第1章 緒論01785

1、 數(shù)字圖像處理黃 卉huanghui_關于本課程l了解數(shù)字圖象處理的基本概念和基本理論l理論與實踐并重，總課時48小時，3學分課堂授課部分32小時，分為16講；實驗16小時，共8次實驗有興趣的同學可以在課后自行完成其他實驗第一章 緒論講解內容 數(shù)字圖像處理的基本概念、數(shù)字圖象處理系統(tǒng)組成、特點及其應用目的 1. 要求學生了解數(shù)字圖像處理的主要內容及相關知識 2. 重點掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、系統(tǒng)組成、特點及應用。What is an image?A person receives information from: sight 60% (3D) sound smell touch tast

2、e圖像信息處理是人類視覺延續(xù)的重要手段圖像信息處理是人類視覺延續(xù)的重要手段m圖像數(shù)學函數(shù)不可見的物理圖像可見的圖像光圖像照片、圖與畫可見光成像和不可見光成像可見光成像和不可見光成像 400nm700nm紫外光紅外光546.1nm435.8nm780nm單波段、多波段和超波段圖像單波段、多波段和超波段圖像數(shù)字圖像處理的起源數(shù)字圖像處理的起源 數(shù)字圖像處理的歷史可追溯至二十世紀二數(shù)字圖像處理的歷史可追溯至二十世紀二十年代。最早應用之一是在報紙業(yè)，當時，引入十年代。最早應用之一是在報紙業(yè)，當時，引入巴特蘭電纜圖片傳輸系統(tǒng)，圖像第一次通過海底巴特蘭電纜圖片傳輸系統(tǒng)，圖像第一次通過海底電纜橫跨大西洋從倫

3、敦送往紐約傳送一幅圖片。電纜橫跨大西洋從倫敦送往紐約傳送一幅圖片。1929年通過海底電纜從倫敦到紐約傳輸?shù)囊环掌?數(shù)字圖像處理作為一門學科大約形成于20世紀60年代初期。早期的圖像處理的目的是改善圖像的質量，它以人為對象，以改善人的視覺效果為目的。圖像處理中，輸入的是質量低的圖像，輸出的是改善質量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強、復原、編碼、壓縮等。 圖示出了由徘徊者圖示出了由徘徊者7 7號號在在19641964年年7 7月月3131日上午（東日上午（東部白天時間）部白天時間）9 9點點0909分在光分在光線影響月球表面前約線影響月球表面前約1717分鐘分鐘時攝取的第一張月球圖像。時攝

4、取的第一張月球圖像。這也是美國航天器取得的第這也是美國航天器取得的第一幅月球圖像。一幅月球圖像。 與空間應用同時，數(shù)字圖像處理技術在與空間應用同時，數(shù)字圖像處理技術在2020世紀世紀6060年代末和年代末和7070年代初開始用于醫(yī)學圖像、地球年代初開始用于醫(yī)學圖像、地球遙感監(jiān)測和天文學領域。遙感監(jiān)測和天文學領域。 早在早在2020世紀世紀7070年代計算機軸向斷層年代計算機軸向斷層( (CAT)CAT)、簡稱計算機斷層簡稱計算機斷層( (CT)CT)是圖像處理在醫(yī)學診斷應是圖像處理在醫(yī)學診斷應用中最重要的事件之一。用中最重要的事件之一。 斷層技術是斷層技術是Godfrey N. Godfrey

5、 N. HounsfielaHounsfiela和和Allan Allan M.CormackM.Cormack教授分別發(fā)明教授分別發(fā)明的，他們共同獲得的，他們共同獲得19791979年諾貝爾醫(yī)學獎。年諾貝爾醫(yī)學獎。圖像分析圖像理解狹義處理高低抽象程度高層低層中層語義數(shù)據(jù)量操作對象小大符號象素目標 從從2020世紀世紀6060年代至今，數(shù)字圖像處理技術發(fā)展年代至今，數(shù)字圖像處理技術發(fā)展迅速，目前已成為工程學、計算機科學、信息迅速，目前已成為工程學、計算機科學、信息科學、統(tǒng)計學、物理、化學、生物學、醫(yī)學甚科學、統(tǒng)計學、物理、化學、生物學、醫(yī)學甚至社會科學等領域中各學科之間學習和研究的至社會科學等

6、領域中各學科之間學習和研究的對象。如今圖像處理技術已給人類帶來了巨大對象。如今圖像處理技術已給人類帶來了巨大的經濟和社會效益。不久地將來它不僅在理論的經濟和社會效益。不久地將來它不僅在理論上會有更深入的發(fā)展，在應用上亦是科學研究、上會有更深入的發(fā)展，在應用上亦是科學研究、社會生產乃至人類生活中不可缺少的強有力的社會生產乃至人類生活中不可缺少的強有力的工具。工具。1.2 1.2 圖像處理技術的分類圖像處理技術的分類 模擬圖像處理 數(shù)字圖像處理。（1 1） 模擬圖像處理模擬圖像處理( (Analog image Analog image processing)processing)； 模擬處理包括

7、：光學處理（利用透鏡）和電子模擬處理包括：光學處理（利用透鏡）和電子處理，如：照相、遙感圖像處理、電視信號處處理，如：照相、遙感圖像處理、電視信號處理等，電視圖像是模擬信號處理的典型例子，理等，電視圖像是模擬信號處理的典型例子，它處理的是活動圖像，它處理的是活動圖像，25幀幀/秒。秒。 優(yōu)點：優(yōu)點： 模擬圖像處理的特點是速度快，一般為實時處理，模擬圖像處理的特點是速度快，一般為實時處理，理論上講可達到光的速度，并可同時并行處理。理論上講可達到光的速度，并可同時并行處理。 缺點：缺點： 模擬圖像處理的缺點是精度較差，靈活性差，模擬圖像處理的缺點是精度較差，靈活性差，很難有判斷能力和非線性處理能力

8、。很難有判斷能力和非線性處理能力。（ 2 2 ） 數(shù) 字 圖 像 處 理數(shù) 字 圖 像 處 理 ( ( D i g i t a l I m a g e D i g i t a l I m a g e processing)processing)： 數(shù)字圖像處理一般都用計算機處理，因此也稱數(shù)字圖像處理一般都用計算機處理，因此也稱之謂計算機圖像處理（之謂計算機圖像處理（Computer Image processing）。）。 1.3 1.3 數(shù)字圖像處理的特點數(shù)字圖像處理的特點（1 1）圖像信息量大、數(shù)據(jù)量也大；）圖像信息量大、數(shù)據(jù)量也大； 在數(shù)字圖像處理中，一幅圖像可看成是由圖像在數(shù)字圖像處理

9、中，一幅圖像可看成是由圖像矩陣中的像素（矩陣中的像素（pixelpixel）組成的，每個像素的組成的，每個像素的灰度級至少要灰度級至少要6 6bitbit（單色圖像）來表示，一般單色圖像）來表示，一般采用采用8 8bitbit（彩色圖像），高精度的可用彩色圖像），高精度的可用1212bitbit或或1616bitbit。 （2 2） 圖像處理技術綜合性強；圖像處理技術綜合性強； （3 3）圖像信息理論與通信理論密切相關。）圖像信息理論與通信理論密切相關。 早在早在19481948年年ShannonShannon發(fā)表了發(fā)表了“A mathematical Theory A mathematica

10、l Theory of Communication”of Communication”（通信中的數(shù)學理論）一文，它通信中的數(shù)學理論）一文，它奠定了信息論的基礎。此后，信息理論已滲透到了各奠定了信息論的基礎。此后，信息理論已滲透到了各個領域。圖像信息論也屬于信息論科學中的一個分支。個領域。圖像信息論也屬于信息論科學中的一個分支。 1.4 1.4 數(shù)字圖像處理的主要方法及主要內容數(shù)字圖像處理的主要方法及主要內容1.4.11.4.1 數(shù)字圖像處理方法：數(shù)字圖像處理方法： 兩大類：兩大類： 空域法和變換域法?？沼蚍ê妥儞Q域法。 A A、空域法：這種方法是把圖像看作是平面空域法：這種方法是把圖像看作是平

11、面中各個像素組成的集合，然后直接對這一二維中各個像素組成的集合，然后直接對這一二維函數(shù)進行相應的處理。函數(shù)進行相應的處理。B B、變換域法：變換域法： 數(shù)字圖像處理的變換域處理方法是首數(shù)字圖像處理的變換域處理方法是首先對圖像進行正交變換，得到變換域系先對圖像進行正交變換，得到變換域系數(shù)陣列，然后再施行各種處理，處理后數(shù)陣列，然后再施行各種處理，處理后再反變換到空間域，得到處理結果。再反變換到空間域，得到處理結果。 這類處理包括：濾波、數(shù)據(jù)壓縮、特這類處理包括：濾波、數(shù)據(jù)壓縮、特征提取等處理。征提取等處理。1.4.21.4.2 數(shù)字圖像處理的主要內容：數(shù)字圖像處理的主要內容： 它是研究圖像的獲取

12、、它是研究圖像的獲取、傳輸、存儲，變換、顯傳輸、存儲，變換、顯示、理解與綜合利用的示、理解與綜合利用的一門嶄新學科。一門嶄新學科。 圖像數(shù)字化圖像數(shù)字化 圖像數(shù)字化是將一幅畫面轉化成計算機能處理的形式數(shù)字圖像的過程。 模擬圖像 數(shù)字圖像 正方形點陣 具體來說，就是把一幅圖畫分割成如圖所示 的一個個小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域 灰度用整數(shù)來表示，形成一幅點陣式的數(shù)字圖像。它包括采樣和量化兩個過程。像素的位置和灰度就是像素的屬性。 數(shù)字圖像根據(jù)灰度級數(shù)的差異可分為：黑白圖像、灰度圖像和彩色圖像。黑白圖像黑白圖像 圖像的每個像素只能是黑或白，沒有中間的過渡，故又稱為二值圖像。二值圖像的像素值為

13、0或1。例如011100001I灰度圖像灰度圖像灰度圖像是指灰度級數(shù)大于2的圖像。但它不包含彩色信息。彩色圖像彩色圖像 彩色圖像是指每個像素由R、G、B分量構成的圖像，其中R、B、G是由不同的灰度級來描述。00255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000160800B100220250180501202001500I 幾何處理幾何處理 幾何處理主要包括座標變換、圖像的放大、縮小、旋轉、移動、多個圖像配準，全景畸變校正，扭曲校正，周長、面積、體積計算等。 算術處理算術處理圖像增強圖像增強 圖像增強處理主要是突出圖像中感興趣的圖像增強

14、處理主要是突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強，便于區(qū)分或解釋。主要方法用信息得到加強，便于區(qū)分或解釋。主要方法有直方圖增強、偽彩色增強法有直方圖增強、偽彩色增強法( (pseudo color)pseudo color)、灰度窗口等技術?；叶却翱诘燃夹g。增強 - 對比度拉伸增強-偽彩增強 去噪聲增強 - 銳化圖像復原圖像復原 圖像復原處理的主要目的是去掉干擾和模糊，圖像復原處理的主要目的是去掉干擾和模糊，恢復圖像的本來面目。典型的例子如去噪就屬恢復圖像的本來面目。典型的例子如去噪就屬于復原處理。圖像噪聲包括隨機噪聲和

15、相干噪于復原處理。圖像噪聲包括隨機噪聲和相干噪聲，隨機噪聲干擾表現(xiàn)為麻點干擾，相干噪聲聲，隨機噪聲干擾表現(xiàn)為麻點干擾，相干噪聲表現(xiàn)為網紋干擾。表現(xiàn)為網紋干擾。 去模糊也是復原處理的任務。這些模糊去模糊也是復原處理的任務。這些模糊來自透鏡散焦，相對運動，大氣湍流，來自透鏡散焦，相對運動，大氣湍流，云層遮擋等。這些干擾可用維納濾波、云層遮擋等。這些干擾可用維納濾波、逆濾波、同態(tài)濾波等方法加以去除。逆濾波、同態(tài)濾波等方法加以去除。 圖像重建圖像重建 幾何處理、圖像增強、圖像幾何處理、圖像增強、圖像復原都是從圖像到圖像的處理，復原都是從圖像到圖像的處理，即輸入的原始數(shù)據(jù)是圖像，處理即輸入的原始數(shù)據(jù)是圖

16、像，處理后輸出的也是圖像，而重建處理后輸出的也是圖像，而重建處理則是從數(shù)據(jù)到圖像的處理。也就則是從數(shù)據(jù)到圖像的處理。也就是說輸入的是某種數(shù)據(jù)，而處理是說輸入的是某種數(shù)據(jù)，而處理結果得到的是圖像。結果得到的是圖像。 圖像編碼圖像編碼 圖像編碼的研究屬于信息論中信源圖像編碼的研究屬于信息論中信源編碼范疇，對圖像信號進行高效編碼，編碼范疇，對圖像信號進行高效編碼，即研究數(shù)據(jù)壓縮技術，以解決數(shù)據(jù)量大即研究數(shù)據(jù)壓縮技術，以解決數(shù)據(jù)量大的矛盾。的矛盾。256k21k 圖像分割圖像分割 圖像分割是指將一幅圖像劃分為互不重疊的區(qū)域的處理。 圖像識別圖像識別 對圖像中的不同對象進行分類、描述和解譯。1.5 1.

17、5 數(shù)字圖像處理的硬件設備數(shù)字圖像處理的硬件設備 輸入設備A/D計算機A/D圖像顯示器鍵盤監(jiān)視器數(shù)字圖像處理系統(tǒng)1.6 1.6 數(shù)字圖像處理的應用數(shù)字圖像處理的應用生物醫(yī)學生物醫(yī)學 利用電磁波譜成像分析系統(tǒng)診斷病情。如顯微鏡圖像分析，DNA成像分析等遙感遙感 農、林等資源的調查，農作物長勢監(jiān)測，自然災害監(jiān)測、預報，地勢、地貌測繪以及地質構造解譯、找礦，環(huán)境污染檢測等等。獲取氣象云圖進行測繪、判讀等。風云1號 風云2號安全保障、公安等方面的應用安全保障、公安等方面的應用 該領域將采用模式識別等方法實現(xiàn)監(jiān)該領域將采用模式識別等方法實現(xiàn)監(jiān)控、指紋檔案、案件偵破、交通管理等?？亍⒅讣y檔案、案件偵破、交通管理等。1.7 1.7 數(shù)字圖像處理領域的發(fā)展動向數(shù)字圖像處理領域的發(fā)展動向 在該領域中需進一步研究的問題，不外乎如下四在該領域中需進一步研究的問題，不外乎如下四個方面：個方面： （1）在進一步提高精度的同時著重解決處理速度）在進一步提高精度的同時著重解決處理速度問題。如在航天遙感、氣象云圖處理方面，巨大的數(shù)問題。如在航天遙感、氣象云圖處理方面，巨大的數(shù)據(jù)量和處理速度仍然是主要矛盾之一。據(jù)量和處理速度仍然是主要矛盾之一。 （2 2）、加強軟件研究、開發(fā)新的處理方法，特別）、加強軟件研究、開發(fā)新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其他學科的技術和研