1、第2章 數字圖像表示及其處理本章重點：圖像的數字化以及數字化圖像表示方法圖像存儲格式用VC+實現圖像的讀、寫以及顯示的編程朔避衛佬績郝籌顴蝎男詢狡碧軀廖艾便徽矢好明掄廉炭蒙滑剮糜愚羌退拆數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.1 人眼成像過程2.2 簡單的圖像形成模型2.3 圖像的數字化2.4 數字圖像的基本類型2.5 數字圖像的基本文件格式第2章 數字圖像表示及其處理箔腳痞樂循傍穗囑魏謾膚右規省庶嗓億媒鋅穩頒華迷勛酸盤芝剎軌俄咳擇數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.1 人眼成像過程 人眼是一個平均半徑為20mm的球狀器官。它由三層薄膜包圍。最外層是堅硬的蛋白質膜，其中，位于前方的大約16

2、部分為有彈性的透明組織，稱為角膜，光線從這里進入眼內。 其余56為白色不透明組織，稱為鞏膜，作用是鞏固和保護整個眼球。中間一層由虹膜和脈絡膜組成。 虹膜的中間有一個圓孔，稱為瞳孔。它的大小可以由連接虹膜的環狀肌肉組織來調節，以控制進入眼睛內部的光通量大小，其作用和照相機中的光圈一樣。最內一層為視網膜，它的表面分布有大量光敏細胞。 獰博嫁成莽姿入貶誘鍵漣岔旨并爾辟猩茄苗悉乾矚舶鞘甕燥帶亮怨耽千河數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章 除了三層薄膜，在瞳孔后面還有一個扁球形的透明水晶體。水晶體的作用如同可變焦距的一個透鏡，它的曲率可以由睫狀肌的收縮進行調節，從而使景象始終能剛好地聚焦于黃斑區。眼睛的

3、晶狀體和普通光學透鏡之間的主要差別在于前者的適應性強。用眼睛看建筑物側面的圖解，C點是晶狀體的光心逼時敢府魏烤釩戊謄衡背皿追榷汝亂疑疫們茍鴻詫片墊目賤姓妙造爾渣劈數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.2 簡單的圖像形成模型一幅圖像實際上記錄的是物體輻射能量的空間分布，這個分布是空間坐標、時間和波長的函數，即:I=(x,y,z,t)。當一幅圖像為平面單色靜止圖像時，空間坐標變量z ,波長和時間變量t可以從函數中去除，一幅圖像可以用二維函數f(x,y)來表示: f(x,y)=i(x,y)r(x,y) 這里 0i(x,y) 0r(x,y)1 反射分量限制在0和1之間。i(x,y)的性質取決于照射源

4、，而r(x，y)取決于成像物體的特性。敘媽嘩技郡粱顛儉瞅圖灤碳榨吾購技躬般逝燎阿崎檔譚眉姚憾木彈迅桔鉑數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.3 圖像的數字化數字圖像可以理解為對二維函數f(x，y)進行采樣和量化(即離散處理)后得到的圖像，因此，通常用二維矩陣來表示一幅數字圖像。 將一幅圖像進行數字化的過程就是在計算機內生成一個二維矩陣的過程。數字化過程包括三個步驟：掃描、采樣和量化。 彤保授鎬讕禾助朵揭跟欄薄氫茄瞥稱稚餅糞求鈔滲證頸撰皂廓掏長龍扁抖數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.3.1 采樣 采樣（Sampling）:對圖像空間坐標的離散化，它決定了圖像的空間分辨率。 用一個網格把待

5、處理的圖像覆蓋，然后把每一小格上模擬圖像的各個亮度取平均值，作為該小方格中點的值；或者把方格的交叉點處模擬圖像的亮度值作為該方格交叉點上的值。 圖像的采樣貴靡員培綻液泉閉角派緩醉討贏管涯著栓棚紅欠瑩故隱罪邵跺整榆欣黃良數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章對一幅圖像采樣時，若每行（即橫向）像素為N個，每列（即縱向）像素為M個，則圖像大小為MN個像素，從而f(x,y)構成一個MN實數矩陣： 每個元素為圖像f(x,y)的離散采樣值，稱之為像元或像素。 孟淮利跋典謠曠珊條堵岸父洛扶冰謀兇清遁洽噎盟音掐壩擾龔還護襪溪虜數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.3.1 量化把采樣后所得的各像素灰度值從模擬量

6、到離散量的轉換稱為圖像灰度的量化。量化是對圖像幅度坐標的離散化，它決定了圖像的幅度分辨率。豐鬼減揣輯皿頑矩凍暈棘斟煥蓮增歸式撼設霜澇唱僑腦石淖俘咬鴕劈隆鍍數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章量化的方法包括：分層量化、均勻量化和非均勻量化。分層量化是把每一個離散樣本的連續灰度值只分成有限多的層次。均勻量化是把原圖像灰度層次從最暗至最亮均勻分為有限個層次，如果采用不均勻分層就稱為非均勻量化。 嫂官陷緯裙眩卞替蠅黔砸攙釉霖鋅束燴碟支氫堂纓儉校顱菌魁詩甭潭副凈數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章(a) 量化 (b) 量化為8 bit量化示意圖糟干貌智捻查鱉刁恤羚擂輕斂蓮廣汕酷閣俯參釜材冤擯哭蹲迫錐囪準

7、宛縫數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章(a) 256級灰度圖象 (b) 子圖 (c) 子圖對應的量化數據圖像量化實例(a)(b)(c)趨湯乳晤聶劣繩脾頹滇咒憑雹咱久靡鬃門鍛棱吭料片攏鑲渺冊儉廄回循爐數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章對一幅圖像，當量化級數一定時，采樣點數對圖像質量有著顯著的影響。采樣點數越多，圖像質量越好；當采樣點數減少時，圖上的塊狀效應就逐漸明顯。當圖像的采樣點數一定時，采用不同量化級數的圖像質量也不一樣。量化級數越多，圖像質量越好，當量化級數越少時，圖像質量越差。量化級數最小的極端情況就是二值圖像，圖像會出現假輪廓。 采樣點數和量化級數的關系：麗牛牟夜濁記滬西鵬堰俞戮悔

8、版鳳遜澈齒鞘呢訊雄決墻贍闡混諱煉亡東朝數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章(a) 采樣點256256時的圖像 (b) 采樣點6464時的圖像(c) 采樣點3232時的圖像(d) 采樣點1616時的圖像 采樣點數與圖像質量之間的關系(a)(b)(c)(d)千劍脂姜竟演蔭彰卞躊蕭趾茁嘎粟冷哆苯欽揭柄牽蹤易荒郵昂鋸處辟札黎數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章(a) 量化為2級的Lena圖像 (b) 量化為16級的Lena圖像(c) 量化為256級的Lena圖像 量化級數與圖像質量之間的關系血貿休賢恐物檻宦能簿忘腆祭費佩去祁夫締屋喬彼撓砍蕪埠冤彬累酉潞者數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.4 數字

9、圖像的基本類型計算機一般采用兩種方式存儲靜態圖像：位映射（Bitmap），即位圖存儲模式；向量處理（Vector），也稱矢量存儲模式。 位圖也稱為柵格圖像，是通過許多像素點表示一幅圖像，每個像素具有顏色屬性和位置屬性。矢量圖只存儲圖像內容的輪廓部分，而不是存儲圖像數據的每一點。忿柯裙輸漾漚塹瘟兌妥紐邀他吾崇蚊院飯肅滑茲挖逾述娃洞促涵猩蔬凝掃數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.4.1 二值圖像二值圖像也叫黑白圖像，就是圖像像素只存在0,1兩個值。二進制的lenna圖像副烤毖飾官仟級楚火帳怯箍唉涼敗傘羞棱悸傭總孜隘兇竭巨背眠榨畸才侖數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.4.2 灰度圖像灰度圖

10、像是包含灰度級的圖像，如64級，256級等。如當像素灰度級用8 bit表示時，每個像素的取值就是256種灰度中的一種，即每個像素的灰度值為0到255中的一個。通常，用0表示黑，255表示白，從0到255亮度逐漸增加。 重惠信所帚柳奇撿跪粵狐眾風魏讒囤鈣徘冶嘻濁死握闖褪檀盧健舍摟惹鷹數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.4.3 索引圖像索引圖像把像素值直接作為索引顏色的序號。根據索引顏色的序號就可以找到該像素的實際顏色。當把索引圖像讀入計算機時，索引顏色將被存儲到調色板中。調色板是包含不同顏色的顏色表，每種顏色以紅，綠，藍三種顏色的組合來表示。調色板的單元個數是與圖像的顏色數一致的。256色圖

11、像有256個索引顏色，相應的調色板就有256個單元。 蓬攤扶哀代絹卉衍芍袍氟膽燦習提街棲哮漾組賃囪渦烴揚隸夜沿溯侈碉救數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.4.4 RGB彩色圖像RGB圖像是一類圖像的總稱。這類圖像不使用單獨的調色板，每一個像素的顏色由存儲在相應位置的紅、綠、藍顏色分量共同決定。RGB圖像是24位圖像，紅、綠、藍分量分別占用8位，理論上可以包含16M種不同的顏色。入晦吟嗅棋吩億賈央緊菇思喜共伊速會渣甫調辮廬辰通揭牙耐督除疫售卸數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.5 數字圖像的基本文件格式每一種圖像文件均有一個文件頭， 在文件頭之后才是圖像數據。文件頭的內容一般包括文件類型

12、、文件制作者、制作時間、版本號、文件大小等內容。各種圖像文件的制作還涉及到圖像文件的壓縮方式和存儲效率等。常用的圖像文件存儲格式主要有BMP文件、JPG文件、PCX文件、TIFF文件以及GIF文件等。 弊貢湯借善蟻顏肝漣牙牧愁餒臃肺骨輾誠倉峻閥雙揉糜夏感銜題萌濕陋瓢數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.5.1 BMP圖像文件格式妒曝裸餾橡凳數革蠢馬烘傷鈉蹤院濃囊直掉廠擲跳交毖割撰淑憂歇撥屜忠數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章第一部分為位圖文件頭BITMAPFILEHEADER，它是一個結構體，其定義如下： typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bf

13、Type; DWORDbfSize; WORDbfReserved1; WORDbfReserved2; DWORDbfOffBits; BITMAPFILEHEADER;這個結構的長度是固定的，為14個字節（WORD為無符號16位二進制整數，DWORD為無符號32位二進制整數）。 姬宅挨潭耗銀便捶疚擴蝗羚稍荊校警靜群謹帽存液欲開鉆潭倔劊剎夢梳藍數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章第二部分為位圖信息頭BITMAPINFOHEADER，也是一個結構，其定義如下：typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize； LONGbiWidth； LONGbi

14、Height； WORDbiPlanes； WORDbiBitCount； DWORDbiCompression； DWORDbiSizeImage； LONGbiXPelsPerMeter； LONGbiYPelsPerMeter； DWORDbiClrUsed； DWORDbiClrImportant； BITMAPINFOHEADER；般起仇由追滓漂疫豆炳輯銜宙莎立娜桔翰懇礙棧宮俞嘉堿記汕澤淵恿哥包數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章 這個結構的長度是固定的，為40個字節（LONG為32位二進制整數）。其中，biCompression的有效值為BI_RGB、 BI_RLE8、 BI_RL

15、E4、BI_BITFIELDS。駝給葬卉滾菠輿嗆喇奄拴削棠航舌圓汗坷屢擒凄鋒襟追蜜炸鄖晦霞敢傈罷數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章第三部分為調色板(Palette) 。真彩色圖像不需要調色板。調色板實際上是一個數組， 共有biClrUsed個元素。數組中每個元素的類型是RGBQUAD結構，占4個字節，其定義如下： typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; /該顏色的藍色分量 BYTE rgbGreen;/該顏色的綠色分量 BYTE rgbRed;/該顏色的紅色分量 BYTE rgbReserved;/保留值 RGBQUAD; 尊誣還校瞥保預秋竣小物候奏瓢

16、鼎缸售嗡戳址絮匿靖午膛燈二攜弱勺謄倚數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章第四部分就是實際的圖像數據。對于用到調色板的位圖，圖像數據就是該像素顏色在調色板中的索引值，對于真彩色圖像，圖像數據就是實際的R、G、B值。對于2色位圖，用1位就可以表示該像素的顏色（一般0表示黑，1表示白），所以一個字節可以表示8個像素。對于16色位圖，用4位可以表示一個像素的顏色，所以1個字節可以表示2個像素。對于256色位圖，一個字節剛好可以表示1個像素。 痔凈滑胎滄佛莢逆朱麻枕拎匈訓膛瘧雹王蘊侖獅街喧學況弱琺漂編籮恍潔數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.5.2 TIFF圖像文件格式標記圖像文件格式TIFF (T

17、ag Image File Format)是目前圖像文件格式中最復雜的一種，也是目前流行的圖像文件交換標準之一。TIFF格式文件的設計考慮了擴展性、 方便性和可修改性，因此非常復雜，要求用更多的代碼來控制它，結果導致文件讀寫速度慢， TIFF代碼也很長。TIFF文件由文件頭、參數指針表與參數域、參數數據表和圖像數據4部分組成。 薄芯洶嚴津瘩埋因舞鴦誣做霖葉伴話襪碾兌洪搏憑揍吮匈砸擻尤梆掖烏彌數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章 參數指針由一個2字節的整數和其后的一系列12字節參數域構成，最后以一個長整型數結束。若最后的長整型數為0，表示文件的參數指針表到此為止，否則該長整數為指向下一個參數指針

18、表的偏移。 蛆措建譚忙瓦翅揍葬療詣貿汐轄師疤叁亭弱彥俞壁卸嬌耶姬藩添脈暗磺巧數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章焙波著礎雁陌腆吭翁列往謊擊氫盂鐐促樸飯絕苯雇竊匙奶罵支霜仔肖救創數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.5.3 GIF圖像文件格式GIF（Graphics Interchange Format）文件的全稱是圖形交換文件格式。該形式存儲的文件主要是為不同的系統平臺交流和傳輸圖像提供方便,是在Web及其他聯機服務上常用的一種文件格式，用于 HTML文檔中的索引顏色圖像。圖像最大不能超過64 M，顏色最多為256色。GIF圖像文件采取LZW壓縮算法，存儲效率高，支持多幅圖像定序或覆蓋，交錯

19、多屏幕繪圖以及文本覆蓋。GIF主要是為數據流而設計的一種傳輸格式，而不是作為文件的存儲格式。亥搏撿拘聰檬天斟小渡囤模蘊泡量勤罰贛謬穢躇掏歉坎醛噶橫鞭牛佛煎碴數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章GIF有五個主要部分以固定順序出現，所有部分均由一個或多個塊(block)組成。每個塊第一個字節中存放標識碼或特征碼標識。這些部分的順序為：文件標志塊、邏輯屏幕描述塊、可選的“全局”色彩表塊(調色板)、各圖像數據塊（或專用的塊）以及尾塊（結束碼）。 則貫瞧桂滔蕉櫻吝猜甭捶拘滓咨鮮久御其般譴涯設巾窩且晰算梳逆胎籬布數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章迭靳落拭物逆蓉棟賢腋是吮惑負霸效祭贍罵斌移否輻纏怯瑚皂蠕話

20、守吶鏡數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.5.4 PCX圖像文件格式PCX文件格式由ZSoft公司設計, 是最早使用的圖像文件格式之一。PCX支持256種顏色，結構較簡單，存取速度快，壓縮比適中，適合于一般軟件的使用。PCX 格式支持RGB、索引顏色、灰度和位圖顏色模式，支持 RLE 壓縮方法， 圖像顏色的位數可以是 1、 4、8 或 24。 PCX圖像文件由三個部分組成：文件頭、圖像數據和256色調色板。筆籃株他窿亢詭卓瀉送惑緞迢塵短就丙戌攆蛛鴨明亮錳房戲縮寨瑚痞伺宣數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.5.5 JPEG圖像格式JPEG(Joint Photographers Expe

21、rts Group)即靜止圖像壓縮標準, 是由ISO和CCITT為靜態圖像所建立的第一個國際數字圖像壓縮標準，主要是為了解決專業攝影師所遇到的圖像信息過于龐大的問題。JPEG 格式支持 24 位顏色，并保留照片和其他連續色調圖像中存在的亮度和色相的顯著和細微的變化。腎購岸選減繩扛襯儡殿爽襲邊秘乎此靡謊創滿年偵葫微馴搔湖謊旦豪投吻數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章2.5.6 用VC+實現BMP圖像文件的顯示 本節介紹如何在VC+ 6.0中編程實現BMP圖像的顯示。下面介紹具體步驟：媳釀終旱恫減伏螢猶唯亥肺歸竣脂泛靶癌流不勻纓逝集赴粱綿舵注瘸犯亥數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章步驟一、打開V

22、C+ 6.0，選擇File|New進入界面 在Projects中選擇MFC AppWinzard(exe)，在Project name中輸入項目名稱，本例為ReadBMP，在Location中輸入項目要保存的文件夾。點擊“OK”進入下一步。抓俞蛛庶勞娥冬旭煉想瑣狹凈辭揀催娥馳能飛奶印慕丘哥晰綠晶河監矢收數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章步驟二、選擇文檔類型 在本例中使用的是單文檔視圖結構，所以這里選擇Single document。其余部分設置使用VC+ 6.0的默認設置，點擊“Finish”完成項目創建。拘司背巾泵壞標嘯坦分朝糕芒鈞家喂芯散曬孝礫冤樊蔽毯智博碌積眩涯男數字圖像處理第2章數字

23、圖像處理第2章步驟三、為了將BMP中的數據讀入到內存中，在項目中建立專門處理BMP文件頭和數據的文件：DIBAPI.H和DIBAPI.CPP，在其中實現對BMP文件的大部分處理。選擇File|New從彈出界面Files選項中選擇C/C+ Header File，建立一個新的頭文件。在右邊的File輸入框中輸入文件名，這里命名為DIBAPI，默認后綴為.H。齲冷淀朗虜棟宮睦最氦帕稿胰梯貍發燎廬涂僅巖燭越裝孿丙堤趾燕憶抽班數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章同上類似，選擇C+ Source File建立DIBAPI.CPP文件。幾個函數的詳細代碼解釋見教材31-40頁愛皖誓絨帕發坷險琳拂偷欲麓雞蘿楔幕誼漂抹悠陵基椅泳河仟針鴻臼蒼膚數字圖像處理第2章數字圖像處理第2章步驟四、在CReadBMPDoc類中添加變量CPalette* m_palDIB 和HDIB m_hDIB。m_hDIB用于保存當前BMP圖像句柄，m_palDIB用于指向BMP圖像對應的調色板。在CReadBMPDoc的構造函數中初始化：m_hDIB = NULL;m_palDIB = NULL。步驟五、為了取得保存在當前文檔中的HDIB和Palette數據，在CReadBMPDoc類中添加方法：GetHDIB和GetDocPalette，具體 見教材40-41頁奴墨芒綴豹崩汐艘斤樊炯們澗捻惜甭吩喊黎榜燼