数字图像处理概论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2007,董吉文,制作 版权所有,数字图像处理,什么是图像？,凡是纪录在纸上的，拍摄在照片上的，显示在屏幕上的所有,具有视觉效果的画面,都可以称为图像。,图像的分类,按照图像的记录方式不同，图像可以分为两大类：,模拟图像通过某种物理量(,如光、电等,)的强弱变化来反映图像上各点的灰度信息。,如，,常见的各种,照片、图片、海报、广告画、,电视图像等,。,数字图像用,数字格式存储,图像上各点的灰度信息。,数字图像比模拟图像更容易保存，不会因为保存时间过长而失真。,要将模拟图像数字化后生成数字图像，需要利用数字化设备。目前，将模拟图像数字化的主要设备是扫描仪，将视频画面数字化的设备有图像采集卡。当然，也可以利用数码照相机直接拍摄以数字格式存放的数字图像。模拟图像经扫描仪进行数字化或由数码照相机拍摄的自然景物图像，在计算机中均是以数字格式存储的。,既然是数字格式，计算机当然可以方便地进行各种处理，以达到更好的视觉效果或特殊效果。,在计算机中，图像被分割成下图所示的像素（,Pixel），,各像素的灰度值用整数表示。一幅,MN,个像素的数字图像，其像素灰度值可以用,M,行、,N,列的矩阵,G,表示：,为什么学习图像处理？,图像是人们从客观世界获取信息的重要来源，据统计在人类接受的信息中，视觉信息占60%，听觉信息占20%，触觉、嗅觉等其它的信息总和占20%；,图像信息处理是人类视觉延续的重要手段，人的眼睛只能看到可见光(波长为0.38,0.8,m,),部分，但目前能够成像的射线已有多种(,x,紫外,红外等,)，利用图像处理可以把它们的成像进行处理并转化成可见图像；,图像处理对国计民生有重要意义，随着发展，许多图像处理技术已经成熟，在各个领域得到广泛应用：,卫星照片发现矿藏；红外遥感军事侦查；,CT,进行临床诊断；工业控制和质量检查；安全监控；交通管理；模式识别；实时跟踪；计算机视觉等,。,学习图像处理的要求,？,课堂教学与自学相结合；,讲课内容不限定某一本教材，大家可以选择近几年出版的相关教材作为参考书。,例如：,图像处理和分析基础 高教出版社 张毓晋,图像工程（上册）图像处理和分析 清华出版社 张毓晋,数字图像处理学 电子工业出版社 阮秋琦,理论教学与实践相结合；,安排一定量的实验内容，对图像进行实际的操作，希望大家自己安排时间上机实现有关操作。,概 论,一、图像处理分类：,图像处理从技术方面分为两类：,模拟图像处理,(,Analog Image Processing)：,包括光学处理(照相)和电子处理(电视信号处理)等，特点是速度快，精度差，灵活性差，缺乏非线性处理能力和判断力。,数字图像处理,(,Digital Image Processing)：,我们把利用计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等的理论、方法和技术称为数字图像处理（,Digital Image Processing）。,一般用计算机处理或实时硬件处理，也称为计算机图像处理(,Computer Image Processing)。,特点是精度高，处理内容丰富，图像数据量庞大、图像处理技术综合性强、可进行非线性处理和具有灵活的变通能力，缺点是速度慢。,二、数字图像涉及的主要内容：,图像信息的获取,(,Image information acquisition),把一幅图像转换成适合输入计算机的数字信号，常见设备有摄象机(,Video Camera)、,扫描仪(,Scanner,)等。,图像信息的存储,(,Image information storage),把一幅图像存到计算机的外存上，由于数据量大，要研究图像压缩、图像格式等。,图像信息的传送,(,Image information,transmision,),图像信息在计算机内部传送多采用,DMA(Direct,Memerey,Access),技术，外部远距离传送要解决占用带宽问题，主要采用压缩的手段来解决。,数字图像处理,(,Digital image processing),包括：,几何处理(,Geometrical Processing),缩放:,原始图像,单倍缩小,单倍放大,任意比例,旋转,:,原始图像,顺时针旋转90度,逆时针旋转90度,任意角度旋转：旋转,15,度,对称,:,原始图像,关于,X,轴对称,关于,Y,轴对称,算术处理(,Arithmetic Processing),图像增强(,Image Enhancement),原始图像,加噪图像,均值滤波,中值滤波,图像复原(,Image Restoration),图像重建(,Image Reconstruction),当造成图像退化（图像品质下降）的原因已知时，复原技术可以对图像进行校正。图像复原最关键的是对每种退化都需要有一个合理的模型。,图像重建与上述的图像增强、图像复原等不同。图像增强、图像复原的输入是图像，处理后输出的结果也是图像，而图像重建是指从数据到图像的处理，即输入的是某种数据，而经过处理后得到的结果是图像，,CT,就是图像重建处理的典型应用实例。,图像编码(,Image Encoding),图像分割（,Image Segmentation）,图像编码主要是利用图像信号的统计特性及人类视觉的生理学及心理学特性，对图像信号进行高效编码，即研究数据压缩技术，目的是在保证图像质量的前提下压缩数据，便于存储和传输，以解决数据量大的矛盾。,把图像分成区域的过程就是图像分割。图像中通常包含多个对象，例如，一幅医学图像中显示出正常的或有病变的各种器官和组织。图像处理为达到识别和理解的目的，几乎都必须按照一定的规则将图像分割成区域，每个区域代表被成像的一个物体（或部分）。,图像分析,(,Image Analysis),图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从而建立对图像的描述。如果说图像处理是一个从图像到图像的过程，则图像分析就是一个从图像到数据的过程。这里的数据可以是目标特征的测量结果，或是基于测量的符号表示，它们描述了目标的特点和性质。,图像理解（,Image understanding),图像理解的重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，从而指导决策。基本上是对从描述抽象出来的符号进行运算，其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处。,总结,数字图像处理,主要有如下三方面的目的：,（1）提高图像的视感质量，以达到赏心悦目的目的。如去除图像中的噪声，改变图像的亮度、颜色，增强图像中的某些成份、抑制某些成份，对图像进行几何变换等，从而改善图像的质量，以达到或真实的、或清晰的、或色彩丰富的、或意想不到的艺术效果。,（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于计算机分析，例如，常用作模式识别、计算机视觉的预处理等。这些特征包括很多方面，如频域特性、灰度颜色特性、边界区域特性、纹理特性、形状拓扑特性以及关系结构等。,（3）对图像数据进行变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输。,图像的输出与显示,照相、激光拷贝、喷墨打印、,CRT,显示器、液晶显示等,三、数字图像处理的基本步骤：,图像内容传送到内存，常用的方法是读某种格式的图像文件或对图像采集卡进行采集(读)操作。对图像文件进行读操作要掌握该图像文件的格式，对图像卡进行操作要掌握图像采集卡的工作原理和它所支持的操作函数。,根据要求对内存中的图像内容进行处理，即进行几何处理、算术处理、图像增强、图像复原、图像重建、图像编码、图像分析或图像理解等操作。,将处理结果以某种形式进行输出，例如输出分析结果或将处理后的图像以某种格式的图像文件保存等。,BMP,图像文件格式简介：,BMP,图像文件格式是,Windows,所采用的图像文件格式，几乎所有的,Windows,上的应用软件都支持这种图像文件，所以欲在,Windows,上探讨图像文件格式，势必要对,BMP,有一个完整而全面的认识。,BMP,文件结构可以分成文件信息、图像信息、调色板数据和图像数据四个部分，如右图所示：,BMP,的文件信息:,WORD,BMPId,；DWORD,FileSize,；WORD Reserved1；WORD Reserved2；DWORD,ImageOffset,；,文件开头的14个字节,BMP,文件标 志，其值固定为0,x4d42,即“,BM”,BMP,文件大小，以字节为单位,BMP,文件保留字，必须为0,BMP,文件保留字，必须为0,图像数据的起始位置相对于文件开头的偏移量,文件信息,图像信息,调色板数据,图像数据,BMP,的图像信息:,DWORD,HeaderSize,；DWORD,ImageWidth,；DWORD,ImageHeight,；WORD,EquipLevel,；WORD,BitsPerPixel,；DWORD,EncodeType,;DWORD,ImageSize,;DWORD,XPixelPerMeter,DWORD,YPixelPerMeter,DWORD,ColorUsed,DWORD,ColorImportant,文件信息之后的40个字节,BMP,图像信息大小(40或12)，以字节为单位,BMP,图像宽度，以像素为单位,BMP,图像高度，以像素为单位,目标设备的级别(色彩平面数)，固定为1,每个像素所需要的位数，1，4，8，24,压缩类型，,0,(不压缩),1,(,BI_RLE8),2,(,BI_RLE4),BMP,位图大小，以字节为单位,设备水平分辨率(每米像素数),设备垂直分辨率(每米像素数),实际使用色彩数目，若为0，则由位数定,图像中重要的色彩数目。为，表示调色板内所有的颜色都是重要的,行程长度编码法,调色板数据:,调色板数据紧接在图像信息之后，用于说明位图的颜色，它有若干个表项，每个表项是一个结构体，确定了一种颜色，每个结构体是由4个域组成：,BYTE rgbBlue;BYTE rgbGreen;BYTE rgbRed;BYTE rgbReserved;,蓝色的亮度值。此值0255,绿色的亮度值。此值0255,红色的亮度值。此值0255,此值必须0,调色板中表项的个数由图像所使用的颜色数决定:,若图像为真彩色，每个像素所占的位数,BitsPerPixel=24，,则图像数据的每3个字节代表一个像素，这3个字节分别定义了像素颜色中蓝、绿、红的亮度，因而就省去了调色板。,若不是真彩色图像，表项的个数与图像使用的颜色数相同，每个表项对应了一种颜色(,如00,FF,00,00,表示纯绿色,)；,图像数据:,图像数据也叫位图阵列，它记录了图像的每一个像素值，在生成图像文件时，,Windows,从图像的左下角开始(,从左到右，从下到上,)逐行扫描图像，将图像的像素值一一记录下来，这些记录像素的字节组成了图像数据（位图阵列）。,一行像素所占位图阵列的字节数，必须是4的倍数，倘若不到4的倍数则必须要用0补足。,虽然,BMP,的图像数据有,BI_RLE8,及,BI_RLE4,两种压缩格式，但是使用的人却极少，几乎所有的,BMP,档都是采用没有压缩的格式来储存图像数据。,当,BitsPerPixel=1,时，图像数据中的每个字节代表8个像素,当,BitsPerPixel=4,时，图像数据中的每个字节代表2个像素,当,BitsPerPixel=8,时，图像数据中的每个字节代表1个像素,当,BitsPerPixel=24,时，图像数据中的每3个字节代表1个像素,debug test02.bmp-d176D:0100 42 4D A8 54 00 00 00 00-00 00 36 04 00 00 28 00 176D:0110 00 00 84 00 00 00 9C 00-00 00 01 00 08 00 00 00176D:0120 00 00 00 00 00 00