图像信息的获取与处理.pdf

第三章图像信息的获取与处理第三章图像信息的获取与处理一图像概述二图像颜色与彩色空间三数字化图像四静态图像压缩一.图像概述一.图像概述1.图像定义2.图像属性:分辨率,图像色深,颜色类型,显示色深3.图像种类:矢量图和位图,灰度图和彩色图4.图像显示进入人类大脑的信息约80%来自眼睛,10%来自耳朵,其它来自嗅觉和触觉器官.景物和图像可以用语言和文字来描述.但是直接用图形来表述往往更加简单,更加容易被人们理解和接受.而多媒体计算机使得我们能够通过静态图像和动态影像来快捷地获取知识,本章将讲述计算机是如何获取和表示这些图像信息.1.图像与图形图像与图形表示“图”的手段有两种:一种是图像,一种是图形.图像:用像素点描述,可具有23232彩色数,又称为位图.可对其压缩,以利于存储和传输.放大后图像会变得模糊.图形：用矢量段描述,又称为矢量图.经过计算机运算后可形成图形.数据量小.放大缩小图形后,其光滑清晰程度不会改变.2.1 显示分辨率用每行显示的像素点数屏幕显示行数来表示.有最大显示分辨率和当前显示分辨率的区别.最大显示分辨率:由显示器和显示卡（显示缓存）决定.当前显示分辨率:由当前设置的参数决定.2.2 图像分辨率用每英寸多少点（DPI）表示，给出图像的像素密度.对同样大小的一幅图，如果数字化时图像分辨率高,则组成该图的像素点数目越多,看起来就越逼真.图像分辨率在图像输入和输出时起作用,它决定图像的像素点阵数.匹配问题:两种分辨率(信息源和显示器材)2.图像属性图像属性2.3 图像色深(Image Depth，色阶)分辨率给出一幅图像中有多少个像素点,而图像色深是描述图像中每个像素数据所占的二进制位数,它表示了彩色图像中可出现的最多颜色数,或者灰度图像中灰度的最大级数.彩色图像的色深例:一幅彩色图像的每个像素用R、G、B 这3 个分量表示,如果每个分量使用8 个二进制位,则一个像素就需要24 个二进制位来表示,此时图像色深为24 位.问题:试计算该图像可以表达的颜色数目.答案:224=16,777,2162.4 颜色类型图像颜色可用三维空间表示,每个像素点的图像色深与图像所使用的颜色空间有关.图像色深与颜色的对应关系主要包括真彩色、伪彩色和调配色.真彩色:真彩色图像中的每个像素包含R、G、B 三个基色分量,每个基色的强度由真实采样方法得到,这样产生的颜色称为真彩色.真彩色可以反映原图的真实色彩.例如:图像色深为24，R、G、B 各占用8 位来表示基色分量的强度,每个基色分量的强度分为28=256 级,图像可容纳224=16M 种色彩,这样得到的颜色称为真彩色.伪彩色和调配色当原有数字图像没有颜色信息,或者当显示设备的颜色空间与真实图像的图像色深信息不匹配时,可以设定一个源图像的灰度信息(或者颜色色深信息)与显示器的RGB颜色的对应规则,实现这一规则的办法就是查表,从而可以近似地将已经有的源图像信息显示出来.这样形成的图像为伪彩色图像或者调配色图像.比较而言,调配色方式得到的显示图像更接近于源图像.2.5 显示色深图像色深是图像文件中记录一个像素点所用的位数，而显示色深则表示显示缓存中每个存储单元的位数,其对应于屏幕上一个点的颜色色深.最终显示一幅图像的颜色效果取决于图像色深和显示色深两个因素.3.图像种类图像种类3.1 矢量图:记录图形的几何性质.3.2 位图:记录像素点阵图.位图可分为灰度图和彩色图a.灰度图:黑白两色,其亮度在计算机中用灰度等级表示.在报纸的旧印刷技术中亮度用黑点的密集程度表示.b.彩色图:RGB颜色模式(光线显示),CMYK颜色模式(颜料显示).4.图像显示图像显示a.模拟显示CRT:模拟电路行扫,电子束的强度与图像像素点的亮度成正比.b.数字显示方法:7段LED显示,LED点阵显示,LCD点阵显示,PDP点阵显示.这些方式都需要显示驱动系统,每一个显示单元的颜色和亮度信息存在内存的指定地址，计算机扫描工作的任务就是依次将存储的信息送到显示屏的指定单元,周而复始,亦称为扫描.5.CRT,LED,LCD和PDP简介a.CRT显示:Cathode Ray Tube 半个多世纪以来的主流电视机技术是阴极射线管,主要由电子枪、偏转线圈及阴极射线管组成.CRT特点可视角度大,无坏点,色彩还原度高,色度均匀,多分辨率可调节,响应时间短和价格低等特点.b.LED显示light emitting diode.发光二极管能将电能转化为可见光,它不同于白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理,而是电子在能带之间跃迁时发光.第一个商用二极管产生于1960年.LED性能高抗震性,寿命长(10万小时约50倍于白炽灯)低电压电流(2V10mA)低功耗(白炽灯10%)光效高(最高达100流明/瓦,白炽灯15流明/瓦,LED光谱大部分在可见光频段)流明:光通量单位纳秒级响应时间(白炽灯10毫秒级)主动发光(室外显示屏)电流调节亮度调节颜色LED应用仪表显示车尾高位刹车灯,信号灯匙扣式微型电筒大型三基色显示屏(20mm像素,256级色深)“十一五”民用半导体光源c.LCD显示器 Liquid Crystal Display 基本原理:在两片平行的玻璃当中放置液晶,通过电场控制液晶像素中液晶分子的排列方式,影响偏振光在液晶中行进时的旋转角度，从而改变通过两块正交偏振片的透光量，背光光源通过液晶板上各个透光程度不同的像素,形成图像.特性:轻薄、耗电量低、无辐射，平面直角显示以及影像稳定不闪烁.d.PDP显示器 Plasma Display PanelLCD的两种背光源主要有CCFL(主流,Cold Cathode Fluorescent Lamps)侧光式和LED底背光式,CCFL要搭配扩散片,导光板和发射板等,显示板厚度较大,且亮度均匀性不如CRT,显示白屏时,LCD屏幕边缘和中心的亮度有差异。CCFL使用寿命5万小时,而LED背光源寿命高达10万小时，一天使用6小时寿命50年.LED(Light Emitting Diode)功耗很小,LED背光源呈栅格状,每个“格子”为一个LED半导体,所以LED_LCD亮度均匀,机身可做的很薄.对比度高。目前LED背光技术被几大厂商垄断,价格较高,属于高端机.液晶显示器的对比度对比度测量:若全白画面亮度为200cd/m2,全黑画面亮度为0.4cd/m2,则显示器对比度是500:1.(目前技术水平在5001000)动态对比度:利用了背光控制技术,若全黑画面时将背光亮度降低为原来的1/10,则得到动态对比度为5000:1的显示器.背光调节技术:关键是背光亮度调节的快慢,新式影院投影机已经能做到以1/60秒作为步进来调节背光(动态光圈控制).加拿大Brightside公司的LED背光的超高动态LCD标称具有200000:1的对比度.与阴极射线管(CRT),液晶屏(LCD)并列为三大显示器件.台湾称为电浆显示屏.PDP与LCD比较发光机制:PDP自发光,LCD用背光源.可视角PDP170度,LCD130度.功耗:相同的屏幕,若PDP为100300W,则LCD为 200W响应时间:视觉要求25ms,PDP做到123ms,LCD做到253ms像素:PDP0.7mm,LCD0.3mm e.DLP投影仪工作原理(Digital Light Processor,美国TI德州仪器公司专利)DLP投影仪中有一块数字微镜DMD(Digital Micormirror Device),其上有上百万个小反射镜(1616m2),每个镜子代表一个像素,每一个小反射镜都具有独立控制光线开关的能力.小反射镜反射光线的角度受视频信号控制,微镜片倾斜+10处于投影状态而为“开”；若微镜片倾斜-10则处于非投影状态而为“关”。“开”状态下反射光通过投影透镜将影像投影到屏幕上；而“关”状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。控制光线开关时间的比值可产生不同亮度(灰度)等级.5000Hz DLP中的光源所发白光,经分色轮着色,被分成不同时段的红绿蓝三束色光.三色光经DMD反射成像,最后三色像分时间先后进行叠加,投放到屏幕上形成彩色图像.DLP投影仪的特点反射式投影获得高对比度,高档机可达 600:1 1000:1,低档机也有450:1,LCD投影机对400:1左右,低价机仅250:1.画面均匀,看不出像素结构.图像清晰,色彩锐利,画面形象自然,有强烈视觉冲击力.外型小巧，现市场上所有的1.5公斤以下的迷你型投影机都是DLP式，多数LCD 投影机要过2.5公斤.高档DLP也达10公斤.h.其他平板显示器有机发光显示器OLED(Organic Light Emitting Display),玻璃基板涂上有机材料薄层,当电流通过有机材料主动发光,不需背光灯,可视角度大,低耗电量.目前OLED有二个技术体系,日本低分OLED 和英国CDT公司的高分子PLED(已用于部分LG手显示),两者相比PLED产品的彩色化上有困难.目前有机发光显示屏难以大型化,且寿命较短.将来OLED可能会取代TFT的LCD.FED场致发射显示(Field Emission Display)FED面板利用纳米锥体阵列激发荧光粉发光,在视角,色彩,高清晰度和运动画面展示方面性能优于液晶及等离子显示器.FED已应用于电视台画面监控系统。索尼已具有一定的生产规模。2.颜色的描述亮度:光作用于人眼时所引起明亮程度的感觉,与光强度有关.色调:单色或多色光使人眼产生的彩色感觉.饱和度:颜色的深浅.如在某色调的彩色光中,掺入别的彩色光,会引起色调变化,只有掺入白光时,才引起饱和度变化.色度=色调+饱和度.总之:亮度 彩光明亮程度,色度 彩光颜色与深浅1.光线的颜色颜色波长(nm)红色光750630,橙色光630600,黄色光600570绿色光570490,青色光490460,蓝色光460430,紫色光4303803.色觉理论和三基色原理人眼的锥状细胞是由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种感光细胞组成的.三基色(RGB)原理自然界中常见的各种颜色光,都可以由R、G、B 三种基本颜色光按照不同比例相配而成;反之，各种颜色的光线也可以分解成红、绿、蓝三种基色光.1.颜色的来源2.颜色的描述3.三基色原理4.相加混色与相减混色5.颜色空间:RGB 颜色空间,YUV 颜色空间,CMY 颜色空间二.图像颜色与彩色空间(彩光)相加混色的获得利用人眼视觉特性,实现相加混色三途径时间混色:将三色光轮流投射到同一屏幕上,由于人眼视觉惰性,可产生合成色视觉.空间混色:将三色光同时投射到彼此距离很近的点上,利用人眼分辨力有限而产生混色;或将三色光投射到同一点产生混色.生理混色:让人的两只眼睛分别观看两个不同颜色的同一景象,可获得相加混色效果.4.相加混色与相减混色当三基色按照不同强度相加时,总的光强增强,并可以得到任何一种合成色.该合成色和这三种基颜色之间的关系为合成色=R(红色%)+G(绿色%)+B(蓝色%)但是,人眼主观亮度感觉灵敏度因颜色而异,等亮度的红、绿、蓝三色合成白光,人眼对于该白光亮度的感觉Y和红、绿、蓝三色光强的关系为Y0.3R+0.59G+0.11B视觉辨色和色盲分为红色盲,绿色盲,蓝色盲和全色盲.颜色辨认能力迟钝为色弱.无有效治疗方法.色盲分先天性色盲和后天性色盲,前者双眼视功能正常而辨色异常,患者常在检查后方知晓.后天性(获得性)色盲可能为眼疾后遗症,如单眼色盲常见于视网膜变性或视神经病.双眼色盲可因药物中毒引起.白内障可引发色弱.我国男色盲率:4.71 0.074%,我国女色盲率:0.67 0.036%我国色盲基因携带者的频率:8.98%RGB 颜色空间与CMY 颜色空间的互补关系RGB 相加混色CMY 相减混色对应颜色000 111 黑001 110 蓝010 101 绿011 100 青100 011 红101 010 品红110 001 黄色111 000 白色5.颜色空间将三基色合成色的下列表达式合成色=R(红色%)+G(绿色%)+B(蓝色%)与直角坐标系位置矢量对比,给出合成色分布的几何空间形象,在R G B空间中的任一点给出一个特定的合成色描述颜色有多种方法,其中:RGB 颜色空间:用于图像采样和显示过程YUV 颜色空间:用于电视技术CMY 颜色空间:用于染料和印刷YUV 颜色空间亮度信号Y,色差信号U(B-Y)和V(R-Y)采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的.如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像.彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号.YUV与RGB相互转换的公式如下(RGB取值范围均为0-255)R=Y+1.14V G=Y-0.39U-0.58V B=Y+2.03U CMY 颜色空间这种颜色表示法用于彩色打印和印刷系统定义:油墨或颜料三基色是青(C)、品红(M)和黄(Y).任何一种由颜料表现的色彩都可用这三种基色按不同比例混合而成.由于彩色墨水和颜料化学特性,用等量的CMY 三基色混合不出来真正的黑色，因此在印刷技术中常增加一种颜色Black Ink，所以CMY 又可以写成CMYK.三三.数字化图像数字化图像图像信号的数字化,也就是按一定的间隔自左到右、自上而下提取画面信息,并按一定的精度进行量化的过程.常用的图像数字化设备有扫描仪和数字相机等.1.获取数字图像获取数字图像形成数字图像要经过采样,量化和编码三步.采样的细致程度决定图像分辨率,量化的细致程度决定图像色深.采样原理:如果采样方格的尺度是图像中所包含的最细致图形中基本元素尺度的二分之一,则所得到的数字图像信息就可以重建原图.量化原理量化的质量由人的视觉要求决定.黑白灰度图像在计算机中灰度级以2 的整数幂表示.灰度等级为2的图像称为二值图像,其画面只有黑白之分.用8位二进制数表示256 级灰度,足以满足视觉对黑白照片的灰度层次的要求.彩图的三基色分别用单字节表示色深,可达16M色深分辨率,基本满足视觉要求.2.数字图像采样方法数字图像采样方法(2009年诺贝尔物理学奖授予CCD发明人)CCD电荷耦合半导体器件Charge Coupled Device 可把影像转化为数字信号.CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel),一块CCD上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高.CCD应用于摄像机、数码相机和扫描仪.前两者中使用平面型CCD,而扫描仪中使用直线型CCD.CCD结构和工作原理CCD结构为微型镜头,分色滤色,感光层第一层为微型镜头,用于提高感光层采光率.第二层为分色片,将光线分为RGB三原色.第三层为感光层,将穿过滤色层的光转换成电信号,传送到影像处理芯片.图像经过镜头聚焦至CCD芯片,CCD根据光的强弱形成相应比例的电荷,在扫描时序控制下,逐点对电荷采样,形成数字图像信号.CCD器件的光谱响应CCD器件由硅材料制成,对近红外比较敏感,光谱响应可延伸至1000nm,响应峰值在550nm(绿光).电子眼(黑白)监视器用近红外灯照明,夜间人眼看不清的情况,在监视器上也可清晰成像.由于CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极,所以CCD对紫外不敏感彩色摄像机的成像单元上有红绿蓝三色滤光条,所以对红外和紫外均不敏感.3.数字图像的质量与数据量数字图像的质量与数据量数字化图像的重现质量与数字化图像的数据量有关.而数字化图像的数据量取决于图像分辨率和图像色深两个因素.数据量(单位Byte)分辨率色深/8例:分辨率640480的真彩色图像,文件大小为 64048024/8 900kB分辨率1024768的真彩色图像,文件大小为10247683 2.3MB4.数字图像文件的格式数字图像文件的格式文件格式决定图像编码和压缩的类型.图像文件结构:文件头:描述图像数据的结构.包括分辨率,色深,尺寸,彩色类型,编码方式,文件体:决定文件大小,包括图像数据,彩色变换表.文件尾:可省略,包含一些作者的说明信息.BMP位图文件格式Windows 支持,不压缩,文件占用空间大.色深1 位、4 位、8 位或24 位GIF 图形交换格式最多8位色深,在一个GIF 文件中可存储多幅彩色图像,将它们逐幅显示可构成简单动画.GIF 文件数据经过压缩(LZW)TIFF 标记图像格式允许多达48 位彩色分辨（R/G/B各16 位）,有四类格式：TIFF-B 二值图像，TIFF-G 黑白灰度图像，TIFF-P 为带调色板彩色图像,TIFF-R 为RGB 真彩色PNG网页图像格式支持真彩色图像色深可达48 位,灰度图像色度可达16 位,还有颜色索引图像.PSD 图像格式是Photoshop 自定义的格式,通用性低.PDF 格式Adobe Acrobat 程序可打开编辑PDF 文件，显示方便，可放大或缩小.JPG压缩图像文件最常用的图像文件格式.5.数字图像处理数字图像处理调整对比度、色调、亮度等;还有模糊处理、锐化处理、复原处理等;镜像、平移、旋转、缩放等;图像增强处理、坐标变换、噪声去除、二值化等;还有色彩变换、图像的合成等.四四.静态图像压缩静态图像压缩1.图像冗余图像冗余经过数字采样量化的图像数据中有大量冗余,即可通过其他精简的方式表达同样的信息.冗余性主要有下列几种形态空间冗余:某区域内的像素全同.时间冗余:图像中的两区域相似.视觉冗余:图像信息过于细致超过感知限度.2.静态图像压缩标准静态图像压缩标准JPEG Joint Photograghic Experts GroupJPEG 算法在1992 年被确定为国际标准,给出关于彩色,灰度,静止图像的压缩标准.JPEG 不仅适于静态图像的压缩,电视图像序列的帧内图像的压缩编码也常采用JPEG压缩标准.压缩比可选,其中0级压缩量最大,图像品质最差,压缩比达40:1;而压缩量最轻微的10级的压缩比为5:1,其图像与原图难区分.JPEG2000可渐进传输和分区选压缩比.习题习题1.说明图像和图形的差别.真彩色的色深多少位?2.640480分辨率的真彩色图像,不压缩时的文件大小为多少？3.若每个基色用一个字节表示色深,则该显示系统中一个像素最多可以呈现多少种颜色.4.光线的三基色和颜料的三基色分别是什么?5.解释CRT,LCD,LED,PDP,OLED和FED的含义.6.DLP投影仪中的DMD是那家公司的技术专利？7.列举LED的三个实际应用的实例.8.照相机和扫描仪中的CCD有何差别?9.CCD对何种颜色的光线最敏感?10.哪一种显示器的工作原理中利用了偏振光在晶体中的旋光性？