数字图像处理知识点总结

一、图像的基本概念

数字图像的描述

  • 如何用一个数值方式来表示一个图像

  • 数字图像是图像的数字表示,像素是其最小单位

  • 一般是用整数矩阵来描述一个数字图像

  • 用矩阵坐标系来定义图像的坐标

  • 黑白图像又称2值图像,像素值为0、1

  • 灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像,没有彩色信息

  • 彩色图像用RGB三个不同的灰度级来描述,用三个矩阵同时描述

图像数字化

是指将模拟图像经过离散化之后,得到用数字表示的图像

图像的数字化包括空间离散化(采样),和明暗表示数据的离散化(量化)

采样

将空间上连续的图像转变成离散的采样点

采样间隔的选取

采样间隔太小,则增大数据量,太大,则会发送信息的混叠,导致细节无法辨认

采样指标-分辨率
  • 分辨率是指映射到图像平面上的单个像素的景物元素的尺寸
  • 精确测量和再现一定尺寸的图像所必需的像素个数
量化

将各个像素所含的明暗信息离散化后,用数字来表示

考虑到人眼的识别能力之后,一般采用8bit量化,采用0~255的整数来描述“从黑到白”

在3bit下的量化,会出现伪轮廓现象

量化方法
  • 均匀量化,对灰度值进行等间隔量化
  • 非均匀量化,对像素出现频度少的部分量化间隔取大,而对频度大的量化间隔取小

灰度直方图

在数字图像处理中,一个最简单,最有用的工具

定义

灰度直方图是灰度级的函数,是对图像中灰度级分布的统计,有俩种表示形式

图形表示

横坐标表示灰度级,纵坐标表示图像中对应某个灰度级所出现的像素个数

数组表示

数组的下标表示相应的灰度级,数组的元素表示该灰度级下的像素个数

性质
  • 所有空间信息全部丢失
  • 每一灰度级的像素个数可直接得到

二、图像增强

对比度

概念

通俗地讲,就是亮暗地对比程度

对比度通常表现了图像画质地清晰程度

计算

C = ∑ δ δ ( i , j ) 2 P δ ( i , j ) C=\sum_{\delta}\delta(i,j)^2P_\delta(i,j) C=δδ(i,j)2Pδ(i,j)

其中
δ ( i , j ) = ∣ i − j ∣ \delta(i,j)=|i-j| δ(i,j)=ij
代表相邻像素间地灰度差
P δ ( i , j ) P_\delta(i,j) Pδ(i,j)
是像素灰度差为 δ \delta δ的像素分布概率

图像增强

图像增强是为了改善画质,使得图像的显示效果更加清晰

1.线性对比度展宽

概念

通过亮度差异(即对比度)扩大,来把人所关心的部分强调出来

原理

进行像素点对点的,灰度级的线性影射,该映射关系通过调整参数,来实现亮暗差异的扩大

2.动态范围调整

概念

动态范围是指图像所记录的场景中从暗到亮的变化范围

原理

通过动态范围的压缩,可以将所关心部分的灰度级的变化范围扩大

方法
  • 线性动态范围调整
  • 非线性动态范围调整

3.直方图均衡化

原理

直方图均衡化方法的基本思想是,对在图像中像素个数多的灰度级进行展宽,而对像素个数少的灰度级进行缩减。从而达到清晰图像的目的。

方法实现
  1. 求直方图
  2. 计算原图的灰度分布概率
  3. 计算原图灰度的累计分布
  4. 计算原图和新图灰度值的影射关系
  5. 原、新图灰度直方图的比较

4.伪色彩增强方法

原理

由于人眼分辨不同彩色的能力比分别不同的灰度级的能力强,因此,把人眼无法区别的灰度变化,施以不同的彩色来提高识别率,这便是伪彩色增强的基本依据。

思路

要由灰度图像生成一幅彩色图像是一个一到三的影射。
显然由少信息量获得多信息量必然是基于估计原理。也就是说,对未知的部分,通过各种手段进行合理的估计。
研究的目的不同,则给出的灰度到彩色的估计影射方法也随之不同。

三、图像几何变换

图像的几何变换包括了图像的形状变换和图像的位置变换

形状变化

放大,缩小,错切

位置变换

平移、镜像、旋转

图像缩小

思路:等间隔选取数据

图像放大

双线性插值
f ( 0 , y ) = f ( 0 , 0 ) + y ∗ [ f ( 0 , 1 ) − f ( 0 , 0 ) ] f ( 1 , y ) = f ( 1 , 0 ) + y ∗ [ f ( 1 , 1 ) − f ( 1 , 0 ) ] f ( x , y ) = f ( 0 , y ) + x ∗ [ f ( 1 , y ) − f ( 0 , y ) ] f(0,y)=f(0,0)+y*[f(0,1)-f(0,0)]\\ f(1,y)=f(1,0)+y*[f(1,1)-f(1,0)]\\ f(x,y)=f(0,y)+x*[f(1,y)-f(0,y)] f(0,y)=f(0,0)+y[f(0,1)f(0,0)]f(1,y)=f(1,0)+y[f(1,1)f(1,0)]f(x,y)=f(0,y)+x[f(1,y)f(0,y)]

图像错切
图像平移
图像旋转

注意旋转后处理

四、图像的噪声抑制

概念

图像噪声,是图像在摄取时或是传输时受到的随机干扰信号

常见的有椒盐噪声,高斯噪声

椒盐噪声

出现位置是随机的,但噪声的幅值基本相同

高斯噪声

出现的位置是一定的,但噪声的幅值是随机的

图像噪声抑制的方法
  • 均值滤波器
  • 中值滤波器
  • 边界保持类滤波器

高斯噪声,均值滤波比中值滤波好

椒盐噪声,中值滤波比中值滤波好

五、图像的锐化处理

  • 目的是加强图像中景物的细节边缘和轮廓

  • 锐化的作用是使灰度反差增强

  • 锐化算法的实现是基于微分作用

1.一阶微分锐化方法

  • 水平锐化
  • 垂直锐化
  • Roberts锐化
  • Priwitt锐化

2.二阶锐化微分方法

  • Laplacian锐化
  • Wallis锐化

六、图像的分割

目的

通过某种方法,使得画面场景被分为目标物非目标物,即将图像的像素变换为黑、白俩种。

一般结果为二值图像,所以又称图像分割为图像的二值化处理

1.图像灰度分布的阈值方法

  • P-参数法
  • 均匀性度量法
  • 类间最大距离法
  • 最大熵法
  • 最大类间、类内方差比较
  • 聚类方法

2.图像灰度空间分布的阈值方法

  • 二维熵法
  • 二维OTSU法

3.边缘检测法

4.区域提取法

基本思想

将具有相似性质的像素集合起来构成区域

三个关键点
  • 种子点的选取
  • 生长准则的确定
  • 区域生长停止的条件

七、形态学图像处理

图像分割后的问题
  • 提取的目标存期伪目标物
  • 多个目标物中,存在粘连或者是断裂
  • 多个目标物存在形态的不同
连通域

将相互连接在一起的黑色像素的集合称为一个连通域

几何特征的测量

  • 面积
  • 周长
  • 质心
  • 圆形度
  • 矩形度
  • 长宽比

二值图像的分析方法

1.腐蚀

消除连通域的边界点,使得边界点收缩的处理

2.膨胀

将与目标区域的背景点合并到该目标物中,使得目标物边界向外部扩张的处理

3.开运算

先腐蚀再膨胀

4.闭运算

先膨胀再腐蚀

5.贴标签

一个DFS就可以了

6.细线化方法

骨架:图像中所有目标区域的轴线。
细线化:求一图像骨架的过程。
方法:“剥洋葱”的办法。在去层时,需要保持不改变原有区域的连通性。
删除:将该点从连通域中删除,将像素值从1变成0.
原则:(1)内部点、端点、孤立点不能被删除;
(2)如果删除该点会改变连接状况,则不能被删除;
(3)如果当前点为边界点,且删除之后不改变连通性,则可以删除。

八、彩色图像处理

基本概念
色调

描述颜色的不同,取决于颜色的波长

饱和度

描述颜色的深浅,取决于颜色中混合白光的比例多少

亮度

描述色光的明暗变化的强度,取决于色光的能量

色调饱和度统称为色度

几种常用的表色系

  • RGB表色系

  • HSL表色系

  • CMYK表色系

  • YUV表色系

彩色图像处理方法

  • 彩色图像的常规处理
  • 彩色平衡
  • 彩色补偿
  • 彩色图像用于图像目标的识别

九、图像压缩编码

数据冗余:

只要接收端不会产生误解,九可以减少承载信息的数据量

行程编码

通过改变图像的描述方式,来实现图像的压缩。
将一行中灰度值相同的相邻像素,用一个计数值和该灰度值来代替。
一维行程编码是利用一行上像素的相关性,逐行对图像进行扫描,然后对扫描的结果进行编码。

二维行程编码

数字图像处理知识点总结_第1张图片

只是扫描路径不同而已

HUFFMAN编码

老生常谈

先算概率,每次选择最小的俩个合并

最后根据从根节点出发的路径进行编码

DCT变换编码

DCT变换是希望在接收方不产生误解的前提下进行一定的信息丢失。
DCT变换编码的思想是利用离散余弦变换对数据信息强度的集中特性,可以将数据中视觉上容易察觉的部分与不容易察觉的部分进行分离,由此可以达到进行有损压缩的目的。
由前面所讲到的频域变换得到的启示,就是将低频与高频部分的信息,分别按照不同的数据承载方式进行表述。

混合编码

将多种编码方式的优点进行综合,提高编码的效率

十、图像的频域变化

就是傅里叶变换,不过是离散的

同时根据计算机的计算特点,实现了快速傅里叶变换,也就是FFT

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