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数字图像基础——图像和数字图像

2026/8/4 21:06:06 拓冰建站 浏览量
数字图像基础——图像和数字图像

一、基础概念

1.图像本质定义

  1. “图”：物体反射、透射光线在空间的客观物理分布；
  2. “像”：人眼接收光信号后，在大脑中形成的主观感知与解读；
  3. 视觉数据占比：人类获取外界信息83% 来自视觉，是机器视觉研究的核心依据；
  4. 成像本质区别
    • 人眼成像 = 客观光信号 + 人脑主观修正；
    • 相机 / 工业相机成像 = 纯客观光强采集，无主观偏差，适合机器检测。

2.广义图像范围

所有可被可视化的物理信号都属于图像：

日常照片、绘画、X 光片、B 超超声图、MRI 脑部核磁、心电图、红外热成像、雷达扫描图、卫星云图。

3.模拟图像、数字图像

（1）模拟图像（连续图像）

  • 数学表达式：f(x,y)f(x,y)f(x,y)

  • (x、y)(x、y)(x、y)：空间坐标，可以取任意实数；

  • fff：坐标点亮度 / 灰度 / 色度，连续不间断；

  • 局限性：无法直接存入计算机、无法做算法运算。

（2）数字图像（离散图像）

  • 数学表达式：I(r,c)I(r,c)I(r,c)

  • rrr= 行号、ccc= 列号、III= 像素灰度值，全部为整数；

  • 本质：二维整数矩阵，计算机以数组形式存储、处理；

  • 示例灰度图像矩阵：

二、数字图像六大分类

1.二值图像（黑白图像）

  • 像素仅两个取值：0=黑色、1=白色，无任何灰度过渡；
  • 矩阵示例：

  • 机器视觉用途：轮廓提取、ROI 掩码、二维码 / 条码识别、工件有无判断、形态学腐蚀膨胀操作。

2.灰度图像（单通道图像）

  • 取值范围：8bit 标准 0 ~ 255

    • 0 = 纯黑，255 = 纯白，中间数值为连续过渡灰色；

  • 存储：仅 1 个二维矩阵，占用内存小；

  • 矩阵示例：

  • 机器视觉用途：缺陷检测、边缘检测、尺寸测量、模板匹配，工业项目最常用格式。

3.RGB 真彩色图像（三通道图像）

  • 构成：R 红、G 绿、B 蓝三个独立灰度通道叠加，每个通道都是 0~255 灰度图；

  • 存储结构：三维数组高度×宽度×3；

  • 矩阵示例：

  • 常见色彩位深规格：

    模式位分配可表达总颜色数
    256 色B:2bit G:3bit R:3bit256
    高彩色 16bitB:5bit G:6bit R:5bit65536
    真彩色 24bitR/G/B 各 8bit约 1670 万

  • 用途：颜色分选、色差检测、外观颜色判定。

4.索引图像

  • 原理：图像矩阵只存调色板索引号，通过索引查表（colormap）获取真实 RGB 值；
  • 优点：大幅压缩文件体积；
  • 用途：GIF 动图、嵌入式低算力设备、老旧图片格式。

5.伪彩色图像

  • 原理：将灰度值映射为不同颜色，人为上色；
  • 用途：红外图、热力图、医学影像可视化，增强人眼辨识度。

6.三维图像

  • 表达空间高度信息（3D 点云、曲面高度矩阵）；
  • 用途：3D 机器视觉、高度差检测、体积测量、平整度检测。

三、其他分类维度（补充）

  1. 按存在形式
    • 可见图像：可见光照片、图纸；
    • 不可见物理图像：红外、雷达、超声、X 光、MRI 核磁。
  2. 按时间维度
    • 静态图像：单张图片；
    • 动态图像：视频帧序列（连续多张图像）。
  3. 按空间维度
    • 二维平面图像；三维深度图像。

MATLAB 实操代码

1.图像基础读取与显示

% 读取彩色图片 I = imread('lenac.bmp'); % 窗口显示图像 imshow(I);

2.彩色图转为灰度图

I = imread('lenac.bmp'); G = rgb2gray(I); % 转换公式：Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B imshow(G); imwrite(G,'lenag.bmp'); % 保存灰度图

3.灰度 / 彩色图转为二值黑白图

I = imread('lenac.bmp'); G = rgb2gray(I); BW = im2bw(G); % 阈值分割得到二值图 imwrite(BW,'lena_bw.bmp');

4.图像数据类型查看

whos % 查看矩阵维度、字节、数据类型 % I: 256×256×3 uint8 彩色图 % G: 256×256 uint8 灰度图 % BW:256×256 logical 二值图

5.MRI 多帧索引图像读取（三维序列图像）

load mri; % 载入脑部核磁多帧数据 imshow(D(:,:,7),map); % 显示第7帧单张切片 figure,montage(D,map) % 一窗口拼接所有切片

注意

  1. 二值图只有 0 和 1，灰度图是 0~255 连续值，不要混淆；
  2. 灰度图单通道计算量最小，工业检测优先选用；RGB 三通道适合颜色检测；
  3. rgb2gray加权公式是人眼视觉敏感度加权，不是简单平均值；
  4. 索引图像靠颜色表映射，本身不直接存储 RGB 数值；
  5. MRI 多帧图像属于 4 维数组，对应三维空间切片，是 3D 视觉基础案例。