数字图像处理1

1数字图像处理数字图像处理王王 锋锋办公室：办公室：6309Cellphone：Email：Pulic Email：Password:imageprocessing2 主要参考书主要参考书 1、R.C.Gonzalez,R.E.Woods。数字图像处理（第二版）。电子工业出版社，2006。2、R.C.Gonzalez,R.E.Woods,S.L.Eddins。数字图像处理（Matlab版）。电子工业出版社，2006。3、章毓晋。图像处理与分析。清华大学出版社，2000。4、章毓晋。图象分割。科学出版社，2001。5、Kenneth R.Castleman著，朱志刚、林学訚yn、石定机等 译，数字图像处理，电子工业出版社，2002年 3 主要学习内容及学时安排主要学习内容及学时安排 1、绪言、基本原理 2学时 2、亮度变换与空间滤波 4学时 3、频域处理 4学时 4、图像复原 4学时 5、彩色图像处理 4学时 6、图像压缩 2学时 7、形态学图像处理 2学时 8、图像分割 4学时 9、课内实验 16学时 4 成绩评定成绩评定 1、平时成绩40分，其中：实验20分，作业10分，考勤10分。2、期末考试(初定大作业）60分。51、绪言、绪言、数字图像处理基础数字图像处理基础 概念：图像、数字图像、像素概念：图像、数字图像、像素 数字图像处理的起源数字图像处理的起源 数字图像处理的应用领域数字图像处理的应用领域 数字图像处理研究的基本内容数字图像处理研究的基本内容 数字图像处理的三个层次数字图像处理的三个层次基本数字图像处理理系的的结基本数字图像处理理系的的结l 图像的采样和量化图像的采样和量化 数字图像的表示数字图像的表示 数字图像的质量数字图像的质量6 人类传递信息的主要媒介是语音和图像。人类传递信息的主要媒介是语音和图像。据系计，在人类接受的信息中，听觉信息占据系计，在人类接受的信息中，听觉信息占2020，视觉信息占，视觉信息占6060，其他如味觉、触觉、嗅，其他如味觉、触觉、嗅觉总起来不过占觉总起来不过占2020。所以，作为传递信息的。所以，作为传递信息的重要媒体和手段重要媒体和手段-图像信息是十分重要的，图像信息是十分重要的，俗话说俗话说“百闻不如一见百闻不如一见”。7定义为二维函数定义为二维函数f(x,y),其中，其中，x,y是空间坐标，是空间坐标，f(x,y)是点是点（x,y）的幅值）的幅值灰度图像是一个二维灰度（或亮度）函数灰度图像是一个二维灰度（或亮度）函数f(x,y)彩色图像由三个（如彩色图像由三个（如RGB,HSV）二维灰度（或亮度）函）二维灰度（或亮度）函数数f(x,y)组成组成8 像素组成的二维排列，可以用矩阵表示像素组成的二维排列，可以用矩阵表示 对于单色（灰度）图像而言，每个像素的亮度用对于单色（灰度）图像而言，每个像素的亮度用一个数值来表示，通常数值范围在一个数值来表示，通常数值范围在0到到255之间，之间，0表示表示黑、黑、255表示白，其它值表示处于黑白之间的灰度表示白，其它值表示处于黑白之间的灰度 彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来彩色图像可以用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。通常，三元组的每个数值也是在表示。通常，三元组的每个数值也是在0到到255之间，之间，0表示相应的基色在该像素中没有，而表示相应的基色在该像素中没有，而255则代表相应的则代表相应的基色在该像素中取得最大值基色在该像素中取得最大值910 什么是像素？什么是像素？数字图像由二维的元素组成，每一个元素具有一个特定的位置（x,y）和幅值f(x,y),这些元素就称为像素11 图像在传输过程后的更好复原图像在传输过程后的更好复原 空间应用：图像增强、图像复原空间应用：图像增强、图像复原 医学图像医学图像 作用：通过图像增强、图像复原等技术，增强或复原模糊或损毁的图像作用：通过图像增强、图像复原等技术，增强或复原模糊或损毁的图像 自动字符识别自动字符识别OCR 人脸识别人脸识别 指纹识别，生物特征识别指纹识别，生物特征识别数字图像处理的起源数字图像处理的起源12 图像处理技术的最早应用当属遥感与医学领域。图像处理技术的最早应用当属遥感与医学领域。从世界上出现第一幅照片（从世界上出现第一幅照片（18391839年）及意大利人年）及意大利人乘飞机拍摄了第一张照片（乘飞机拍摄了第一张照片（19091909年）通常被认为年）通常被认为是遥感技术的起源，也是图像处理技术的兴起。是遥感技术的起源，也是图像处理技术的兴起。路易斯达意尔出生于一七八八年，是一位画家兼舞台布景设计师，他三十四岁时，开办了一个小剧场。他为了设计光学布景，制作了一个小木匣子，一端开有小孔，通过太阳光的照射，风景画就能反映到墙上或幕布上。后来他又发现了暗箱式万花筒装上镜头和反射镜，使幕布上的布景更加逼真动人。有一天，达意尔正要让一张薄片能感光时，不料乌云密布，遮住了阳光，他只好把这张感光不足的薄片放在化学品柜子里。三天后，他从柜子里取出薄片时，发现上面的风景非常的清晰。经过各种试验，终于诞生了世界上第一张光学照片。13这张照片此前一直被认为是“现代摄影术之父”威廉亨利福克斯塔尔博特在1835年拍摄的。当时摄影师将树叶放在一张感光纸上，随后将感光纸拿到阳光下曝光，最终，感光纸上清晰地显示出一个和树叶大小相同的图片，并且图片中树叶的脉络清晰可见。在摄影专家眼中，它却是无价之宝，因为它被认为是世界上第一张照片 14 在医学领域中利用图像进行直观诊断可追溯至在医学领域中利用图像进行直观诊断可追溯至18951895年年X X射线的发现。德国维尔茨堡大学校长兼射线的发现。德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授（物理研究所所长伦琴教授（1845184519231923年），在年），在他从事阴极射线的研究时，发现了他从事阴极射线的研究时，发现了X X射线。射线。15 他偶然发现他偶然发现X X射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓，射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓，他为夫人拍摄的手部图像是第一张具有历史意义他为夫人拍摄的手部图像是第一张具有历史意义的图像。后来在医学领域发挥了巨大作用，同时的图像。后来在医学领域发挥了巨大作用，同时也促进了图像技术的发展。也促进了图像技术的发展。1617 数字图像处理的历史可追溯至二十世纪二数字图像处理的历史可追溯至二十世纪二十年代。最早应用之一是在报纸业，当时，十年代。最早应用之一是在报纸业，当时，引入巴特兰电缆图片传输理系，图像第一引入巴特兰电缆图片传输理系，图像第一次通过海底电缆横跨大西洋从伦敦送往纽次通过海底电缆横跨大西洋从伦敦送往纽约传送一幅图片。约传送一幅图片。18 为了用电缆传输图片，首先进行编码，然后在为了用电缆传输图片，首先进行编码，然后在接收端用特殊的打印设备重现该图片。按照接收端用特殊的打印设备重现该图片。按照19291929年的技术水平，如果不压缩，需要一个多年的技术水平，如果不压缩，需要一个多星期，压缩后传输时间减少到星期，压缩后传输时间减少到3 3个小时。个小时。191929年通过海底电缆从伦敦到纽约传输的一幅照片201921年经编码后用电报打印机打印的图像211922年两次通过大西洋后打印的数字图像22 数字图像处理的历史与数字计算机的发展紧密数字图像处理的历史与数字计算机的发展紧密相连。事实上，数字图像要求如此之大的存储相连。事实上，数字图像要求如此之大的存储和计算能力，以致于在图像处理中必须依靠数和计算能力，以致于在图像处理中必须依靠数字计算机及包括数据存储及传输方面的支撑技字计算机及包括数据存储及传输方面的支撑技术的发展。术的发展。23 第一台能够进行图像处理的大型计算机出现第一台能够进行图像处理的大型计算机出现在在2020世纪世纪6060年代。数字图像处理的起源可追溯年代。数字图像处理的起源可追溯至利用这些大型机开始的空间研究项目，可以至利用这些大型机开始的空间研究项目，可以说大型计算机与空间研究项目是数字图像处理说大型计算机与空间研究项目是数字图像处理发展的原动力。发展的原动力。24 医学、空间应用、地理学、生物学、军事 数码相机(DC)、数码摄像机(DV)指纹识别、人脸识别 互联网、视频、多媒体等 基于内容的图像检索、视频检索、多媒体检索 水印、游戏、电影特技、虚拟现实、电子商务等25 数字图像处理的应用越来越广。它的应用数字图像处理的应用越来越广。它的应用已渗透到了工程、工业、医疗保健、航空航天，已渗透到了工程、工业、医疗保健、航空航天，军事、科研、安全保卫等各个方面，在国计民军事、科研、安全保卫等各个方面，在国计民生及国民经济中发挥越来越大的作用。生及国民经济中发挥越来越大的作用。26 学学 科科 应应 用用 内内 容容 物理、化学物理、化学的晶分析、谱分析的晶分析、谱分析 生物、医学生物、医学 细胞分析、染色体分类、血球分细胞分析、染色体分类、血球分 类、类、X X光照片分析、光照片分析、CTCT 环境保护环境保护 水质及大气污染调查水质及大气污染调查 地地 质质 资源勘探、地图绘制、资源勘探、地图绘制、GISGIS 27 农农 林林 植被分布调查、农作物估产植被分布调查、农作物估产 海海 洋洋 鱼群探查、海洋污染监测鱼群探查、海洋污染监测 水水 利利 河流分布、水利及水害调查河流分布、水利及水害调查 气气 象象 云图分析等云图分析等 通通 信信 传真、电视、多媒体通信传真、电视、多媒体通信 工业、交通工业、交通 工业探伤、铁路选线、机器人、工业探伤、铁路选线、机器人、产品质量监测产品质量监测28图像处理用于空间探索29图像处理用于空间探索3031 与空间应用同时，数字图像处理技术在与空间应用同时，数字图像处理技术在2020世纪世纪6060年代末和年代末和7070年代初开始用于医学图像、年代初开始用于医学图像、地球遥感监测和天文学领域。地球遥感监测和天文学领域。早在早在2020世纪世纪7070年代计算机轴向断层年代计算机轴向断层(CAT)(CAT)、简称计算机断层简称计算机断层(CT)(CT)是图像处理在医学诊断应是图像处理在医学诊断应用中最重要的事件之一。用中最重要的事件之一。32 计算机断层是一种处理方法，在这种处理计算机断层是一种处理方法，在这种处理中，一个检测器环围绕着一个物体中，一个检测器环围绕着一个物体(或病人或病人)，一个一个X X射线源，带有检测器的同心圆绕着物体射线源，带有检测器的同心圆绕着物体旋转，旋转，X X射线通过物体并由位于环上对面的相射线通过物体并由位于环上对面的相应的检测器收集起来，然后用特定的重建算法应的检测器收集起来，然后用特定的重建算法重建通过物体的重建通过物体的“切片切片”的图像，的图像，3334MRI成像成像35正电子发射计算机断层扫描36PET-CT图示PET37PET-CT图示PET38PET-CT图示PET39PET-CT图示PET40PET-CT图示PET41PET与CTScans showing lung cancer(bright spot in the chest).At left-CT scan;center-PET scan;right-combined CT-PET scan.42PET的临床应用癌症4344 这些切片组成了物体内部的再现图像。这些切片组成了物体内部的再现图像。断层技术是断层技术是Godfrey N.HounsfielaGodfrey N.Hounsfiela和和Allan M.CormackAllan M.Cormack教授分别发明的，他们教授分别发明的，他们共同获得共同获得19791979年诺贝尔医学奖。年诺贝尔医学奖。45 从从2020世纪世纪6060年代至今，数字图像处理技术发展年代至今，数字图像处理技术发展迅速，目前已成为工程学、计算机科学、信息迅速，目前已成为工程学、计算机科学、信息科学、系计学、物理、化学、生物学、医学甚科学、系计学、物理、化学、生物学、医学甚至社会科学等领域中各学科之间学习和研究的至社会科学等领域中各学科之间学习和研究的对象。如今图像处理技术已给人类带来了巨大对象。如今图像处理技术已给人类带来了巨大的经济和社会效益。不久地将来它不仅在理论的经济和社会效益。不久地将来它不仅在理论上会有更深入的发展，在应用上亦是科学研究、上会有更深入的发展，在应用上亦是科学研究、社会生产乃至人类生活中不可缺少的强有力的社会生产乃至人类生活中不可缺少的强有力的工具。工具。46474849 50 5152535455工业生产的工业生产的质量控制质量控制56工业生产的质量控制工业生产的质量控制57身份认证身份认证58数字图像处理研究的基本内容数字图像处理研究的基本内容1 图像获取图像获取 举例：摄像机+图像采集卡、数码相机等。对象物光摄像单元A/D转换单元计算机592 图像增强图像增强 显示图像中被模糊的细节，或是突出图像中感兴趣的特征。603 图像复原图像复原 以图像退化的数学模型为基础，来改善图像质量。614 图像压缩图像压缩 减小图像的存储量，或者在图像传输时降低带宽。62复原图复原图原图原图信噪比：信噪比：66.02压缩比压缩比:11.83:1635 图像分割图像分割 将一幅图像划分为几个组成部分或分割出目标物体。646 表达与描述表达与描述 图像分割后，输出分割标记或目标特征参数。7目标识别目标识别 把目标进行分类的过程。658 彩色图像处理彩色图像处理66679 形态学处理形态学处理 利用数学形态学对图像进行处理。膨胀操作实例68 低级图像处理实例（图像增强）低级图像处理实例（图像增强）数字图像处理的三个层次数字图像处理的三个层次69 中级图像处理中级图像处理 内容内容：主要对图象中感兴趣的目标进行检测（或分割）和测量，以获得它们的客观信息从而建立对图象的描述。特点特点：输入是图象，输出是数据。中级图像处理实例（图像分割）中级图像处理实例（图像分割）70 高级图像处理高级图像处理 内容：内容：在中级图像处理的基础上，进一步研究图象中各目标的性质和它们之间相互的联理，并得出对图象内容含义的理解（对象识别）及对原来客观场景的解释（计算机视觉），从而指导和规划行动。特点特点：以客观世界为中心，借助知识、经验等来把握整个客观世界。“输入是数据，输出是理解”高级图像处理实例（图像识别）高级图像处理实例（图像识别）71 白种人的虹膜白种人的虹膜 虹膜诊断（虹膜诊断（Iridology）黄种人的虹膜黄种人的虹膜72基本数字图像处理理系的的结基本数字图像处理理系的的结图象处理与图象处理与分析理系分析理系图象输出理系图象输出理系图象输入理系图象输入理系图像存储理系图像存储理系通 信7374图像的采样和量化图像信号的数字化图像信号的数字化:-“:-“三部曲三部曲”连续（模拟）图像连续（模拟）图像离散（数字）图像离散（数字）图像取样取样图像在空间上的离散化的过程图像在空间上的离散化的过程量化量化取样点灰度值的离散化的过程取样点灰度值的离散化的过程l标量量化标量量化均匀量化均匀量化非均匀量化非均匀量化l矢量量化矢量量化编码编码用二进制数来表示量化后样值的过程用二进制数来表示量化后样值的过程75空间坐标(x,y)的数字化被称为图像采样确定水平和垂直方向上的像素个数N、M76函数取值的数字化被称为图像的量化，函数取值的数字化被称为图像的量化，如量化到如量化到256个灰度级个灰度级77 取样和量化示例取样和量化示例模拟图像模拟图像数字图像数字图像数字化数字化一个像素一个像素78图像的采样与数字图像的质量图像的采样与数字图像的质量79图像的采样与数字图像的质量图像的采样与数字图像的质量80图像的采样与数字图像的质量图像的采样与数字图像的质量818 8灰度灰度 4 4灰度灰度 2 2灰度灰度6464灰度灰度 3232灰度灰度 1616灰度灰度图像的图像的量化量化与数字图像的质量与数字图像的质量82图像的图像的量化量化与数字图像的质量与数字图像的质量83非统一的图像的采样非统一的图像的采样 在灰度级变化尖锐的区域，用细腻的采样，在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样84图像的质量：1、层次灰度级：表示像素明暗程度的整数量灰度级：表示像素明暗程度的整数量 例如：像素的取值范围为0-255，就称该 图像为256个灰度级的图像层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量 例如：具有32种不同取值的图像，可称该图像具有32个层次 图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好8586图像的质量：2、对比度 对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小 对比度对比度=最大亮度最大亮度/最小亮度最小亮度87图像的质量：3、清晰度与清晰度相关的主要因素与清晰度相关的主要因素 亮度亮度 对比度对比度 尺寸大小尺寸大小 细微层次细微层次 颜色饱和度颜色饱和度8889909192