數(shù)字圖像處理的發(fā)展動(dòng)向課件

1、第1章 緒論 1.1 序言1.2 數(shù)字圖像處理的目的及特點(diǎn) 1.3 數(shù)字圖像處理的技術(shù)及應(yīng)用 1.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 1.5 數(shù)字圖像處理的發(fā)展動(dòng)向1.6 MATLAB圖像處理應(yīng)用舉例學(xué)習(xí)目標(biāo)了解數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史理解數(shù)字圖像處理的目的、特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)掌握基本的圖像處理系統(tǒng)及其概念了解圖像處理的主要內(nèi)容和任務(wù)了解數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢(shì)要求學(xué)生自學(xué)MATLAB圖像處理工具箱1.1 序言1.1.1 研究背景人類所獲得信息的70%以上來(lái)自于視覺。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，幾乎所有的信息都可以以數(shù)字的形式呈現(xiàn)在人們眼前。數(shù)字圖像處理技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并向各個(gè)研究領(lǐng)域滲透。給我們帶

2、來(lái)了許多的研究課題和研究方向。 學(xué)習(xí)和研究數(shù)字圖像處理 技術(shù)是時(shí)代的迫切需求。 圖 物體投射或反射光的分布，是客觀存在；像 人的視覺系統(tǒng)對(duì)圖的接收在大腦中形成的印象或 認(rèn)識(shí)，是人的感覺；圖像圖像是圖和像的有機(jī)結(jié)合，既反映物體的客觀 存在，又體現(xiàn)人的心理因素；圖像是對(duì)客觀存 在物體的一種相似性的生動(dòng)模仿或描述。凡是人類視覺上能感受到的信息都可以稱為圖像，是客觀和主觀的結(jié)合。1.1.2 圖像的概念 圖像的概念 圖像模型物體圖像數(shù)學(xué)函數(shù)不可見的物理圖像可見的圖像光圖像照片、圖、畫2維條碼next照片圖像的概念 圖、畫二維條碼 圖像的概念 數(shù)學(xué)函數(shù) 分形（藝術(shù)）圖 圖像的概念 數(shù)學(xué)函數(shù) 分形（仿真）圖

3、紅外圖像(美國(guó)攻打阿富汗)CT圖像(肺與皮膚) 圖像的概念 不可見圖像數(shù)字圖像處理技術(shù)起源于20世紀(jì)20年代 。20世紀(jì)60年代，在第一臺(tái)可執(zhí)行圖像處理任務(wù)的大型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，數(shù)字圖像處理技術(shù)才首次得到實(shí)際應(yīng)用。 20世紀(jì)60年代末70年代初，數(shù)字圖像處理開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像、地球遙感監(jiān)測(cè)和天文學(xué)等諸多領(lǐng)域。 1.1.3 數(shù)字圖像處理的發(fā)展 1.2.1 數(shù)字圖像處理的目的提高圖像的視覺質(zhì)量以提供給人眼主觀滿意或比較滿意的效果。提取圖像中目標(biāo)的某些特征，以便于計(jì)算機(jī)分析或機(jī)器人識(shí)別。為了存儲(chǔ)和傳輸龐大的圖像和視頻信息，常常對(duì)這類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的壓縮。信息的可視化，以便于人們觀察、分析、研究、理解大規(guī)

4、模數(shù)據(jù)和許多復(fù)雜現(xiàn)象。信息安全的需要。主要反映在數(shù)字圖像水印和圖像信息隱藏。1.2數(shù)字圖像處理的目的及特點(diǎn) 數(shù)字圖像處理是利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)與光學(xué)系統(tǒng)模擬處理相同效果的過程。數(shù)字圖像處理具有如下特點(diǎn)： (1)處理精度高。 (2)重現(xiàn)性能好。 (3)靈活性高。 (4)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)受主觀因素的影響。 (5)數(shù)字圖像處理技術(shù)適用面廣。 (6)數(shù)字圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)。1.2.2 數(shù)字圖像處理的特點(diǎn) 1.3.1 數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容圖像變換。由于圖像陣列很大，直接在空間域中進(jìn)行處理，涉及計(jì)算量很大。因此，往往采用各種圖像變換的方法，如傅立葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處理技術(shù)，將空間域的

5、處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，不僅可減少計(jì)算量，而且可獲得更有效的處理 。圖像編碼壓縮技術(shù)。編碼是壓縮技術(shù)中最重要的方法，它在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早且比較成熟的技術(shù)。圖像增強(qiáng)和復(fù)原技術(shù)。圖像增強(qiáng)的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高圖像的清晰度等。圖像增強(qiáng)不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中所感興趣的部分。圖像復(fù)原要求對(duì)圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，一般講應(yīng)根據(jù)降質(zhì)過程建立“降質(zhì)模型”，再采用某種濾波方法，恢復(fù)或重建原來(lái)的圖像。1.3數(shù)字圖像處理的技術(shù)及應(yīng)用 原圖 直方圖修正后的圖圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)原圖 經(jīng)過復(fù)原的圖 圖像復(fù)原 運(yùn)動(dòng)模糊圖像 恢復(fù)圖像圖像復(fù)原圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像

6、分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來(lái)，其有意義的特征有圖像中的邊緣、區(qū)域等，這是進(jìn)一步進(jìn)行圖像識(shí)別、分析和理解的基礎(chǔ)。圖像描述是圖像識(shí)別和理解的必要前提。作為最簡(jiǎn)單的二值圖像可采用其幾何特性描述物體的特性，一般圖像的描述方法采用二維形狀描述，它有邊界描述和區(qū)域描述兩類方法。對(duì)于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描述。圖像分類（識(shí)別）屬于模式識(shí)別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預(yù)處理（增強(qiáng)、復(fù)原、壓縮）后，進(jìn)行圖像分割和特征提取，從而進(jìn)行判決分類。圖像分類常采用經(jīng)典的模式識(shí)別方法，有統(tǒng)計(jì)模式分類和句法（結(jié)構(gòu)）模式分類，近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的模糊模式識(shí)別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式分類在圖像識(shí)別中也越來(lái)越受到重

7、視。 數(shù)字圖像處理方法大致可以分為兩大類，即空間域處理法（或稱為空域法）和變換域處理法（或稱為頻域法）。1.空域法：該方法是把圖像看作是平面中各個(gè)像素組成的集合，然后直接對(duì)該集合進(jìn)行相應(yīng)的處理。 空域法主要包括：(1)鄰域處理法：該方法包括：梯度運(yùn)算、拉普拉斯算子運(yùn)算、平滑算子運(yùn)算、卷積運(yùn)算。(2)點(diǎn)處理法：該方法包括灰度處理、面積、周長(zhǎng)、體積、重心運(yùn)算等。2.變換域法：該方法是首先對(duì)圖像進(jìn)行正交變換，得到變換系陣列，然后再進(jìn)行各種處理，處理后再對(duì)其進(jìn)行逆變換到空間域，即可得到處理結(jié)果。變換域的處理方法包括濾波、數(shù)據(jù)壓縮、特征提取等。1.3.2 數(shù)字圖像處理方法 1.3.3 數(shù)字圖像處理技術(shù)的

8、應(yīng)用（1）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 (a) 顯微圖像處理；(b) DNA(脫氧核糖核酸)顯示分析；(c) 紅、白血球分析計(jì)數(shù)；(d) 蟲卵及組織切片的分析；(e) 癌細(xì)胞識(shí)別；(f) 染色體分析；(g) DSA(心血管數(shù)字減影)及其他減影技術(shù)；(h) 內(nèi)臟大小形狀及異常檢查；(i) 微循環(huán)的分析判斷；(j) 心肌活動(dòng)的動(dòng)態(tài)分析；(l) 熱像分析，紅外像分析；(m) X光照片增強(qiáng)、凍結(jié)及偽彩色增強(qiáng)；(n) 超聲圖像成像、凍結(jié)、增強(qiáng)及偽彩色處理；(o) CT，MRI、射線線照相機(jī)，正電子和質(zhì)子CT的應(yīng)用；(p) 專家系統(tǒng)如手術(shù)PLANNING規(guī)劃的應(yīng)用；(q) 生物進(jìn)化的圖像分析。（2）工業(yè)應(yīng)用(a)

9、 CAD和CAM技術(shù)用于模具、零件制造、服裝、印染業(yè)；(b) 零件、產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)，焊縫及內(nèi)部缺陷檢查；(c) 流水線零件自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別(供裝配流水線用)；(d) 郵件自動(dòng)分揀、包裹分揀識(shí)別；(e) 印制板質(zhì)量、缺陷的檢查；(f) 生產(chǎn)過程的監(jiān)控；(g) 交通管制、機(jī)場(chǎng)監(jiān)控；(h) 紡織物花型、圖案設(shè)計(jì)；(i) 密封元器件內(nèi)部質(zhì)量檢查；(j) 光彈性場(chǎng)分析；(k) 標(biāo)識(shí)、符號(hào)識(shí)別如超級(jí)市場(chǎng)算帳、火車車皮識(shí)別；(l) 支票、簽名、文件識(shí)別及辨?zhèn)危?m) 運(yùn)動(dòng)車、船的視覺反饋控制。 （3）遙感航天中的應(yīng)用(a) 軍事偵察、定位、引導(dǎo)、指揮等應(yīng)用；(b) 多光譜衛(wèi)星圖像分析；(c) 地形、地圖、國(guó)土普查

10、；(d) 地質(zhì)、礦藏勘探；(e) 森林資源探查、分類、防火；(f) 水利資源探查，洪水泛濫監(jiān)測(cè)；(g) 海洋、漁業(yè)方面如溫度、漁群的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)；(h) 農(nóng)業(yè)方面如谷物估產(chǎn)、病蟲害調(diào)查；(i) 自然災(zāi)害、環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)；(j) 氣象、天氣預(yù)報(bào)圖的合成分析預(yù)報(bào)；(k) 天文、太空星體的探測(cè)及分析；(l) 交通、空中管理、鐵路選線等。 （4）軍事、公安領(lǐng)域中的應(yīng)用 (a) 巡航導(dǎo)彈地形識(shí)別； (b) 指紋自動(dòng)識(shí)別； (c) 犯罪臉形的合成； (d) 雷達(dá)地形偵察； (e) 遙控飛行器的引導(dǎo)； (f) 目標(biāo)的識(shí)別與制導(dǎo)； (g) 警戒系統(tǒng)及自動(dòng)火炮控制； (h) 反偽裝偵察； (i) 手跡、人像、印章

11、的鑒定識(shí)別； (j) 過期檔案文字的復(fù)原； (l) 集裝箱的不開箱檢查。 （5）其他應(yīng)用(a) 圖像的遠(yuǎn)距離通信；(b) 多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用；(c) 電視電話；(d) 服裝試穿顯示；(e) 電視會(huì)議；(f) 辦公自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)視頻管理；(g) 文字、圖像電視廣播。 灰度圖像 遙感圖像 醫(yī)學(xué)圖像 指紋圖像 1.4 數(shù)字圖像處理系統(tǒng) 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要由圖像采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和圖像輸出設(shè)備組成。 1 圖像采集系統(tǒng) 圖像采集系統(tǒng)的功能是將模擬圖像轉(zhuǎn)換成適合數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字圖像。 常用的圖像數(shù)字化器一般有三種： (1)數(shù)碼攝像機(jī)，它通過接口電路與計(jì)算機(jī)連接，在有關(guān)軟件的控制下將圖像數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)

12、; (2)數(shù)碼照相機(jī)，它同數(shù)碼攝像機(jī)的區(qū)別在于沒有連續(xù)獲取圖像的能力； (3)掃描儀，它可以將膠片上的攝影圖像或紙質(zhì)載體上的文字、圖形、表格掃描成數(shù)字信息直接輸入計(jì)算機(jī)。 2 計(jì)算機(jī) 執(zhí)行數(shù)字圖像處理的計(jì)算機(jī)上安裝有各種圖像處理軟件，如Adobe公司的Photoshop，MathWorks公司的Matlab中的圖像處理工具箱。圖像處理軟件接受來(lái)自圖像采集系統(tǒng)的數(shù)字圖像，并執(zhí)行所需的操作，如圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮編碼、圖像分析、圖像識(shí)別、圖像理解等操作，最后輸出處理結(jié)果。3 圖像輸出設(shè)備 圖像輸出設(shè)備主要指噴墨打印機(jī)、激光打印機(jī)、圖像監(jiān)視器、視頻拷貝儀等。它們的發(fā)展趨勢(shì)是高速、真彩色。1.

13、5 數(shù)字圖像處理的發(fā)展動(dòng)向 自20世紀(jì)60年代第三代數(shù)字計(jì)算機(jī)問世以后，數(shù)字圖像處理技術(shù)出現(xiàn)了空前的發(fā)展，其發(fā)展勢(shì)態(tài)目前仍方興未艾。在該領(lǐng)域中需要進(jìn)一步研究的問題，主要包括如下5個(gè)方面：(1)再進(jìn)一步提高精度的同時(shí)著重解決處理速度問題。(2)加強(qiáng)軟件研究、開發(fā)新的處理方法，特別注意移植和借鑒其他學(xué)科的技術(shù)和研究成果，創(chuàng)造新的處理方法。(3)加強(qiáng)邊緣學(xué)科的研究工作，促進(jìn)圖像處理技術(shù)的發(fā)展。(4)加強(qiáng)理論研究，逐步完善圖像處理科學(xué)自身的理論體系。(5)建立圖像處理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范。 圖像處理技術(shù)未來(lái)發(fā)展大致可歸納如下4點(diǎn)：(1)圖像處理的發(fā)展將向著高速、高分辨率、立體化、多媒體化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方

14、向發(fā)展。圍繞著HDTV（高清晰度電視）的研制將開展實(shí)時(shí)圖像處理的理論及技術(shù)研究。(2)圖像、圖形相結(jié)合朝著三維成像或多維成像的方向發(fā)展。(3)結(jié)合多媒體技術(shù)，硬件芯片越來(lái)越多，把圖像處理的眾多功能固化在芯片上將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。(4)在圖像處理領(lǐng)域近來(lái)引入了一些新的理論并提出了一些新的算法，如Wavelet、Fractal、Morphology、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。這些理論在未來(lái)圖像書里理論與技術(shù)上的作用應(yīng)給予充分的注意，并積極地加以研究。1.6 MATLAB圖像處理應(yīng)用舉例1.6.1 MATLAB的特點(diǎn) MATLAB之所以成為世界流行的科學(xué)計(jì)算與數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，是因?yàn)樗兄铝袕?qiáng)大的功

15、能。 （1）高質(zhì)量、強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能 （2）數(shù)據(jù)分析和科學(xué)計(jì)算可視化功能 （3）強(qiáng)大的符號(hào)計(jì)算功能 （4）強(qiáng)大的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真功能 （5）靈活的程序接口功能 （6）文字處理功能1.6.2 MATLAB的界面環(huán)境1. Command Window窗口 2. Launch Pad窗口3. Workspace窗口 4. Command History窗口 5. Current Directory窗口1.6.3 M文件的編輯調(diào)試環(huán)境1.6.4 MATLAB圖像處理應(yīng)用舉例1. MATLAB的打開 2. 圖像輸入到計(jì)算機(jī) 將所需要處理的圖像通過數(shù)碼相機(jī)、U盤等輸入設(shè)備輸入到計(jì)算機(jī)中，并確定圖像在微機(jī)中存放的位置，