单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版副标题样式,第2章 数字图像表示及其处理,本章重点：,图像的数字化以及数字化图像表示方法,图像存储格式,用,VC+,实现图像的读、写以及显示的编程,第2章 数字图像表示及其处理本章重点：,2.1 人眼成像过程,2.2 简单的图像形成模型,2.3 图像的数字化,2.4,数字图像的基本类型,2.5,数字图像的基本文件格式,第2章 数字图像表示及其处理,2.1 人眼成像过程第2章 数字图像表示及其处理,2.1 人眼成像过程,人眼是一个平均半径为,20mm,的球状器官。它由三层薄膜包围。最外层是坚硬的蛋白质膜，其中，位于前方的大约,1,6,部分为有弹性的透明组织，称为角膜，光线,从这里进入眼内。,其余,5,6,为白色不透明组织，称为巩膜，作用是巩固和保护整个眼球。中间一层由虹膜和脉络膜组成。,虹膜的中间有一个圆孔，称为瞳孔。它的大小可以由连接虹膜的环状肌肉组织来调节，以控制进入眼睛内部的光通量大小，其作用和照相机中的光圈一样。最内一层为视网膜，它的表面分布有大量光敏细胞。,2.1 人眼成像过程 人眼是一个平均半径为20mm的球,除了三层薄膜，在瞳孔后面还有一个扁球形的透明水晶体。水晶体的作用如同可变焦距的一个透镜，它的曲率可以由睫状肌的收缩进行调节，从而使景象始终能刚好地聚焦于黄斑区。眼睛的晶状体和普通光学透镜之间的主要差别在于前者的适应性强。,用眼睛看建筑物侧面的图解，,C,点是晶状体的光心,除了三层薄膜，在瞳孔后面还有一个扁球形的透明水晶体。水,2.,2,简单的图像形成模型,一幅图像实际上记录的是物体辐射能量的空间分布，这个分布是空间坐标、时间和波长的函数，即:,I=(,x,y,z,t,),。,当一幅图像为平面单色静止图像时，空间坐标变量,z,波长,和时间变量,t,可以从函数中去除，一幅图像可以用二维函数,f,(,x,y,),来表示:,f(x,y)=i(x,y)r(x,y),这里,0i(x,y),0r(x,y)1,反射分量限制在,0,和,1,之间。,i(x,y),的性质取决于照射源，而,r(x,，,y),取决于成像物体的特性。,2.2 简单的图像形成模型一幅图像实际上记录的是物体辐射能量,2.,3,图像的数字化,数字图像可以理解为对二维函数,f,(,x,，,y,),进行采样和量化,(,即离散处理,),后得到的图像，因此，通常用二维矩阵来表示一幅数字图像。,将一幅图像进行数字化的过程就是在计算机内生成一个二维矩阵的过程。,数字化过程包括三个步骤：扫描、采样和量化。,2.3 图像的数字化数字图像可以理解为对二维函数f(x，y),2.,3.1,采样,采样（,Sampling,）:对图像空间坐标的离散化，它决定了图像的空间分辨率。,用一个网格把待处理的图像覆盖，然后把每一小格上模拟图像的各个亮度取平均值，作为该小方格中点的值；或者把方格的交叉点处模拟图像的亮度值作为该方格交叉点上的值。,图像的采样,2.3.1 采样 采样（Sampling）:对图像空间坐标的,对一幅图像采样时，若每行（即横向）像素为,N,个，每列（即纵向）像素为,M,个，则图像大小为,MN,个像素，从而,f(x,y),构成一个,MN,实数矩阵：,每个元素为图像,f(x,y),的离散采样值，称之为像元或像素。,对一幅图像采样时，若每行（即横向）像素为N个，每列（即纵向）,2.,3.1,量化,把采样后所得的各像素灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。,量化是对图像幅度坐标的离散化，它决定了图像的幅度分辨率。,2.3.1 量化把采样后所得的各像素灰度值从模拟量到离散量的,量化的方法包括：分层量化、均匀量化和非均匀量化。,分层量化是把每一个离散样本的连续灰度值只分成有限多的层次。,均匀量化是把原图像灰度层次从最暗至最亮均匀分为有限个层次，如果采用不均匀分层就称为非均匀量化。,量化的方法包括：分层量化、均匀量化和非均匀量化。,(,a),量化 (,b),量化为8,bit,量化示意图,(a)量化 (b,(a)256,级灰度图象,(,b),子图,(,c),子图对应的量化数据,图像量化实例,(a),(,b),(,c),(a)256级灰度图象 图像量化实例(a)(b)(c),对一幅图像，当量化级数一定时，采样点数对图像质量有着显著的影响。采样点数越多，图像质量越好；当采样点数减少时，图上的块状效应就逐渐明显。,当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一样。量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量越差。,量化级数最小的极端情况就是二值图像，图像会出现假轮廓。,采样点数和量化级数的关系：,对一幅图像，当量化级数一定时，采样点数对图像质量有着显著的影,(,a),采样点256,256时的图像,(,b),采样点64,64时的图像,(,c),采样点32,3,2时的图像,(,d),采样点16,1,6时的图像,采样点数与图像质量之间的关系,(,a),(,b),(,c),(,d),采样点数与图像质量之间的关系(a)(b)(c)(d),(,a),量化为2级的,Lena,图像,(,b),量化为16级的,Lena,图像,(,c),量化为256级的,Lena,图像,量化级数与图像质量之间的关系,(a)量化为2级的Lena图像 量化级数与图像质量,2.,4,数字图像的基本类型,计算机一般采用两种方式存储静态图像：,位映射（,Bitmap,），即位图存储模式；,向量处理（,Vector,），也称矢量存储模式。,位图也称为栅格图像，是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色属性和位置属性。,矢量图只存储图像内容的轮廓部分，而不是存储图像数据的每一点。,2.4 数字图像的基本类型计算机一般采用两种方式存储静态图像,2.,4.1,二值图像,二值图像也叫黑白图像，就是图像像素只存在,0,1,两个值。,二进制的,lenna,图像,2.4.1 二值图像二值图像也叫黑白图像，就是图像像素只存在,2.,4.2,灰度图像,灰度图像是包含灰度级的图像，如,64,级，,256,级等。,如当像素灰度级用,8 bit,表示时，每个像素的取值就是,256,种灰度中的一种，即每个像素的灰度值为,0,到,255,中的一个。,通常，用,0,表示黑，,255,表示白，从,0,到,255,亮度逐渐增加。,2.4.2 灰度图像灰度图像是包含灰度级的图像，如64级，2,2.,4.3,索引图像,索引图像把像素值直接作为索引颜色的序号。,根据索引颜色的序号就可以找到该像素的实际颜色。,当把索引图像读入计算机时，索引颜色将被存储到调色板中。,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。调色板的单元个数是与图像的颜色数一致的。,256,色图像有,256,个索引颜色，相应的调色板就有,256,个单元。,2.4.3 索引图像索引图像把像素值直接作为索引颜色的序号。,2.,4.4 RGB,彩色图像,RGB,图像是一类图像的总称。,这类图像不使用单独的调色板，每一个像素的颜色由存储在相应位置的红、绿、蓝颜色分量共同决定。,RGB,图像是,24,位图像，红、绿、蓝分量分别占用,8,位，理论上可以包含,16M,种不同的颜色。,2.4.4 RGB彩色图像RGB图像是一类图像的总称。,2.,5,数字图像的基本文件格式,每一种图像文件均有一个文件头，在文件头之后才是图像数据。,文件头的内容一般包括文件类型、文件制作者、制作时间、版本号、文件大小等内容。,各种图像文件的制作还涉及到图像文件的压缩方式和存储效率等。,常用的图像文件存储格式主要有,BMP,文件、,JPG,文件、,PCX,文件、,TIFF,文件以及,GIF,文件等。,2.5 数字图像的基本文件格式每一种图像文件均有一个文件头，,2.,5.1 BMP,图像文件格式,2.5.1 BMP图像文件格式,第一部分为位图文件头,BITMAPFILEHEADER,，它是一个结构体，其定义如下：,typedef struct tagBITMAPFILEHEADER,WORD bfType;,DWORDbfSize;,WORDbfReserved1;,WORDbfReserved2;,DWORDbfOffBits;,BITMAPFILEHEADER;,这个结构的长度是固定的，为,14,个字节（,WORD,为无符号,16,位二进制整数，,DWORD,为无符号,32,位二进制整数）。,第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER，它是一,第二部分为位图信息头,BITMAPINFOHEADER,，也是一个结构，其定义如下：,typedef struct tagBITMAPINFOHEADER,DWORD biSize,；,LONGbiWidth,；,LONGbiHeight,；,WORDbiPlanes,；,WORDbiBitCount,；,DWORDbiCompression,；,DWORDbiSizeImage,；,LONGbiXPelsPerMeter,；,LONGbiYPelsPerMeter,；,DWORDbiClrUsed,；,DWORDbiClrImportant,；,BITMAPINFOHEADER,；,第二部分为位图信息头BITMAPINFOHEADER，也是一,这个结构的长度是固定的，为,40,个字节（,LONG,为,32,位二进制整数）。其中，,biCompression,的有效值为,BI_RGB,、,BI_RLE8,、,BI_RLE4,、,BI_BITFIELDS,。,第三部分为调色板,(Palette),。真彩色图像不需要调色板。调色板实际上是一个数组，共有,biClrUsed,个元素。数组中每个元素的类型是,RGBQUAD,结构，占,4,个字节，其定义如下：,typedef struct tagRGBQUAD,BYTE rgbBlue;/,该颜色的蓝色分量,BYTE rgbGreen;/,该颜色的绿色分量,BYTE rgbRed;/,该颜色的红色分量,BYTE rgbReserved;/,保留值,RGBQUAD;,第三部分为调色板(Palette)。真彩色图像不需要调色板,第四部分就是实际的图像数据。对于用到调色板的位图，图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值，对于真彩色图像，图像数据就是实际的,R,、,G,、,B,值。,对于,2,色位图，用,1,位就可以表示该像素的颜色（一般,0,表示黑，,1,表示白），所以一个字节可以表示,8,个像素。,对于,16,色位图，用,4,位可以表示一个像素的颜色，所以,1,个字节可以表示,2,个像素。,对于,256,色位图，一个字节刚好可以表示,1,个像素。,第四部分就是实际的图像数据。对于用到调色板的位图，图像数据就,2.,5.2 TIFF,图像文件格式,标记图像文件格式,TIFF(Tag Image File Format),是目前图像文件格式中最复杂的一种，也是目前流行的图像文件交换标准之一。,TIFF,格式文件的设计考虑了扩展性、方便性和可修改性，因此非常复杂，要求用更多的代码来控制它，结果导致文件读写速度慢，,TIFF,代码也很长。,TIFF,文件由文件头、参数指针表与参数域、参数数据表和图像数据,4,部分组成。,2.5.2 TIFF图像文件格式标记图像文件格式TIFF(,参数指针由一个,2,字节的整数和其后的一系列,12,字节参数域构成，最后以一个长整型数结束。若最后的长整型数为,0,，表示文件的参数指针表到此为止，否则该长整数为指向下一个参数指针表的偏移。,参数指针由一个2字节的整数和其后的一系列12字节参数,数字图像处理第2章课件,2.,5.3 GIF,图像文件格式,GIF（Graphics Interchange Format）文件的全称是图形交换文件格式。,该形式存储的文件主要是为不同的系统平台交流和传输图像提供方便,是在Web及其他联机服务上常用的一种文件格式，用于 HTML文档中的索引颜色图像。图像最大不能超过64 M，颜色最多为2