第一章数字图象基础第二节基本系统数字图象处理北京大学计算机研究所 陈晓鸥第一章数字图象基础第二节基本系统第一章 数字图象基础
1.2 基本系统
– 图像的输入
– 图像的存储
– 图像的显示
– 图像的打印
1.1基本概念
– 图像的表示
– 图像的质量
– 图象的颜色
– 图像的像素第一章数字图象基础第二节基本系统图像存储系统第二节 基本系统第一章数字图象基础第二节基本系统图象输入系统
基本图象处理系统的结构图象处理与分析系统 图象输出系统第一章数字图象基础第二节基本系统第二节 基本系统
1.2.1 图像的输入
– 图像输入设备
– 统一的采样和量化
– 非统一的采样和量化第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1 图像的输入：图象输入设备
基于 CCD光电耦器件的输入设备
– 摄像机,数字摄像机
– 数字相机
– 平板扫描仪
基于光电倍增管的输入设备
– 滚筒扫描仪第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1 图像的输入：图象输入设备
扫描仪分辨率与扫描图象的大小
– 分辨率：单位长度上采样的像素个数,DPI(dot/inch)
1000DPI 1600DPI
1000象素 1600象素
1英寸原稿第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化为了计算机处理，图像函数 f(x,y)在空间和取值上必须数字化
图像的采样
– 空间坐标 (x,y)的数字化 被称为图像采样
– 确定水平和垂直方向上的像素个数 N,M
N
M
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
图像采样的形式化定义
– 设 Z表示整数集合
– 采样处理,将 xy平面分配到一个网格上，且每一个网格中心的坐标是一个笛卡儿乘积 ZxZ的元素对，即所有有序元素对 (a,b)的集合，其中 a和 b属于整数集合 Z
xy平面
(a,b)
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
图像的量化
– 取值的数字化 被称为图像灰度级量化
– 量化处理,将 f 映射到 Z的处理
– Z的最大取值，确定像素的灰度级数 G = 2m,如 256
f
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
图像的形式化定义
– 设 Z表示整数集合,R表示实数集合
– f(x,y)是 数字图像：
（ 1）仅当 (x,y) 是 ZxZ中的整数，
（ 2）并且 f是给每一个坐标对 (x,y)分配了一个灰度值（该值出于 R）的函数第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
图像的 采样 与数字图象的质量
265x180
133x90 66x45 33x22
第一章数字图象基础第二节基本系统
图像的 量化 与数字图象的质量
256灰度级
16灰度级 8灰度级 4灰度级
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化第一章数字图象基础第二节基本系统
一个好的近似图像，需要多少采样分辨率和灰度级
胡昂 [1965]实验：
– 实验方法
选取一组细节多少不同的、不同 N,M,G的图象
让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图象排序
– 实验结论
随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提高
对有大量细节的图象，质量对灰度级需求相应降低
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
4
5
Gm
32 64 128 256 N
曲线 1：
– 细节较少的人脸图象
– 等同偏爱曲线按主观质量递增的顺序被从左向右排列质量第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
4
5
Gm
32 64 128 256 N
曲线 2：
细节中等多的摄影师图象质量第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
4
5
Gm
32 64 128 256 N
曲线 3：
细节较多的球赛观众图像质量第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1 图像的采样：非统一的采样和量化
非统一的图像的采样
– 在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，
在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1 图像的采样：非统一的采样和量化
非统一的图像的量化
– 在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区域
– 避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现象
f
第一章数字图象基础第二节基本系统第二节 基本系统
1.2.2 图像的存储
– 图像的存储体系
– 彩色图像的存储
– 处理中的图像存储第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储：图像的存储体系
图像文件格式体系
– 互联网用,GIF,JPG,PNG
– 印 刷 用,TIF,JPG,TAG,PCX
– 国际标准,TIF,JPG
图像存储体系
– 内存存储：处理时使用
– 硬盘存储：处理、备份时用（在线）
– 备份存储：光盘、磁带（离线、近线）
– 分级存储（ HSM），网络存储（ SAN/NAS)
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储：彩色图像的存储
按像素存储
按色面存储第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储,处理中的图像存储
图像处理算法对存储缓冲区的不同处理模式
– 以像素为单位的处理，单缓冲区存储处理单缓冲区 原缓冲区 目标缓冲区
– 行和子图为单位的处理，双缓冲存储处理第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储,处理中的图像存储
大体积图像处理中的块缓冲区处理方式
– 行缓冲区、定长块缓冲区、不定长块缓冲行缓冲区定长块缓冲区不定长块缓冲第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储,处理中的图像存储
大体积图像处理中的文件映射处理方式
– 由操作系统和程序语言开发工具提供支持
– 存在的问题：存储空间的动态不可控性实际内存虚拟操作内存 实际数据存放在硬盘第一章数字图象基础第二节基本系统第二节 基本系统
1.2.3 图像的显示
– 全局显示
– 局部显示第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：全局显示
图像显示的坐标空间
图象显示的时机与机制
图象显示的恢复与刷新第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：全局显示
图像显示的坐标空间
– 世界坐标系与显示窗口世界坐标系视窗
0
显示窗口第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：全局显示
图象显示的时机与机制
– 事件驱动机制
局部失效事件
绘图事件
– 显示函数与显示事件
显示函数将图像的数据写入显示缓存
显示事件将缓存中的数据送到显示卡第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：全局显示
图象显示的恢复与刷新
– 恢复的必要性：
Undo的需要
重显的需要
– 刷新的机制：
系统刷新 ——交互操作引发
主动刷新 ——函数调用引发第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：局部显示
图像的局部显示
– 用蒙板实现图象的局部显示
用二值蒙板显示边缘不规则的局部区域
用 8位蒙板显示透明、融合效果的局部区域第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：局部显示第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：局部显示
图象的局部刷新
– 通过局部失效事件，触发局部刷新
– 保存刷新数据第一章数字图象基础第二节基本系统第二节 基本系统
1.2.4 图像的打印
– 打印机类型
– 打印机显色原理第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机类型
喷墨打印机
激光打印机
热升华打印机
热蜡打印机
印刷机
– 数字印刷机
– 传统印刷机：平印、凹印、丝印第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机类型
喷墨打印机
激光打印机
数字印刷机第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机显色原理
CMYK减色法
半色调（ Halftone）
– 通过基本颜色细小色块的组合变化实现连续色调的图象
网点（ Screen）
– 调幅网点：通过改变网点的大小
– 调频网点：通过改变单位面积中，相同大小网点的出现次数第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机显色原理第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机显色原理第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机显色原理第一章数字图象基础第二节基本系统第一次 作业 颜色模型转换
将 RGB图象转换为 HSI图象
将所有像素的色调 +30度
将结果转换为 RGB图象显示第一章数字图象基础第二节基本系统图像的颜色,HSI模型
HSI模型 ——量化颜色三属性
– H色相,取值 0-360
– S饱和度,取值 0-1或 0-100
– I亮度,取值 0-1或 0-100
第一章数字图象基础第一节基本概念
I
HS
第一章数字图象基础第二节基本系统问题解答
http://www.icst.pku.edu.cn/digitalimage
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示,Gama校正
显示器亮度变化的非线性
R = R
G = G
B = B
1.2 基本系统
– 图像的输入
– 图像的存储
– 图像的显示
– 图像的打印
1.1基本概念
– 图像的表示
– 图像的质量
– 图象的颜色
– 图像的像素第一章数字图象基础第二节基本系统图像存储系统第二节 基本系统第一章数字图象基础第二节基本系统图象输入系统
基本图象处理系统的结构图象处理与分析系统 图象输出系统第一章数字图象基础第二节基本系统第二节 基本系统
1.2.1 图像的输入
– 图像输入设备
– 统一的采样和量化
– 非统一的采样和量化第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1 图像的输入：图象输入设备
基于 CCD光电耦器件的输入设备
– 摄像机,数字摄像机
– 数字相机
– 平板扫描仪
基于光电倍增管的输入设备
– 滚筒扫描仪第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1 图像的输入：图象输入设备
扫描仪分辨率与扫描图象的大小
– 分辨率：单位长度上采样的像素个数,DPI(dot/inch)
1000DPI 1600DPI
1000象素 1600象素
1英寸原稿第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化为了计算机处理，图像函数 f(x,y)在空间和取值上必须数字化
图像的采样
– 空间坐标 (x,y)的数字化 被称为图像采样
– 确定水平和垂直方向上的像素个数 N,M
N
M
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
图像采样的形式化定义
– 设 Z表示整数集合
– 采样处理,将 xy平面分配到一个网格上，且每一个网格中心的坐标是一个笛卡儿乘积 ZxZ的元素对，即所有有序元素对 (a,b)的集合，其中 a和 b属于整数集合 Z
xy平面
(a,b)
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
图像的量化
– 取值的数字化 被称为图像灰度级量化
– 量化处理,将 f 映射到 Z的处理
– Z的最大取值，确定像素的灰度级数 G = 2m,如 256
f
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
图像的形式化定义
– 设 Z表示整数集合,R表示实数集合
– f(x,y)是 数字图像：
（ 1）仅当 (x,y) 是 ZxZ中的整数，
（ 2）并且 f是给每一个坐标对 (x,y)分配了一个灰度值（该值出于 R）的函数第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
图像的 采样 与数字图象的质量
265x180
133x90 66x45 33x22
第一章数字图象基础第二节基本系统
图像的 量化 与数字图象的质量
256灰度级
16灰度级 8灰度级 4灰度级
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化第一章数字图象基础第二节基本系统
一个好的近似图像，需要多少采样分辨率和灰度级
胡昂 [1965]实验：
– 实验方法
选取一组细节多少不同的、不同 N,M,G的图象
让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图象排序
– 实验结论
随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提高
对有大量细节的图象，质量对灰度级需求相应降低
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
4
5
Gm
32 64 128 256 N
曲线 1：
– 细节较少的人脸图象
– 等同偏爱曲线按主观质量递增的顺序被从左向右排列质量第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
4
5
Gm
32 64 128 256 N
曲线 2：
细节中等多的摄影师图象质量第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1图像的数字化：统一的采样和量化
4
5
Gm
32 64 128 256 N
曲线 3：
细节较多的球赛观众图像质量第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1 图像的采样：非统一的采样和量化
非统一的图像的采样
– 在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，
在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.1 图像的采样：非统一的采样和量化
非统一的图像的量化
– 在边界附近使用较少的灰度级。剩余的灰度级可用于灰度级变化比较平滑的区域
– 避免或减少由于量化的太粗糙，在灰度级变化比较平滑的区域出现假轮廓的现象
f
第一章数字图象基础第二节基本系统第二节 基本系统
1.2.2 图像的存储
– 图像的存储体系
– 彩色图像的存储
– 处理中的图像存储第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储：图像的存储体系
图像文件格式体系
– 互联网用,GIF,JPG,PNG
– 印 刷 用,TIF,JPG,TAG,PCX
– 国际标准,TIF,JPG
图像存储体系
– 内存存储：处理时使用
– 硬盘存储：处理、备份时用（在线）
– 备份存储：光盘、磁带（离线、近线）
– 分级存储（ HSM），网络存储（ SAN/NAS)
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储：彩色图像的存储
按像素存储
按色面存储第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储,处理中的图像存储
图像处理算法对存储缓冲区的不同处理模式
– 以像素为单位的处理，单缓冲区存储处理单缓冲区 原缓冲区 目标缓冲区
– 行和子图为单位的处理，双缓冲存储处理第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储,处理中的图像存储
大体积图像处理中的块缓冲区处理方式
– 行缓冲区、定长块缓冲区、不定长块缓冲行缓冲区定长块缓冲区不定长块缓冲第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.2 图像的存储,处理中的图像存储
大体积图像处理中的文件映射处理方式
– 由操作系统和程序语言开发工具提供支持
– 存在的问题：存储空间的动态不可控性实际内存虚拟操作内存 实际数据存放在硬盘第一章数字图象基础第二节基本系统第二节 基本系统
1.2.3 图像的显示
– 全局显示
– 局部显示第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：全局显示
图像显示的坐标空间
图象显示的时机与机制
图象显示的恢复与刷新第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：全局显示
图像显示的坐标空间
– 世界坐标系与显示窗口世界坐标系视窗
0
显示窗口第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：全局显示
图象显示的时机与机制
– 事件驱动机制
局部失效事件
绘图事件
– 显示函数与显示事件
显示函数将图像的数据写入显示缓存
显示事件将缓存中的数据送到显示卡第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：全局显示
图象显示的恢复与刷新
– 恢复的必要性：
Undo的需要
重显的需要
– 刷新的机制：
系统刷新 ——交互操作引发
主动刷新 ——函数调用引发第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：局部显示
图像的局部显示
– 用蒙板实现图象的局部显示
用二值蒙板显示边缘不规则的局部区域
用 8位蒙板显示透明、融合效果的局部区域第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：局部显示第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示：局部显示
图象的局部刷新
– 通过局部失效事件，触发局部刷新
– 保存刷新数据第一章数字图象基础第二节基本系统第二节 基本系统
1.2.4 图像的打印
– 打印机类型
– 打印机显色原理第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机类型
喷墨打印机
激光打印机
热升华打印机
热蜡打印机
印刷机
– 数字印刷机
– 传统印刷机：平印、凹印、丝印第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机类型
喷墨打印机
激光打印机
数字印刷机第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机显色原理
CMYK减色法
半色调（ Halftone）
– 通过基本颜色细小色块的组合变化实现连续色调的图象
网点（ Screen）
– 调幅网点：通过改变网点的大小
– 调频网点：通过改变单位面积中，相同大小网点的出现次数第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机显色原理第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机显色原理第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.4 图像的打印：打印机显色原理第一章数字图象基础第二节基本系统第一次 作业 颜色模型转换
将 RGB图象转换为 HSI图象
将所有像素的色调 +30度
将结果转换为 RGB图象显示第一章数字图象基础第二节基本系统图像的颜色,HSI模型
HSI模型 ——量化颜色三属性
– H色相,取值 0-360
– S饱和度,取值 0-1或 0-100
– I亮度,取值 0-1或 0-100
第一章数字图象基础第一节基本概念
I
HS
第一章数字图象基础第二节基本系统问题解答
http://www.icst.pku.edu.cn/digitalimage
第一章数字图象基础第二节基本系统
1.2.3 图像的显示,Gama校正
显示器亮度变化的非线性
R = R
G = G
B = B
