数字图像处理笔记(1-2)

概论与数字图像处理基础


前言

  • 本篇博客整理了数字图像处理课程第1-2章的知识笔记。
  • 相关材料见:DIP-Notes

重点习题与解答

附件:《数字图像处理-标注版.docx》

第1章

  1. 试述连续图像f(x, y)和数字图像g(i, j)中变量的含义,它们有何联系与区别?
  2. 什么是数字图像?数字图像处理有哪些特点?
  3. 数字图像处理的目的是什么?
  4. 数字图像处理的主要内容有哪些?
  5. 图像处理、图像分析和图像理解各有什么特点?它们之间有何联系与区别?
  6. 简述图像处理系统各组成部分的作用。
  7. 图像处理有哪些主要应用?
  8. 数字图像处理今后的发展方向是什么?
  9. 试用MATLAB的图像处理工具读取一个图像,并将其尺寸缩小0.5倍,将缩小后的图像旋转30°。提示:在命令行逐行输入如下命令,或编辑成一个m文件执行。

参考答案

  1. 1-6题,见附件

  2. 7题

    应用领域如下有:(1)通信;(2)宇宙探测;(3)遥感;(4)生物医学;(5)工农业生产;(6)军事、公安;(7)机器视觉;(8)视频和多媒体系统;(9)科学可视化;(10)电子商务;(11)社交应用;(12)嵌入式图像应用

  3. 8题

    (1)图像处理的发展将围绕HDTV(高清晰度电视)的研制,开展实时图像处理的理论及技术研究,向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发展。

    (2)图像、图形相结合,朝着三维成像或多维成像的方向发展。

    (3) 硬件芯片研究。把图像处理的众多功能固化在芯片上,使之更便于应用。如用VHDL语言设计图像处理卡和FPGA,能够根据检测对象和环境状况灵活组建硬件系统。

    (4)新理论与新算法研究。

  4. 9题 [编程题]

    I = imread('文件名');		%读取数字图像到向量I
    figure, imshow(I);		%显示图像
    J = imresize(I, 0.5);		%缩小图像0.5倍,并存入J
    figure, imshow(J)		%显示缩小后的图像
    K = imrotate(J, 30);		%将J旋转30°,并存入K
    figure, imshow(K);		%显示旋转后的图像
    

第2章

  1. 在数字化一幅图像时,应注意哪几个方面的问题?
  2. 常见的图像文件格式有哪些?它们各有何特点?
  3. 简述图像文件的一般结构。
  4. 试述BMP图像格式文件中调色板的作用。
  5. 试用你掌握的程序设计语言,编写读取BMP图像文件的程序。

参考答案

  1. 1-2题,见附件

  2. 3题 [填空题]

    图像文件结构(File structure of images)一般的图像文件结构主要都包含有文件头、文件体和文件尾等三部分。

    文件头:软件ID、软件版本号、图像分辨率、图像尺寸、图像深度、彩色类型、编码方式、压缩算法

    文件体:图像数据、彩色变换表

    文件尾:用户名、注释、开发日期、工作时间

  3. 4题

    调色板仅供灰度图像或索引图像使用,真彩色图像并不需要调色板(位图信息头部分后直接是位图数据)。

  4. 5题 [编程题]

    至少需考虑到文件信息头、位图信息头、位图数据。

    参考博客1:C++实现

    参考博客2:Python实现


重点参考

模拟图像与数字图像

图像是三维场景在二维平面上的影像,根据其存储方式表现形式,可以将图像分为模拟图像和数字图像两大类。

模拟图像中,图像信息是以连续形式存储和表现的。

数字图像是以数字格式存储的图像数据。将一幅图在空间上分割成离散的点,各点的灰度值经量化用离散的整数来表示,形成计算机能处理的形式

图像的数字化技术

图像的数字化包括采样和量化两个过程。图像在空间上的离散化称为采样,也就是用空间上部分点的灰度值代表图像,这些点称为采样点。模拟图像经过采样后,在空间上离散化为像素,但采样所得的像素值仍是连续量。把采样得到的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。

[填空题] 注:灰度值的范围为0~255 表示亮度从暗到明,对应图像中的颜色为从黑到白。

采样与量化

  • 采样:图像在空间上的离散化,也就是用空间上部分店的灰度值代表图像,这些点称为采样点。
    • 先沿垂直方向,再沿水平方向
    • 对于运动图像,先在时间轴采样,再沿垂直方向,再沿水平方向
    • 采样间隔的大小选取,要依据原图像中包含的细微变化程度来决定。
  • 量化:把采样得到的个像素的灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。
    • 把黑-白-灰的连续变化的灰度值,量化为0-255共256级灰度值
    • [填空题] 灰度值的范围为0~255 表示亮度从暗到明,对应图像中的颜色为从黑到白
    • 实用多采用:等间隔量化(均匀量化、线性量化)
    • [填空题] 非等间隔量化(非均匀量化):基于灰度值分布的概率密度函数,按总量化误差最小的原则
  • [填空题] 采样与量化参数的选择
    • 对于缓变的图像,应该细量化粗采样,以免出现假轮廓
    • 对于细节丰富的图像,应细采样粗量化,以免出现模糊(混叠)

数字图像类型

  • 位图
    • 线画稿
      • 只有黑白两种颜色。若样点颜色为黑,则相应的像素位元置为0,否则置为1
    • 灰度图像
    • 索引颜色图像
    • 真彩色图像
      • “真彩色”是RGB颜色的另一种叫法。每一个像素由红绿蓝3个字节组成,每个字节有8个bit,表示0-255之间不同的亮度值,共产生256 * 256 * 256,约1670万种不同的颜色
  • 像素(Pixel)、点(Dot)和样点(Sample)
    • 像素:在计算机中,图像是由显示器上的许多光点组成的,将显示在显示器上的这些点(光的单元)称为像素。
      • 像素不是绝对的度量单位(像厘米、克等),而是可大可小的。
    • 扫描图像时需设置扫描仪的分辨率,分辨率决定了扫描仪从源图像里每英寸取多少个样点。扫描仪将源图像看作是由大量的网格组成的,然后在每个网格里取出一,用该点的值代表该网格里所有点的颜色值,这些被选中的点就是样点。
  • 分辨率:数字图像在单位长度内所含有的像素数。
    • 图像分辨率:每英寸图像含有多少个点或像素。
      • 分辨率越高,图像细节越清晰,但产生的文件尺寸越大。
    • 屏幕分辨率:显示器上每单位长度显示的像素或点的数量。通常以点/英寸(dpi)来表示,如1920 * 1080
    • 打印机分辨率
    • 扫描仪分辨率

图像文件格式-BMP

  • BMP(BitMap Picture)

  • 教材P30:BMP图像文件结构

    [填空题] 位图文件头、位图信息头、调色板、图像数据

  • 下面两点需特别注意:

    • 图像数据每一行的字节数必须是4的整数倍,否则需要补齐。
    • BMP文件的数据存放时从下到上、从左到右。也就是说,图像数据时倒置的,读取BMP文件时,先读取最下面的数据,然后一次从下往上读取数据。

其他图像文件格式

  • TIF(Tag Image File Format)
  • GIF(Graphics Interchange Format)
    • 采取LZW压缩算法,存储效率高,支持多幅图像定序或覆盖、交错多屏幕绘图以及文本覆盖。
    • 颜色 <= 256 种
  • PGM(Portable GreyMap)以及PBM、PPM
    • 文件头以ASCII方式编码,图像数据以ASCII码或字节形式编码(教材P34:图2-15)。
  • JPEG(Joint Photographer’s Experts Group)
    • 具有高压缩比和良好的图像质量
    • 支持24位颜色
    • JPEG压缩为有损压缩
    • [Expanded] 与JPEG2000相比的特点