y第01讲数字图像处理的基本概念.ppt

图像处理发展概述20世纪20年代 图像处理技术首次应用于改善伦敦到纽约之间的海底电缆传送图片的质量 1964年 美国喷气推动实验室用计算机成功地对4000多张月球照片进行处理 70年代中期 随着离散数学理论的创立和完善 数字图像处理技术得到了迅猛的发展 理论和方法不断完善 90年代 随着个人计算机进入家庭 硬件价格不断下降 数字世界逐渐进入人们的生活 引言 图像与图形图像 图像是对客观世界的反映 图 是指物体透射光或反射光的分布 象 是人的视觉对 图 的认识 图像 是两者的结合 图像既是一种光的分布 也包含人的视觉心理因素 图像的最初取得是通过对物体和背景的 摄取 这里指的 摄取 即意味着一种 记录 过程 如照相 摄象 扫描等 这是图像和图形的主要区别 图形 图形是用数学规则产生的或具有一定规则的图案 往往图形是用一组符号或线条来表示性质的 例如房屋设计图 我们是用线条来表现房屋的结构 图像和图形在一定条件下可向另一方转化 引言 1图像处理概述一 有关图像术语 图像的象素任意一幅数字图像粗看起来似乎是连续的 实际上是不连续的 它由许多密集的细小点子所组成 这些细点构成一幅图像的基本单元 称为象素 就象任何物质一样 肉眼看上去是连续的 但实质上都是由一个一个分子组成的 显然点子越多 象素越多 画面就愈清晰 下面是通常处理象素数的例子 汉字 识别汉字16 16 识别字体24 24 艺术字体128 128 电视图像512 512 卫星图像 3240 2340 合成孔径雷达 8000 8000 图形显示器 512 512 引言 1图像处理概述一 有关图像术语 图像的灰度一幅图像中不同位置的亮度是不一样的 可用f x y 来表示点 x y 上的亮度 由于光是一种能量形式 故亮度非负有限的 0 f x y 在图像处理中常用灰度和灰度级这个名称 它的含义是 单色图像中坐标 x y 点的亮度称为该点的灰度或灰度级 设灰度为L 则 Lmin L Lmax 间隔 Lmin Lmax 称为灰度范围 在室内处理图像时一般Lmin 0 005Lux 勒克斯 Lmax 100Lux 实际使用中 把这个间隔规格化为 0 Lmax 其中Lmin 0为黑色 Lmax为白色 而所有在白 黑色之间的值代表连续变化的灰度 引言 1图像处理概述一 有关图像术语 图像中的比特在计算机处理中 为便于处理 通常将象素取成等边长 且象素数与灰度级取成2的幂次方 如512 512象素 灰度级 0 2N 这里N称为比特 对于8比特的图像 共有256个灰度级 比特来源于计算机中的位 通常显示一幅供人观看的图像 6比特就基本够了 引言 1图像处理概述一 有关图像术语 图像信息信息是自然界物质运动总体的一个重要方面 人们认识世界和改造世界就是要获得各种各样的信息 图像信息是人类获得外界信息的主要来源 大约有70 的信息是通过人眼获得的 近代科学研究 生产活动等各个领域越来越多地用图像信息来认识和判断事物 解决实际问题 获取图像信息固然重要 但我们的目的更主要的是将信息进行处理 在大量复杂的图像信息中找出我们感兴趣的信息 所谓图像处理 就是对图像信息进行加工处理 以满足视觉或应用上的需要 因此 从某种意义上来说 对图像信息的处理对图像本身更为重要 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 光学模拟处理也称光信息处理 它是建立在傅立叶光学的基础上 进行光学滤波 相关运算 频谱分析等 可以实现图像像质的改善 图像识别 图像的几何畸变和光度的校正 光信息的编码和存储 图像的伪彩色化 三维图像显示 对非光学信号进行光学处理等 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 电学模拟处理把光强度信号转换成电信号 然后用电子学的方法 对信号进行加 减 乘 除 进行浓度分割 反差放大 彩色合成 光谱对比等 在电视视频信号处理中常应用它 近期发展较快的CCD模拟处理方法 有三种处理功能 1 模拟延迟 改变时钟脉冲频率就能实现模拟延迟 2 多路调制把并列输入的信号转换成串行的时序信号 或者建立他们的反变换 可实现数据信息的重新排列 3 它能作成各种相应的滤波器 而滤波器就是一个信号处理装置 CCD在设备和成本有优点 滤波较计算机易实现 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 计算机数字处理图像的计算机数字处理是在以计算机为中心的包括各种输入 输出及显示设备在内的数字图像处理系统上进行的 是将连续的模拟图像变换成离散的数字图像后 用建立在特定的物理模型和数学模型的基础上而编制的程序控制下 所进行并实现种种要求的处理 计算机处理按特点主要分两大类 1 以最终恢复原图像为前提的信息压缩处理和用原图像相异的形式有效地表现和提示图像的图像变换处理 其中处理尽可能地不丢失图像的信息 2 主要是对图像进行特征抽取 其处理的最终目的是为了识别 这一类属于数字模式识别范畴 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 光学 计算机混合处理混合处理是先用光学的办法对图像作预处理 再用数字的方法作精处理 因而兼备了两者的优点 在某些场合得到应用 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 图像类别图像按其表现形式可分为 从活动的角度 活动图像 静止图像 从波长的角度 彩色图像 单色图像 黑白图像 从高度的角度 立体图像 平面图像 从停留的角度 瞬时图像 长时图像 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型 图像表达式完整描述图像 可以用式子 I f x y z t 表示一个立体的 彩色的活动图像 还有 对于静止图像 则表示为f x y z 对于平面图像 则表示为f x y 对于单色图像 则表示为f x y 有时 在传播或传送图像时 常把图像扫描成一维信号 如视频信号 这时图像便成了一维函数f t 称之为图像信号 而前面几个式子称为图像 以示区别 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型 矩阵表示法对于N N象素组成的图像 可以用矩阵来表示 若对于N N象素的彩色图像 可以用三个矩阵表示 FR N N FG N N FB N N 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 数组表示法在C语言中 可以这样描述 unsignedcharA 256 256 inti j N 256 for j 1 j N j for i 1 i N i 对A i j 进行处理 运算 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 信息量大以数目较少的电视图像为例 它一般是由512 512个象素 8比特组成 其总数据量为512 512 8 2097152比特 262144字节 256K 这样大的数据量必须由计算机处理才易胜任 且计算机内存容量要大 为了运算方便常需要几倍的内存 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点 占用频带宽一般语言信息 如电话 传真 电传 电报等 的带宽仅4KHz左右 而图像信息所占用频率的带宽要大三个数量级 如普通电视的标准带宽是6 5MHz 等于语言带宽的十四倍 所以在摄影 传输 存储 处理 显示等各环节的实现上技术难度大 因而对频带的压缩技术的要求是很迫切的 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点 相关性大每幅图像中不仅相邻象素之间是很不独立的 具有很大的相关性 有时大片大片的象素间具有相同或接近的灰度 再如电视画面而言 前后两幅图像其相关系数往往在0 95以上 因此压缩图像信息的潜力很大 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点 非客观性图像信息的最终接受器是人的视觉系统 由于图像信息和视觉系统都十分复杂 它与环境条件 视觉特性 情绪 精神状态 知识水平都有关 例如航空照片判读 因此要求图像系统与视觉系统有良好的 匹配 所以必须研究图像的统计规律和视觉特征 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点 数字图像处理技术 通俗地讲是指应用计算机以及数字设备对图像进行加工处理的技术 包括 图像信息的获取为了在计算机上进行图像处理 必须把作为处理对象的模拟图像转换成数字图像信息 图像信息的获取 一般包括图像的摄取 转换及数字化等几个步骤 该部分主要由处理系统硬件实现 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点二 图像处理技术 图像信息的存储与交换由于数字图像信息量大 且在处理过程中必须对数据进行存储和交换 为了解决大数据量及交换与传输时间的矛盾 通常除采用大容量机内存存储器进行并行传送 直接存储访问外 还必须采用外部磁盘 光盘及磁带存储方式 从而达到提高处理的目的 该部分主要功能也由硬件完成 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点二 图像处理技术 数字图像处理数字图像处理 即把在空间上离散的 在幅度上量化分层的数字图像 在经过一些特定数理模式的加工处理 以达到有利于人眼视觉或某种接收系统所需要的图像过程 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点二 图像处理技术 数字图像通讯80年代以来 由于计算机技术和超大规模集成电路技术的巨大发展 推动了通讯技术 包括语言 数据 图像 的飞速发展 因为图像通讯具有形象直观 可靠 高效率等一系列优点 尤其是数字图像通讯比模拟图像通讯更具抗干扰性 便于压缩编码处理和易于加密 因此在图像通讯工程中数字处理技术获得广泛应用 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点二 图像处理技术 图像的输出和显示数字图像处理的最终目的是为了提供便于人眼或接收系统解释和社别图像 因此图像的输出和显示很重要 一般图像输出的方式可分为硬拷贝 诸如照相 打印 扫描鼓等 还有所谓的软拷贝 诸如CRT监视器及各种新型的平板监视器等 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点二 图像处理技术 图像数字化图像数字化即图像采样和量化 是指把连续的图像信号变为离散的数字信号 以适应计算机的处理 图像编码压缩把数字化的图像数据按一定规则进行排列或运算过程 称为图像编码 利用图像本身的内在特性 通过某种特殊的编码方式 达到减少原图像数据时空占用量的处理叫做图像压缩编码 图像变换一般指利用正交变换的性质和特点 将图像转换到变换域中进行处理 并且大部分变换都有快速算法 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理内容一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 图像增强图像增强的目的是突出图像中所感兴趣的部分 强化图像的高频分量 可使图像中物体轮廓清晰 细节明显 图像复原图像复原是尽可能恢复图像的本来面貌 是对图像整体而言 而且在复原处理时 往往必须追求降质原因 以便 对症下药 而增强往往是局部 图像分割将图像中包含的物体 按其灰度或几何特性分割 并进行处理分析 从中提取有效分量 数据等有用信息 这是进一步进行图像处理 如模式识别 机器视觉等技术的基础 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理特点一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 图像分类简单地说就是在图像分割的基础上 进行物体的判决分类 图像重建它是对一些三维物体 应用x射线 超声波等物理方法 取得物体内部结构数据 再将这些数据进行运算处理而构成物体内部某些部位的图像 目前图像重建最成功的例子是CT技术 计算机断层扫描成像技术 彩色超声波等 这是图像处理的另一个发展方向 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理特点一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 通用数字图像处理系统一般通用的数字图像处理系统有五个部分组成 其核心部分是计算机和图像处理机 图像处理机是系统处理的主硬件 相应的计算要有一定的软件支持 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理特点一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 4图像处理系统 输入设备 输出设备 主机外部设备 人机交互设备 磁带机 摄像机 飞点扫描仪 微密度计 实时接收器 阵列摄像机 视频监视器 图像传真机 视频打印机 喷墨打印机 绘图仪 磁带机 图像阵列处理机 主机及处理软件 光盘机 磁带机 行打印机 显示终端 键盘 输入图形板 光笔 超纵杆 跟踪球 通用数字图像处理系统图像输入设备是进行光电转换 将图像的光强信号变成模拟的电信号 然后再送到数字化设备进行模数转换为数字图像信号 输入设备 输出设备 主机外部设备 人机交互设备 磁带机 摄像机 飞点扫描仪 微密度计 实时接收器 阵列摄像机 视频监视器 图像传真机 视频打印机 喷墨打印机 绘图仪 磁带机 图像阵列处理机 主机及处理软件 光盘机 磁带机 行打印机 显示终端 键盘 输入图形板 光笔 超纵杆 跟踪球 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理特点一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 4图像处理系统 图像输入设备主要有输入信息的数度 空间分辨率 灰度分辨率 等等 一般情况下 由于图像处理的设备比较大 不易在室外使用 所以通常输入图像分两次进行 首先在室外通过摄像机 照相机 数码相机等设备将图像记录下来 然后再在室内利用输入设备进行输入 一般用磁带记录的是视频信号 通过AV口 1394口输入到视频采集卡 用胶片记录的是照片 可通过扫描仪扫描输入 电子照片可直接通过串口 并口或USB口输入 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理特点一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 4图像处理系统 通用数字图像处理系统人机交互设备通常有三类 一是键盘 通过键盘才能完成各种控制 二是鼠标或轨迹球 主要提供交互的方便 三是数字化仪 提供绝对坐标 进行精确定位 输入设备 输出设备 主机外部设备 人机交互设备 磁带机 摄像机 飞点扫描仪 微密度计 实时接收器 阵列摄像机 视频监视器 图像传真机 视频打印机 喷墨打印机 绘图仪 磁带机 图像阵列处理机 主机及处理软件 光盘机 磁带机 行打印机 显示终端 键盘 输入图形板 光笔 超纵杆 跟踪球 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理特点一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 4图像处理系统 通用数字图像处理系统由于计算机的显示器分辨率比较低 为满足观看和分发的需要 通常要有一定的输出设备 图像显示器 图像拷贝机 绘图仪 输入设备 输出设备 主机外部设备 人机交互设备 磁带机 摄像机 飞点扫描仪 微密度计 实时接收器 阵列摄像机 视频监视器 图像传真机 视频打印机 喷墨打印机 绘图仪 磁带机 图像阵列处理机 主机及处理软件 光盘机 磁带机 行打印机 显示终端 键盘 输入图形板 光笔 超纵杆 跟踪球 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理特点一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 4图像处理系统 个人简单的数字图像处理系统由于计算机硬件价格不断下降 成本越来越低 特别是微型计算机的性能越来越接近于工作站 例如现在微机可以支持两个奔腾四高性能CPU 内存支持到1G以上 17寸高分辨显示器已经是缺省配置 可以满足大部分图像处理的要求 当然 外设的降价 如扫描仪 打印机 数码相机 视频采集卡等已可以进入家庭 在家就能进行如压缩VCD DVD 制作个人相册等等 目前 图像处理软件也越来越丰富 如VB Matlab BC等等 也为我们提供了方便 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理特点一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 4图像处理系统 图像处理应用 引言 1图像处理概述一 有关图像术语二 图像处理分类 2数字图像表示一 图像模型二 表示方法 3图像处理特点一 数字图像特点二 图像处理技术三 图像处理内容 4图像处理系统 5图像处理应用 1 遥感图像应用 农业普查 森林覆盖计算 水利工程等的客观估计计算 森林火灾监护 客观反映火灾情况 面积 QuickBird示例影像 北京颐和园高分辨率卫星影像 拍摄时间为2003年9月 水体界线的确定在近红外图像上 水体呈黑色 2 导弹末制导 图象识别技术应用于导弹的精确末制导 使其精确打击目标 如 机场 桥梁等 3 生物特征识别 军事 公安中的人脸 指纹 掌纹识别等 4 医学应用 CT MR1 PET B超 DSA 血管造影 红外乳腺 显微病理 电子显微镜 远程医疗图像 皮肤图象 X线 刀与 刀脑外科等等离不开图像 全自动细胞DNA定量分析检测系统 5 工业图像 X线控探伤 轴 X线检察 三维测量 定位 形状测量 机器人视觉 商检 CT图像中缺陷的快速定位方法 模拟CT断层图像 实验结果 实际CT图像 实验结果 6 民用 数码相机 照片扫描管理等