圖像表達(dá)及其性質(zhì)2.1.1像素與灰度圖像數(shù)字化主要是指空間位置的離散數(shù)字化和亮度電平值的離散數(shù)字化。圖像的數(shù)字化過程中關(guān)鍵的步驟就是采樣和量化。圖像采樣是對(duì)連續(xù)圖像在一個(gè)空間點(diǎn)陣上取樣，也就是空間位置上的數(shù)字化、離散化。原理如圖所示，其中M和N是點(diǎn)陣的列數(shù)和行數(shù)，M、N的大小關(guān)系采樣后圖像質(zhì)量的高低，合適的M和N能使數(shù)字化的圖像損失最小。M和N的取值并不是隨意確定的，它首先要滿足奈奎斯特采樣定理，使得采樣的數(shù)據(jù)能不失真地反映原始圖像信息。通常所說(shuō)的圖像空間分辨率表示的就是用多少個(gè)點(diǎn)來(lái)描述一張圖像，為了使采樣后的圖像保留更多的細(xì)節(jié)和更高的分辨率，人們希望使用更密集的空間像素點(diǎn)陣。也就是增加采樣頻率，即增加M和N，但采樣頻率越高圖像的數(shù)據(jù)量就越大，數(shù)字圖像的成本也隨之提高。一般說(shuō)來(lái)，采樣間隔越大，所得圖像像素越少，圖像的空間分辨率低，可觀察到的原始圖像細(xì)節(jié)就越少，圖像質(zhì)量變差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)像素呈塊狀的棋盤效應(yīng)；采樣間隔越小，所得圖像像素越多，則圖像就越細(xì)膩逼真，圖像空間分辨率就高，但數(shù)據(jù)量也隨之增大。如圖顯示的就是同一幅圖像在不同采樣頻率下的結(jié)果，從圖（a）到圖（f）是采樣間隔遞增獲得的圖像，在圖（b）中帽檐處已呈鋸齒狀，在圖（c）中這種現(xiàn)象更加明顯，頭發(fā)已變得不清晰，圖（e）已經(jīng)分不出人臉了，而圖（f）幾乎喪失了原圖像的所有信息?？梢姴蓸娱g隔和圖像的光滑程度，質(zhì)量高低之間有密切關(guān)系。像素一般是指由圖像的小方格組成的，這些小方塊都有一個(gè)明確的位置和被分配的色彩數(shù)值，小方格顏色和位置就決定該圖像所呈現(xiàn)出來(lái)的樣子?？梢詫⑾袼匾暈檎麄€(gè)圖像中不可分割的單位或者是元素。不可分割的意思是它不能夠再切割成更小單位或是元素，它是以一個(gè)單一顏色的小格存在。每一個(gè)點(diǎn)陣圖像包含了一定量的像素，這些像素決定圖像在屏幕上所呈現(xiàn)的大小。

如圖所示說(shuō)明了減少圖像的量化級(jí)別（灰度級(jí)）所產(chǎn)生的效果。保持空間分辨率即采樣頻率不變，將灰度級(jí)較少為128，如圖（b）所示，肉眼很難看出有什么變化。如果進(jìn)一步將灰度級(jí)減少為16，如圖（c）所示，此時(shí)在灰度緩變區(qū)會(huì)出現(xiàn)一些幾乎看不出來(lái)的非常細(xì)的山脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，這種效應(yīng)稱為虛假輪廓，它是由于在數(shù)字圖像的灰度平滑區(qū)使用的灰度級(jí)不夠而造成的。圖（d）、（e）、（f）的灰度級(jí)逐漸減小為8、4、2，可以看到圖像的質(zhì)量越來(lái)越差?？偟膩?lái)說(shuō)，量化等級(jí)越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率越好，質(zhì)量越好，但數(shù)據(jù)量比較大；量化等級(jí)少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率差，但數(shù)據(jù)量小。2.1.2圖像1.圖像信號(hào)圖像按其亮度等級(jí)的不同，可以分成二值圖像（只有黑白兩種亮度等級(jí)）和灰度圖像（有多種亮度等級(jí)）兩種。按其色調(diào)不同．可分為無(wú)色調(diào)的灰度（黑白）圖像和有色調(diào)的彩色圖像兩種。按其內(nèi)容的變化性質(zhì)不同，有靜態(tài)圖像和活動(dòng)圖像之分。而按其所占空間的維數(shù)不同，又可分為平面的二維圖像和立體的三維圖像等。2.模擬視頻信號(hào)根據(jù)三基色原理，利用R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）三色不同比例的混合可以表示各種色彩。攝像機(jī)在拍攝時(shí)，通過光敏器件（如CCD，電荷耦合器件），將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為RGB三基色電信號(hào)。在電視機(jī)或監(jiān)視器內(nèi)部，最終也是使用RGB信號(hào)分別控制撞擊熒光屏的電子流，或液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路使其發(fā)光產(chǎn)生影像。3.數(shù)字圖像的主要類型按數(shù)字圖像信息表示方式的不同，可以將數(shù)字圖像分為矢量圖（VectorBasedImage）和位圖（MappedImage）。矢量圖是用一系列計(jì)算指令來(lái)表示一幅圖，如畫點(diǎn)、畫線、畫曲線、畫矩形等。這種方式實(shí)際上是用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述一幅圖，然后通過編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。矢量圖像文件數(shù)據(jù)量小，圖像進(jìn)行縮小、放大時(shí)不會(huì)失真，目標(biāo)圖像的移動(dòng)、復(fù)制和旋轉(zhuǎn)都可以很容易做到。然而，對(duì)于構(gòu)造成分復(fù)雜的圖像，如自然風(fēng)景等，就很難用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表達(dá)了。位圖是指由一系列像素構(gòu)成的圖像，每個(gè)像素是由亮度、色度等參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)描述，位圖在數(shù)字圖像處理中得到廣泛應(yīng)用。矢量圖和位圖最大的區(qū)別就是矢量圖處理的對(duì)象是由數(shù)學(xué)表達(dá)式描述的形狀，而位圖處理的對(duì)象是像素。按圖像攜帶的視覺信息類型不同，可以將數(shù)字圖像分為灰度圖像和彩色圖像?；叶葓D像只包含了亮度信息而沒有色彩信息。灰度圖像又可以根據(jù)灰度等級(jí)的數(shù)目劃分為單色圖和灰度圖：?jiǎn)紊珗D的每個(gè)像素只用1位表示，要么為1，要么為0，即圖像只有兩種顏色；灰度圖的每個(gè)像素用1個(gè)字節(jié)表示，灰度等級(jí)為28=256級(jí)。彩色圖像除了亮度信息之外還包括了色彩信息。根據(jù)顏色數(shù)目的不同，彩色圖可分為256色圖像和真彩色圖像，用真彩色表示的圖像文件很大，需要較大的存儲(chǔ)空間和傳輸空間。

5.數(shù)字圖像的主要研究?jī)?nèi)容數(shù)字圖像處理所包括的內(nèi)容很廣泛，從研究目的來(lái)講大致可以分為圖像預(yù)處理和圖像分析兩大類。圖像預(yù)處理通常是為了改善圖像的質(zhì)量，使圖像中的某部分信息更加突出，以滿足某種應(yīng)用的需要；圖像分析則是從圖像中提取有用信息，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的過程，具體包括的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：（1）圖像變換圖像變換的方法包括傅里葉變換，沃爾什變換、離散余弦變換，小波變換等，圖像從空間域轉(zhuǎn)換到變換域后，不僅可以減少計(jì)算量，而且可以獲得更加有效的處理。例如小波變換在頻域具有良好的局部化特征，在圖像編碼、圖像融合中獲得了廣泛而有效的應(yīng)用。（2）圖像增強(qiáng)由于成像系統(tǒng)是個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，圖像在產(chǎn)生和傳輸?shù)倪^程中總會(huì)受到各種干擾而產(chǎn)生畸變和噪聲，使得圖像質(zhì)量下降，而圖像增強(qiáng)正是為了提高圖像的質(zhì)量，如抑制噪聲，提高對(duì)比度，邊緣銳化等，以便于觀察、識(shí)別和進(jìn)一步的分析處理。增強(qiáng)后的圖像與原圖像不再一致，也許會(huì)損失一些有用信息，但如果這些信息是人眼無(wú)法感知的，這樣的處理就是合理的。（3）圖像復(fù)原大氣湍流、攝像機(jī)與被攝物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都會(huì)造成圖像的模糊，圖像復(fù)原是指把退化、模糊了的圖像盡可能的恢復(fù)到原圖像的模樣，它要求對(duì)圖像退化的原因有所了解，建立相應(yīng)的“退化模型”，再采用某種濾波方法，恢復(fù)或重建原來(lái)的圖像。（4）圖像編碼與壓縮圖像編碼壓縮技術(shù)主要是利用圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性和人類視覺的生理學(xué)及心理學(xué)特性，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行編碼，有效減少描述圖像的冗余數(shù)據(jù)量，以便于圖像傳輸、存儲(chǔ)和處理。壓縮技術(shù)在日常的生活中隨處可見，如許多視頻文件都采用了MPEG-4技術(shù)進(jìn)行壓縮，在滿足一定保真度的前提下，大大減小了存儲(chǔ)空間，網(wǎng)絡(luò)上的JPEG文件也都采取了壓縮編碼技術(shù)，減小了文件的字節(jié)數(shù)從而有利于在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸。（5）圖像分割圖像分割是將感興趣的目標(biāo)從背景中分離出來(lái)，便于提取出目標(biāo)的特征和屬性，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，為最終的決策提供依據(jù)。圖像自動(dòng)分割是圖像處理領(lǐng)域中的難題，人類視覺系統(tǒng)能夠?qū)⑺^察的復(fù)雜場(chǎng)景中的對(duì)象一一分開，并識(shí)別出每個(gè)物體，但利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分割往往還需要人工提供必需的信息才能實(shí)現(xiàn)。2.1.3色彩空間“色彩空間”一詞源于英文“ColorSpace”，又稱為“色域”。色彩學(xué)中，人們建立了多種色彩模型，以一維、二維、三維甚至四維空間坐標(biāo)來(lái)表示某一色彩，這種坐標(biāo)系統(tǒng)所能定義的色彩范圍即色彩空間。為了科學(xué)地定量描述和使用顏色，人們提出了各種顏色模型。最常見的是RGB模型，它主要面向諸如視頻監(jiān)視器、彩色攝像機(jī)或打印機(jī)之類的硬件設(shè)備；另一種常用模型是HSI模型，它主要面向以彩色處理為目的的應(yīng)用，如動(dòng)畫中的彩色圖形。另外，在印刷工業(yè)和電視信號(hào)傳輸中，經(jīng)常使用CMYK和YUV色彩系統(tǒng)。1.RGB顏色模型RGB顏色模型是由國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）制定的。如圖所示，RGB顏色模型就是三維直角坐標(biāo)顏色系統(tǒng)的一個(gè)單位正方體，原點(diǎn)為黑色，距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)（1，1，1）對(duì)應(yīng)的顏色為白色，兩個(gè)點(diǎn)之間的連線是正方體的主對(duì)角線，從黑到白的灰度值分布在主對(duì)角線線上，該線稱為灰色線。正方體的其他六個(gè)角點(diǎn)分別為紅、黃、綠、青、藍(lán)和品紅。在三維空間的任一點(diǎn)都表示一種顏色，這個(gè)點(diǎn)有三個(gè)分量，分別對(duì)應(yīng)了該點(diǎn)顏色的紅、綠、藍(lán)亮度值。RGB顏色模型稱為與設(shè)備相關(guān)的顏色模型，不同的掃描儀掃描同一幅圖像，會(huì)得到不同顏色的圖像數(shù)據(jù)；不同型號(hào)的顯示器顯示同一幅圖像，也會(huì)有不同的顏色顯示結(jié)果。這是因?yàn)轱@示器和掃描儀使用的RGB模型與CIERGB真實(shí)三原色表示系統(tǒng)空間是不同的，后者是與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色模型。2.HSI顏色模型HSI模型反映了人的視覺系統(tǒng)觀察彩色的方式，其中，H表示色調(diào)（Hue），S表示飽和度（Saturation），I表示明度（Intensity）。人的視覺系統(tǒng)經(jīng)常采用HSI模型，它比RGB顏色模型更符合人的視覺特性。HSI模型的三個(gè)屬性定義了一個(gè)三維柱形空間，如圖所示?；叶汝幱把刂S線從底部的黑變到頂部的白，具有最高亮度。最大飽和度的顏色位于圓柱上頂面的圓周上。HSI顏色模型和RGB模型只是同一種物理量的不同表示法，因此它們之間存在著轉(zhuǎn)換關(guān)系。對(duì)任何3個(gè)[0，1]范圍內(nèi)的R，G、B值都可以用下面的公式轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)HSI模型中的I、S、H分量：由上式計(jì)算得到的H值應(yīng)該是一個(gè)位于[0。，360。]之間的數(shù)，若S=0時(shí)對(duì)應(yīng)的是無(wú)色彩的中心點(diǎn)，此時(shí)H值沒有意義，定義為0。當(dāng)I=0時(shí)，S也沒有意義。3.CMYK顏色模型彩色印刷或彩色打印的紙張是不能發(fā)射光線的，因而印刷機(jī)或打印機(jī)就只能用一些能夠吸收特定的光波來(lái)反射其他光波的油墨或顏料。油墨或顏料的三基色是青色（Cyan），品紅（Magenta）和黃色（Yellow），簡(jiǎn)稱為CMY，這三基色能夠合成吸收所有顏色并產(chǎn)生黑色。實(shí)際上因?yàn)樗写蛴∮湍紩?huì)包含一些雜質(zhì)，這三種油墨混合實(shí)際上生成的是土灰色，必須與黑色油墨（Blackink）混合才能產(chǎn)生真正的黑色，所以這種顏色模型稱為CMYK。CMYK模型被稱為減色模型，是因?yàn)樗鼫p少了為視覺系統(tǒng)識(shí)別顏色所需要的反射光。CMYK空間正好與RGB空間互補(bǔ)，即用白色減去RGB空間中的某一顏色值就等于同樣顏色在CMYK空間中的值。4.YUV顏色模型在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用彩色CCD攝像機(jī)，它把得到的彩色圖像信號(hào)，經(jīng)分色、分別放大校正得到RGB，再經(jīng)過矩陣變換電路得到亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)R-Y、B-Y，最后發(fā)送端將亮度和色差三個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行編碼，用同一信道發(fā)送出去，這就是常用的YUV顏色空間。采用YUV顏色模型的重要性是它的亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)U、V是分離的。如果只有Y信號(hào)分量而沒有U、V分量，那么這樣表示的圖就是黑白灰度圖。彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信號(hào)Y解決彩色電視機(jī)和黑白電視機(jī)的兼容問題，使黑白電視機(jī)也能接收彩色信號(hào)。2.1.4圖像存儲(chǔ)

圖像存儲(chǔ)格式一般分為以下幾種。（1）BMP格式BMP圖像文件最早應(yīng)用于微軟公司推出的MicrosoftWindows系統(tǒng)，是一種MS-windows標(biāo)準(zhǔn)的位圖圖像文件格式。此格式由于在存儲(chǔ)過程中幾乎不進(jìn)行壓縮，因此包含的圖像信息非常豐富。該文件格式支持RGB、索引顏色、灰度和位圖色彩模式，還支持l～32位的格式，其中對(duì)于4～8位的圖像使用RLE（行程長(zhǎng)度編碼），這種壓縮方案不會(huì)損失數(shù)據(jù)。它最大的缺點(diǎn)就是要占用大量的存儲(chǔ)空間。（2）GIF格式GIF（GraphicInterchangeFormat圖形交換格式）是由CompuServer公司設(shè)計(jì)的。該格式是在因特網(wǎng)上應(yīng)用最廣的圖像文件格式之一。GIF格式的最大特點(diǎn)是壓縮比高，文件占用存儲(chǔ)空間較小。該格式由于受到8位存儲(chǔ)格式的限制，因此要求圖像中顏色的數(shù)量減少到256或更少，這是縮小文件大小、減少占用存儲(chǔ)空間的一個(gè)主要因素。因?yàn)樵摳袷酱鎯?chǔ)的圖像中顏色數(shù)量少。所以GIF格式通常用于沒有太多顏色過渡的圖像，只有索引色和灰度圖像可以保存為GIF格式。雖然該格式受到存儲(chǔ)格式的限制，但這種限制在傳輸速度至關(guān)重要的媒體中十分有利。（3）JPG/JPEG格式JPG/JPEG格式是由JointPhotographicExpertsGroup（聯(lián)合圖像專家組）開發(fā)的一種常見的圖像文件格式，是目前網(wǎng)絡(luò)可以支持的圖像文件格式之一。實(shí)際上JPG/JPEG并不是一種格式，確切地說(shuō)是一種位圖圖像壓縮算法，其他一些文件格式如PICT格式和EPS