第一章数字图像处理基础课件

教材教材v 教材教材Rafael C.Gonzalez,Richard E.Woods.Digital Image Processing(Second Edition)，Prentice Hall，2003.Rafael C.Gonzalez,Richard E.Woods 著，阮秋琦、阮宇智等译著，阮秋琦、阮宇智等译.数字图像处理数字图像处理（第二版），电子工业出版社，（第二版），电子工业出版社，2003年。年。教材 教材Rafael C.Gonzalez,Richa1参考书参考书v 参考书参考书Rafael C.Gonzalez,等等 著，阮秋琦，等译著，阮秋琦，等译.数字图像数字图像处理（处理（Matlab版版），电子工业出版社，），电子工业出版社，2005年。年。Kenneth R.Castleman著，朱志刚、林学訚、石定机著，朱志刚、林学訚、石定机等译等译.数字图像处理，电子工业出版社，数字图像处理，电子工业出版社，2002年。年。章毓晋章毓晋.图象工程上册图象工程上册图象处理和分析，清华大学出图象处理和分析，清华大学出版社，版社，2003年。年。阮秋琦阮秋琦.数字图像处理学，电子工业出版社，数字图像处理学，电子工业出版社，2004年。年。参考书 参考书2上课主要内容上课主要内容v1.数字图像处理基础数字图像处理基础v2.空间域图像增强空间域图像增强v3.彩色图像处理彩色图像处理v4.傅立叶变换基础傅立叶变换基础v5.频率域图像增强频率域图像增强v6.图像复原图像复原v7.图像分割图像分割v8.图像压缩图像压缩v9.特征表示与描述特征表示与描述v10.对象识别与解释对象识别与解释上课主要内容1.数字图像处理基础3课程目的与要求课程目的与要求v掌握数字图像处理的基本概念、原理和方法掌握数字图像处理的基本概念、原理和方法v初步运用所学知识解决实际问题初步运用所学知识解决实际问题v为图像处理及相关领域的研究打下基础为图像处理及相关领域的研究打下基础图像处理图像处理计算机视觉计算机视觉基于内容的图像、视频检索基于内容的图像、视频检索人脸识别、指纹识别、掌纹识别、虹膜识别人脸识别、指纹识别、掌纹识别、虹膜识别图像分类、图像和视频的语义概念检测、图像分类、图像和视频的语义概念检测、课程目的与要求掌握数字图像处理的基本概念、原理和方法4成绩成绩v出勤出勤+作作业业30%，v考考试试成成绩绩70%v考考试闭试闭卷完成（基本概念、原理和算法）卷完成（基本概念、原理和算法）成绩出勤+作业30%，5第一章第一章 数字图像处理基础数字图像处理基础 兰州理工大学电信学院兰州理工大学电信学院第一章 数字图像处理基础 兰州理工大学电信6数字图像处理基础数字图像处理基础v概述概述 概念：图像、数字图像、像素概念：图像、数字图像、像素 数字图像处理的应用领域数字图像处理的应用领域 数字图像处理系统的部件数字图像处理系统的部件v基础知识基础知识 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 像素间的一些基本关系像素间的一些基本关系数字图像处理基础概述7什么是图像？什么是图像？v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v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)v彩色图像由三个（如彩色图像由三个（如RGB）二维灰度（或亮度）二维灰度（或亮度）函数函数f(x,y)组成组成y yxx什么是图像？定义为二维函数f(x,y)，其中，x,y是空间坐8什么是数字图像？什么是数字图像？v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v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 0到到255255之间，之间，0 0表示黑、表示黑、255255表示白，其它值表示处于黑白之间的表示白，其它值表示处于黑白之间的灰度灰度 v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 0到到255255之间，之间，0 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255255则代表相则代表相应的基色在该像素中取得最大值应的基色在该像素中取得最大值什么是数字图像？像素组成的二维排列，可以用矩阵表示9（a a）原图像）原图像 （b b）图）图(a)(a)的的R R分量分量 （c c）图）图(a)(a)的的G G分量分量 （d d）图）图(a)(a)的的B B分量分量RGB彩色图像及其各分量图像彩色图像及其各分量图像（a）原图像 （b）图(a)的R分量10数字图像的像素表示数字图像的像素表示v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（一个特定的位置（x,y）和幅值）和幅值f(x,y)，这些元素就，这些元素就称为像素称为像素yxxy数字图像的像素表示什么是像素？yxxy11数字图像的像素表示数字图像的像素表示xy(0,0)yx(1,1)普通图像坐标系普通图像坐标系Matlab图像坐标系图像坐标系f(x,y)f(x,y)数字图像的像素表示xy(0,0)yx(1,1)普通图像坐标系12数字图像的像素表示数字图像的像素表示Lena图像图像Matlab中坐标及灰度值中坐标及灰度值数字图像的像素表示Lena图像Matlab中坐标及灰度值13数字图像处理的概念数字图像处理的概念v数字图像处理数字图像处理(Digital Image Processing)是通过计算机对数字图像进行去除噪声、增强、是通过计算机对数字图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。数字图像处理的概念数字图像处理(Digital Image 14数字图像处理的应用领域数字图像处理的应用领域v传统领域传统领域 医学、空间应用、地理学、生物学、军事医学、空间应用、地理学、生物学、军事 v最新领域最新领域 数码相机数码相机(DC)、数码摄像机、数码摄像机(DV)指纹识别、人脸识别指纹识别、人脸识别 互联网、视频、多媒体互联网、视频、多媒体 基于内容的图像检索、视频检索、多媒体检索基于内容的图像检索、视频检索、多媒体检索 游戏、电影特技、虚拟现实、电子商务等游戏、电影特技、虚拟现实、电子商务等 数字图像处理的应用领域无处不在数字图像处理的应用领域无处不在 数字图像处理的应用领域传统领域 15例例1：图像增强：图像增强直方图均衡化直方图均衡化例1：图像增强直方图均衡化16例例2：人脸识别：人脸识别例2：人脸识别17例例3：图像复原：图像复原例3：图像复原18例例4：医学图像处理：医学图像处理锐化锐化例4：医学图像处理锐化19例例5：影视图像处理影视图像处理由黑白图像转换的伪彩色图像由黑白图像转换的伪彩色图像例5：影视图像处理由黑白图像转换的伪彩色图像20例例6：视频字幕识别：视频字幕识别例6：视频字幕识别21图像处理系统的基本组成结构图像处理系统的基本组成结构图图像像数数字字化化设设备备图像处理系统的基本组成结构图像数字化设备22图像处理系统的基本组成结构图像处理系统的基本组成结构v主要由三大部分组成主要由三大部分组成 图像数字化设备图像数字化设备：包括数码相机、数码摄像：包括数码相机、数码摄像机、带照相和机、带照相和/或摄像功能的手机等或摄像功能的手机等 图像处理设备图像处理设备：包括计算机和存储系统：包括计算机和存储系统 图像输出设备图像输出设备：包括打印机，也可以输出到：包括打印机，也可以输出到InternetInternet上的其它设备上的其它设备图像处理系统的基本组成结构主要由三大部分组成 23数字图像输入输出设备数字图像输入输出设备数字图像输入输出设备24数字图像处理基础数字图像处理基础v图像的采样和量化图像的采样和量化v数字图像的表示数字图像的表示v数字图像的质量数字图像的质量v像素间的一些基本关系像素间的一些基本关系 数字图像处理基础图像的采样和量化25图像的采样和量化图像的采样和量化v大多数传感器的输出是连续电压波形大多数传感器的输出是连续电压波形v为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据为了产生一幅数字图像，需要把连续的感知数据转化为数字形式转化为数字形式v这包括两种处理：采样和量化这包括两种处理：采样和量化采样：图像空间坐标的数字化采样：图像空间坐标的数字化量化：图像幅值（灰度值）的数字化量化：图像幅值（灰度值）的数字化图像的采样和量化大多数传感器的输出是连续电压波形26图像采样图像采样 v图像空间坐标图像空间坐标(x,y)的数字化被称为图像采样的数字化被称为图像采样v确定水平和垂直方向上的像素个数确定水平和垂直方向上的像素个数N、M图像采样 27图像的量化图像的量化v图像幅值的数字化被称为图像的量化，如量化到图像幅值的数字化被称为图像的量化，如量化到256256个灰度级个灰度级rk图像的量化rk28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图像的采样与数字图像的质量29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图像的采样与数字图像的质量30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 (a)(b)(c)(d)(e)(f)采样数变化对图像视觉效果的影响采样数变化对图像视觉效果的影响示例示例 图像的采样与数字图像的质量 (a)31（a）（b）（c）（d）（e）（f）空间分辨率变化对图像视觉效果的影响示例空间分辨率变化对图像视觉效果的影响示例 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（a）（b）32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图像的采样与数字图像的质量33（a）（b）（c）（d）（e）（f）灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响示例灰度分辨率变化对图像视觉效果的影响示例 图像的量化与数字图像的质量图像的量化与数字图像的质量（a）（b）34图像的量化与数字图像的质量图像的量化与数字图像的质量图像的量化与数字图像的质量35图像的采样和量化图像的采样和量化v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，用粗糙的采样在灰度级比较平滑的区域，用粗糙的采样图像的采样和量化非统一的图像的采样36数字图像处理基础数字图像处理基础v图像的采样和量化图像的采样和量化v数字图像的表示数字图像的表示v数字图像的质量数字图像的质量v像素间的一些基本关系像素间的一些基本关系数字图像处理基础图像的采样和量化37数字图像的表示数字图像的表示v二维离散亮度函数二维离散亮度函数f(x,y)x，y说明图像像素的空间坐标说明图像像素的空间坐标 函数值函数值f代表了在点代表了在点(x,y)处像素的灰度值处像素的灰度值v二维矩阵二维矩阵Am,n m,n说明图像的高和宽。说明图像的高和宽。矩阵元素矩阵元素 a(i,j)的值，表示图像在第的值，表示图像在第i行，第行，第j列列的像素的灰度值；的像素的灰度值；i,j表示几何位置表示几何位置数字图像的表示二维离散亮度函数f(x,y)38数字图像的表示数字图像的表示 v图像描述信息图像描述信息 如图像高度和宽度等信息如图像高度和宽度等信息v图像数据图像数据 顺序存放的连续数据顺序存放的连续数据数字图像的表示 39数字图像处理基础数字图像处理基础 v图像的采样和量化图像的采样和量化v数字图像的表示数字图像的表示v数字图像的质量数字图像的质量v像素间的一些基本关系像素间的一些基本关系数字图像处理基础 40图像的质量：图像的质量：1、层次、层次v灰度级灰度级：表示像素明暗程度的整数量：表示像素明暗程度的整数量 例如：像素的取值范围为例如：像素的取值范围为0-255，就称该图像，就称该图像为为256个灰度级的图像个灰度级的图像v层次层次：表示图像实际拥有的灰度级的数量：表示图像实际拥有的灰度级的数量 例如：具有例如：具有32种不同取值的图像，可称该图种不同取值的图像，可称该图像具有像具有32个层次个层次 图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好图像数据的实际层次越多，视觉效果就越好图像的质量：1、层次灰度级：表示像素明暗程度的整数量 41图像的质量：图像的质量：1、层次、层次256个层次的图像个层次的图像64个层次的图像个层次的图像16个层次的图像个层次的图像图像的质量：1、层次256个层次的图像64个层次的图像16个42图像的质量：图像的质量：2、对比度、对比度v对比度对比度：是指一幅图像中灰度反差的大小：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43图像的质量：图像的质量：3、清晰度、清晰度v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图像的质量：3、清晰度与清晰度相关的主要因素44影响清晰度因素影响清晰度因素1、亮度、亮度影响清晰度因素1、亮度45影响清晰度因素影响清晰度因素2、对比度、对比度影响清晰度因素2、对比度46影响清晰度因素影响清晰度因素3、尺寸大小、尺寸大小影响清晰度因素3、尺寸大小47影响清晰度因素影响清晰度因素4、细微层次、细微层次影响清晰度因素4、细微层次48影响清晰度因素影响清晰度因素5、颜色饱和度、颜色饱和度影响清晰度因素5、颜色饱和度49数字图像处理基础数字图像处理基础v图像的采样和量化图像的采样和量化v数字图像的表示数字图像的表示v数字图像的质量数字图像的质量v像素间的一些基本关系像素间的一些基本关系数字图像处理基础图像的采样和量化50像素间的一些基本关系像素间的一些基本关系v相邻像素相邻像素 4邻域；邻域；D邻域；邻域；8邻域邻域v连通性连通性 4连通；连通；8连通；连通；m连通连通v距离距离邻域处理方法是图像增强和复原过程的核心邻域处理方法是图像增强和复原过程的核心像素间的一些基本关系相邻像素51相邻像素相邻像素4邻域邻域v4 4邻域邻域：像素：像素p(x,y)的的4邻域是：邻域是：(x+1,y)；(x-1,y)；(x,y+1)；(x,y-1)v用用N4(p)表示像素表示像素p的的4邻域邻域 相邻像素4邻域4邻域：像素p(x,y)的4邻域是：52相邻像素相邻像素D邻域邻域vD D邻域定义邻域定义：像素：像素p(x,y)的的D邻域是：邻域是：对角上的点对角上的点(x+1,y+1)；(x+1,y-1)；(x-1,y+1)；(x-1,y-1)v用用ND(p)表示像素表示像素p的的D邻域邻域相邻像素D邻域D邻域定义：像素p(x,y)的D邻域是：53相邻像素相邻像素8邻域邻域v8 8邻域定义邻域定义：像素：像素p(x,y)的的8邻域是：邻域是：4邻域的点邻域的点 D邻域的点邻域的点v用用N8(p)表示像素表示像素p的的8邻域邻域 N8(p)=N4(p)+ND(p)相邻像素8邻域8邻域定义：像素p(x,y)的8邻域是：54像素间的连通性像素间的连通性v连通性是描述区域和边界的重要概念连通性是描述区域和边界的重要概念 v两个像素连通的两个必要条件是：两个像素连通的两个必要条件是：（1）两个像素的位置相邻）两个像素的位置相邻 （2）两个像素的灰度值满足特定的相似性准则）两个像素的灰度值满足特定的相似性准则（或者相等）（或者相等）v4连通、连通、8连通的定义连通的定义像素间的连通性连通性是描述区域和边界的重要概念 55像素的连通性像素的连通性4连通连通v对对于于具具有有值值V的的像像素素p和和q，如如果果q在在集集合合N4(p)中，则称这两个像素是中，则称这两个像素是4 连通的连通的像素的连通性4连通对于具有值V的像素p和q，如果q在集合56像素的连通性像素的连通性8连通连通v对对于于具具有有值值V的的像像素素p和和q，如如果果q在在集集合合N8(p)中，则称这两个像素是中，则称这两个像素是8连通的连通的像素的连通性8连通对于具有值V的像素p和q，如果q在集合57像素的连通性像素的连通性通路通路v通路的定义通路的定义 一条从具有坐标一条从具有坐标(x,y)的像素的像素p,到具有到具有坐标坐标(s,t)的像素的像素q的通路，是具有坐标的通路，是具有坐标(x0,y0),(x1,y1),.,(xn,yn)的不同像素的序列。的不同像素的序列。其中，其中，(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，(xi,yi)和和(xi-1,yi-1)是邻接的，是邻接的，1in，n 是路是路径的长度。如果径的长度。如果(x0,y0)=(xn,yn),则该通路则该通路是闭合通路是闭合通路像素的连通性通路通路的定义 58像素的连通性像素的连通性距离距离v像素之间距离的定义像素之间距离的定义v欧氏距离定义欧氏距离定义vD4距离（城市距离）定义距离（城市距离）定义vD8距离（棋盘距离）定义距离（棋盘距离）定义 像素的连通性距离像素之间距离的定义59像素之间距离的定义像素之间距离的定义 对于像素对于像素p、q和和z，分别具有坐标，分别具有坐标(x,y)，(s,t)和和(u,v)，如果，如果(1)D(p,q)0(当且仅当当且仅当p=q，D(p,q)=0),(2)D(p,q)=D(q,p)(3)D(p,z)D(p,q)+D(q,z)则称则称D是距离函数或度量是距离函数或度量像素之间距离的定义 对于像素p、q和z，分别具有坐标60欧氏距离定义欧氏距离定义v像素像素 p(x,y)和和 q(s,t)间的欧氏距离定义如下：间的欧氏距离定义如下：v对于这个距离计算法，具有与对于这个距离计算法，具有与(x,y)距离小距离小于等于某个值于等于某个值r的像素是：包含在以的像素是：包含在以(x,y)为为圆心，以圆心，以r为半径的圆平面为半径的圆平面欧氏距离定义像素 p(x,y)和 q(s,t)间的欧氏距离定61D4距离（城市距离）距离（城市距离）v像素像素p(x,y)和和q(s,t)之间的之间的D4距离定义为：距离定义为：D4(p,q)=|x s|+|y t|D4距离（城市距离）像素p(x,y)和q(s,t)之间的D462D4距离举例距离举例v具有与具有与(x,y)距离小于等于某个值距离小于等于某个值r的那些像素的那些像素形成一个菱形形成一个菱形 v例如，与点例如，与点(x,y)（中心点）（中心点）D4距离小于等于距离小于等于2的像素，形成如图所示固定距离的轮廓的像素，形成如图所示固定距离的轮廓v具有具有D4=1的像素是的像素是(x,y)的的4邻域邻域D4距离举例具有与(x,y)距离小于等于某个值r的那些像素形63D8距离（棋盘距离）距离（棋盘距离）v像素像素p(x,y)和和q(s,t)之间的之间的D8距离定义为：距离定义为：D8(p,q)=max(|x s|,|y t|)D8距离（棋盘距离）像素p(x,y)和q(s,t)之间的D64D8距离举例距离举例v具具有有与与(x,y)距距离离小小于于等等于于某某个个值值r的的那那些些像像素形成一个正方形素形成一个正方形v例如，与点例如，与点(x,y)（中心点）（中心点）D8距离小于等距离小于等于于2的像素，形成如图所示固定距离的轮廓的像素，形成如图所示固定距离的轮廓v具有具有D8=1的像素是的像素是(x,y)的的8邻域邻域D8距离举例具有与(x,y)距离小于等于某个值r的那些像素形65作业作业v1.查找文献资料，并总结数字图像处理的应用领查找文献资料，并总结数字图像处理的应用领域。域。v2.在在Matlab中，读取图像（灰度图像和彩色图像）中，读取图像（灰度图像和彩色图像），显示图像，并查看图像矩阵（包括坐标表示和，显示图像，并查看图像矩阵（包括坐标表示和灰度值）。灰度值）。v3.将一幅较大的照片（如：将一幅较大的照片（如：1024768）和一幅较）和一幅较小的照片（如：小的照片（如：256256）进行放大，观察并比）进行放大，观察并比较图像质量的变化。较图像质量的变化。作业1.查找文献资料，并总结数字图像处理的应用领域。66