1.1 數字圖像處理概述

數字圖像處理也稱為計算機圖像處理，是指將圖像信號轉換成數字格式并利用計算機對其進行處理的過程。數字圖像處理起始于20世紀50年代，并于20世紀60年代初期形成一門獨立學科。目前，數字圖像處理技術作為自動化、信息化的一個重要手段廣泛應用于各行各業的工作環節中，為提高其工作效率和工作精度作出了不可忽視的貢獻。正因為如此，圖像處理理論和技術受到了越來越廣泛的重視。

1.1.1 數字圖像獲取

圖像是指自然景物存儲在各種介質上的視覺信息。這類原始圖像也稱為模擬圖像。計算機無法直接處理模擬圖像，而需要將其轉換成數字圖像并采集到計算機中再進行處理。這一過程稱為數字圖像獲取。

數字圖像獲取一般包括圖像攝取、轉換及數字化等幾個步驟，主要由硬件實現。例如掃描儀可以將印有文字的書頁轉換為數字圖像并采集到計算機中，它的核心元件包括光學成像部件和光電轉換部件。光學成像部件由燈管、反光鏡、鏡頭以及電荷耦合器件組成。掃描儀工作時，燈管發出強光照射書頁；鏡頭在反光鏡輔助下對書頁圖像的反光進行聚焦，并由電荷耦合器件進行光采集，生成關于書頁的圖像。這種圖像還需由光電轉換部件將其轉換成計算機可以識別的二進制數字格式，即生成最終的數字圖像。最后，掃描儀通過通信接口將數字圖像傳送至計算機中完成整個書頁圖像的獲取。

1.1.2 圖像顯示與存儲

圖像采集到計算機中，是以圖像文件的形式存儲的。在需要使用時，由應用程序對這些文件進行讀取及信息處理。

1.圖像顯示

圖像在計算機屏幕上的顯示，實際上是從存有圖像數據的圖像文件中取出數據，再按計算機顯示電路的要求送到顯示存儲器和調色板中的過程。其中，顯示存儲器中的數據是關于在計算機屏幕不同位置上顯示的顏色值，而顏色的定義則由調色板控制。同時，從圖像文件頭中可取得圖像的各種參數，這些參數用于控制圖像的顯示。如果文件中數據的存儲形式與顯示模式不一致，還需進行類型轉換。

2.圖像存儲

顯示在屏幕上的圖像，其調色板寄存器和顯示存儲器中的數據可用專門編制的程序讀出。圖像參數可以在顯示過程中得到。屏幕圖像的存儲過程按顯示過程的相反方向進行。

1.1.3 數字圖像文件

為了對數字圖像文件進行正常存取，這里介紹數字圖像文件的文件結構。盡管圖像文件種類繁多，但其結構是相似的。

1.圖像基本類型

為了更清楚地解釋數字圖像文件結構，先簡單介紹數字圖像按顏色分類的基本類型。

（1）二值圖像

一幅二值圖像的像素值僅由0、1兩個值構成，“0”代表黑色，“1”代表白色。由于每一像素取值僅有0、l兩種可能，所以計算機中二值圖像像素的數據類型通常為1個二進制位。

（2）16色圖像

一幅16色圖像像素值的取值范圍為[0,15]。由4個二進制位表示。實際上，0～15并不代表具體顏色，而是調色板中16種顏色的索引值。由于這類圖像只能顯示16種顏色，因此顯示效果不是很精細，目前只在圖標等較少的場合中有應用。

（3）256色圖像

一幅256色圖像像素值的取值范圍為[0,255]。由8個二進制位表示。和16色圖像一樣，0～255也不代表具體顏色，而是調色板中256種顏色的索引值。和16色圖像相比，由于可顯示顏色更豐富了，顯示效果得到明顯改善。

256色圖像更重要的一種應用格式是256灰度圖像。256灰度圖像實際上是256色圖像的一個特例。圖像像素值的取值范圍仍然是[0,255]，但每一個數值代表一種灰度，“0”表示純黑色，“255”表示純白色，中間的數字從小到大表示由黑到白的過渡色。就文件格式而言，256灰度圖像仍然采用256色圖像的格式，只不過其調色板中256種顏色已明確由小到大定義成不同灰度顏色。由于256灰度圖像去除了顏色信息，因此，在很多圖像分析場合，尤其是數字圖像模式識別應用中較常用。

（4）真彩色圖像

和上述圖像不同，真彩色圖像的像素值直接表示具體顏色，因此沒有調色板。一般真彩色圖像的每個像素值由三個字節組成，分別表示紅（R）、綠（G）、藍（B）三原色的亮度值。組合在一起，真彩色圖像共可以表示256×256×256=16777216，或16M種顏色。由于真彩色圖像所能表示的顏色數量已經超過人眼所能分辨的顏色數量，因此，實際應用中認為真彩色圖像的顯示效果和數字化前的原始圖像是一樣的，這也是真彩色圖像名稱的由來。

2.圖像文件結構

在計算機中，數據以文件的形式存儲在外存儲器中，圖像數據也不例外。圖像文件就是以數字形式存儲的圖像。為了便于讀寫，圖像數據一般以一定的格式存放。目前已知有幾十種圖像文件格式，它們雖各不相同，但都具有相似的特征。圖像文件一般由文件頭、像素數據和調色板數據3部分組成。

（1）文件頭

文件頭用于存放圖像基本信息，包括各種特征參數、像素數據與調色板數據在文件中的存放位置，以及文字注解等。它分固定格式和靈活格式兩大類。前者如BMP、PCX文件等，它們存儲規定的參數，且數據在文件中的存儲位置是固定的。后者如TIF文件，文件中除了規定的參數外，還可自定義特征參數，數據在文件中的存儲位置也不固定，且同一文件中還可存放多幅圖像。還有一些格式介于兩者之間，如GIF和TGA文件格式。

（2）像素數據

像素數據以位圖的形式存放，每個像素數據對應圖像相應位置上的顏色值，具體顏色值的定義由調色板數據提供。像素數據有壓縮和不壓縮之分。壓縮數據可以節省存儲容量，但在存取時需進行壓縮和解壓縮處理，處理速度稍慢。不壓縮的像素數據在不同格式的圖像文件中的存儲結構基本相同。

（3）調色板數據

調色板數據是指二值、16色和256色彩色圖像的色調數據，真彩色圖像的像素數據中已有顏色分量，故不再需要調色板數據。有些圖像文件格式中調色板數據放在文件頭中。有的文件中還有輸入、輸出設備及存儲介質的光學特性曲線等，據使用場合的不同而不同。圖像顯示時需要調色板數據。

3.圖像文件常用參數

在圖像的顯示控制中最為重要的參數包括圖像的寬度、高度、每像素所占位數、位平面數、圖像類型、像素數據存儲位置、調色板數據存儲位置、壓縮類型和圖像掃描方向等。它們可分為圖幅參數、類型參數、位置參數和其他參數等4類。

（1）圖幅參數

圖像的寬度和高度是圖像的基本參數。由圖像寬度可以計算出每行字節數，即由圖像寬度乘上每像素字節數直接求得，但有的圖像格式要求每行字節數是4的倍數（如BMP文件）或偶數（如PCX文件），計算時需作調整。

（2）類型參數

圖像的每像素所占位數、位平面數決定了圖像的存儲結構。每像素所占位數與位平面數相乘可得每像素所占總位數，由它可以計算出圖像中用到的色彩數，后者決定了圖像所需調色板中色彩的數量。總位數1、4、8分別對應于色彩數2、16、256。總位數為24時圖像是真彩色圖像，它不需要調色板數據，故色彩數為0。得到每像素所占位數和位平面數后，就可以確定圖像的類型。

有的圖像類型還特別注明圖像是黑白還是彩色。有了這個參數，黑白圖像文件中可以省略調色板數據（如TIF、TGA文件）。

（3）位置參數

像素數據和調色板數據的存儲位置用于對圖像數據的存數、取數指針進行定位。它們的存放位置可以是固定的，也可以是不固定的，因不同文件而不同。

這里，需注意的是圖像掃描方向或數據存儲順序。大多數圖像文件采用的掃描方向為自上而下（如PCX、GIF、TIF與JPEG文件），少數為自下而上（如BMP、TGA文件）。因此，在對讀取圖像數據進行顯示或處理時，需按照文件類型進行相應調整。

（4）其他參數

壓縮類型用于注明圖像文件是否壓縮，采用何種壓縮等，供存數、取數程序確定是否需要壓縮和解壓縮。

綜上所述，盡管計算機中存儲的圖像文件類型繁多，但不同類型的圖像文件均可由圖像中每像素所占位數和位平面數等圖像類型參數來區分，如表1-1所示。圖像文件按每像素所占總位數可分為4類，即黑白二值、16色彩色、256色彩色和24位真彩色。有些圖像文件中用圖像類型這個參數來區別黑白圖像和彩色圖像。表1-1中，pal表示該文件類型采用調色板，需要調色板數據；rgb表示彩色分量排列順序為紅、綠、藍，bgr則相反，為藍、綠、紅；bw、wb則省略調色板，前者表示黑白圖像中零值為黑色，高數值為白色，后則相反，零值為白色，高數值為黑色；*表示該類圖像支持的數據類型。

此外，16色彩色和真彩色圖像可分為第一位平面結構與多位平面結構兩類。單一位平面結構下，圖像數據以像素為單位集中存放，與顯示存儲器中的存放形式相同。而圖像文件中的多位平面存儲結構與顯示存儲器中的有所不同，它是按行為單位存放的。在同一行中圖像數據以顏色分量為單位集中在一起，每個位平面相當于一行黑白圖像，幾個位平面的數據依次存放。

表1-1 圖像文件類型參數

1.1.4 數字圖像處理

數字圖像處理即針對在空間上離散的，在幅值上量化分層的數字圖像，采用一些特定數理模式進行加工處理，以達到有利于人眼視覺或某種接收系統所需要的圖像的過程。數字圖像處理的方法主要包括：圖像變換、圖像增強、圖像復原、圖像壓縮編碼等。這部分處理也稱作數字圖像的預處理。其基本特點是輸入和輸出均為圖像。在此基礎上，可以進行圖像分析，模式識別等內容研究。一般認為圖像分析和模式識別是和圖像預處理相對獨立的另兩個部分。其基本特點是輸入的是圖像，輸出不為圖像，而是對圖像的分析和特征分類，或對圖像的描述和解釋。