交互设计-第2讲 图像处理初步.ppt
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1、第 2 讲,数字图像基础,2.1 图像数字化技术2.2 数字图像类型2.3 图形文件格式2.4 图像获取,数字图像,人眼能识别的自然景象或图像原也是一种模拟信号,为了使计算机能够记录和处理图像、图形,必须首先使其数字化。数字化后的图像、图形称为数字图像、数字图形,一般也简称为图像、图形。,图像处理系统示意图,数字图像:直接量化的原始信号,图像的最小单位是像点 用于表现自然影像,图形:运算形成的抽象化产物,图形由具有方向和长度的 矢量表示 用于分析运算结果,简单 图形表示,教学进程,2.2 数字图像类型,根据数字图像的特性可将其分为:矢量(Vector)图和位图(Bitmap)。矢量图是用一系列
2、绘图指令来表示一幅图。这幅图可以分解为一系列子图如:点、线、面等。这种方法的本质是用数学公式描述一幅图像。图像中每一个形状都是一个完整的公式,称为一个对象。2.位图(bit-mapped image)是用像素点来描述或映射的图,也即位映射图。位图在内存中也就是一组计算机内存地址位(bit)组成,这些位定义图像中每个像素点的颜色和亮度。位图一般也称为图像。位图可以从传统的相片、幻灯片上制作出来或使用数字相机得到,也可以利用Windows的画笔(Painbrush)用颜色点填充网格单元来创建位图。,2.2 数字图像类型,优点:容量:它的文件数据量很小;图像质量与分辨率无关,这意味着无论将图像放大或
3、缩小了多少次,图像总是以显示设备允许的最大清晰度显示。在计算机计算与显示一幅图像时,也往往能看到画图的过程。存盘后文件的大小与图形中元素的个数和每个元素的复杂程度成正比。而与图形面积和色彩的丰富程度无关。缺点:不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像,而且绘出来的图像不是很逼真,同时也不易在不同的软件间交换文件。,矢量图特点,图形由具有方向和长度的矢量表示用于分析运算结果,简单图形表示,教学进程,图形:用数学公式或模型来描述,windows标准图元文件*.wmf和增强型图元文件*.emf等等。,位图图像特点,教学进程,在计算机上存储图像最普通和广泛的形式是位图。,特点:适于“获取”和“复制”,表现
4、力丰富,但编辑较复杂位图的绘制过程也即逐点映射的过程,与图像的复杂程度无关。位图的表现力强,可适于任何自然图像,细腻、层次多、细节多。图形面积越大,文件的字节数越多,文件的色彩越丰富,文件的字节数越多。,位图图像,教学进程,1)矢量图与位图的转换 通过软件,矢量图可以轻松地转换为位图,而位图转换为矢量图就需要经过复杂而庞大的数据处理,而且生成的矢量图的质量无法跟原来的图形相比。2)矢量图与位图的组合使用 矢量图和位图在应用上可以相互结合,例如可以用矢量图形建模、位图贴图实现逼真的视觉效果等。,矢量图与位图的关系,计算机显示图像时采用位图块拷贝。对图形显示,需要计算机依照特定的算法生成。对图形而
5、言,其关键算法主要有:图形数据结构研究、计算机自动造型、参数化设计等。对图像而言,其关键算法主要有:图像的压缩与编码、图像的恢复与重建、图像的解释与识别、计算机视觉等等。,我们日常生活中见到的图像一般是连续形式的模 拟图像,所以数字图像处理的一个先决条件就是 将连续图像离散化,转换为数字图像。图像的数字化包括采样和量化两个过程,连续图像f(x,y)经数字化后,可以用一个离散量组成的矩阵g(i,j)(即二维数组)来表示。,图像数字化概念,位图图像的表示,如果将一幅图像分成许多个被称为象素(Pixel)的小区域,每个象素中的灰度平均值用一个整数来表示,这便是数字信号。数字图像是由矩阵构成,矩阵中包
6、含有不同的象素值。数字图像是以一规则的数字量集合来表示的物理图像,图像用计算机处理必须赋予数字形式。,(2)数字化采样一般是按正方形点阵取样的,除此之外还有三角形点阵、正六角形点阵取样。如图所示。,(3)以上是用g(i,j)的数值来表示(i,j)位置点上灰度级值的大小,即只反映了黑白灰度的关系,如果是一幅彩色图像,各点的数值还应当反映色彩的变化,可用g(i,j,)表示,其中是波长。如果图像是运动的,还应是时间t的函数,即可表示为g(i,j,t)。,2.采样,图像在空间上的离散化称为采样。也就是用空间上部分点的灰度值代表图像,这些点称为采样点。由于图像是一种二维分布的信息,需要先将二维信号变为一
7、维信号,再对一维信号完成采样。具体做法:先沿垂直方向按一定间隔从上到下顺序地沿水平方向直线扫描,取出各水平线上灰度值的一维扫描。而后再对一维扫描线信号按一定间隔采样得到离散信号,即先沿垂直方向采样,再沿水平方向采样这两个步骤完成采样操作。,采样示意图,模拟图像经过采样后,在时间和空间上离散化为像素。但采样所得的像素值(即灰度值)仍是离散量。把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。图a说明了量化过程。若连续灰度值用z来表示,对于满足zizzi+1的z值,都量化为整数qi。qi称为像素的灰度值,z与qi的差称为量化误差。一般,像素值量化后用一个字节8 bit来表示。如
8、图所示,把由黑灰白的连续变化的灰度值,量化为0255共256级灰度值,灰度值的范围为0255,表示亮度从深到浅,对应图像中的颜色为从黑到白。,3.量化,量化示意图(a)量化;(b)量化为8 bit,对一幅图像,当量化级数Q一定时,采样点数MN 对图像质量有着显著的影响。如图所示,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。,4.采样与量化的选择,用二进制表示就是从00000000到11111111,总共需要8位二进制数。,图2-4 不同采样点数对图像质量的影响(a)原始图像(256256);(b)采样1(128128);(c)采样2(6464);(d)采样3(323
9、2);(e)采样4(1616);(f)采样5(88),图像的属性,2.3,像素点、图像分辨率、图像深度,图像分辨率,图像分辨率是确立组成一幅图像的像素数目,图像分辨率用每英寸多少点(dot per inch dpi)表示,指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对同样大小的一幅原图,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/输出时起作用;它决定图像的点阵数。而且,不同的分辨率会造成不同的图像清晰度。,图像分辨率,教学进程,常见分辨率,平板扫描仪:1200 dpi,底片扫描仪 4800 dpi,印刷图片 普通:300dpi 高精度:600 dpi,显
10、示器:96 dpi 显示用图片:96 dpi 动画、视频:96 dpi,喷墨打印机:7202880 dpi,激光打印机:6001200 dpi,教学进程,图像深度,也称像素深度、或色彩深度。是指位图中记录每个像素点所占的位数,它决定了彩色图像中可出现的最多颜色数,或者灰度图像中的最大灰度等级数。图像的色彩需用三维空间来表示,如RGB色彩空间,而色彩的空间表示法又不是唯一的,所以每个像素点的图像深度的分配还与图像所用的色彩空间有关。以最常用的RGB色彩空间为例,图像深度与色彩的映射关系主要有真彩色、伪彩色和调配色。,在灰度图像中,像素灰度级用8 bit表示,所以每个像素都是介于黑色和白色之间的2
11、56(28=256)种灰度中的一种。灰度图像只有灰度颜色而没有彩色。我们通常所说的黑白照片,其实包含了黑白之间的所有灰度色调。从技术上来说,就是具有从黑到白的256种灰度色域(Gamut)的单色图像。,1)灰度图像,索引颜色通常也称为映射颜色,在这种模式下,颜色都是预先定义的,并且可供选用的一组颜色也很有限,索引颜色的图像最多只能显示256种颜色。一幅索引颜色图像在图像文件里定义,当打开该文件时,构成该图像具体颜色的索引值就被读入程序里,然后根据索引值找到最终的颜色。,4)索引图像,真彩色:,真彩色(true-color)是指图像中的每个像素值都分成R、G、B(红、绿和蓝)三个基色分量,每个基
12、色分量直接决定其基色的强度,这样产生的色彩称为真彩色。例如图像深度为24,用R:G:B8:8:8来表示色彩,则R、G、B各占用8位来表示各自基色分量的强度,每个基色分量的强度等级为28256种。图像可容纳22416 M 种色彩。这样得到的色彩可以反映原图的真实色彩,故称真彩色。,颜色数量与颜色深度,颜色数量用于表示图像色彩的有限位二进制数。,颜色深度表示一个像素的二进制位数,以bit为单位。,教学进程,图像数据的容量,在扫描生成一幅图像时,实际上就是按一定的图像分辨率和一定的图像深度对模拟图片或照片进行采样,从而生成一幅数字化的图像。图像的分辨率越高、图像深度越深,则数字化后的图像效果越逼真、
13、图像数据量越大。如果是按照像素点及其深度映射的图像数据大小可用下面的公式来估算:图像数据量图像的总像素图像深度/8(Byte)一幅640480、真彩色的图像,其文件大小约为:64048024/8=1MByte 在多媒体应用中,更应考虑好图像容量与效果的关系。由于图像数据量很大,因此,数据的压缩就成为图像处理的重要内容之一。,图像文件的格式与数据量,2.4,图像的压缩格式,1 图像数据压缩的基本概念 数字图像的数据量是非常大的,存贮时会占用大量空间,在数据传输时数码率非常高,这对通信信道及网络都造成很大压力。因此,图像处理的重要内容之一就是图像的压缩编码。图像数据的压缩基于两点:1)原始图像信息
14、存在着很大的冗余度,数据之间存在着相关性,如相邻像素之间色彩的相关性等。2)其次是因为在多媒体系统的应用领域中,人眼是图像信息的接收端。因此,可利用人的视觉对于边缘急剧变化不敏感(视觉掩盖效应),以及人眼对图像的亮度信息敏感、对颜色分辨率弱的特点实现高压缩比,而解压缩后的图像信号仍有着满意的主观质量。,人眼对图像的亮度信息敏感、对颜色分辨率弱,由此发展出数据压缩的两类基本方法:一种是将相同的或相似的数据或数据特征归类,使用较少的数据量描述原始数据,达到减少数据量的目的。这种压缩一般为无损压缩。第二类方法是利用人眼的视觉特性有针对性地简化不重要的数据,以减少总的数据量。这种压缩一般为有损压缩,只
15、要损失的数据不太影响人眼主观接收的效果,就可采用。图像压缩的主要参数之一是图像压缩比。,三、数据压缩的可能性1空间冗余2时间冗余3结构冗余4知识冗余5视觉冗余6图像区域相同性冗余7纹理的统计冗余,2 行程编码 在一些图块中,许多连续的扫描行都具有同一种颜色,或者同一扫描行上有许多连续的像素都具有相同的颜色值。仅仅存储一个像素值以及具有相同颜色的像素数目。这种编码称为行程编码,或称游程编码,常用RLE(Run-Length Encoding)表示。,直观和经济,运算也相当简单,因此解压缩速度很快。RLE 的压缩率的大小取决于图像本身的特点。如果图像中具有相同颜色的横向色块越大、这样的图像块数目越
16、多,压缩比就越大;反之就越小。如果图像中有大量纵向色块,则可先把图像旋转90度,再用RLE压缩,也可以得到较大的压缩比。,3 增量调制编码 RLE 编码实际上是利用图像的横向坐标间像素值的一致性压缩坐标数目,如果连续的像素值不完全一致则不能压缩。自然图像往往具有这样的特点:在比较大的范围内,图像的颜色虽不完全一致,但变化不大。因此,在这些区域中,相邻像素的像素值相差很小,具有很大的相关性。在一幅图像中,除了轮廓特别明显的地方,大部分区域都具有这种特点。增量调制编码(Delta Modulation Encoding)就是利用图像相邻像素值的相关性来压缩每个像素值的位数,达到最终减少图像存贮容量
17、的目的。,4 霍夫曼编码,霍夫曼编码的基本方法是先对图像数据扫描一遍,计算出各种像素出现的概率,按概率的大小指定不同长度的唯一码字,由此得到一张该图像的霍夫曼码表。编码后的图像数据记录的是每个像素的码字,而码字与实际像素值的对应关系记录在码表中。当然,码表是附在图像文件中的。实际应用中,霍夫曼编码也常与别的编码方法一起结合起来使用。如把霍夫曼编码与增量调制编码结合起来对图像进行编码,得到的压缩比要比采用单一的编码方法所得的压缩比高,效果更好。,图像文件结构,1 图像文件的一般结构 一般的图像文件结构主要都包含有文件头、文件体和文件尾等三部分:,文件头的主要内容包括产生或编辑该图像文件的软件的信
18、息以及图像本身的参数。这些参数必须完整地描述图像数据的所有特征,因此是图像文件中的关键数据。当然,根据不同的文件,有的参数是可选的,如压缩算法,有的文件无压缩,有的文件可选择多种方法压缩。,文件尾是可选项,可包含一些用户信息。有的文件格式不包括这部分内容。由于文件体数据量较之文件头与文件尾要大得多,而文件体中色彩变换表或调色板所占用的空间一般也比图像数据小得多,因此图像文件的容量一般能够表示图像数据的容量(压缩或无压缩)。,文件体主要包括图像数据以及色彩变换查找表或调色板数据。这部分是文件的主体,对文件容量的大小起决定作用。如果是真彩色图像,则无色彩变换查找表或调色板数据,对于256色的调色板
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