內(nèi)容概括：

• 基本概念
  1. 圖像的表示（二維數(shù)組表示）
  2. 圖像的質(zhì)量
  3. 人類的視覺模型
  4. 圖像的顏色
  5. 圖像的描述
  6. 圖像的直方圖

圖像的數(shù)字化

關(guān)于圖像的數(shù)字化膘茎，主要包括兩個方面：采樣、量化

• 采樣是對空間坐標(biāo)X俘枫、Y進(jìn)行數(shù)字化，也即離散化；
• 量化是幅度值即I=f(x,y,z,λ,t)的I值進(jìn)行數(shù)字化挫剑。此處的量化需要對整個灰度級進(jìn)行數(shù)字化，然后根據(jù)對應(yīng)的I值進(jìn)行對應(yīng)柱衔。

圖像采樣

• 在取樣時樊破，若橫向的像素?cái)?shù)（列數(shù)）為M ，縱向的像素?cái)?shù)（行數(shù)）為N唆铐，則圖像總像素?cái)?shù)為M*N個像素哲戚。
• 一般來說，采樣間隔越大艾岂，所得圖像像素?cái)?shù)越少顺少，空間分辨率低，質(zhì)量差王浴，嚴(yán)重時出現(xiàn)馬賽克效應(yīng)脆炎；采樣間隔越小，所得圖像像素?cái)?shù)越多氓辣，空間分辨率高秒裕，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大钞啸。
• 采樣又可分為均勻采樣和非均勻采樣几蜻。
  1. 圖像均勻采樣量化——像素灰度值在黑白范圍較均勻分布的圖像喇潘。

  2. 圖像非均勻采樣量化——對圖像中像素灰度值頻繁出現(xiàn)的灰度值范圍，量化間隔取小一些梭稚，而對那些像素灰度值極少出現(xiàn)的范圍颖低，則量化間隔取大一些。

     
     
     image.png

圖像量化

• 量化等級越多（對從白到黑的亮度進(jìn)行數(shù)字化）哨毁，所得圖像層次越豐富枫甲，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好扼褪，但數(shù)據(jù)量大想幻；量化等級越少，圖像層次欠豐富话浇，灰度分辨率低脏毯，會出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差幔崖，但數(shù)據(jù)量小.

• 非統(tǒng)一的圖像的量化

  1. 在邊界附近使用較少的灰度級食店。剩余的灰度級
     可用于灰度級變化比較平滑的區(qū)域

  2. 避免或減少由于量化的太粗糙，在灰度級變化
     比較平滑的區(qū)域出現(xiàn)假輪廓的現(xiàn)象

     
     
     image.png
     
     

     很明顯赏寇，數(shù)字圖像的質(zhì)量在很大程度上取決于取樣和量化中所用的樣本數(shù)和灰度級吉嫩。一般，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時, 為了得到質(zhì)量較好的圖像可采用如下原則：

  （1） 對緩變的圖像嗅定， 應(yīng)該細(xì)量化自娩， 粗采樣， 以避免假輪廓渠退。

  （2） 對細(xì)節(jié)豐富的圖像忙迁，應(yīng)細(xì)采樣，粗量化碎乃， 以避免模糊（混疊）姊扔。

數(shù)字圖像的描述

• 黑白圖像

  指圖像的每個像素只能是黑或者白，沒有中間的過渡梅誓，故又稱為２值圖像恰梢。2值圖像的像素值為0、1梗掰。

  image

• 灰度圖像

  灰度圖像是指每個像素的信息由一個量化的灰度級來描述的圖像嵌言，沒有彩色信息。

image

• 彩色圖像

  彩色圖像是指每個像素的信息由RGB三原色構(gòu)成的圖像愧怜，其中RBG是由不同的灰度級來描述的。

  image

關(guān)于這兩幅圖的理解：
以下是我在學(xué)習(xí)過程中妈拌，對于這兩幅圖片理解上的一些困惑拥坛，由于沒怎么學(xué)過圖像圖像蓬蝶，所以很low

圖片一.png

圖片二.png

疑問：一張圖用方格表示像素，一張用點(diǎn)表示像素猜惋，其實(shí)第二張圖中的每個點(diǎn)代表了圖片一種的一個方格丸氛，更或者說是方格中的像素值，我猜想的演化過程應(yīng)該按照如下的方式進(jìn)行對照演化：

image.png

圖像的質(zhì)量

灰度和灰度級

• 灰度——表示圖像像素明暗程度的數(shù)值
• 灰度級——表明圖像中不同灰度的最大數(shù)值（圖像數(shù)據(jù)的實(shí)際灰度級越多著摔，圖像視覺效果越好）

灰度級.png

對比度（明暗程度的反差）

• 對比度——反映一幅圖像中灰度方差的大小

• 對比度=最大灰度值/最小灰度值（對比度低的圖像會表現(xiàn)出來灰蒙蒙的狀態(tài)）

  
  
  對比度.png
  
  

  當(dāng)然除了對比度以外還有亮度缓窜、飽和度等，但是這些都屬于主觀評價——通過人眼主管視覺效果進(jìn)行判斷谍咆，除此之外還有客觀評價——通過客觀的測量給出量化指標(biāo)

客觀評價
傳統(tǒng)的客觀評價方法
通過計(jì)算恢復(fù)圖像（編碼以后的圖像或處理以后的圖像）偏離原始圖像的(灰度值)誤差來衡量恢復(fù)圖像的質(zhì)量禾锤，最常用的有均方誤差（MSE）和峰值信噪比（PSNR）

• 均方誤差（MSE）

  
  
  image.png

• 峰值信噪比（PSNR）

  
  
  image.png

注：其中N、M分別是x方向摹察、y方向圖像像素點(diǎn)的個數(shù)恩掷；
帶有下標(biāo)的f函數(shù)，分別表示原始圖像和測試圖像在（i,j）點(diǎn)上的取值供嚎；
L是圖像中灰度取值的范圍黄娘，對于8比特的灰度圖像而言，L=255
具體計(jì)算過程示例：

image.png

當(dāng)然還有基于人眼視覺特性的客觀評價方法和基于人眼視覺心理特性的客觀評價方法等克滴。

人類的視覺模型

對于人類的視覺模型的內(nèi)容逼争，其實(shí)不是本內(nèi)容的關(guān)鍵，具體的可以參考劉定生老師第三個ppt劝赔，在此只保留自己感興趣的內(nèi)容做記錄誓焦。

• 關(guān)于圖像的幾個重要概念的理解
  理解圖像中基本概念：色調(diào)、色相望忆、飽和度罩阵、對比度、亮度

  1. 對比度：
     對比度指不同顏色之間的差別启摄。對比度越大稿壁，不同顏色之間的反差越大，即所謂黑白分明歉备，對比度過大傅是，圖像就會顯得很刺眼。對比度越小蕾羊，不同顏色之間的反差就越小喧笔。
     亮度：
     亮度指照射在景物或圖像上光線的明暗程度。圖像亮度增加時龟再，就會顯得耀眼或刺眼书闸，亮度越小時，圖像就會顯得灰暗利凑。
  2. 色調(diào)：
     色調(diào)是各種圖像色彩模式下原色的明暗程度浆劲，級別范圍從0到255嫌术，共256級色調(diào)。例如對灰度圖像牌借，當(dāng)色調(diào)級別為255時度气，就是白色，當(dāng)級別為0時膨报，就是黑色磷籍，中間是各種程度不同的灰色。在RGB模式中现柠，色調(diào)代表紅院领、綠、藍(lán)三種原色的明暗程度晒旅，對綠色就有淡綠栅盲、淺綠、深綠等不同的色調(diào)废恋。
     色調(diào)是指色彩外觀的基本傾向谈秫。在明度、純度鱼鼓、色相這三個要素中拟烫，某種因素起主導(dǎo)作有用，可以稱之為某種色調(diào)
  3. 色相：
     色相就是顏色迄本，調(diào)整色相就是調(diào)整景物的顏色硕淑，例如，彩虹由紅嘉赎、橙置媳、黃、綠公条、青拇囊、藍(lán)、紫七色組成靶橱，那么它就有七種色相寥袭。顧名思義即各類色彩的相貌稱謂，如大紅关霸、普藍(lán)传黄、檸檬黃等。色相是色彩的首要特征队寇，是區(qū)別各種不同色彩的最準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)膘掰。事實(shí)上任何黑白灰以外的顏色都有色相的屬性，而色相也就是由原色佳遣、間色和復(fù)色來構(gòu)成的
  4. 飽和度：
     飽和度是指圖像顏色的濃度识埋。飽和度越高啤覆，顏色越飽滿，即所謂的青翠欲滴的感覺惭聂。飽和度越低，顏色就會顯得越陳舊相恃、慘淡辜纲，飽和度為0時，圖像就為灰度圖像拦耐「冢可以通過調(diào)整電視機(jī)的飽和度來進(jìn)一步理解飽和度的概念。

• 在圖像處理中杀糯，常見的顏色模型包括HSB（色相扫俺、飽和度、亮度）固翰、RGB（紅色狼纬、綠色、藍(lán)色）骂际、CMYK（青色疗琉、品紅、黃色歉铝、黑色）和CIE Lab*等盈简，因此，相應(yīng)的顏色模式也就有RGB太示、CMYK柠贤、Lab等。在HSB顏色模型中类缤，色相臼勉、飽和度、亮度是對圖像屬性的基本描述。

• 色相或者色調(diào)（Hue）是從物體反射或透過物體傳播的顏色证鸥。在0°到360°的標(biāo)準(zhǔn)色輪上酗钞，按位置度量色相。通常情況下猖败，色相由顏色名稱標(biāo)識，如紅色降允、橙色或綠色恩闻。

• 飽和度（Saturation，又稱彩度）是指顏色的強(qiáng)度或純度剧董。飽和度表示色相中灰色分量所占的比例幢尚，它使用從0%（灰色）至100%（完全飽和）的百分比來度量破停。在標(biāo)準(zhǔn)色輪上，飽和度從中心到邊緣遞增尉剩。

• 亮度（Brightness或者intensity）是顏色的相對明暗程度真慢，通常使用從0%（黑色）至100%（白色）的百分比來度量

*圖像的色調(diào)通常是指圖像的整體明暗度，例如理茎，如果圖像亮部像素較多的話黑界，則圖像整體上看起來較為明快。反之皂林，如果圖像中暗部像素較多的話朗鸠，則圖像整體上看起來較為昏暗。對于彩色圖像而言础倍，圖像具有多個色調(diào)烛占。通過調(diào)整不同顏色通道的色調(diào)，可對圖像進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整沟启。

• 在圖像處理的各種顏色模型中忆家，HSB模型以人類對顏色的感覺為基礎(chǔ)，描述了顏色的3種基本特性德迹。

視覺三基色假說——格拉斯曼定律

• 所有顏色都可由相互獨(dú)立的三基色得到
• 假如三基色的混合比相等弦赖，則色調(diào)和色飽和度也相等
• 任意兩種顏色混合產(chǎn)生的新顏色與采用三基色分別合成這兩種顏色的各自組成分混合起來得到的結(jié)果相等

• 混合色的光亮度是原來各分量光亮度的總和
  *任意彩色的顏色方程為：

  
  
  image.png

• 加色系統(tǒng)：其基色是紅、綠浦辨、藍(lán)蹬竖；不同比例的三基色光相加得到彩色稱為相加混色
  紅+綠=黃；紅+藍(lán)=紫流酬；藍(lán)+綠=青币厕；紅+綠+藍(lán)=白

  
  
  image.png

• 減色系統(tǒng);其基色是黃、青芽腾、紫（或品紅）旦装；通常為繪畫顏料或者燃料，顏色能吸收入射光光譜中的某些成分摊滔，未吸收的部分被反射阴绢，從而形成了該顏料特有的顏色，這就是相減混色艰躺。當(dāng)不同比例的顏料混合在一起的時候呻袭，他們吸收光譜的成分也隨之改變，從而得到不同的顏色

  
  
  image.png

在圖像處理以及工業(yè)生產(chǎn)中的三種顏色模型

• RGB
  主動產(chǎn)生顏色的光源（顯示器）
• CMYK（青腺兴、品紅左电、黃、黑）
  用于印刷、繪畫等
• HSI（色調(diào)篓足、色飽和度段誊、亮度）
  用于調(diào)整顏色分量

一幅圖像在計(jì)算機(jī)中用RGB空間顯示；用RGB或HSI空間編輯處理栈拖；打印輸出時要轉(zhuǎn)換為CMYK空間连舍；如果要印刷，則要轉(zhuǎn)換成CMYK四副印刷分色圖涩哟，用于套印彩色印刷品烟瞧。

• 顏色模型——RGB模型

  1. RGB顏色模型是三維直角坐標(biāo)顏色系統(tǒng)中的一個單位正方體

  2. 在正方體的對角線上，各原色的量相等染簇，產(chǎn)生由暗到亮的白色，即灰度强岸，（0,0,0）為黑锻弓，（1,1,1）為白，正方體的其他6個角點(diǎn)分別為紅蝌箍、黃青灼、綠、青妓盲、藍(lán)杂拨、品紅

     
     
     image.png
     
     
     image.png

• 顏色模型——CMY模型

  1. CMY 為相減混色，他與相加混色的RGB空間正好互補(bǔ)悯衬，也即用白色減去RGB空間中的某一色彩值就等于同樣色彩在CMY空間中的值弹沽。

  2. 由于彩色墨水和顏料的化學(xué)特性，用等量的CMY三基色得到的褐色不是真正的褐色筋粗，因此在印刷術(shù)中常加一種真正的黑色（black ink）策橘，所以CMY又寫成CMYK

     
     
     顏色對照.png

• 顏色模型——HSI模型

  1. 從人的視覺系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)（Hue）娜亿、色飽和度（Saturation或Chroma）丽已、和亮度（Intensity或Brightness）來描述色彩。
  2. 它比RGB色彩空間更符合人的視覺特性买决。
  3. 在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺中大量算法都可在HSI色彩空間中方便的使用沛婴。
  4. H、S督赤、I可以分開處理而且相互獨(dú)立嘁灯。
  5. 在HSI色彩空間可以大大簡化圖像分析和處理的工作量。
  6. HSI色彩空間和RGB色彩空間只是同一物理量的不同表示法躲舌，因而他們之間存在著轉(zhuǎn)換關(guān)系旁仿。

  7. I :表示光照強(qiáng)度或稱為亮度，它確定了像素的整體亮度，而不管其他顏色是什么枯冈，其最亮值為1,0為最暗

     
     
     image.png

     毅贮、

  8. H：表示色度，由角度表示（0~360°）尘奏。反映了該顏色最接近什么樣的光譜波長（即彩虹中的那種顏色）0°為紅色滩褥，120°為綠色，240°為藍(lán)色炫加。

     
     
     image.png

  9. S:表示色飽和度瑰煎，色飽和度參數(shù)是色環(huán)的原點(diǎn)到色彩點(diǎn)的半徑長度。在環(huán)的外圍圓周是純的或稱飽和的顏色俗孝，其飽和度值為1酒甸，在中心是中性（灰）影調(diào)，即飽和度為0赋铝。

     
     
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     HSI模型.png
     
     
     可見范圍HSI模型.png
     
     
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• 顏色模型之間的轉(zhuǎn)換

  
  
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• 顏色模型的應(yīng)用

  
  
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圖像文件格式

圖像數(shù)據(jù)以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文件方式存儲插勤，像素自己的安排方式與操作系統(tǒng)有關(guān)（windows、unix革骨、mac）,不同的操作系統(tǒng)可能采取不用的文件存儲方式农尖。圖像的編碼方式有：無壓縮、無損壓縮良哲、有損壓縮盛卡。常見的文件格式有：裸數(shù)據(jù)存儲：RAW；格式化數(shù)據(jù)存儲：BMP筑凫、JPEG滑沧、TIFF、GIF等巍实。

• 圖像數(shù)據(jù)的裸格式存儲（如下圖的格式存儲）嚎货，常用于遙感圖像數(shù)據(jù)的存儲，基本格式：（三波段圖像為例）

  
  
  image.png

  1. BIP：波段像素交叉格式

     
     
     image.png
     
     

     2.BIL：波段行交叉格式

     
     
     image.png
     
     3.BSQ：波段景交叉格式
     
     image.png

• 圖像數(shù)據(jù)的格式化存儲
  像素顏色深度——1,2,4,8.16,24bits/pixel
  壓縮方式：LZW蔫浆、rle殖属、CCITT3、CCITT4瓦盛、JPEG洗显、JPEG2000。原环。挠唆。。嘱吗。
  BMP 文件格式：
  windows操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件格式
  雖然大部分BMP文件對圖像數(shù)據(jù)不壓縮玄组，但它本身可支持圖像壓縮滔驾，如rle格式（行程長度編碼，runlength encoding）和LZW壓縮格式等俄讹。
  BMP文件結(jié)構(gòu)

  
  
  image.png
  
  

  BMP圖像文件頭

  
  
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  BMP圖像信息頭（一）
  
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  BMP圖像信息頭（二）
  
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  BMP圖像信息頭（三）
  
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  BMP圖像信息結(jié)構(gòu)
  
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  調(diào)色板和圖像數(shù)據(jù)

  
  
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  其他圖像數(shù)據(jù)格式特點(diǎn)：
  
  image.png
  
  
  image.png

圖像中像素之間的距離

兩個像素（i,j）和（h,k）之間的距離定義為：

• 歐幾里得距離：

  
  
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• 小區(qū)距離：

  
  
  image.png
  
  

  棋盤距離：

  
  
  image.png

像素的鄰域——描述與像素相鄰的其他像素

• 4鄰域與8鄰域

  
  
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• 區(qū)域——一組連續(xù)相鄰的像素集合

圖像的統(tǒng)計(jì)特性

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灰度直方圖

直方圖是用來表達(dá)一幅圖像灰度級分布情況的統(tǒng)計(jì)表
橫坐標(biāo)：灰度——r
縱坐標(biāo)：為某一灰度值r_i的像素個數(shù)n_i或稱之為r_i出現(xiàn)的頻率

image.png

從概率的觀點(diǎn)哆致，灰度出現(xiàn)的頻率可看作其出現(xiàn)的概率，這樣直方圖就對應(yīng)于概率密度函數(shù)p患膛，而概率分布函數(shù)就是直方圖的累積和摊阀，即概率密度函數(shù)的積分，如下圖所示：

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image.png

• 初始化;hist[k]=0; k=0,1,......L-1
• 統(tǒng)計(jì)：hist[f（x,y）]++;x,y=0,...M-1,0,.....,N-1
• 歸一化：hist[f(x,y)]/M*N

Example：

image.png

直方圖的性質(zhì)

• 所有的空間信息全部丟失胞此。
• 每一灰度級的像素個數(shù)可直接得到。
• 任何一幅圖像跃捣，具有唯一對應(yīng)的直方圖：但任何一個直方圖漱牵，可能對應(yīng)多幅圖像。
• 一幅圖像各子區(qū)的直方圖之和等于該全圖的直方圖疚漆。

直方圖的用途

1. 數(shù)字化參數(shù)
   直方圖給出了一個簡單可見的指示酣胀，用來判斷一幅圖像是否合理的利用了全部被允許的灰度級范圍。一般一幅圖應(yīng)該利用全部全部或者幾乎全部可能的灰度級愿卸，否則等于增加了量化間隔，丟失的信息將不能恢復(fù)截型。
2. 邊界閾值選取
   假設(shè)某圖像的灰度直方圖具有二峰性趴荸，則表明這個圖像的較亮的區(qū)域和較暗的區(qū)域可以較好地分離，確定這一點(diǎn)味閾值點(diǎn)宦焦，可以得到好的二值處理的效果发钝。

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