数字图像处理的基础

大家都知道，人类所获取的信息中，大部分都来自视觉，人类用自己的双眼观察世界，发现世界。图像是对客观存在的物体、场景的一种相似性的生动描述。现在在计算机、网络及电子产品看到的图像都属于数字图像。在讲解图像处理之前需要必备一些关于图像处理的基本知识，下面就对一些常用的关于图像处理的基本知识进行讲解。

像素

像素是基本原色素及其灰度的基本编码。我们看到的数字图片是有一个二维的像素矩阵组成。像素在计算机中通常用3个字节24位保存，如16-23位表示红色（R）分量，8-15位表示绿色(G)分量，0-7位表示蓝色(B)分量；详细信息见下面“计算机颜色模型机RGB”中颜色的表示。

现实世界是三维的，但是我们从现实世界拍摄的图像是二维信息。一张图片可以定义为一个二维函数f(x,y)，(x,y)是二维空间中的点坐标，f(x,y)是对应于该点的坐标值，即像素。

当图片尺寸以像素为单位时，每一厘米等于28像素，比如15*15厘米长度的图片，等于420*420像素的长度。

一个像素所能表达的不同颜色数取决于比特每像素(BPP)。如8bpp[2^8=256色，灰度图像]、16bpp[2^16=65536色，称为高彩色]、24bpps[2^24=16777216色，称为真彩色]。

分辨率

图像总像素的多少，称为图像分辨率。由于图像通常用矩阵表示，所以分辨率常用，m*n表示，其中n表示行数(即一列包含的像素)，m表示列数(即一行包含的像素)。如640*480，表示图像的长和宽分别为640和480，总像素为640*480=307200(相机中所说的30万分辨率)，800*600，表示图像的长和宽分别为800和600，总像素为800*600=480000(相机中所说的50万分辨率)。

计算机颜色模型机RGB

颜色模型，是将颜色表示成数字形式的模型，或者说是一种记录图像颜色的方式。有RGB模型、CMYK模型、HSL模型、Lab颜色模型等，其中最常用的是RGB模型。

RGB

大家都知道，几乎世界上的所有颜色都可以用红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三种颜色的不同比例组合形成，红绿蓝被称为三原色。

然而在计算机上他是怎样表示的呢?

在计算机中，R、G、B三种颜色分别被量化成0—255共256个等级。这样彩色图像就有256*256*256=16777216种彩色，这种图像被称为全彩色图像（full-colornimage）或真彩色图像(true-colorimage)。

在图像中每一个像素保存一个颜色值，而每种颜色有RGB三种颜色组合而成。所以颜色可以用R、G、B三种颜色的三维坐标表示，如下图：

根据以上图像颜色的组成原理，可以把一个图像分解成R、G、G三种基颜色的灰度图像。如下图：

原图1 图1_red

图1_green 图1_blue

算法代码实现（java）：见下面附录1

特别说明：当一张图片各个像素的R、G、B三种颜色的分量都相同时就是一个无彩色灰度图像。如下图：

图1_gray

算法代码实现（java）：见下面附录2

附录

附录1：将图片分解成R、G、B三种灰度图片的算法

/**
	 * 将图片分解成R、G、B三种灰度图片
	 */
	public static void analyseRGB() {
		OutputStream output = null;
		try {
			// read image
			BufferedImage img = ImageIO.read(new File("F:\\image processing\\图1.jpg"));
			int imageType = img.getType();
			int w = img.getWidth();
			int h = img.getHeight();
			int startX = 0;
			int startY = 0;
			int offset = 0;
			int scansize = w;
			int dd = w-startX;
			int hh = h - startY;
			int x0 = w / 2;
			int y0 = h / 2;
			//System.out.println("dd:" + dd + "  hh:" + hh);
			// rgb的数组,保存像素，用一维数组表示二位图像像素数组
			int[] rgbArray = new int[offset + hh * scansize
					+ dd];
			//newArray 保存处理后的像素
			int[] newArray = new int[offset + hh * scansize
			     					+ dd];
			img.getRGB(startX, startY, w, h, rgbArray, offset, scansize);
			
			int rgb = rgbArray[offset + (y0 - startY) * scansize
					+ (x0 - startX)];
			Color c = new Color(rgb);
			//System.out.println("中间像素点的rgb：" + c);
			for(int i=0; i<h-startY; i++) {
				for(int j=0; j<w-startX; j++) {
					c = new Color(rgbArray[i*dd + j]);
					//newArray[i*dd + j] = new Color(c.getRed(), 0, 0).getRGB() ;	//红色灰度图像
					//newArray[i*dd + j] = new Color(0, c.getGreen(), 0).getRGB();	//绿色灰度图像
					newArray[i*dd + j] = new Color(0, 0, c.getBlue()).getRGB();	//蓝色灰度图像
				}
			}
			
			// create and save to bmp
			//File out = new File("F:\\image processing\\图1_red.jpg");
			//File out = new File("F:\\image processing\\图1_green.jpg");
			File out = new File("F:\\image processing\\图1_blue.jpg");
			if (!out.exists())
				out.createNewFile();
			output = new FileOutputStream(out);
			BufferedImage imgOut = new BufferedImage(w, h, BufferedImage.TYPE_3BYTE_BGR);
			imgOut.setRGB(startX, startY, w, h, newArray, offset, scansize);
			ImageIO.write(imgOut, "jpg", output);
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			if (output != null)
				try {
					output.close();
				} catch (IOException e) {
				}
		}
	}

附录2：将图片分解成黑白图片的算法

/**
	 * 将图片分解成黑白图片
	 */
	public static void grayImage() {
		OutputStream output = null;
		try {
			// read image
			BufferedImage img = ImageIO.read(new File("F:\\image processing\\baboom.jpg"));
			int imageType = img.getType();
			int w = img.getWidth();
			int h = img.getHeight();
			int startX = 0;
			int startY = 0;
			int offset = 0;
			int scansize = w;
			int dd = w-startX;
			int hh = h - startY;
			int x0 = w / 2;
			int y0 = h / 2;
			System.out.println("dd:" + dd + "  hh:" + hh);
			// rgb的数组,保存像素，用一维数组表示二位图像像素数组
			int[] rgbArray = new int[offset + hh * scansize
					+ dd];
			//newArray 保存处理后的像素
			int[] newArray = new int[offset + hh * scansize
			     					+ dd];
			img.getRGB(startX, startY, w, h, rgbArray, offset, scansize);
			
			int rgb = rgbArray[offset + (y0 - startY) * scansize
					+ (x0 - startX)];
			Color c = new Color(rgb);
			System.out.println("中间像素点的rgb：" +c+" "+c.getRGB());
			for(int i=0; i<h-startY; i++) {
				for(int j=0; j<w-startX; j++) {
					c = new Color(rgbArray[i*dd + j]);
					//彩色图像转换成无彩色的灰度图像Y=0.299*R + 0.578*G + 0.114*B
					int gray = (int)(0.299*c.getRed() + 0.578*c.getGreen() + 0.114*c.getBlue());
					newArray[i*dd + j] = new Color(gray, gray, gray).getRGB();	//蓝色灰度图像
				}
			}
			
			// create and save to bmp
			File out = new File("F:\\image processing\\baboom_gray.jpg");
			if (!out.exists())
				out.createNewFile();
			output = new FileOutputStream(out);
			BufferedImage imgOut = new BufferedImage(w, h, BufferedImage.TYPE_3BYTE_BGR);
			imgOut.setRGB(startX, startY, w, h, newArray, offset, scansize);
			ImageIO.write(imgOut, "jpg", output);
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			if (output != null)
				try {
					output.close();
				} catch (IOException e) {
				}
		}
	}