第一章_图像技术基础.ppt

,第,*,页,第,1,讲,第,1,章 图像技术基础,1.1,图像和像素,1.2,像素间联系（重点、难点）,1.3,图像坐标变换,1.4,图像显示,1.5,采样和量化,1.6,图像存储与格式,1.7,图像技术及分类,1.1,图像和像素,讨论：,1,、这几个英文单词：,Image,、,Picture,、,Graphics,是否表示同一个意思？,2,、图像与图象是否表示同一个意思？,什么是图像？,Image,：,用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。现在多用此单词表示离散的数字图像。,Picture,：,早期的图像用这个单词表示，现在多用于表示模拟类型的图像。,Graphics,：,是指图形，通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。,图像：泛指,2D3D,图片、照片等一类的平面或数字图形。,图象：一般指数学中图，如函数图象一类的图。,图象（广义/抽象）,图像（狭义/具体）,1,、图像与数字图像,图,像,类型,广义,图片，动画，绘图，文字/档，.,狭义,单幅,序列图像,，.,静止,运动图像（视频）,，.,2-D,3-D,，彩色，立体对，多光谱,多视场图像,，.,灰度,深度，纹理图,像,，.,2-D,数组,f,(,x,y,),x,，,y,：,2-D,空间,XY,中坐标点的位置,f,：代表图像在,(,x,y,),的性质,F,的数值,f,，,x,，,y,的值可以是任意实数,现实世界：,T,（,x,y,z,t,）,t,表示时间变量，,表示频谱变量（波长）,性质,F,:,可对应不同物理量,灰度图像里用灰度表示,图像表示,数字图像,是指由被称作,像素,的小块区域组成的二维矩阵。,将物理图像行列划分后，每个小块区域称为,像素,（,pixel,）。,2,、像素和表示,2,、像素和表示,图像表示,矩阵,矢量,空间排列规律,1,、像,素邻域,2,、像素间的距离,1.2,像素间联系,4,连接,8,连接,M,连接,1.2,像素间联系,1,、像素的邻域,邻域,：像素,-,邻近像素（近邻像素）,根据对一个坐标为（,x,y,）的像素,p,的近邻像素的不同定义，可以得到由不同近邻像素所组成的不同的相应邻域。,常用的像素邻域主要有如下,3,种：,（,1,）,4-,邻域,N,4,(p),（,2,）对角邻域,N,D,(p,),（,3,）,8-,邻域,N,8,(p),p,1.2,像素间联系,1.2,像素间联系,1.2,像素间联系,1.2,像素间联系,邻 域,N,4,(,p,),象素,(,x,y,),的,4,邻域,(,x,+1,y,),，,(,x,-1,y,),，,(,x,y,+1),，,(,x,y,-1),N,D,(,p,),象素,(,x,y,),的对角邻域,(,x,+1,y,+1),，,(,x,+1,y,-1),，,(,x,-1,y,+1),，,(,x,-1,y,-1),N,8,(,p,),象素,(,x,y,),的,8,邻域,N,4,(,p,)+,N,D,(,p,),1.2,像素间联系,2,、连接,和连通,（,adjacency,邻接,（邻域）,）,vs.,(,connectivity,连接,),邻接,仅考虑像素间的空间关系,两个像素是否连接：,(1),是否接触（,邻接,）,(2),灰度值是否满足某个特定的相似准 则（同在一个,灰度值集合,V,中取值）,1.2,像素间联系,（,1,）,4-,连接,两个像素,p,和,q,在,V,中取值且,q,在,N,4,(p),中，则它们为,4-,连接。,1.2,像素间联系,（,2,）,8-,连接,两个像素,p,和,q,在,V,中取值且,q,在,N,8,(p),中，则它们为,8-,连接。,8-,邻域,1.2,像素间联系,3,种连接,(3)m-,连接（混合连接）：,2,个像素,p,和,q,在,V,中取值,且,满足下列条件之一,q,在,N,4,(,p,),中,q,在,N,D,(,p,),中且集合,N,4,(,p,),N,4,(,q,),是空集,（没有值,V,的像素）,1.2,像素间联系,设：,V=,红色,3,种连接,混合连接的应用：消除,8-,连接可能产生的歧义性,原始图,8-,连接,m-,连接,1.2,像素间联系,三种连接,4,连接,8,连接,m,连接,连通,连接是连通的一种特例,通路,由一系列依次连接的像素组成,从具有坐标,(,x,y,),的像素,p,到具有坐标,(,s,t,),的像素,q,的一条通路由一系列具有坐标,(,x,0,y,0,),，,(,x,1,y,1,),，,，,(,x,n,y,n,),的独立像素组成。这里,(,x,0,y,0,)=(,x,y,),，,(,x,n,y,n,)=(,s,t,),，且,(,x,i,y,i,),与,(,x,i,-1,y,i,-1,),邻接，其中,1,i,n,，,n,为通路长度,4-,连通，,8-,连通,4-,通路，,8-,通路,1.2,像素间联系,通路建立了两个像素,p,和,q,之间的空间关系。,当,n=1,时，两个连通的像素也是连接的。,例题：,（,1,）令,V=0,，,1,，计算,p,与,q,之间的,4,通路、,8,通路和,m,通路的长度（最短）。,（,2,）令,V=1,，,2,，重复上述计算。,3,1,2,1,（,q,）,2,2,0,2,1,2,1,1,1,（,p,）,0,1,2,像素集合的邻接和连通,对,2,个图像子集,S,和,T,来说，如果,S,中的一个或一些像素与,T,中的一个或一些像素邻接，则可以说,2,个图像子集,S,和,T,是邻接的,完全在,一个图像子集中,的象素组成的通路上的像素集合构成该,图像子集中,的一个,连通组元,如果,S,中只有,1,个连通组元，即,S,中所有像素都互相连通，则称,S,是一个,连通集,例题：,两个图像子集,S1,和,S2,，对于,V=1,，确定它们是,4,连接、,8,连接还是,m,连接？,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,1,0,0,1,1,0,0,1,0,1,1,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,1,1,1,S1,S2,小结：,邻域：空间接触,连接：接触，灰度值相等或灰度值在灰度集合,中取值,连通：灰度值相等或灰度值在灰度集合中取,值，有通路但不一定接触,1.2,像素间联系,知识回顾,1,、数字图像处理的基本概念,2,、像素间的联系,邻域,：空间接触,连接,：接触，灰度值相等或灰度值在灰度集合,中取值,连通,：灰度值相等或灰度值在灰度集合中取,值，有通路但不一定接触,3,、像素间的距离,距离量度函数：满足下列条件,3,个像素,p,，,q,，,r,，坐标,(,x,y,),，,(,s,t,),，,(,u,v,),(1),两个像素之间的距离总是正的,(2),距离与起终点的选择无关,(3),最短距离是沿直线的,1.2,像素间联系,距离量度函数,(1),欧氏（,Euclidean,）距离,(2),城区（,city-block,）距离,(3),棋盘（,chessboard,）距离,距离量度函数,等距离轮廓图案,D,4,距离,D,8,距离,距离量度函数,距离计算示例（,p6,）,D,E,=5,D,4,=7,D,8,=4,用距离定义邻域,考虑在空间点(,x,p,y,p,),的像,素,p,4,-,邻域,N,4,(,p,),8,-,邻域,N,8,(,p,),p,和,q,之间的,D,4,和,D,8,距离,与任何通路无关，通路可能存在于各点之间，因为这些距离,仅与点的坐标,有关。,如果选择考虑,m,连通，则两点间的,D,m,距离,(,等价于通路的长度,),将依赖于沿通路的像素以及它们近邻像素的值。,补充：,例题,m,连通情况下像素间距离计算,例 考虑下列安排的像素并假设,p,，,p2,和,p4,的值为,1,，,p1,和,p3,的值为,0,或,l,：,假设考虑值为,1,的像素连通,(,即：,V=1),。,如果,p1,和,p3,是,0,，,p,和,p4,间,最短,m,通路的长度,(Dm,距离,),是,2,。,0,1(q),0,1,1(p),例题,m,连通情况下像素间距离计算,例 考虑下列安排的像素并假设,p,，,p2,和,p4,的值为,1,，,p1,和,p3,的值为,0,或,l,：,假设考虑值为,1,的像素连通,(,即：,V=1),。,如果,p1,是,1(p3,是,0),，则,p2,和,p,将不再是,m,连接，并且,m,通路的长度变为,3(,通路通过点,PP1P2P3P4),。,类似地，如果,p3,是,1(,并且,p1,为,0),，则最短的通路距离也是,3,。,0,1(q),1,1,1(p),例题,m,连通情况下像素间距离计算,例 考虑下列安排的像素并假设,p,，,p2,和,p4,的值为,1,，,p1,和,p3,的值为,0,或,l,：,假设考虑值为,1,的像素连通,(,即：,V=1),。,如果,p1,和,p3,都为,1,，则,p,和,p4,间的最短,m,通路长度为,4,，在这种情况，通路通过点,pp1 p2 p3 p4,。,1,1(q),1,1,1(p),练习,如右图像子集，其中像素,p,和,q,的值均为,1,，令,V=1,，,2,，分别计算,4,连通、,8,连通和,m,连通时像素,p,和,q,间的距离。,3,1,2,q,2,2,0,2,1,2,1,1,p,0,1,2,邻域,连通,距离,1.2,像素间联系,1.3,图像坐标变换,1,、平移变换,2,、尺度变换,3,、旋转变换,4,、级联,5,、反变换,变换,表达,图像坐标变换,（,image coordinate transform,）将像素从,图像中的一处移动到另一处，从而改变图像的布局。,V,是包含原坐标的矢量，,v,是由变换后坐标组成的矢量。,对不同的变换，变换矩阵,A,中的数值不同,坐标,变换示例：,平移变换,平移前的图像,平移后的图像,尺度（缩放）变换（沿,X,轴，,Y,轴，,Z,轴）,旋转变换,图像旋转,角,级联变换,对一个坐标为,v,的点的平移、放缩、旋转变换可表示为：,见,P7,公式,1.3.7,用单个变换矩阵的方法可对点矩阵,v,变换,这些矩阵的运算次序一般不可互换,坐标,变换,反变换,半调,（,halptone,）,输出,多数打印设备仅能直接显示输出二值图,为了在这些设备上输出灰度图像常采用一种称为半调输出（,halftoning,）的技术。,原理：利用人眼的集成特性，在每个像素位置打印一个其尺寸反比于该像素灰度的黑圆点，即在亮的图像区域打印的点小，而在暗的区域打印的点大，或者说通过控制二值点模式的形式（包括数量，尺寸，形状等）来获得视觉上不同的灰度感觉,1.4,图像显示,调制模板,每个输出单元内包含若干个基本二值点,每个模板对应一个输出单元,2,2,5,种灰度,3,3,10,种灰度,抖动（,dithering,）输出技术,f,(,x,y,),+,d,(x,y),半调技术,牺牲图象的空间点数而增加图象的灰度级数,要保持细节，灰度级数就有限,2,、抖动技术,原始图像,随机小噪声,（,a,）原始图像,（,b,）半调输出图,（,c,、,d,）利用抖动技术进行改善的结果,1.5,采样和量化,空间采样（,sampling,）：空间坐标的离散化,灰度量化（,quantization,）：灰度的离散化,空间分辨率,幅度分辨率,59,60,图像的量化就是将采样后图像的每个样点的取值范围分成若干区,间，并仅用一个数值代表每个区间中的所有取值。,均匀采样,非均匀采样,1.5,采样和量化,数字图像,图像（水平）尺寸,M,：,图像（垂直）尺寸,N,：,像素灰度级数,G,(,k,-bit),：,图像所需的位数,b,：,1,、图像数据量,数字图像,存储,1,幅,32,32,，,1,6,个灰度级的图,需要,4,096,bit,存储,1,幅,128,128,，,64,个灰度级的图,需要,98,304,bit,存储,1,幅,512,512,，,256,个灰度级的图,需要,2,097,152,bit,空间分辨率,图像中可辨别的最小细节,采样间隔决定的,M,X,N,幅度分辨率（灰度级分辨率）,在灰度级别中可分辨的最小变化,G,2,、图像质量与数据量,图像空间分辨率变化所产生的效果（,p12-13,）,图像幅度分辨率变化所产生的效果,空间和幅度分辨率同时变化所产生的效果,讨论：,图像采集越密集越好，量化级数越多越好？,对采样和量化的讨论,（,1,）图像数据量由空间分辨率和幅度分辨率决定；,（,2,）采样值取决于需要观察到图像中哪个尺度的细节；量化值取决于人类视觉系统的分辨率和应用场合；,（,3,）灰度尖锐的过渡区采用较密的采样，用较少的灰度级；在灰度平滑的过渡区采用较稀的采样，用较多的灰度级。,1.6,图像存储与格式,图像采集,装置,(CCD,CMOS,CID),为采集数字图像，需要两种装置（器件）：,(1),对某个电磁能量谱波段（如,X,射线、紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件，它能产生与所接受到的电磁能量成正比的（模拟）电信号；,(2),数字化器，它能将上述（模拟）电信号转化为数字（离散）的形式。,图像显示,图像处理的结果多是供观察的,图,像,数据,亮度模式显示,显示设备,电视显示器，液晶显示器,阴极射线管（,CRT),打印设备,转换到幻灯片、照片或透明胶片上,BMP,格式,BMP,是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，因此，,BMP,文件所占用的空间很大。,BMP,文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。,由于,BMP,文件格式是,Windows,环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在,Windows,环境中运行的图形图像软件都支持,BMP,图像格式。,典型的,BMP,图像文件由四部分组成：,1,：位图文件头数据结构，它包含,BMP,图像文件的类型、显示内容等信息；,2,：位图信息数据结构，它包含有,BMP,图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息；,3,：调色板，这个部分是可选的，有些位图需要调色板，有些位图，比如真彩色图（,24,位的,BMP,）就不需要调色板；,4,：位图数据，这部分的内容根据,BMP,位图使用的位数不同而不同，在,24,位图中直接使用,RGB,，而其他的小于,24,位的使用调色板中颜色索引值。,JPEG,格式,JPEG,是,Joint Photographic Experts Group(,联合图像专家组,),的缩写，文件后辍名为“,jpg”,或“,Jpeg”,。,JPEG,本身只有描述如何将一个影像转换为字节的数据串流（,streaming,），但并没有说明这些字节如何在任何特定的储存媒体上被封存起来。,.jpeg/.jpg,是最常用的图像文件格式，由一个软件开发联合会组织制定，是一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的储存空间，图像中重复或不重要的资料会被丢失，因此容易造成图像数据的损伤。尤其是使用过高的压缩比例，将使最终解压缩后恢复的图像质量明显降低，如果追求高品质图像，不宜采用过高压缩比例。但是,JPEG,压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据。,图象（广义/抽象）,图像（狭义/具体）,人类从外界（客观世界）获得的信息约有,75%,来自视觉系统,图像工程三层次：,图,像,处理（图,像,图,像,）,图,像,分析（图,像,数据）,图,像,理解（图,像,解释）,1.7,图像技术及分类,小结：,1,、基本概念,像素,采样、量化,空间分辨率、幅度分辨率,2,、像素间联系,邻域,连接、连通,距离,3,、图像坐标变换,