【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换

目录

  • 图像处理基础知识
    • 数字图像的表示
    • 数字图像的空间分辨率即灰度级分辨率
    • 像素间的基本关系
      • 相邻像素
      • 邻接性与连通性
      • 像素间的距离
    • 数字图像文件格式
      • BMP图像文件格式
      • 调色板的概念
      • BMP图像文件的注意事项
  • 空域图像增强
    • 图像间的运算
      • 图像的加法:
      • 图像间的减法
      • 逻辑运算
      • 灰度变换
    • 灰度直方图变换
      • 直方图均衡化
      • 直方图规定化

图像处理基础知识

数字图像的表示

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f(x,y)——灰度级值,又称灰度矩阵,取值范围为[0,L-1]其中,L=2k。则相应的,k=1时,就是所谓的二值图像

数字图像的空间分辨率即灰度级分辨率

定义:空间分辨率 :图像中可辨别的最小细节
定义:灰度级分辨率 :在灰度级别中可辨别的最小变化

像素间的基本关系

相邻像素

  • 4邻域——N4( P)【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第2张图片
  • 对角邻域——ND( P) : (x+1, y+1)、(x+1, y-1)、(x-1, y+1)、(x-1, y-1)
  • 8邻域——N8( P)【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第3张图片
  • N8( P) = N4( P) + ND( P)

邻接性与连通性

  • 邻接性(Adjacency):两个像素是否相邻以及它们的灰度值是否满足特定的相似性准则
  • 令V为定义邻接性的灰度值集合,()例如,在具有5级灰度等级的图像中,当V={0,1,2} 时,意味着灰度值为0或1或2的像素满足灰度值相似准则。)【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第4张图片
  • 连通性
    • 通路(Path):从像素p(x0,y0)到像素q(xn,yn)的通路是指一个像素序列(x0,y0),(x1,y1),…,(xn,yn),其中像素(xi,yi)和(xi-1,yi-1)是邻接的。此处,n为通路的长度。
    • 如果(x0,y0) = (xn,yn), 则通路为闭合通路
    • 根据邻接关系,通路分为4通路8通路m通路
  • 设p和q是一个图像子集S中的两个像素,如果存在一条完全由在S中的像素组成的从p到q的通路,则称p在S中与q相连通。
  • 连通成分 :一个像素集合,如果集合内的每一个像素与集合内的其他像素连通,则称该集合为一个连通成分。

像素间的距离

像素在空间的接近程度可用像素之间的距离来度量。
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三种距离的定义:

  • 欧氏距离:欧氏距离(Euclidean Distance)De(p,q) = [( x –s )2+( y –t )2]1/2
  • 城市街区距离:D4(p,q) = | x –s | + | y –t |
  • 棋盘距离:D8(p,q) = max ( | x –s | , | y –t | )
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数字图像文件格式

图像根据构图原理和描述方式的不同,可以分为两类:矢量图,位图

  • 矢量图:是一种面向对象的、基于数学方法的图形方式。它以对象为中心,通过对每个对象的数学描述来存储图像。常用于工程应用(如工程制图)和艺术领域,极少用于自然图像
  • 位图:位图又称点阵图像,它以像素为单位,描述图像的实际信息,适合于描述自然界的图像

BMP图像文件格式

BMP(Bitmap)格式是微软公司为其Windows操作系统设置的标准图像格式。BMP图像文件是个人计算机上最常见、最简单的文件格式之一。BMP图像文件扩展名为.bmp或.BMP【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第7张图片
文件头数据结构:

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER
{
	WORD bfType; 		// 必须是0x424D,’BM’;2B
	DWORD bfSize; 		// 文件大小,包括结构本身; 4B
	WORD bfReserved1; 	// 保留字,必须为0;2B
	WORD bfReserved2;	 // 保留字,必须为0; 2B
	DWORD bfOffBits;	 // 图像数据偏移量;4B
} BITMAPFILEHEADER;

位图信息头数据结构:

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER
{
	DWORD biSize; 			//结构本身的大小(40字节)
	LONG biWidth; 			//图像宽度
	LONG biHeight; 			//图像高度
	WORD biPlanes; 			//显示设备的平面数目(取1)
	WORD biBitCount;		//每个像素颜色需要的位数
	DWORD biCompression;	 //压缩标志
	DWORD biSizeImage; 		//图像数据字节数
	LONG biXPelsPerMeter; 	//图像x方向分辨率
	LONG biYPelsPerMeter;	 //图像y方向分辨率
	DWORD biClrUsed; 		//指定图像实际用到的颜色数,如
							//果该值为零,则用到的颜色数为2的biBitCount次方。
	DWORD biClrImportant; 	//重要颜色数目,如果为零,则都是重要的。
} BITMAPINFOHEADER;

文件信息头数据结构:

数据项 含义 大小 取值
biSize 本结构的大小 4B 字节数(40或28H)
biWidth 图像宽度 4B 像素数
biHeight 图像高度 4B 像素数
biPlanes 图像平面数 2B 必须为1
biBitCount 每像素位数 2B 1、4、8、24、(32)
biCompression 压缩类型 4B 0~3(一般为0,不压缩)
biSizeImage 图像数据大小 4B 实际位图数据占用字节数
biXPelsPerMeter 水平分辨率 4B 像素数/米(一般为0)
biYPelsPerMeter 垂直分辨率 4B 像素数/米(一般为0)
biClrUsed 使用颜色数 4B >0时为颜色表项数=0时,无颜色表(24位色)
biClrImportant 重要颜色数 4B 通常置0,所有颜色都重要

调色板的概念

节省存储数据量,显示设备对同时显示的颜色有限制
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调色板的数据结构:

typedef struct tagRGBQUAD
{
	BYTE rgbBlue; 		//蓝色分量
	BYTE rgbGreen; 		//绿色分量
	BYTE rgbRed; 		//红色分量
	BYTE rgbReserved; 	//保留,为0
} RGBQUAD;

BMP图像文件的注意事项

  • 在BMP文件格式中规定每行的字节数必须是4的整数倍。若不是,要补0直至4的整数倍。
  • 图像字节数biSizeImage的计算方法为:biSizeImage=(biWidth×biBitCount+31)/32×4×biHeight
    或=bfSize-bfOffBits
  • 一般来说,BMP文件的数据从下到上,从左到右存放的。也就是说,从文件中最先读到的是图像最下面一行的左边第一个像素,然后是左边第二个像素…接下来是倒数第二行左边第一个像素,左边第二个像素…依次类推,最后得到的是最上面一行的最右一个像素。
  • 在调色板数据结构和图像数据中,每个像素的颜色排列顺序为:蓝、绿、红 ,不同于传统的RGB顺序!!

空域图像增强

图像增强:图像增强技术是众多图像处理技术中最基本、也是最重要的一种,是对图像进行加工,以得到视觉效果更“好,更“有用的”图像
目的:通过技术手段,突出有用信息,抑制无用信息,从而改善图像的视觉效果,或者使图像达到后续图像分析和识别所需的效果。

图像增强技术不增加图像的信息量,只是增强对某种信息的辨别能力

图像增强
空域方法
点运算
领域运算
频域方法
低通滤波
高通滤波
带通带阻滤波
同态滤波
图像间运算
灰度变换
直方图变换
图像平滑
图像锐化
线性滤波器
非线性滤波器

空域 :在图像处理中,空域指由像素组成的空间
空域增强方法:指直接作用于像素的增强方法,可以表示为:在这里插入图片描述其中,f(x,y)和g(x,y)分别为增强前后的图像,E表示增强操作

图像间的运算

指在两幅图像的对应像素间进行的、灰度值的算术和逻辑运算。运算结果是一幅新的图像

算术运算一般作用与灰度图像,逻辑运算一般作用于二值图像

图像的加法:

用途:利用图像相加取平均以减少和去除图像采集时混入的噪声


当样本数k增大时,平均图像会越来越趋近原始图像

图像间的减法

即求取两幅图像之间的差异。g(x,y) = f(x,y) - h(x,y)
用途: 用于医学图像处理中消除背景,或是运动目标检测

差值图像的灰度超出动态范围,怎么办?

  • 方法一: 对每个像素值加255,然后除以2。
  • 方法二: 首先,提取最小差值,并且把它的负值加到所有差值图像的像素中(得到一幅最小像素值为零的改进的差值图像)。然后,通过用255/ IMax 值去乘每个像素(其中 IMax 为改进的差值图像中最大像素取值)将图像中的所有像素标定到0至255的范围。

逻辑运算

逻辑运算一般应用于二值图像,基本的逻辑运算包括:

  • 补(complement):记为NOT q
  • 与(AND):记为p AND q ,或 p·q
  • 或(OR):记为p OR q,或p + q
  • 异或(XOR):记为 p XOR q

(黑色——1,白色——0)
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组合逻辑运算:
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灰度变换

根据原始图像中每个像素的灰度值,按照某种映射规则,将其转化为另一灰度值。常用的三种基本映射类型:线性函数,对数函数,幂次函数

  • 图像反转:【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第11张图片
  • 对数变换——动态范围压缩:使得一窄带低灰度输入图线映射为一宽带输出值。对数函数在很大程度上压缩了图像像素值的动态范围。【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第12张图片
  • 幂次变换:【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第13张图片

灰度直方图变换

灰度直方图是图像的一种统计表达。它反映了图像中灰度的分布情况,是多种空间域图像处理技术的基础,直方图操作能有效地增强图像。
h k = nk,(k=0,1,…,L-1),其中nk为图像中灰度级为宽带像素个数。【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第14张图片
直观上可以认为,如果一幅图像其像素占有全部可能的灰度级并且分布均匀,则这样的图像有高对比度和多变的灰度色调。

直方图均衡化

基本思想
变换原始图像的直方图为均匀分布 ——>大动态范围
使像素灰度值的动态范围最大 ——> 增强图像整体对比度(反差)
归一化直方图【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第15张图片
灰度累积直方图(归一化)
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直方图规定化

借助直方图变换实现规定/特定的灰度映射
三步骤

  • 对原始直方图进行灰度均衡化(求原始累积直方图)【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第18张图片

  • 规定需要的直方图,计算能使规定直方图均衡化的变化(求规定累积直方图)在这里插入图片描述

  • 将原始累积直方图对应映射到规定累积直方图

映射/对应原则
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  • 单映射规则(SML):取原始积累直方图的各项依次与规定累积直方图比较,每次都选择最接近的数值【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第21张图片【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第22张图片

  • 组映射规则(GML):(I(l)为整数函数)取原始积累直方图的各项依次与规定累积直方图比较,每次都选择最接近的数值【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第23张图片【视觉入门】——图形处理基础知识、BMP图像文件介绍、空域图像增强(点运算部分)——图像间变换、灰度变换、直方图变换_第24张图片
    对比

直方图规定化 直方图均衡化
自动增强 有选择地增强
效果不易控制 需给定直方图
总得到全图增强的结果 可得到特定增强的结果

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