數(shù)字圖像處理第1章

1、數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理前言前言是一門關于如何用是一門關于如何用計算機對圖象進行處理的學科。本課程主要講解基本原理和方法，計算機對圖象進行處理的學科。本課程主要講解基本原理和方法，也兼顧編程實踐（也兼顧編程實踐（MATLAB實現(xiàn)）。實現(xiàn)）。教材：教材：數(shù)字圖像處理，許錄平，科學出版社，數(shù)字圖像處理，許錄平，科學出版社，2007參考書：參考書：Digital Image Processing, R. C. Gonzalez, Prentice Hall, 2002. (中文版，阮秋琦譯，電子工業(yè)出版社中文版，阮秋琦譯，電子工業(yè)出版社)2.數(shù)字圖像處理及數(shù)字圖像處理及MATLAB實現(xiàn)，余成波，重慶

2、大學出版實現(xiàn)，余成波，重慶大學出版 社，社， 20033. 數(shù)字圖像處理學數(shù)字圖像處理學 Visual C+實現(xiàn)，郎銳編，北京希望電子出實現(xiàn)，郎銳編，北京希望電子出版社，版社，2002 什么是數(shù)字圖象？ 數(shù)字圖象是指由被稱作象素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。數(shù)字圖象是指由被稱作象素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。對于單色即灰度圖象而言，每個象素的亮度用一個數(shù)值來表示，對于單色即灰度圖象而言，每個象素的亮度用一個數(shù)值來表示，通常數(shù)值范圍在通常數(shù)值范圍在0 0到到255255之間，即可用一個字節(jié)來表示，之間，即可用一個字節(jié)來表示，0 0表示黑、表示黑、255255表示白，而其它表示灰度。如下圖所示：表示白，

3、而其它表示灰度。如下圖所示：125,153,158,157,127,70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175,166,133, 60,133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,155,115, 88, 49,111,114,114,123,126,121,116,110,107,116,116,129,135,134,131,120,126,121, 85, 32

4、, 29, 43, 33, 37, 52, 32,105,114,117,118,123,122,116,113,118,112,104,108,111,105,113,126,123,107, 51, 27, 25, 34, 40, 35, 39, 36,灰度圖象灰度圖象(128x128)(128x128)及其對應的數(shù)值矩陣（僅列出一部分及其對應的數(shù)值矩陣（僅列出一部分(26x31)(26x31)） 圖像是一種圖像是一種空間空間信息，它具體地表明了事物的形態(tài)、位置信息，它具體地表明了事物的形態(tài)、位置和色彩等，以便人們進行觀察、測量和識別。圖像包含了豐富的和色彩等，以便人們進行觀察、測量和識別

5、。圖像包含了豐富的信息，它直觀地提供了景物的顏色、亮度、紋理、位置和形狀等。信息，它直觀地提供了景物的顏色、亮度、紋理、位置和形狀等。上述信息成為人們理解該圖像所表現(xiàn)的事物的基礎。上述信息成為人們理解該圖像所表現(xiàn)的事物的基礎。 圖像在人類接收和傳遞信息中都起著重要的作用。因為圖圖像在人類接收和傳遞信息中都起著重要的作用。因為圖像比起聲音、文字信息有其突出的長處，那就是圖像的像比起聲音、文字信息有其突出的長處，那就是圖像的直觀性、直觀性、客觀性客觀性，它能原封不動地將客觀事物的原形展現(xiàn)在眼前。而聲音、，它能原封不動地將客觀事物的原形展現(xiàn)在眼前。而聲音、文字信息則是通過描述來表達事物，即屬于描述性

6、的信息。會受文字信息則是通過描述來表達事物，即屬于描述性的信息。會受到描述者的許多因素的影響，諸如主觀、片面、專業(yè)、情緒、狀到描述者的許多因素的影響，諸如主觀、片面、專業(yè)、情緒、狀態(tài)等都會使描述偏離客觀事物。態(tài)等都會使描述偏離客觀事物。圖像信息的重要性圖像信息的重要性 圖像信息的重要性還在于人們的視覺系統(tǒng)有著瞬間獲取圖像信息的重要性還在于人們的視覺系統(tǒng)有著瞬間獲取圖像、分析圖像、識別圖像和理解圖像的能力。從視覺接受圖像、分析圖像、識別圖像和理解圖像的能力。從視覺接受信息的角度看，可認為圖像是空間客觀景物在眼球視網(wǎng)膜上信息的角度看，可認為圖像是空間客觀景物在眼球視網(wǎng)膜上形成的像。形成的像。 視覺

7、系統(tǒng)和大腦具有高超的能力，能區(qū)分圖像中的物體視覺系統(tǒng)和大腦具有高超的能力，能區(qū)分圖像中的物體與背景；能感知顏色、亮度、形狀、方向、位置、運動等信與背景；能感知顏色、亮度、形狀、方向、位置、運動等信息的細微差別；能將有意義的信息綜合成一體；有很強的信息的細微差別；能將有意義的信息綜合成一體；有很強的信息存儲能力；具有高效地進行平行處理的能力等等。其實，息存儲能力；具有高效地進行平行處理的能力等等。其實，人們在生活和非自動化生產(chǎn)中，都離不開用視覺獲取圖像和人們在生活和非自動化生產(chǎn)中，都離不開用視覺獲取圖像和處理圖像。處理圖像。人類通過眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。約有75%的信息是通過視覺

8、系統(tǒng)獲取的。數(shù)字圖象處理是用數(shù)字計算機處理所獲取視覺信息的技術。 數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理：即利用計算機對數(shù)字圖像進行處理即利用計算機對數(shù)字圖像進行處理 ，它具有精度，它具有精度高、處理內(nèi)容豐富、方法易變、靈活度高等優(yōu)點。但是它的處高、處理內(nèi)容豐富、方法易變、靈活度高等優(yōu)點。但是它的處理速度受到計算機和數(shù)字器件的限制，一般也是串行處理，因理速度受到計算機和數(shù)字器件的限制，一般也是串行處理，因此處理速度較慢。此處理速度較慢。光電結合處理光電結合處理：用光學方法完成運算量巨大的處理（如頻譜變換用光學方法完成運算量巨大的處理（如頻譜變換等），而用計算機對光學處理結果（如頻譜）進行分析判斷等等），而用

9、計算機對光學處理結果（如頻譜）進行分析判斷等處理。該方法是前兩種方法的有機結合，它集結了二者的優(yōu)點。處理。該方法是前兩種方法的有機結合，它集結了二者的優(yōu)點。光電結合處理是今后圖像處理的發(fā)展方向，也是一個值得關注光電結合處理是今后圖像處理的發(fā)展方向，也是一個值得關注的研究方向。的研究方向。 運動圖像可用（靜止）圖像序列表示，彩色圖像可分運動圖像可用（靜止）圖像序列表示，彩色圖像可分解成三基色圖像，三維圖像可由二維重建。因此本課程主解成三基色圖像，三維圖像可由二維重建。因此本課程主要針對平面上的靜止灰度圖像進行論述。要針對平面上的靜止灰度圖像進行論述。（1 1）空間有界）空間有界: :人的視野有限

10、，一幅圖像的大小也有限。人的視野有限，一幅圖像的大小也有限。 （2 2）幅度（強度）有限）幅度（強度）有限 ：即對于所有的：即對于所有的x，y都有都有 0f(x,y) Bm 其中其中Bm為有限值為有限值 。一個基本的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像輸入、圖像存儲、一個基本的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像輸入、圖像存儲、圖像通信、圖像處理和分析五個模塊組成。圖像通信、圖像處理和分析五個模塊組成。如下圖所示：如下圖所示：在圖像分析、識別和理解中，一般需要將在圖像分析、識別和理解中，一般需要將處理前后的圖像顯示出來，或?qū)⑻幚斫Y果永久保存。前者稱為軟處理前后的圖像顯示出來，或?qū)⑻幚斫Y果永久保存。前者稱為軟拷貝或顯示，使

11、用設備包括拷貝或顯示，使用設備包括CRTCRT顯示器、液晶顯示器和投影儀等。顯示器、液晶顯示器和投影儀等。后者稱為硬拷貝，使用設備包括照相機、激光拷貝和打印機等。后者稱為硬拷貝，使用設備包括照相機、激光拷貝和打印機等。對圖像數(shù)據(jù)進行傳輸和通信。由于圖像數(shù)對圖像數(shù)據(jù)進行傳輸和通信。由于圖像數(shù)據(jù)量很大，而能提供通信的信道傳輸率又有限，因此傳輸前必須據(jù)量很大，而能提供通信的信道傳輸率又有限，因此傳輸前必須對表示圖像信息的數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，以減少圖像數(shù)據(jù)量。對表示圖像信息的數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，以減少圖像數(shù)據(jù)量。包括處理算法、實現(xiàn)軟件和計算機，包括處理算法、實現(xiàn)軟件和計算機，一般包括下面三種形式：一般包括

12、下面三種形式：主要是星體圖片的獲取、傳送和處理。主要是星體圖片的獲取、傳送和處理。圖像信息傳輸、電視電話、衛(wèi)星通信、數(shù)圖像信息傳輸、電視電話、衛(wèi)星通信、數(shù)字電話等。主要是壓縮圖像數(shù)據(jù)和動態(tài)圖像（序列）傳送字電話等。主要是壓縮圖像數(shù)據(jù)和動態(tài)圖像（序列）傳送 。（航空遙感和衛(wèi)星遙感），地形、地質(zhì)、（航空遙感和衛(wèi)星遙感），地形、地質(zhì)、資源的勘測，自然災害監(jiān)測、預報和調(diào)查，環(huán)境監(jiān)測、調(diào)查資源的勘測，自然災害監(jiān)測、預報和調(diào)查，環(huán)境監(jiān)測、調(diào)查等等 。細胞分析、染色體分類、放射圖像細胞分析、染色體分類、放射圖像處理、血球分類、各種處理、血球分類、各種CTCT、核磁共振圖像分析、核磁共振圖像分析、DNADNA

13、顯示分析、顯示分析、顯微圖像處理、癌細胞識別、心臟活動的動態(tài)分析、超聲圖顯微圖像處理、癌細胞識別、心臟活動的動態(tài)分析、超聲圖像成像、生物進化的圖像分析等等像成像、生物進化的圖像分析等等 。 。 (1) 讀取和顯示圖像讀取和顯示圖像 首先清除首先清除MATLAB所有所有的工作平臺變量，關閉已打的工作平臺變量，關閉已打開的圖形窗口，讀取和顯示開的圖形窗口，讀取和顯示灰度灰度圖像圖像 rice.tifrice.tif ，其程，其程序如下：序如下： clear;clear; close all; close all; I=imread(rice.tif); I=imread(rice.tif); im

14、show(I); imshow(I);(2) 估計圖像背景估計圖像背景 圖像圖像 rice.tifrice.tif 中心位置的背景亮度要高于其中心位置的背景亮度要高于其他部分的亮度。他部分的亮度。使用使用 imopenimopen 函數(shù)和一個半徑為函數(shù)和一個半徑為15的圓盤形結構元素對輸入的圖像的圓盤形結構元素對輸入的圖像I進行形態(tài)打開操進行形態(tài)打開操作。形態(tài)打開操作將會刪除那些不完全包括在半徑作。形態(tài)打開操作將會刪除那些不完全包括在半徑為為15的圓盤中的對象，從而實現(xiàn)背景亮度的估計，的圓盤中的對象，從而實現(xiàn)背景亮度的估計，其程序如下：其程序如下： background=imopen (I,s

15、trel (disk,15);background=imopen (I,strel (disk,15); (3) 從原始圖像中減去背景圖像從原始圖像中減去背景圖像 將背景圖像將背景圖像 backgroundbackground 從原始圖像從原始圖像I I中減去，從而中減去，從而創(chuàng)建一個新的、背景較為一致的圖像，其程序如下：創(chuàng)建一個新的、背景較為一致的圖像，其程序如下： I2=imsubtract (I,background);I2=imsubtract (I,background); figure, imshow(I2);figure, imshow(I2); (4)調(diào)節(jié)圖像對比度調(diào)節(jié)圖像對比

16、度 從上圖可以看出，修改后的圖像很暗，可以使用從上圖可以看出，修改后的圖像很暗，可以使用 imadjustimadjust函數(shù)來調(diào)節(jié)圖像的對比度，并顯示調(diào)節(jié)后的效果。函數(shù)來調(diào)節(jié)圖像的對比度，并顯示調(diào)節(jié)后的效果。 I3 = imadjust(I2,stretchlim(I2),0 1);I3 = imadjust(I2,stretchlim(I2),0 1); figure,imshow(I3);figure,imshow(I3); (5) 使用使用值操作將圖像轉(zhuǎn)換為二進制圖像值操作將圖像轉(zhuǎn)換為二進制圖像 通過使用函數(shù)通過使用函數(shù) graythresh graythresh 和和 im2bwim

17、2bw 創(chuàng)建一個新的二值圖創(chuàng)建一個新的二值圖像像 bwbw，其程序如下：，其程序如下： level=graythresh(I3);level=graythresh(I3); bw=im2bw(I3,level);bw=im2bw(I3,level);figure,imshow (bw);figure,imshow (bw);(6) 檢查圖像中的對象個數(shù)檢查圖像中的對象個數(shù) 為了確定圖像中的米粒的個數(shù)，使用為了確定圖像中的米粒的個數(shù)，使用bwlabelbwlabel函數(shù)，函數(shù)，該函數(shù)標示了二值圖像該函數(shù)標示了二值圖像bwbw中的所有相關成分，并且返回中的所有相關成分，并且返回在圖像中找到的對象個

18、數(shù)在圖像中找到的對象個數(shù) numobjectsnumobjects：labeled,numobjects=bwlabel(bw,4);labeled,numobjects=bwlabel(bw,4);numobjects=numobjects= 80(7) 檢查標記矩陣檢查標記矩陣 觀察標記矩陣的一個好辦法就是將其顯示為一個偽觀察標記矩陣的一個好辦法就是將其顯示為一個偽彩色的索引圖像。函數(shù)彩色的索引圖像。函數(shù)label2rgblabel2rgb可以指定調(diào)色板、背可以指定調(diào)色板、背景顏色以及標記矩陣中的對象將如何被映射為調(diào)色板中景顏色以及標記矩陣中的對象將如何被映射為調(diào)色板中的顏色，其程序如下：

19、的顏色，其程序如下： (8) 計算圖像中對象的統(tǒng)計屬性計算圖像中對象的統(tǒng)計屬性 regionprops 命令可以用來調(diào)節(jié)圖像中對象或區(qū)域的命令可以用來調(diào)節(jié)圖像中對象或區(qū)域的屬性，并將這些屬性返回到一個結構體數(shù)組中。當調(diào)用屬性，并將這些屬性返回到一個結構體數(shù)組中。當調(diào)用regionprops函數(shù)來返回一個包含圖像中所有米粒閾值的函數(shù)來返回一個包含圖像中所有米粒閾值的基本屬性度量結構體時，使用以下基本屬性度量結構體時，使用以下MATLAB函數(shù)來計算函數(shù)來計算閾值對象的一些統(tǒng)計屬性：首先使用閾值對象的一些統(tǒng)計屬性：首先使用 max 獲取最大的米獲取最大的米粒大小，其程序如下：粒大小，其程序如下： graindata=regionprops(labeled,basic ); allgrains=graindata.Area; max(allgrains)運行后運行后MATLABMATLAB將返回以下數(shù)據(jù)：將返回以下數(shù)