数字图像处理的应用.ppt

上 一 页 下 一 页 home 第 10章 数字图像处理的应用 内容提要 : 10.1 图像处理在数字水印上的应用 10.2 基于形态学的图像颗粒度分析系统 10.3 基于内容的图像检索 （ CBIR） 10.4 数字化医院中的图像存档与通信系统 10.5 PHOTOSHOP图像处理软件简介 上 一 页 下 一 页 home 10.1 图像处理在数字水印上的应用 10.1.1 概述 10.1.2 数字水印的衡量标准 10.1.3 数字水印的分类 10.1.4 实现数字水印的一般步骤 10.1.5 图像水印举例 上 一 页 下 一 页 home 10.1.1 概述 多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认证 和版权保护的声像数据也越来越多。 如果对数字化的声像数据也采用密码加密方式， 则其本身的数字信号属性就被忽略了。 用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密， 并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。 数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。 上 一 页 下 一 页 home 10.1.1 数字水印的衡量标准 （ 1）不可见性 在数字作品中嵌入水印不会引起明显的降质，并且不 易被察觉。 （ 2）鲁棒性 在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印 仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。 处理过程包括信道噪声、滤波、数 /模与模 /数转换、重 采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。 上 一 页 下 一 页 home 10.1.3 数字水印的分类 （ 1）按水印的特性分 鲁棒数字水印和脆弱数字水印 （ 2）按水印的检测过程分 明文水印和盲水印 （ 3）按数字水印的内容分 有意义水印和无意义水印 （ 4）按数字水印的隐藏位臵分 时（空）域数印、频域水印、时频域数字水印等。 上 一 页 下 一 页 home 10.1.4 实现数字水印的一般步骤 三个阶段： 嵌入过程、传播过程和抽取过程。 嵌入和抽取是相互对应的，即不同的嵌入方法对 应着不同的抽取方法。 水印方案的提出要充分考虑到数字产品在传播过 程中会受到怎样的干扰 这些干扰可能是天然的，比如信道噪声；也可能是人 为的，比如恶意的篡改数字产品。 在嵌入之前，要对嵌入载体作一些预处理或变换， 同样抽取水印也需要作相同的工作 上 一 页 下 一 页 home 图 10.1 水印的嵌入和提取流程 上 一 页 下 一 页 home 10.1.5 图像水印举例 1 LSB方法 任何一幅图片都具备一定的容噪性，像素数据的 最低有效位（ LSB）对人眼的视觉影响很小，秘 密信息就隐藏在图像每一个像素的最低位或次低 位，实现不可见性。 256色灰度图像每个像素值占 8 bit，其第 8位就是最低有 效位。 把水印分别嵌入到图像像素的不同位，越低位嵌 入，人眼越难识别。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.2 用 LSB方法嵌入水印 上 一 页 下 一 页 home 2在 DCT域嵌入水印 先计算 DCT，然后将水印叠加到 DCT域中幅值最大的前 k 系数上 (不包括直流分量 )，通常为图像的低频分量。 若 DCT系数的前 k个最大分量表示为 D=di（ i=1k），水 印服从高斯分布的随机实数序列 W=wi，那么水印的嵌入 算法为 Di=di(1+wi) （ 10.1） 用新的系数做反变换得到水印图像 IW。 解码函数则分别计算原始图像 I和水印图像 IW的离散余弦变 换，并相减得到水印估计 W*，再和原始水印做相关检验 以确定水印的存在与否。 上 一 页 下 一 页 home 10.2 基于数学形态学的图像颗粒度分析系统 10.2.1 概述 10.2.2 求图像中目标的面积和颗粒度 10.2.3 实验结果与分析 10.2.4 小结 上 一 页 下 一 页 home 10.2.1 概述 细胞图片中可能包含多个彼此分离的细胞；金相 图片中可能有多个气泡或颗粒；遥感图片中可能 有不同的目标。 以有噪医学图像为例采用开运算去除噪声，再根 据结构元素的变化定义并绘制图像面积函数和颗 粒度函数 研究图像中各个颗粒或“子目标图像”的分布状 况，得出的结论可供图像的颗粒度分析参考。 上 一 页 下 一 页 home 10.2.2 求图像中目标的面积和颗粒度 1. 面积的求解 （ 1）几何方法 不利于编程 （ 2）运用格林公式 有利于编程 （ 3）用边界行程码或链码 程序复杂度与运用格林公式相当 上 一 页 下 一 页 home 2. 颗粒度的求解 （ 1） 颗粒的检出 从图像中检出颗粒 Y，然后消除噪声点。 对图像 X进行了一次开运算。选取结构元素进行腐蚀运 算，去掉半径小于 的噪声点，再进行膨胀运算。 （ 2）颗粒分布函数 上 一 页 下 一 页 home 10.2.3 实验结果与分析 1.绘制面积函数（图 10.3 有噪图像的面积函数） 上 一 页 下 一 页 home 2.绘制颗粒度分布函数（图 10.4 有噪图像的颗粒度函数） 上 一 页 下 一 页 home 10.3 基于内容的图像检索（ CBIR） 10.3.1 概述 10.3.2 基于内容图像检索的发展 10.3.3 图像特征的概念 10.3.4 基于内容图像检索系统的框架 10.3.5 相似度测量公式 10.3.6 基于内容的图像检索系统简介 10.3.7 基于内容图像检索技术的研究热点 10.3.8 基于颜色和纹理特征的图像检索算法 上 一 页 下 一 页 home 10.3.1 概述 随着互联网技术、计算机技术、信号处理技术等的不断发 展，每天都有大量的图像数据需要处理，图像数据的应用 领域已涉及到科学技术和日常生活的各个方面。 在气象、遥感领域，人们要处理海量的气象图片和遥感图片。 在医疗卫生领域，由于医学图像的数字化存档和通讯系统已经越 来越为各医疗机构所重视，采用各种各样的医学影像设备帮助医 生进行诊断治疗，医学影像设备产生的图像数据很大部分已实现 了数字化管理。 在日常生活中，数码相机、扫描仪、数字摄像机等信息电器，使 得电脑硬盘或光盘里可能存储了成千上万张人物、风景图片。 上 一 页 下 一 页 home 10.3.2 基于内容图像检索的发展 基于文本检索利用了自然语言的优势，间接地实 现了对图像的索引。但： （ 1）人工标注要受到人的主观意识限制。 （ 2）大量的图像进行人工标注时要花费大量精力。 （ 3）没有直接基于图像的视觉特征，没有充分利用图 像本身所包含的特征如颜色、纹理、形状等，也没有 充分利用计算机对数字图像的处理能力。 上 一 页 下 一 页 home 基于内容的图像检索（ CBIR）技术 基于内容的图像检索（ CBIR, Content-Based Image Retrieval）技术应运而生。 更有效、更直接地反映图像视觉信息必须基于图 像本身的属性。 基于内容的图像检索使用颜色、纹理、形状、空间关 系等图像的视觉内容来表示和索引图像。 现在基于内容图像检索已经融入了相关反馈技术， 让用户参与到检索过程中，从而获得知觉、语义 上更加有意义的检索结果。 上 一 页 下 一 页 home 10.3.3 图像特征的概念 图像的特征是人对图像视觉感受的量化描述。 图像特征从各个方面描述了图像的内在语义，从 而可以作为图像的抽象表示。 基于特征（内容）的图像检索利用不同特征定义 的相似度表示不同图像之间的相似程度。 基于内容的图像检索 首先要确定特征，以便让计算机自动地或半自动地从 图像中提取这些特征。 其次根据这些特征进行相似性度量，认为查询图像与 目标图像特征值越接近则两幅图像越相似。 上 一 页 下 一 页 home 图像特征分为低层特征和高层语义特征 低层特征如颜色、纹理、形状和空间关系等 简单、直观、有效，所以现有的大多数 CBIR系统都采 用了这些特征。 高层语义特征描述了图像本身与其反映的客观世 界之间的关系。 由于图像内容的复杂性，人对图像内容的理解往往建 立在经验的基础上，所以人对图像内容的理解很难仅 靠统计特征来描述。 语义特征或者由文本标注得到，或者经过基于视觉内 容的复杂推理过程得到。 上 一 页 下 一 页 home 10.3.4 基于内容图像检索系统的框架 CBIR系统一般包括下面几个模块： 用户界面模块、图像输入模块、特征抽取模块、结果 显示模块以及用户反馈模块。 各模块独立完成一定的功能： 用户界面模块提供系统与用户的接口； 图像输入模块在向系统输入图像的同时进行预处理； 特征抽取模块完成对特征的提取 决定 CBIR系统性能优劣的关键之一； 结果显示模块把示例图像的特征与图像特征库中的特 征进行相似匹配，并按相似度从大到小显示图像； 用户反馈模块完成用户与系统的交互，系统根据用户 的反馈对参数作相应的调整，从而提高查询正确率。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.6 基于内容图像检索系统 用 户 界 面 输入图象 示例图象 图象预处理 图象预处理 特征提取 存储图象 显示结果 图象库 匹配结果 特征匹配 特征库 用户反馈 特征提取 用 户 上 一 页 下 一 页 home 10.3.5 相似度测量公式 1 Minkowski-Form距离公式 2 Quadratic Form（ QF）距离公式 3 Mahalanobis距离公式（马氏距离） 4 Kullback-Leibler（ KL） Divergence和 Jeffrey-Divergence（ JD）距离公式 上 一 页 下 一 页 home 10.3.6 基于内容的图像检索系统简介 1.QBIC系统 2.VIRAGE系统 3.VisualSeek/WebSeek系统 4. 章毓晋等人研制的基于特征的图像查询和检索系统。 该系统不仅提供了多种包括颜色、纹理、形状等单一特征的查询 和检索手段，而且还可综合利用各种不同特征进行检索操作。 系统采用的特征包括基于累积直方图和局部累积直方图，这是颜 色特征；基于灰度共生矩阵的 4种纹理量；基于不变矩的形状特征 等。系统能自动提取特征向量，能同时显示查询图、特征图和检 索结果。 上 一 页 下 一 页 home 10.3.7 基于内容图像检索技术的研究热点 1.综合特征检索技术 考虑到颜色、纹理、形状和空间关系等特征各有特点，它们各自 反映图像某一方面的内容，如果进行综合利用则有可能提高检索 性能。 2.相关反馈检索技术 实现了人机交互，用户根据先前检索结果借助权重调整已有的查 询要求以给检索系统提供更多更直接的信息，从而使系统能更好 地满足用户的需求。 3.基于语义的检索技术 人对图像的理解主要是在语义层次上的，所以将图像的语义特征 结合到检索系统中将会极大地提高检索性能。 上 一 页 下 一 页 home 10.3.8 基于颜色和纹理特征的图像检索算法 1. 概述 2. 颜色特征的提取 3. 纹理特征的提取 4. 距离度量与相似检索 5. 实验结果 上 一 页 下 一 页 home 图 10.8 不同特征的检索结果 上 一 页 下 一 页 home 10.4 数字化医院中的图像存档与通信系统 10.4.1 PACS概述 10.4.2 国内外发展现状 10.4.3 主要解决的问题和技术要点 10.4.4 DICOM图像格式 10.4.5 DICOM 3.0标准及其面向对象的实现 10.4.6 小结 上 一 页 下 一 页 home 10.4.1 PACS概述 医学影像已经不再是仅供医生参考的信息而成为 诊断疾病的重要依据。 电子病历数字化是进入医院的根本标志，而建立电子 病历当数图像的存储、检索和通信最为困难。 1992年，第一个集文字和图像于一体的电子病历系统： 图像存档和通信系统 PACS（ Picture Archiving and Communication System）诞生。 PACS 是图像处理技术和计算机通信技术密切结 合的典型产物，具有图像获取、存档、检索、传 送、显示、管理等功能的完整的网络系统。 上 一 页 下 一 页 home 10.4.2 国内外发展现状 PACS按照规模和功能分，有 小型 PACS、数字 PACS和全规模 PACS。 以服务于单一影像部门、含 X线影像及其所有影像设备 和全放射科或医学影像学科范围甚至包括临床影像浏 览、会诊系统和远程放射学服务为特征。 国外已经处于“第二代 PACS（ Hi-PACS, Hospital integrated PACS）”阶段。 Hi-PACS的基本含义 模块化结构、开放式架构、 DICOM标准、整合 HIS-RIS （医院信息系统 -放射学信息系统）等特征的全规模 PACS。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.9 HU-PACS的体系结构 上 一 页 下 一 页 home 图 10.10 PACS标准框架设计模式 上 一 页 下 一 页 home 10.4.3 主要解决的问题和技术要点 1.投资规模问题。 2.基于 DICOM的 PACS与现存信息系统的兼 容性问题。 3.研究医学图像的数字化、影像设备的数字 接口问题。 4.压缩存储和传输，提高图像的复用率。 5.图像数据库的建立和图片检索问题。 6.图像终端显示和浏览。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.11 DICOM标准的体系结构 上 一 页 下 一 页 home 10.4.4 DICOM图像格式 DICOM：指医学数字成像和通信系统。 Digital Imaging and Communications in Medicine 涵盖了数字图像信息构成和通信两个领域。 现在最新的版本共分为 16章。 第 1章和第 2章是导论和一致性声明部分，为描述了本 标准所涉及的范围，标准的目的、宗旨、意义。 DICOM标准允许工程实现者部分或全部地遵从，所以 在产品说明中必须声明遵从的程度。 后几章讲述的内容包括端到端通讯、数据交换中存储 和媒质格式、端到端支持的打印管理、灰度标准显示 函数、安全规范等。 上 一 页 下 一 页 home 用户可以根据医学工作的需要，制定符合 DICOM 标准的图像文件格式。 医学图像文件结构部分主要参考标准的 第 3章：信息对象定义 第 4章：服务类规范 第 5章：数据结构和编码规定 第 6章：数据字典（ Data Dictionary） 第 10章：数据交换中介质存储方式和文件格式 上 一 页 下 一 页 home 10.4.5 DICOM 3.0标准及其面向对象的实现 1 DICOM信息对象定义和服务类 DICOM标准融入了面向对象的思想。 信息对象定义 IOD反映的是某类具有相同性质或 属性的客观世界对象的信息。 Information Object Definition IOD与面向对象编程中“类”的概念非常相似。 信息模型来反映 IOD之间的关系，这种信息模型 是在表示 DICOM标准适用范围之内所有现实世界 对象之间关系的应用模型基础上抽象而来的。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.12 IOD结构示意图 I O D IE I E 1 I E 2 I E 3 I E n M o d u l e 1 M o d u l e 2 M o d u l e 3 M o d u l e n Normalized IOD Composite IOD Attribute 上 一 页 下 一 页 home 图 10.13 数据元素结构 D at a El em ent D at a El em ent D at a El em ent T ag V R V al ue L engt h V al ue G r oup Ele m ent Data Set 上 一 页 下 一 页 home 2.DICOM标准数据结构、编码和文件格式 标准以文件形式封装一个服务对象对实例，若干 文件组成文件集。 文件是由文件元信息和 DICOM数据集构成。 元信息由文件头和组号为 0002的元元素构成。 文件头包括 128字节的文件前文 4字节的前缀，这个前 缀的内容只能是“ DICM”，它用来表示此文件是 DICOM格式文件。 应用程序可以使用 128字节的文件前文，也可以不使用， 如不使用则填充“ 00H”。文件元元素使用显式 VR表示， 包括文件元信息版本，传输语法等内容。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.14 DICOM文件集和文件格式 A F i l e - set con t ai ns D I C O M F o r m at ed F i l es A F i l e con t ai ns one S O P I nst ance D I C O M F i l e Met a I nfor m at i on D I C O M D at a Set D I C O M S O P I nst ance DICOM Part 5 Encoding 上 一 页 下 一 页 home 10.5 PHOTOSHOP图像处理软件简介 支持多达几十种文件格式，因此能很好地支持多 种应用程序，常见的格式有 PSD、 BMP、 PDF、 JPEG、 GIF、 TGA、 TIFF等。其中： （ 1） PSD格式是 PHOTOSHOP的固有格式。 （ 2） PDF（ Portable Document Format）格式允许 在屏幕上查看电子文档。 （ 3） TGA格式 ： TGA（ Targa）格式已被国际上 的图形、图像工业所接受，现在已成为数字化图 像以及运用光线跟踪算法所产生的高质量图像的 常用格式。 上 一 页 下 一 页 home 最常用到的工具箱 （ 1）矩形选框工具 （ 2）套索工具 （ 3）魔棒工具 （ 4）移动工具 （ 5）缩放工具 （ 6）抓手工具 （ 7）画笔工具 （ 8）矩形工具 上 一 页 下 一 页 home （ 9）文字工具 （ 10）吸管工具 （ 11）前景色和背景色设臵工具 （ 12）橡皮擦工具 （ 13）渐变工具 （ 14）减淡工具 （ 15）模糊工具 上 一 页 下 一 页 home 图 10.16 PHOTOSHOP 工具箱 上 一 页 下 一 页 home PHOTOSHOP的一些典型功能 （ 1）直方图 (Histogram)的计算。 （ a）彩色 Lena图像 （ b）直方图命令 上 一 页 下 一 页 home 图 10.17 彩色 Lena图像的直方图计算与显示 (e)绿通道直方图 (f)蓝通道直方图 (c)亮度直方图 (d)红通道直方图 上 一 页 下 一 页 home （ 2）图像增强。 分别调整图像的有关参数 亮度 Brightness 对比度 Contrast 灰度系数 直方图均衡化。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.18 待增强的图像和相关命令 （ a）过亮的图像 (b)过弱的对比度 (c) 过小的灰度系数 (d) 与图像增强相关的命令 上 一 页 下 一 页 home （ 2）颜色的调整。包括 分别调整彩色图像的有关参数 亮度 对比度 变色（ Variations）。 图 10.19中间图框上的六个图框表示图像可以变得更 Green(绿 )Yellow(黄 ) Red(红 )Magenta（品红） Blue （蓝） Cyan（青）。 右边的三个图框分别表示较亮（ Lighter）、当前挑选和 较暗（ Darker）。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.19 颜色的变色调整 上 一 页 下 一 页 home （ 4）选择区工具。包括 矩形选框工具 套索（ Lasso）工具 魔棒（ Magic wand）工具 遮罩工具（ Marquee）等。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.20 矩形选择框的选择效果 上 一 页 下 一 页 home （ 5）图层的操作。 层（ Layers）是 PHOTOSHOP图像处理很重要 的方式。 可以将图层想象成具有多层透明图片的图像 （其图像格式为 *.PSD） 图片上下叠放在一起，上面的图片压住下面的 图片。 上 一 页 下 一 页 home （ 6）调色板的使用。 有时需要把一幅真彩色的图像文件转换为 256色。 PHOTOSHOP可以计算出图像所需的最佳调色板， 也允许为图像指定一个调色板。 用指定的调色板来转换 256色图像这一功能很有用 在制作多媒体软件时，常需要使很多张图使用同一个 调色板，这样才能保证在 256色显示模式下正确显示。 上 一 页 下 一 页 home 图 10.21 层的含义示意图 上 一 页 下 一 页 home 图 10.22 PSD图像示例 (a)PSD图像 (b)Layer（层）的信息窗口