1.1 数字图像与图像处理
1.1.1 图像
1. 图像的类型
从结构上来看，最基本的图像是黑白灰阶图像，它可以看作光强度的二维函数，黑白图像像素的光强度通常称为灰度，灰度可在最亮值和最暗值之间取值。
彩色图像可以看作三幅灰阶图像的合成，他们分别表示图像的红、绿、蓝三个分量。
立体图像可以看作两幅灰阶图像的合成，一幅为左视图，一幅为右视图，由同一点在左、右视图中的不同坐标可以计算出第三维深度信息。
2. 灰度和光密度
通常，在计算机图像中灰度采用一个字节来表示，取值0~255。
黑白图像中，0代表黑色，255代表白色。
RGB模式下的彩色图像，包括：红色灰阶图像、绿色灰阶图像以及蓝色灰阶图像。
红色灰阶图像中，0代表黑色，255代表标准红色。
绿色灰阶图像中，0代表黑色，255代表标准绿色。
蓝色灰阶图像中，0代表黑色，255代表标准蓝色。
【注】标准红、绿、蓝色合成，可以得到白色。
光密度，是对光强度取lg对数得到的数值。
动态范围，指图像上可测得的最强光与最弱光之间的光密度差
1.1.2 数字图像
1. 光栅扫描方式
计算机上显示图像采用光栅扫描方式，这是把两维图像转换为一维时变信号的通用技术。
周期性的采样过程称为扫描。
常用的扫描方式有：隔行扫描和逐行扫描。
逐行扫描：在每一个时间段内对一个完整的图像进行扫描，称为一帧。
2. 图像数字化
网格化是二维空间的数字化，用于确定图像数据的采样点，图像水平方向和垂直方向等分线的交点便是采样点。
量化，则是将采样点处的光强度离散化。
3. 数字图像的特点
（1）信息量大
对于大的信息量，一方面我们可以由此获得较多的有用信息；另一方面，存储时则需要较大容量的存储介质。
（2） 相关性大
数字图像中各个像素的灰度并不是独立的，期间的相关性很大。在图像上，经常有部分像素具有相同或者接近的灰度，同一行中相邻的两个像素或相邻两行间的像素，其相关系数可达0.9以上；而相邻两帧之间的相关性比一帧内的相关性还大。因此，这给图像信息压缩提供了一定思路。
（3） 识别困难
1.1.3 图像处理的主要内容
1. 图像编码
为了节省存储空间，合理使用通信资源，需要研究专门的数据压缩技术。这些内容是图像编码研究的主要对象。
数据压缩技术是减少描述图像的数据量，以方便节省传输、处理的时间和存储器的容量。
压缩可以在不失真的前提下进行，即仅删除其中相关的信息，实现无损压缩，或者在允许失真的限度内进行有损压缩，换取更大的压缩比。
2. 图像的增强和复原
图像增强用以改善图像的主观质量，而不一定追究图像图像质量下降的原因。直方图修正、边缘增强等是常用手段。
图像复原则需要找出图像降质的原因，并尽可能的消除它，使图像回复本来面目。常用的方法是纠正几何失真和从已知图像信号与噪声的统计特性出发，用滤波方法来改善图像的信噪比等。
换言之，图像增强以清晰为目标，图像复原以逼真为目标。
3. 图像分析
分三步进行：分割、描述和分类。
以客观测度，按照灰度、颜色或者几何性质等把一些物体或区域加以分离，这称为分割。
采用适当的数学语言来表示已分离区域或物体的结构与统计特性，或表示区域间的关系，得出一种简练的表达方式，这称为描述。
图像经分割、描述后就较容易对之做进一步的分类与识别处理。
4. 图像重建
图像重建是利用X射线、核磁共振、超声波等手段获取物体的许多幅来自不同角度的投影图，他们反映了物体内部的情形，再通过计算获得物体内部的图像，这称为投影重建。由此得到的是物体的截面图像。
而利用阴影、运动、体视等图像信息回复三维物体形状则是另一类复杂的重建技术——3D重建。
图像处理的重要分支“Computer Vision”为机器人提供视觉，采用摄像机输入二维图像的机器人，可以确定物体的位置、方向、属性以及其他状态等，它不但可以完成普通材料的搬运、产品组装、部件装配、生产过程自动监控
1.2 颜色模式
1.2.1 颜色的分类和特性
1. 非彩色
当物体表面对可见光谱的所有波长的反射率都在80%~90%以上时，该物体为白色；当其反射率均在4%以下时，该物体为黑色。
白色、黑色和灰色对光谱各波长的反射没有选择性，是中性色。
2. 彩色
彩色有三种特性，即色调(Hue)、饱和度(Saturation)、和亮度(Value)
(1) 色调
色调是彩色彼此相互区分的特性。可见光谱不同波长的辐射在视觉上表现为各种色调。
通常，色调用“度(°)”来表示，分比为：红(0°)、黄(60°)、绿(120°)、青(180°)、蓝(270°)和品红(300°)。
(2) 饱和度
饱和度是指彩色的纯洁性。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。
物体色彩的饱和度取决于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。
物体对光谱的某一较窄波段的反射率很高，而对其他波长的反射率很低或没有反射，表明它有很高的光谱选择性，这一颜色的饱和度就很高。
(3) 亮度
彩色物体亮度愈高，则该物体表面的光反射率愈高。
非彩色只有亮度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。
3. 颜色轮
颜色轮是一个表示颜色的理想示意图，用它可以表达颜色混合的各种规律。
凡两颜色相混合产生白色或灰色，这两种颜色为互补色。颜色轮圆心对边的任何两种颜色都是互补色。
1.2.2 RGB 颜色模式
RGB 模型一般称为加色空间，因为其颜色是通过彩色光的相加而产生的，因而所产生的颜色的亮度总是高于产生它们的原色的亮度。
由于人眼对于相同强度单色光的主观亮度感觉不同，所以，用相同亮度的三原色混色时，如果把混色后所得到白光亮度定为100%，那么人的主观感觉是：
绿色仅次于白光，是三原色中最亮的；红光次之，亮度约占白光的一半；蓝光最弱，亮度约占红光的1/3。
1.2.3 CMYK(Cyan-Megenta-Yellow-Black) 颜色模式
1. 减色原理
在颜色减法混合中，应用减法“原色”，即青(Cyan),品红(Megenta),黄(Yellow).
青色为“减红”原色，吸收光谱中的红光部分，而透过其他波长；
品红为“减绿”原色，吸收光谱中绿光部分；
黄色为“减蓝”原色，吸收光谱中蓝光部分。
【注】CMYK 颜色模式一般应用于彩色印刷中。
一般来说，蓝光容易损伤人眼视网膜。因此，护眼模式采用衰减蓝光方式，即屏幕偏黄。
蓝光钢化膜为什么在阳光底下呈蓝色？
防蓝光手机膜，是针对蓝光辐射而研发的一种视力保护膜。蓝光手机膜采用蓝光阻断技术来对蓝光进行吸收与转化，实现对蓝光的有效阻断。
1.2.4 HSV(HSB、HLS) 颜色模式
1. 颜色立体
HSV（Hue-Saturation-Value）颜色空间更符合人的视觉规律，是直接面向用户的。
在彩色图像的分割中，RGB模式难以直接进行分割，只有将它们转换为HSV模式后才能进行。
1.3 数字图像处理系统
1.3.1 图像处理系统的构成
数字图像处理系统由计算机主机、图像输入设备、图像输出设备和大容量外存储器组成
1.3.2 图像的输入设备
1. 检测技术
目前图像数字化设备采用的光敏检测器件主要有两种：CCD(电荷耦合)器件和CMOS器件，他们完成光信号到电信号的转换。
（1）CCD器件
线性CCD包括几千个紧密排列在一条直线上的CCD管，主要用于扫描仪。
CCD阵列则将CCD管置于网络的交点上，每个芯片集成了几百万个CCD管，主要用于数码相机和电视摄像机。
CCD的一个特点是工作时能把入射的光子转换为电子-空穴对，电荷在存储电极作用下会聚成点荷包，点荷包的分布与景物光强成正比，存储的电荷构成图像的潜影。
CCD的另一特点是当时钟脉冲电压加到电极上是，点荷包可从一个存储单元转移到另一相邻单元，知道所有电荷都到达输出端。
（2）CMOS器件
