圖像處理概論

1、數(shù)字圖像處理技術(shù)概 論 1.1 數(shù)字圖像處理及其特點(diǎn)數(shù)字圖像處理及其特點(diǎn)1.2 數(shù)字圖像處理的目的和主要內(nèi)容數(shù)字圖像處理的目的和主要內(nèi)容 1.3 圖像工程與相關(guān)學(xué)科圖像工程與相關(guān)學(xué)科 1.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 1.5 數(shù)字圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的應(yīng)用 1.6 數(shù)字圖像處理的發(fā)展動(dòng)向數(shù)字圖像處理的發(fā)展動(dòng)向 1.1 數(shù)字圖像處理及其特點(diǎn)數(shù)字圖像處理及其特點(diǎn)1.1.1 數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理 1. 數(shù)字圖像基本概念數(shù)字圖像基本概念 數(shù)字圖像數(shù)字圖像:以數(shù)字格式存放的圖像以數(shù)字格式存放的圖像。 模擬圖像：模擬圖像：指空間坐標(biāo)和明暗程度都連續(xù)變化的、計(jì)算機(jī)無(wú)指空

2、間坐標(biāo)和明暗程度都連續(xù)變化的、計(jì)算機(jī)無(wú)法直接處理的圖像。法直接處理的圖像。如常見的各種照片、圖片、海報(bào)、廣告畫如常見的各種照片、圖片、海報(bào)、廣告畫等。等。 二者之間的轉(zhuǎn)換：目前主要設(shè)備是二者之間的轉(zhuǎn)換：目前主要設(shè)備是掃描儀掃描儀。 將視頻畫面數(shù)字化的設(shè)備有將視頻畫面數(shù)字化的設(shè)備有圖像采集卡圖像采集卡。 直接獲取方式：可以利用直接獲取方式：可以利用數(shù)碼照相機(jī)數(shù)碼照相機(jī)直接拍攝以數(shù)字格式存直接拍攝以數(shù)字格式存放的數(shù)字圖像。放的數(shù)字圖像。 2.數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像的表示: 一幅一幅MN個(gè)像素的數(shù)字圖像，其像素灰度值可以用個(gè)像素的數(shù)字圖像，其像素灰度值可以用M行、行、N列的矩陣列的矩陣G或二維數(shù)組或

3、二維數(shù)組T來(lái)表示來(lái)表示:MNMMNNgggggggggG212222111211圖1-1 數(shù)字圖像灰度信息數(shù)字化數(shù)字化像素1124421112788721158558611685686116875421158416611483166112611111像素像素 數(shù)字圖像中每個(gè)基本單元叫做數(shù)字圖像中每個(gè)基本單元叫做圖像元素圖像元素，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱像素像素(pixel)(pixel)。一幅圖像在空間上的分辨率與其包含的像素個(gè)數(shù)。一幅圖像在空間上的分辨率與其包含的像素個(gè)數(shù)成正比，像素個(gè)數(shù)越多，圖像的分辨率越高，也就越有可成正比，像素個(gè)數(shù)越多，圖像的分辨率越高，也就越有可能看出圖像的細(xì)節(jié)。能看出圖像的細(xì)節(jié)。

4、像素的鄰域概念rrprrsspsssrsrprsrs四鄰域四鄰域 八鄰域八鄰域 2. 數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理 1） 數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理 我們把利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、我們把利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、 增強(qiáng)、復(fù)原、分增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等的理論、割、提取特征等的理論、 方法和技術(shù)稱為方法和技術(shù)稱為數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing）。）。一般，圖像處理是用計(jì)算機(jī)和實(shí)一般，圖像處理是用計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)的，時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)的，因此也稱之為因此也稱之為計(jì)算機(jī)圖像處計(jì)算機(jī)圖像處理理（Computer Image Processing）。）。

5、2） 數(shù)字圖像處理的重要意義數(shù)字圖像處理的重要意義 數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受如下三個(gè)方面的影響。數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受如下三個(gè)方面的影響。 一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展。一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展。 二、數(shù)學(xué)的發(fā)展，二、數(shù)學(xué)的發(fā)展， 特別是離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和完善，特別是離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和完善，為數(shù)字圖像處理奠定了理論基礎(chǔ)。為數(shù)字圖像處理奠定了理論基礎(chǔ)。 三、軍事、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等方面應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)三、軍事、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等方面應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)。數(shù)字。數(shù)字圖像處理從一個(gè)專門領(lǐng)域的學(xué)科，圖像處理從一個(gè)專門領(lǐng)域的學(xué)科， 變成了一種新型的科學(xué)研變成了一種新型的科學(xué)研究和人機(jī)界面的工具。究和人機(jī)界面的

6、工具。 1.1.2 數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)數(shù)字圖像處理的特點(diǎn) （1） 處理精度高，再現(xiàn)性好處理精度高，再現(xiàn)性好。 （2）處理的多樣性。）處理的多樣性。設(shè)計(jì)不同的圖像處理設(shè)計(jì)不同的圖像處理程序，可以實(shí)現(xiàn)程序，可以實(shí)現(xiàn)各種不同的處理目的。各種不同的處理目的。 （3） 圖像數(shù)據(jù)量龐大。圖像數(shù)據(jù)量龐大。通常彩色圖像每個(gè)像素用紅、通常彩色圖像每個(gè)像素用紅、 綠、綠、 藍(lán)三種顏色表示，藍(lán)三種顏色表示， 每種顏色用每種顏色用8 bit表示灰度級(jí)。則一幅表示灰度級(jí)。則一幅10241024不經(jīng)壓縮的真彩色圖像，不經(jīng)壓縮的真彩色圖像， 數(shù)據(jù)量達(dá)數(shù)據(jù)量達(dá)3 MB（即（即102410248 bit3=24 Mb）。）。X

7、射線照片一般用射線照片一般用64256 Kb的數(shù)據(jù)量，一幅遙感圖像為的數(shù)據(jù)量，一幅遙感圖像為32402340430 Mb。 （4） 處理費(fèi)時(shí)。處理費(fèi)時(shí)。由于圖像數(shù)據(jù)量大，因此處理比較費(fèi)時(shí)。由于圖像數(shù)據(jù)量大，因此處理比較費(fèi)時(shí)。 （5） 圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)。圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)。涉及的技術(shù)領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，如涉及的技術(shù)領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，如通信技術(shù)、計(jì)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電視技術(shù)等，算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電視技術(shù)等， 當(dāng)然，數(shù)學(xué)、當(dāng)然，數(shù)學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域更是數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)。物理學(xué)等領(lǐng)域更是數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)。 1.2 數(shù)字圖像處理的目的和主要內(nèi)容數(shù)字圖像處理的目的和主要內(nèi)容 1.2.1 數(shù)字

8、圖像處理的目的（數(shù)字圖像處理的目的（3個(gè)主要目的）個(gè)主要目的） 1） 提高圖像的視感質(zhì)量，提高圖像的視感質(zhì)量， 以達(dá)到賞心悅目的目的以達(dá)到賞心悅目的目的。如去除。如去除圖像中的噪聲，圖像中的噪聲， 改變圖像的亮度、顏色，增強(qiáng)圖像中的某些成改變圖像的亮度、顏色，增強(qiáng)圖像中的某些成份、份、 抑制某些成份，對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換等，抑制某些成份，對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換等， 2）提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息， 以便于計(jì)算以便于計(jì)算機(jī)分析，機(jī)分析，例如，常用作模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)的預(yù)處理等。例如，常用作模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)的預(yù)處理等。 3） 對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、對(duì)圖

9、像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、 編碼和壓縮，編碼和壓縮， 以便于圖像的存儲(chǔ)以便于圖像的存儲(chǔ)和傳輸。和傳輸。 1.2.2 數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容 用計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、加工和輸出，用計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、加工和輸出，因此數(shù)字圖像處理研究的內(nèi)容主要有以下因此數(shù)字圖像處理研究的內(nèi)容主要有以下7個(gè)過(guò)程。個(gè)過(guò)程。 1. 圖像獲取、表示和表現(xiàn)（圖像獲取、表示和表現(xiàn)（Image Acquisition， Representation and Presentation） 主要是把模擬圖像信號(hào)主要是把模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，以及把數(shù)字圖像數(shù)字形式，以及把數(shù)字圖

10、像顯示和表現(xiàn)顯示和表現(xiàn)出來(lái)（如打?。?。過(guò)程主要包括攝取圖像、出來(lái)（如打?。＿^(guò)程主要包括攝取圖像、 光電轉(zhuǎn)光電轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等幾個(gè)步驟。換及數(shù)字化等幾個(gè)步驟。 3. 3. 圖像增強(qiáng)（圖像增強(qiáng)（Image EnhancementImage Enhancement）( (主觀主觀) ) 圖像增強(qiáng)是對(duì)圖像質(zhì)量在一般意義上的改善圖像增強(qiáng)是對(duì)圖像質(zhì)量在一般意義上的改善。當(dāng)無(wú)法知道。當(dāng)無(wú)法知道圖像退化有關(guān)的定量信息時(shí)，可以使用圖像增強(qiáng)技術(shù)較為主觀圖像退化有關(guān)的定量信息時(shí)，可以使用圖像增強(qiáng)技術(shù)較為主觀地改善圖像的質(zhì)量。其目的是得到一種特殊的藝術(shù)效果，增強(qiáng)地改善圖像的質(zhì)量。其目的是得到一種特殊的藝術(shù)效果，增強(qiáng)動(dòng)

11、感和力度。動(dòng)感和力度。 2. 圖像復(fù)原（圖像復(fù)原（Image Restoration）(客觀客觀) 當(dāng)造成圖像退化（圖像品質(zhì)下降）的原因已知時(shí)當(dāng)造成圖像退化（圖像品質(zhì)下降）的原因已知時(shí)， 復(fù)原技復(fù)原技術(shù)可以對(duì)圖像進(jìn)行校正。術(shù)可以對(duì)圖像進(jìn)行校正。最關(guān)鍵的是對(duì)每種退化都需要有一個(gè)合最關(guān)鍵的是對(duì)每種退化都需要有一個(gè)合理的模型理的模型。目的是消除退化的影響，從而產(chǎn)生一個(gè)等價(jià)于理想成。目的是消除退化的影響，從而產(chǎn)生一個(gè)等價(jià)于理想成像系統(tǒng)所獲得的圖像。像系統(tǒng)所獲得的圖像。 4. 圖像分割（圖像分割（Image Segmentation） 把圖像分成區(qū)域的過(guò)程就是圖像分割。圖像中通常包含多個(gè)對(duì)象，把圖像分成

12、區(qū)域的過(guò)程就是圖像分割。圖像中通常包含多個(gè)對(duì)象， 例如，例如， 一幅醫(yī)學(xué)圖像中顯示出正常的或有病變的各種器官和組織。一幅醫(yī)學(xué)圖像中顯示出正常的或有病變的各種器官和組織。 圖像自動(dòng)分割圖像自動(dòng)分割是圖像處理中最困難的問(wèn)題之一。目前，大部分圖是圖像處理中最困難的問(wèn)題之一。目前，大部分圖像的自動(dòng)分割還需要人工提供必需的信息來(lái)幫助，只有一部分領(lǐng)域（如像的自動(dòng)分割還需要人工提供必需的信息來(lái)幫助，只有一部分領(lǐng)域（如印刷字符自動(dòng)識(shí)別（印刷字符自動(dòng)識(shí)別（OCR）、）、 指紋識(shí)別等）開始使用。由于指紋識(shí)別等）開始使用。由于解決和分解決和分割有關(guān)的基本問(wèn)題是特定領(lǐng)域中圖像分析實(shí)用化的關(guān)鍵一步割有關(guān)的基本問(wèn)題是特定

13、領(lǐng)域中圖像分析實(shí)用化的關(guān)鍵一步，因此，將，因此，將各種方法融合在一起并使用知識(shí)來(lái)提高處理的可靠性各種方法融合在一起并使用知識(shí)來(lái)提高處理的可靠性和有效性是圖像分和有效性是圖像分割的研究熱點(diǎn)。割的研究熱點(diǎn)。 5. 圖像分析圖像分析 圖像處理應(yīng)用的目標(biāo)幾乎均涉及到圖像分析，圖像處理應(yīng)用的目標(biāo)幾乎均涉及到圖像分析， 即對(duì)圖像即對(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分割、中的不同對(duì)象進(jìn)行分割、 特征提取和表示，從而有利于計(jì)算特征提取和表示，從而有利于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分類、機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分類、 識(shí)別和理解。識(shí)別和理解。 6. 圖像重建圖像重建 圖像重建與上述的圖像增強(qiáng)、圖像重建與上述的圖像增強(qiáng)、 圖像復(fù)原等不同。圖像復(fù)原等

14、不同。圖像增圖像增強(qiáng)、強(qiáng)、 圖像復(fù)原圖像復(fù)原的的輸入是圖像，處理后輸出的結(jié)果也是圖像輸入是圖像，處理后輸出的結(jié)果也是圖像，而而圖像重建圖像重建是是指從數(shù)據(jù)到圖像的處理，即輸入的是某種數(shù)據(jù)，指從數(shù)據(jù)到圖像的處理，即輸入的是某種數(shù)據(jù)，而經(jīng)過(guò)處理后得到的結(jié)果是圖像而經(jīng)過(guò)處理后得到的結(jié)果是圖像， CTCT就是圖像重建處理的典就是圖像重建處理的典型應(yīng)用實(shí)例。型應(yīng)用實(shí)例。010002000300040005000600070008000900010000191725334149576573818997 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201

15、209 217 225 233 241 249010002000300040005000600070008000900010000191725334149576573818997 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233 241 2490100020003000400050006000191725334149576573818997 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233 241 2490100020003

16、000400050006000191725334149576573818997 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233 241 2490100020003000400050006000191725334149576573818997 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233 241 2490100020003000400050006000191725334149576573818997 105 113 12

17、1 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233 241 249010002000300040005000600070008000900010000191725334149576573818997 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233 241 249交叉距離交叉距離 (d) (e) (f) (g) (a) (b) (c) 7. 圖像壓縮編碼圖像壓縮編碼 數(shù)字圖像的特點(diǎn)之一是數(shù)據(jù)量龐大。數(shù)字圖像的特點(diǎn)之一是數(shù)據(jù)量龐大。 圖像編碼主要是利用圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性及人類視覺(jué)的圖像編碼主要是利用圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性及人