，构图
8、不特别明显，除了海岸线外，没有可区分的形态。可区分的形态。电子显微镜照片和标准的显微镜照片：这是一类在冶金学、生物学、医学以及石油探测等都很感爱好的一类照片。电子显微镜照片和标准的显微镜照片：这是一类在冶金学、生物学、医学以及石油探测等都很感爱好的一类照片。文本：这是指一类打印或手写的记号图像。文本：这是指一类打印或手写的记号图像。图样：它们通常就是简洁地由线段和图形构成的单色二值图像。图样：它们通常就是简洁地由线段和图形构成的单色二值图像。专用图像：如：专用图像：如：X射线照片、微波照片、红外热象或超声波图像等。这些图像各有特点，与在可见光下得到的图像有射线照片、微波照片、红外热象或超声波图
9、像等。这些图像各有特点，与在可见光下得到的图像有所不同。所不同。注：在今后讲课中所提到的一些图像只是极少数的有代表性而又好用的图像。这些图像经过探讨大部分可以找到较为近注：在今后讲课中所提到的一些图像只是极少数的有代表性而又好用的图像。这些图像经过探讨大部分可以找到较为近似的模型和规律，这对便利处理和深化探讨来讲无疑都是特别有利的。似的模型和规律，这对便利处理和深化探讨来讲无疑都是特别有利的。图像是由照射源和形成图像的场景元素图像是由照射源和形成图像的场景元素 对光能的反射或吸取相结合而产生的。对光能的反射或吸取相结合而产生的。照射源照射源照射源照射源:可由传统光源引起如可见光等可由传统光源引
10、起如可见光等可由传统光源引起如可见光等可由传统光源引起如可见光等,也可也可也可也可由非传统光源引起如超声波等由非传统光源引起如超声波等由非传统光源引起如超声波等由非传统光源引起如超声波等;场景场景场景场景:可以是人们日常可见的物体，也可以可以是人们日常可见的物体，也可以可以是人们日常可见的物体，也可以可以是人们日常可见的物体，也可以是分子等。是分子等。是分子等。是分子等。获得图像的要素获得图像的要素:2.3 图像的获得及图像函数(1)图像获得 图2-1显示了用来把照射能量变为数字图 像的三种主要传感器装置。其原理是：利用对特殊类型能源敏感的传感器材料，把输入能源转换变为输出电压波形，然后将其数
11、字化，从而得到数字图像信息。2-1(c)传感器阵列输出电压波形能量滤光器电源输入外壳敏感材料2-1(a)单个成像传感器 b)2-1(b)带状传感器 a.用单个传感器获得图像 为用单个传感器获得二维图像，传感器和场景对象之间必需在x和y方向有相对位移。下图显示了一个高精度扫描装置（鼓形扫描或光电滚筒扫描器）。工作原理为:把一张图片装在一个把一张图片装在一个滚筒上，滚筒由相应滚筒上，滚筒由相应的装置驱动其转动，的装置驱动其转动，使传感器相对于图像使传感器相对于图像做垂直方向运动。传做垂直方向运动。传感器安装在引导螺杆感器安装在引导螺杆上，它可以在水平方上，它可以在水平方向上移动。向上移动。其工作过
12、程为:图像传感器电压信号与光强成正比随光照到不同的灰度位置而变化数字图像数字化数字化光源光源优点:b.用带状传感器获得图像 在获得数字图像中更常用的是由单个传感器按线状排列 而形成的带状传感器或传感器带,如下图b)缺点:是得到高辨别率图像的是得到高辨别率图像的廉价方法廉价方法速度太慢速度太慢 传感器带在一个方向上供应成像单元。相对于传感器带垂直方向的运动在另一方向上成像,如下图所示:这是大多数平板扫描这是大多数平板扫描仪所用的装置。成像仪所用的装置。成像传感器带一次输出一传感器带一次输出一幅图像的一行，随着幅图像的一行，随着传感器带的运动完成传感器带的运动完成二维图像的获得。二维图像的获得。线
13、性移动线性移动 传感器带也可以安装成圆环形态，称为传感器环或环形传感器带它主要用于医学和工业成像，以得到三维物体的横断截面（切片）图像，如右图所示:一个旋转的一个旋转的X X射线源供应照射，而相对于射射线源供应照射，而相对于射线源的传感器部分接受通过物体的线源的传感器部分接受通过物体的X X射线能量。射线能量。c.用传感器阵列获得图像 将各个传感器以二维阵列形式排列就形成了传感器阵列。这是在数字摄像机上常见的主要结构。如右图:下图是用传感器阵列获得数字图像的过程 照射(能)源成像系统(内部)图像平面输出(数字化后的)图像场景元素场景元素 右图所示的传感器阵右图所示的传感器阵列是二维的，主要优点
14、是列是二维的，主要优点是把图形能量聚焦到阵列表把图形能量聚焦到阵列表面一次就能得到完整的图面一次就能得到完整的图像。像。(2)图像函数图像函数 图像是用某一技术手段获得的、能为人的视图像是用某一技术手段获得的、能为人的视图像是用某一技术手段获得的、能为人的视图像是用某一技术手段获得的、能为人的视觉系统所感受的信息形式。觉系统所感受的信息形式。觉系统所感受的信息形式。觉系统所感受的信息形式。图像的实质图像的实质图像的实质图像的实质:客观世界反射或透射某种物质能客观世界反射或透射某种物质能客观世界反射或透射某种物质能客观世界反射或透射某种物质能量的分布图量的分布图量的分布图量的分布图,这种物质可能
15、是可见光、这种物质可能是可见光、这种物质可能是可见光、这种物质可能是可见光、X X射线、红外线、超声波等射线、红外线、超声波等射线、红外线、超声波等射线、红外线、超声波等 。(2)(2)数字图像的描述数字图像的描述描述方法矢量图法点位图法定义：矢量图是用一系列计算机指令来表示和描述一幅图定义：把一幅图像分成许许多多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。显示器显示的结果几乎没有什么差别l事实上，一幅自然的、模拟的图像经过数字化事实上，一幅自然的、模拟的图像经过数字化进入计算机后，一般都是用点位图来表示和描进入计算机后，一般都是用点位图来表示和描述的。述的。l一幅图像由许
16、很多多描述每个像素的数据组成，一幅图像由许很多多描述每个像素的数据组成，这些数据通常称为图像数据，而这些数据通常这些数据通常称为图像数据，而这些数据通常是作为一个文件来存储的，这种文件又称为图是作为一个文件来存储的，这种文件又称为图像文件。像文件。l点位图的获得通常用扫描仪、摄像机、激光视点位图的获得通常用扫描仪、摄像机、激光视盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这些设盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这些设备把模拟的图像信号变成数字图像数据。备把模拟的图像信号变成数字图像数据。影响点位图文件大小的因素：影响点位图文件大小的因素：影响点位图文件大小的因素：影响点位图文件大小的因素：图像辨别率：辨
17、别率越高，就是组成一幅图像辨别率：辨别率越高，就是组成一幅图像辨别率：辨别率越高，就是组成一幅图像辨别率：辨别率越高，就是组成一幅图的像素越多，则图像文件越大。图的像素越多，则图像文件越大。图的像素越多，则图像文件越大。图的像素越多，则图像文件越大。像素深度：像素深度越深，就是表达单个像素深度：像素深度越深，就是表达单个像素深度：像素深度越深，就是表达单个像素深度：像素深度越深，就是表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件越大。越大。越大。越大。点位图表示和描述的模式可分为：黑白图像
18、、灰度点位图表示和描述的模式可分为：黑白图像、灰度点位图表示和描述的模式可分为：黑白图像、灰度点位图表示和描述的模式可分为：黑白图像、灰度图像、彩色图像。图像、彩色图像。图像、彩色图像。图像、彩色图像。a.a.黑白图像黑白图像l l定义：只有黑白两种颜色的图像称为黑定义：只有黑白两种颜色的图像称为黑定义：只有黑白两种颜色的图像称为黑定义：只有黑白两种颜色的图像称为黑白图像或单色图像，是指图像的每个像白图像或单色图像，是指图像的每个像白图像或单色图像，是指图像的每个像白图像或单色图像，是指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，素只能是黑或者白，没有中间的过渡，素只能是黑或者白，没有中间的
19、过渡，素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为二值图像。故又称为二值图像。故又称为二值图像。故又称为二值图像。l l特点：二值图像的像素值只能为特点：二值图像的像素值只能为特点：二值图像的像素值只能为特点：二值图像的像素值只能为0 0和和和和1 1，图像中的每个像素值用图像中的每个像素值用图像中的每个像素值用图像中的每个像素值用1 1位存储。位存储。位存储。位存储。b.b.灰度图像灰度图像定义：灰度图像是指每个像素的信息由一个定义：灰度图像是指每个像素的信息由一个定义：灰度图像是指每个像素的信息由一个定义：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。量化的灰度级来描述的图像。量
20、化的灰度级来描述的图像。量化的灰度级来描述的图像。假如每个像素的灰度值用一个字节表示，灰度值级假如每个像素的灰度值用一个字节表示，灰度值级假如每个像素的灰度值用一个字节表示，灰度值级假如每个像素的灰度值用一个字节表示，灰度值级数就等于数就等于数就等于数就等于256256级，每个像素可以是级，每个像素可以是级，每个像素可以是级，每个像素可以是0 0255255之间的任之间的任之间的任之间的任何一个数。何一个数。何一个数。何一个数。特点：它只有亮度信息，没有颜色信息。特点：它只有亮度信息，没有颜色信息。特点：它只有亮度信息，没有颜色信息。特点：它只有亮度信息，没有颜色信息。占据存储空间较黑白图像要
21、大。占据存储空间较黑白图像要大。占据存储空间较黑白图像要大。占据存储空间较黑白图像要大。图2-9 黑白图像 图2-10 灰度图像 c.彩色图像彩色图像定义：彩色图像除有亮度信息外，还包定义：彩色图像除有亮度信息外，还包定义：彩色图像除有亮度信息外，还包定义：彩色图像除有亮度信息外，还包含有颜色信息。含有颜色信息。含有颜色信息。含有颜色信息。特点：彩色图像的表示与所接受的彩色特点：彩色图像的表示与所接受的彩色特点：彩色图像的表示与所接受的彩色特点：彩色图像的表示与所接受的彩色空间，即彩色的表示模型有关。同一幅空间，即彩色的表示模型有关。同一幅空间，即彩色的表示模型有关。同一幅空间，即彩色的表示模
22、型有关。同一幅彩色图像假如接受不同的彩色空间表示，彩色图像假如接受不同的彩色空间表示，彩色图像假如接受不同的彩色空间表示，彩色图像假如接受不同的彩色空间表示，对其的描述可能会有很大不同。对其的描述可能会有很大不同。对其的描述可能会有很大不同。对其的描述可能会有很大不同。举例：以RGB（红绿蓝）彩色空间为例来简要说明彩色图像。在RGB彩色空间中，一幅彩色数字图像的各个像素的信息由RGB三原色信息构成，其中R(红)、G（绿）、B（蓝）是由不同的灰度级来描述的，三者共同确定了像素的亮度和色调。彩色图像可依据颜色的数目来划分。例如，256色图像和真彩色图像（2的16次方216777216种颜色）等。图
23、23 帧差值信号分布密度特性由图可见，变更猛烈的图像由图可见，变更猛烈的图像与变更缓慢的图像其差值的与变更缓慢的图像其差值的分布是不一样的。分布是不一样的。对于电视信号来说，除了像素间的差值外，对于电视信号来说，除了像素间的差值外，还存在帧间差值。对帧间差值信号的分布密度特性还存在帧间差值。对帧间差值信号的分布密度特性测定的结果如图测定的结果如图23所示。所示。2.6 常用的图像文件格式常用的图像文件格式常用的静态图像文件格式常用的静态图像文件格式常用的静态图像文件格式常用的静态图像文件格式BMPBMPGIFGIFTIFFTIFFJPEGJPEG 数字图像在计算机中是以图像文件的形式数字图像在
24、计算机中是以图像文件的形式存放的，图像文件的格式一般包含文件数据存放的，图像文件的格式一般包含文件数据的存储形式、大小、起止位置等内容。的存储形式、大小、起止位置等内容。(1)BMP(1)BMP文件格式文件格式定义：定义：定义：定义：BMPBMPBMPBMP文件又称为位图文件文件又称为位图文件文件又称为位图文件文件又称为位图文件（bitmap,bitmap,bitmap,bitmap,简称简称简称简称BMPBMPBMPBMP），是一种与设备无），是一种与设备无），是一种与设备无），是一种与设备无关的图像文件格式关的图像文件格式关的图像文件格式关的图像文件格式。特点：是一种位映射的存储形式。特点
25、：是一种位映射的存储形式。特点：是一种位映射的存储形式。特点：是一种位映射的存储形式。BMPBMPBMPBMP文件的划分：文件的划分：文件的划分：文件的划分：分四个域分四个域分四个域分四个域位图文件参数头域位图文件参数头域位图参数头域位图参数头域调色板域调色板域位图数据域位图数据域 位图文件参数头域包含关于这个文件的信息，例如从哪里起先是位图数据的定位信息。位图参数头域含有关这幅图像的信息，例如以像素为单位的宽度和高度、位图的彩色、压缩方法等。调色板域中有图像颜色的RGB值定义。位图数据域是图像数据，用BYTE数据结构。其数据取决于压缩方法。(2)GIF GIF文件格式文件格式l定义：即图形交
26、换格式定义：即图形交换格式,Graphics,Graphics Interchange Format,Interchange Format,简称简称GIFGIF。l特点特点:GIF GIF文件格式支持文件格式支持2 216M16M种颜色，单个种颜色，单个文件的多重图像，按行扫描的快速解码、有文件的多重图像，按行扫描的快速解码、有效地压缩以及硬件无关性。效地压缩以及硬件无关性。lGIFGIF图像文件以数据块图像文件以数据块(Block)(Block)为单位来存储为单位来存储图像的相关信息。数据块的分类如下图像的相关信息。数据块的分类如下:数据块数据块限制块限制块专用块专用块图形描绘块图形描绘块G
27、IFGIF文件头文件头逻辑屏幕描述块逻辑屏幕描述块图形限制扩展块图形限制扩展块文件结束块文件结束块图像描述块图像描述块无格式文件扩展块无格式文件扩展块注释扩展块注释扩展块应用扩展块应用扩展块包含有用来限制数包含有用来限制数据流或者设置硬件据流或者设置硬件参数的信息参数的信息包含有用来描绘在包含有用来描绘在显示设备上显示图显示设备上显示图形的信息和数据形的信息和数据包含有与图像处理包含有与图像处理无关的信息无关的信息 (3)TIFF(3)TIFF文件格式文件格式定义：标记图像文件格式（定义：标记图像文件格式（定义：标记图像文件格式（定义：标记图像文件格式（Tag ImageTag ImageTa
28、g ImageTag Image File Format,File Format,File Format,File Format,简称简称简称简称TIFFTIFFTIFFTIFF）是基于标记域的图像文）是基于标记域的图像文）是基于标记域的图像文）是基于标记域的图像文件格式。有关图像的全部信息都存储标记域中，件格式。有关图像的全部信息都存储标记域中，件格式。有关图像的全部信息都存储标记域中，件格式。有关图像的全部信息都存储标记域中，如图像的大小、所用计算机型号、制造商、图如图像的大小、所用计算机型号、制造商、图如图像的大小、所用计算机型号、制造商、图如图像的大小、所用计算机型号、制造商、图像的作
29、者、说明、软件及数据。像的作者、说明、软件及数据。像的作者、说明、软件及数据。像的作者、说明、软件及数据。特点：特点：特点：特点：TIFF TIFF文件是一种极其敏捷易变的格式，文件是一种极其敏捷易变的格式，文件是一种极其敏捷易变的格式，文件是一种极其敏捷易变的格式，它可以支持多种压缩方法，它可以支持多种压缩方法，它可以支持多种压缩方法，它可以支持多种压缩方法，TIFF TIFF文件一般文件一般文件一般文件一般比较大。比较大。比较大。比较大。存储形式：图像数据以存储形式：图像数据以“条状条状”形式存储，可以通形式存储，可以通过图像文件书目中的登记项找到须要的图像数据。过图像文件书目中的登记项找
30、到须要的图像数据。(4)JPEG(4)JPEG文件格式文件格式定义定义:JPEG:JPEG是是Joint Photographic Joint Photographic Experts GroupExperts Group（联合图像专家组）的缩（联合图像专家组）的缩写，是用于连续色调静态图像压缩的一写，是用于连续色调静态图像压缩的一种标准。其主要方法是接受预料编码种标准。其主要方法是接受预料编码（DPCMDPCM）、离散余弦变换（）、离散余弦变换（DCTDCT）以及）以及熵编码，以去除冗余的图像和彩色数据，熵编码，以去除冗余的图像和彩色数据，属于有损压缩方式。属于有损压缩方式。特点特点:JPE
31、G:JPEG是一种高效率的是一种高效率的2424位图像文件位图像文件压缩格式，同样一幅图像，用压缩格式，同样一幅图像，用JPEGJPEG格式存格式存储的文件是其他类型文件的储的文件是其他类型文件的1/10-1/201/10-1/20，通常只有几十通常只有几十KBKB，而颜色仍旧是，而颜色仍旧是2424位，其位，其质量损失特别小，基本上无法看出质量损失特别小，基本上无法看出.扩展名扩展名:jpgjpg或或jpegjpeg。JPEG文件的由下面8个部分组成：1）图像起先SOI标记。2）APPO标记。长度、表识符、版本号、X和Y的密度单位（units=0;无单位；units=1;点数/英寸；unit
32、s=2;点数/厘米）、X方向像素密度、Y方向像素密度、缩略图水平像素数目、缩略图垂直像素数目、缩略图RGB位图。3）APPn标记，其中n=1-15（任选）。包括：APPn长度。4）一个或者多个量化表。包括：量化表长度、量化表数目、量化表。5）桢图像起先SOFO。包括：桢起先长度、精度、每个颜色重量 每个像素位数、图像高度、图像宽度、颜色重量数、对每个颜色重量的ID、垂直方向的样本因子、水平方向的样本因子、量化表号。6）一个或者多个霍夫曼表DHT。包括：霍夫曼表的长度、类型、AC或者 DC、索引、位表、值表。7）扫描起先SOS。包括：扫描起先长度、颜 色重量数、每个颜色重量的ID、沟通系数表号直
33、流系数表号、压缩图像数据。8）图像结束EOI。在图像编码、图像增加和图像复原等处理中常常要进行图像质量评价。图像编码的目的是要在保持必要图像图像编码的目的是要在保持必要图像图像编码的目的是要在保持必要图像图像编码的目的是要在保持必要图像质量的条件下，以尽可能少的编码符质量的条件下，以尽可能少的编码符质量的条件下，以尽可能少的编码符质量的条件下，以尽可能少的编码符号传输或存储图像；号传输或存储图像；号传输或存储图像；号传输或存储图像；图像增加的设计目标是要提高图像的图像增加的设计目标是要提高图像的图像增加的设计目标是要提高图像的图像增加的设计目标是要提高图像的视觉质量；视觉质量；视觉质量；视觉质
34、量；图像复原则补偿图像质量退化图像复原则补偿图像质量退化图像复原则补偿图像质量退化图像复原则补偿图像质量退化,使重建使重建使重建使重建图像接近于无退化成像系统志向图像。图像接近于无退化成像系统志向图像。图像接近于无退化成像系统志向图像。图像接近于无退化成像系统志向图像。2.8 图像质量的评价 这三种应用的共同因素是图像质量，即要保持、提高或复原图像质量。图像品质可以细分为两类：图像逼真度和图像品质可以细分为两类：图像逼真度和图像品质可以细分为两类：图像逼真度和图像品质可以细分为两类：图像逼真度和 图像可理解度。图像可理解度。图像可理解度。图像可理解度。已处理图像标准图像精细差别大体差异图像可理
35、解度图像逼真度 主观评价有两种不同的方式：确定方式和比较方式。确定方式：让视察者观看一幅图像，请他们确定方式：让视察者观看一幅图像，请他们确定方式：让视察者观看一幅图像，请他们确定方式：让视察者观看一幅图像，请他们依据预先规定的评价标准推断图像质量，有时依据预先规定的评价标准推断图像质量，有时依据预先规定的评价标准推断图像质量，有时依据预先规定的评价标准推断图像质量，有时给视察者配备一套标准参考图像，以便评定时给视察者配备一套标准参考图像，以便评定时给视察者配备一套标准参考图像，以便评定时给视察者配备一套标准参考图像，以便评定时进行主观校准，有时视察者不得不只依据以往进行主观校准，有时视察者不
36、得不只依据以往进行主观校准，有时视察者不得不只依据以往进行主观校准，有时视察者不得不只依据以往的视察阅历进行推断。的视察阅历进行推断。的视察阅历进行推断。的视察阅历进行推断。比较方式：请视察者平定一套图像，比较某一比较方式：请视察者平定一套图像，比较某一比较方式：请视察者平定一套图像，比较某一比较方式：请视察者平定一套图像，比较某一特定图组中图像的优劣。特定图组中图像的优劣。特定图组中图像的优劣。特定图组中图像的优劣。主观评价测试可分为三种。主观评价测试可分为三种。质量测试：观察者应评定质量测试：观察者应评定 图像的质量等级；图像的质量等级；损伤测试：观察者要评审出损伤测试：观察者要评审出 图
37、像的损伤程度；图像的损伤程度；比较测试：观察者对一幅给定比较测试：观察者对一幅给定 的图像和另一幅或的图像和另一幅或 几幅图像做出比较；几幅图像做出比较；主主观观评评价价测测试试都都有有各各自自的的分分级级标标准准和和测测试试规规程程 将接受的信号与一将接受的信号与一K K指数刻度板拟合，确定出指数刻度板拟合，确定出指数指数K K，其数值大小就反映了波形失真和图像质量，其数值大小就反映了波形失真和图像质量下降的程度。这样就可将波形失真和图像质量退下降的程度。这样就可将波形失真和图像质量退化联系起来，用统一标准的一套指数进行评价。化联系起来，用统一标准的一套指数进行评价。几何畸变、光亮度值线性和
38、空间度等指标，都几何畸变、光亮度值线性和空间度等指标，都可以用适当的电子测试信号在电视显示器上进行可以用适当的电子测试信号在电视显示器上进行测试。测试。彩色可用亮度、色调和饱和度来描述。人眼看彩色可用亮度、色调和饱和度来描述。人眼看到任一彩色光都是这三个特性的综合效果。到任一彩色光都是这三个特性的综合效果。2.8 彩色图像简介亮度亮度亮度亮度定义：亮度是光作用于人眼时所引起定义：亮度是光作用于人眼时所引起定义：亮度是光作用于人眼时所引起定义：亮度是光作用于人眼时所引起的光明程度的感觉的光明程度的感觉的光明程度的感觉的光明程度的感觉相关因素：视察物体的发光强度，人相关因素：视察物体的发光强度，人
39、相关因素：视察物体的发光强度，人相关因素：视察物体的发光强度，人类视觉系统的视敏函数类视觉系统的视敏函数类视觉系统的视敏函数类视觉系统的视敏函数色调色调色调色调定义：色调是当人眼看到一种或多种波定义：色调是当人眼看到一种或多种波定义：色调是当人眼看到一种或多种波定义：色调是当人眼看到一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉长的光时所产生的彩色感觉长的光时所产生的彩色感觉长的光时所产生的彩色感觉实质：它反映颜色的种类，是确定颜色实质：它反映颜色的种类，是确定颜色实质：它反映颜色的种类，是确定颜色实质：它反映颜色的种类，是确定颜色的基本特性。的基本特性。的基本特性。的基本特性。饱和度饱和度饱和度饱和度
40、定义：饱和度是颜色的纯度，即掺入白定义：饱和度是颜色的纯度，即掺入白定义：饱和度是颜色的纯度，即掺入白定义：饱和度是颜色的纯度，即掺入白光的程度，指颜色的深浅程度。光的程度，指颜色的深浅程度。光的程度，指颜色的深浅程度。光的程度，指颜色的深浅程度。通常把色调和饱和度通称为色度。亮度表示某彩色光通常把色调和饱和度通称为色度。亮度表示某彩色光通常把色调和饱和度通称为色度。亮度表示某彩色光通常把色调和饱和度通称为色度。亮度表示某彩色光的明暗程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度的明暗程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度的明暗程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度的明暗程度，而色度则表示颜色的类别与
41、深浅程度。(2)(2)彩色空间（彩色模型）彩色空间（彩色模型）a.RGB a.RGB彩色空间彩色空间 计算机中的数字图像，用的最多的是计算机中的数字图像，用的最多的是RGBRGB彩彩色空间。由于计算机彩色监视器的输入须要色空间。由于计算机彩色监视器的输入须要RGBRGB三个彩色重量，通过三个重量的不同比例，三个彩色重量，通过三个重量的不同比例，在显示屏幕上合成所须要的随意颜色，所以不在显示屏幕上合成所须要的随意颜色，所以不管用什么形式的彩色空间，最终输出确定要转管用什么形式的彩色空间，最终输出确定要转化成化成RGBRGB彩色空间。彩色空间。三基色原理三基色原理 自然界常见的各种颜色光，都可由红
42、（自然界常见的各种颜色光，都可由红（R R）、）、绿绿(G)(G)、蓝、蓝(B)(B)三种颜色光按不同的比例相配而成，三种颜色光按不同的比例相配而成，同样绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种同样绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种颜色光，这就是色度学中最基本的颜色光，这就是色度学中最基本的 原理原理三基三基色原理。色原理。由于人眼对红、绿、蓝三种光最敏感，因此由于人眼对红、绿、蓝三种光最敏感，因此由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广，所以由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广，所以一般都选这三种颜色作为基色（原色）。一般都选这三种颜色作为基色（原色）。把三种基色光按不同的比例相加称之为相加混
43、把三种基色光按不同的比例相加称之为相加混色。由红、绿、蓝三基色进行相加的状况如下：色。由红、绿、蓝三基色进行相加的状况如下：红色蓝色绿色黄色洋红青色白色红色青色绿色洋红蓝色黄色白色 黄色、洋红和青色称为相加二次色，青色、黄色、洋红和青色称为相加二次色，青色、洋红和黄色也称为红、绿、蓝三色的补色。相加洋红和黄色也称为红、绿、蓝三色的补色。相加混色的三基色及其补色如图混色的三基色及其补色如图2-162-16所示。所示。RGB RGB彩色彩色空间可用图空间可用图2-172-17所示的彩色立方体表示。所示的彩色立方体表示。红蓝绿黄白青洋红红(R)青黄绿(G)洋红(0,1,0)(0,0,1)(1,0,0
44、)白黑(1,1,1)灰度级图2-16相加混色的三基色及其补色 图2-17 RGB彩色空间示意图 b.HIS b.HIS彩色空间彩色空间 HIS HIS彩色空间用彩色空间用H H、I I、S S三个参数描述颜色三个参数描述颜色特性。特性。H H H H是色调，表示颜色，与波长有关；是色调，表示颜色，与波长有关；是色调，表示颜色，与波长有关；是色调，表示颜色，与波长有关；S S S S是饱和度，表示色纯度，即单色光中掺是饱和度，表示色纯度，即单色光中掺是饱和度，表示色纯度，即单色光中掺是饱和度，表示色纯度，即单色光中掺入白光的程度；入白光的程度；入白光的程度；入白光的程度；I I I I是强度，表
45、示人眼感知颜色的强弱程度，是强度，表示人眼感知颜色的强弱程度，是强度，表示人眼感知颜色的强弱程度，是强度，表示人眼感知颜色的强弱程度，它和能量大小及人眼对不同波长的感知它和能量大小及人眼对不同波长的感知它和能量大小及人眼对不同波长的感知它和能量大小及人眼对不同波长的感知实力有关。实力有关。实力有关。实力有关。用图2-18a所示的一个三维空间的立体图，可以把HIS彩色空间的三个参数的特性更加形象地表示出来。在图2-18a所示的枣核形立体图中，垂直轴表示光的亮度变更，顶部最亮表示白色，低部最暗表示黑色，中间是介于白黑之间深浅不同的灰度。在与黑白轴垂直的水平面圆周上，如图2-18b所示的色环，各点代
46、表光谱上各种不同的色调，如红、黄、绿、青、蓝、洋红等，构成闭合的圆环。0红蓝240绿120HS黄青洋红白红绿蓝SI黑H黄洋红图2-18 HSI彩色空间示意图a)枣核形立体图 b)色环a)b)b)如右图：三基色红、绿、蓝是依据120分隔的，二次色黄、青、洋红与基色相隔60，二次色之间也相隔120。处于圆周上的点是饱和的颜色，圆周上各点与圆形 中心点的亮度相同，从圆 周到圆心过渡表示颜色饱 和度渐渐降低，当颜色在 枣形立体图同一平面上变 化时，只变更色调饱和度而亮度不变。0红蓝240绿120HS黄青洋红 就人眼的彩色视觉特性而言，用色调、饱和度、光强（亮度）描述彩色光是合适的。它更接近人对彩色的相
47、识和说明。色调确定彩色光的光谱成分，取决于色调确定彩色光的光谱成分，取决于色调确定彩色光的光谱成分，取决于色调确定彩色光的光谱成分，取决于光的波长，说明彩色光中混入白光的光的波长，说明彩色光中混入白光的光的波长，说明彩色光中混入白光的光的波长，说明彩色光中混入白光的数量；数量；数量；数量；饱和度是某种波长的彩色光纯度的反饱和度是某种波长的彩色光纯度的反饱和度是某种波长的彩色光纯度的反饱和度是某种波长的彩色光纯度的反映，纯光谱色的含量越多，其饱和度映，纯光谱色的含量越多，其饱和度映，纯光谱色的含量越多，其饱和度映，纯光谱色的含量越多，其饱和度越高，高饱和度的彩色光颜色深，当越高，高饱和度的彩色光
48、颜色深，当越高，高饱和度的彩色光颜色深，当越高，高饱和度的彩色光颜色深，当光谱掺入白光成分越多时，饱和度下光谱掺入白光成分越多时，饱和度下光谱掺入白光成分越多时，饱和度下光谱掺入白光成分越多时，饱和度下降，颜色变浅；降，颜色变浅；降，颜色变浅；降，颜色变浅；亮度取决于彩色的强度，是彩色光对视亮度取决于彩色的强度，是彩色光对视亮度取决于彩色的强度，是彩色光对视亮度取决于彩色的强度，是彩色光对视觉的刺激程度，表征彩色光所含的能量觉的刺激程度，表征彩色光所含的能量觉的刺激程度，表征彩色光所含的能量觉的刺激程度，表征彩色光所含的能量特征，能量大显得亮，反之，则显得暗。特征，能量大显得亮，反之，则显得暗
49、。特征，能量大显得亮，反之，则显得暗。特征，能量大显得亮，反之，则显得暗。在在在在HISHISHISHIS彩色空间中可以大大简化图像分析和彩色空间中可以大大简化图像分析和彩色空间中可以大大简化图像分析和彩色空间中可以大大简化图像分析和处理的工作量。处理的工作量。处理的工作量。处理的工作量。(2)真彩色、伪彩色与假彩色真彩色、伪彩色与假彩色 a.a.真彩色真彩色定义定义定义定义:能真实反映自然界物体原来颜色能真实反映自然界物体原来颜色能真实反映自然界物体原来颜色能真实反映自然界物体原来颜色的图像叫真彩色图像。的图像叫真彩色图像。的图像叫真彩色图像。的图像叫真彩色图像。特性特性特性特性:真彩色图像
50、的每个像素值中，有真彩色图像的每个像素值中，有真彩色图像的每个像素值中，有真彩色图像的每个像素值中，有R R R R、G G G G、B B B B三个基色重量，每个基色重量三个基色重量，每个基色重量三个基色重量，每个基色重量三个基色重量，每个基色重量干脆确定显示设备的基色强度，这样干脆确定显示设备的基色强度，这样干脆确定显示设备的基色强度，这样干脆确定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。产生的彩色称为真彩色。产生的彩色称为真彩色。产生的彩色称为真彩色。b.伪彩色伪彩色 定义定义定义定义:伪彩色图像是由灰度图像经过伪彩伪彩色图像是由灰度图像经过伪彩伪彩色图像是由灰度图像经过伪彩伪彩色