第一章 数字图像处理基本知识

引言

  有些人会对照相、图片处理感兴趣，会用现成图像处理软件，比如Photoshop 软件。但这些人仅仅知道它的功能，并不知道是如何实现、如何进行编程实现。学完数字图像处理，到底怎么回事(算法)就会有所了解，甚至有些功能就能编程实现。 Photoshop这种应用软件，功能是已经固定的，对于特定工业应用、科研项目就用不了。 比如，生产管道上面有裂缝，可以用图像处理的技术去检测。还有指纹识别、人脸识别这些 Photoshop 处理不好。所以，数字处理这门技术，应用面是非常广的，重要性非常大。

学习方法

  这门课程学习要注意理论和实践结合， 学了一个理论，通过编程吗马上试一试，看看效果怎么样，加深理论理解。同时也知道学的理论不是枯燥的公式、实际应用再图像处理中还是有具体内涵的。

数字图像处理基本知识

数字图像基本概念

图、像、图像、图像表示、模拟图像、数字图像

  图是物体反射光\透射光\发光物体本身发射光(能量)的分布(图像场)，是客观存在；像是人的视觉系统所接受的图在人脑中所形成的印象或认识，是人的主观感觉；图像是二维或三维景物呈现在人心目中的影像，包含了描述其所代表的景物的信息。

  图像数学表达：$I=f(x,y,z,t)$ 序列图像。不同图像，不同频谱波段成像和 $\lambda$ 有关。一般情况，只考虑平面的单色的静止的图像，$I=f(x,y)$ 以这个为例进行研究。要变到其他地方加参数。

  模拟图像：定义域(x,y)空间坐标连续，函数值域辐射场能量 $I$ 连续。数字图像：由模拟图像量化得到，Step1 首先对 (x,y) 空间坐标离散化，这一步叫取样，它确定了图像的空间分辨率。Step2 f(x,y) 函数值的离散化叫量化，它确定了图像的幅度分辨率。对一幅模拟图像取样和量化后变成的函数所代表的图像就是一个数字图像。
  空间上均匀分格，每个格一个值，这个就是一个采样的过程。一个点空间大小本来是连续的，离散化就是量化，出于存储和量化硬件的考虑，灰度级数通常取2的整数次幂，即 $l=2^k$ ,常称该图像为k比特图像。一般灰度图是8比特图像。这里注意取样间隔满足香农定理（奈奎斯特采样定理）。 取样间隔越大，图像像素越少，空间分辨率越低，马赛克效应越明显。取样间隔越小，空间分辨率越高，数据量越大。量化等级越多，图像层次越丰富。量化等级越少，灰度分辨率越低，出现假轮廓现象。

  数字图像的表示：矩阵，其中对应某一个点，它的灰度值称作像素值。

  对一幅图像，在计算机内以数据矩阵方式存储。占用空间: $M\ast N\ast k$ 。

  按颜色不同将图像分为3类：其中彩色图像还有HSI、LUV等，此处以RGB彩色图为例。

像素间的基本关系

   四邻域：水平，垂直四个邻近像素 $f(x-1,y)f(x+1,y)f(x,y-1)f(x,y+1)$ 八邻域：水平、垂直、对角八个邻近像素。对角邻域：对角的四个邻近像素

  邻接： 必要条件：1.两像素是邻域。2.两像素的灰度值满足特定的相似准则

  通路: 如果 $p(x,y)$ 到 $q(s,t)$ 有一系列像素连接, $(x0,y0),(x1,y1)...(xn,yn)$ 如果 $(xi,yi)与(xi-1,yi-1)$ 相邻接 $1<=i<=n$ 则称b$p$b到 $q$b有一条通路。如果 $x0=yny0=yn$ 则称为闭合通路

  连通: 如果p到q两个像素之间存在通路，则称p和q是连通的。如果p和q是连通的，至少存在一条通路。

  像素间的距离： 对于任意三个像素$p,q,r$ 满足这么几个条件 1. $D$是一个函数，$D(p,q)>=0$,当且仅当 $p,q$ 同一个点时等号成立。2. $D(p,q)=D(q,p)$。 3. $D(p,r)<=D(p,q)+D(q,r)$。则称 $D$ 为距离，或者说是度量函数。常见距离：欧氏距离、城区距离、棋盘距离。$D4=1$ 四邻域 $D8=1$ 八邻域

数字图像处理系统简介

图像基本属性

  图像像素数量，$M\ast N$ 的值。单纯增加数量并不能提升图像显示效果，还要看显示器分辨率如何
  图像分辨率，单位打印尺寸上分布像素数量。单位面积上，分辨率越高、像素点越多、图像清晰度越高
  图像大小，$M\ast N\ast k$ bit 或者 $M\ast N\ast k/8$ 字节B
  图像颜色，通过改变红绿蓝三原色比例混合任意一种颜色。
  图像深度，$k$ ,位数越多颜色表示越丰富
  图像色调，各种图像颜色对应原色的明暗程度。
  图像亮度，数字图像中包含色彩的明暗程度。
  图像对比度，图像中不同颜色的对比或者明暗程度的对比，对比度越大，颜色之间的亮度差异越大。
  图像饱和度，图像中颜色的纯度，自然景物照片的饱和度取决于物体反射或透射特性，数字图像处理中一般用纯色中混入白光的比例衡量饱和度，纯色中混入白光越多，饱和度越低。

数字图像处理的存储和读写

未完待续。。。

参考文献

数字图像处理 冈萨雷斯