數(shù)字圖像處理課件-封筠

1、 Email：fengjun7171:6621/User: Student.feng2007. 3 數(shù)字圖像處理Digital Image Processing 主講人： 封筠 石家莊鐵道學(xué)院計(jì)算機(jī)系1參考教材章毓晉. 圖象工程上冊(cè)：圖象處理和分析基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)出版社，1999. 3阮秋琦. 數(shù)字圖像處理學(xué). 北京: 電子工業(yè)出版社, 2001. 1姚敏. 數(shù)字圖像處理. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006容觀澳. 計(jì)算機(jī)圖像處理. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2000霍宏濤. 數(shù)字圖像處理, 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2002Kenneth R. Castleman. Digital

2、Image Processing. Prentice Hall&清華大學(xué)出版社, 1998 (朱志剛譯)Rafael C. Gonzalez , Richard E. Woods. Digital Image Processing. 北京: 電子工業(yè)版, 20022主要中文期刊中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)模式識(shí)別與人工智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)電子學(xué)報(bào)電子科學(xué)學(xué)刊自動(dòng)化學(xué)報(bào)中文信息學(xué)報(bào)通信學(xué)報(bào)遙感學(xué)報(bào)紅外與毫米波學(xué)報(bào)中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)3主要英文期刊IEEE Transaction on Image Processing (IEEE -IP)IEEE Transaction on Patte

3、rn Analysis and Machine Intelligence (IEEE-PAMI)IEEE Transaction on Multimedia (IEEE-M)IEEE Transaction on Signal Processing (IEEE-SP)IEEE Transaction on Signal Processing Letters (IEEE-SPL)IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics (IEEE-SMC)Image and Vision Computing (IVC)Computer Vision an

4、d Image Understanding (CVIU)Graphical Models and Image Processing (GMIP)Pattern Recognition (PR)Pattern Recognition Letters (PRL)Communication of the ACM (CACM)4重要國(guó)際會(huì)議International Conference on Image Processing (ICIP) International Conference on Computer Analysis of Images and Patterns (CAIP)IEEE C

5、onference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR )International Conference on Computer Vision (ICCV)International Conference on Pattern Recognition (ICPR )International Conference on Signal Processing (ICSP )European Signal Processing Conference (ESPC)SPIE Conferences5主要網(wǎng)站中國(guó)圖像圖形網(wǎng) 中國(guó)圖像網(wǎng) 中國(guó)人

6、工智能網(wǎng) 北郵模式識(shí)別與智能系統(tǒng) 搜索網(wǎng)站 6要求與考試Examination : 平時(shí)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告+期末考試 總學(xué)時(shí): 20+12Requirements: a. 有興趣! A challenge for you and me b. 在講述過(guò)程中，若有疑問，請(qǐng)不要猶豫! Please Be Active !71.1 圖像和圖像處理1.2 圖像技術(shù)和圖像工程1.3 圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成1.4 圖像處理應(yīng)用與展望1.5 本課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容第1章 緒論(Introduction)81.1圖像和圖像處理百聞不如一見One picture (image) is worth more than ten

7、thousand words. -an important media人類通過(guò)眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。約有75%的信息是通過(guò)視覺系統(tǒng)獲取的。91.1圖像和圖像處理 圖像“圖”物體透射或反射光的分布（圖像場(chǎng)），是客觀存在；“像”人（的視覺系統(tǒng)）對(duì)（接收在大腦中形成的）圖的印象或認(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。10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111.1圖像和圖像處理 圖像表示數(shù)學(xué)表示 一幅

8、圖像所包含的信息首先表現(xiàn)為光的強(qiáng)度（Intensity），即一幅圖像可看成是空間各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上的光強(qiáng)度集合。其一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為： I = f(x，y，z，t) 它可代表一幅運(yùn)動(dòng)的(t)、彩色/多光譜()、立體(x,y,z)圖像。其中 1. 靜止圖像： I = f（x，y，z，） 2. 黑白圖像： I = f（x，y，z，t） 3. 平面圖像： I = f（x，y，t） 運(yùn)動(dòng)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。因此本課程主要研究靜止、平面、黑白圖像，即 I = f(x，y) 121.1圖像和圖像處理圖像表示圖像特點(diǎn) I = f(x，y) 1. 空間有界：

9、 2. 亮度（點(diǎn)亮度）有限： 因?yàn)槿说囊曇坝邢蓿匀丝吹降钠矫鎴D像是一個(gè)二元、有界、非負(fù)的連續(xù)（指模擬光學(xué)圖像）函數(shù)，故是解析的，其具有良好的可分析特性： 可微可積有可逆的FT可進(jìn)行變換處理131.1圖像和圖像處理圖像表示計(jì)算機(jī)中數(shù)字圖像的表示 I = f(m，n) 是 I = f (x，y) 模擬光學(xué)圖像的數(shù)字化結(jié)果。在計(jì)算機(jī)中可用矩陣表示，其中0 m M-1， 0 n N-1， f(m,n) 稱為圖像元素，簡(jiǎn)稱像素（Pixel），其取值稱為灰度（Gray）,一幅圖像的灰度種類稱為灰度級(jí)（Gray level）。141.1圖像和圖像處理 圖像質(zhì)量 -層次、對(duì)比度、清晰度灰度：表示像素明暗程

10、度的整數(shù)量層次：表示灰度級(jí)的數(shù)量256個(gè)層次的圖像64個(gè)層次的圖像16個(gè)層次的圖像151.1圖像和圖像處理 圖像質(zhì)量 -層次、對(duì)比度、清晰度對(duì)比度：指一幅圖像中灰度反差的大小 對(duì)比度=最大亮度/最小亮度161.1圖像和圖像處理 圖像質(zhì)量與清晰度相關(guān)的主要因素 亮度、對(duì)比度、主題內(nèi)容的大小、細(xì)微層次、顏色飽和度171.1圖像和圖像處理 圖像質(zhì)量181.1圖像和圖像處理 圖像質(zhì)量191.1圖像和圖像處理圖像處理概念對(duì)圖像信息進(jìn)行加工（處理）和分析，以滿足 人的視覺、心理需要； 實(shí)際應(yīng)用或某種目的（如機(jī)器識(shí)別）的要求。分類（1） 模擬處理（光學(xué)處理）：光學(xué)透鏡處理、光學(xué)照相等。 優(yōu)：實(shí)時(shí)處理，速度快

11、； 缺：精度低，靈活度差，難有判斷功能。（2） 數(shù)字（計(jì)算機(jī)）處理：用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理。 優(yōu)：精度高、內(nèi)容豐富、方法易變、靈活度高； 缺：處理速度較慢。（3） 光電結(jié)合處理：用光學(xué)方法處理運(yùn)算量巨大的頻譜變換等，而用計(jì)算機(jī)對(duì)其頻譜進(jìn)行處理分析。這是一個(gè)值得注意的研究方向，隨著集成光學(xué)的發(fā)展，在光學(xué)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后，圖像處理技術(shù)會(huì)出現(xiàn)全新的巨大突破。201.1圖像和圖像處理圖像處理技術(shù)發(fā)展概況（1）二十世紀(jì)二十年代：圖像遠(yuǎn)距離傳輸。（2）二十世紀(jì)五十年代：數(shù)字計(jì)算機(jī)發(fā)展到一定水平，數(shù)字圖像處理引起巨大關(guān)注。（3）1964年：美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室用計(jì)算機(jī)對(duì)“徘徊者七號(hào)”太空船發(fā)回的大批月球照片進(jìn)行處理。

12、數(shù)字圖像處理應(yīng)用從空間研究計(jì)劃擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)，工業(yè)生產(chǎn)，軍事偵察等領(lǐng)域。（4）二十世紀(jì)六十年代末：數(shù)字圖像處理較完整的理論體系已形成，成為一門新興的學(xué)科。（5）二十世紀(jì)六十年代至八十年代：數(shù)字圖像處理理論和方法進(jìn)一步完善，應(yīng)用范圍更加廣泛。（6）二十世紀(jì)八十年代以來(lái)：數(shù)字圖像處理向更高級(jí)的方向發(fā)展：實(shí)時(shí)性，智能化，普及化，網(wǎng)絡(luò)化，低成本。21圖像處理最先應(yīng)用于空間探索221.1圖像和圖像處理圖像處理承襲的技術(shù)與理論信號(hào)處理學(xué)圖形學(xué)色彩學(xué)獨(dú)有技術(shù)231.1圖像和圖像處理圖像處理技術(shù)有很強(qiáng)的綜合性 圖像處理理論是把信號(hào)處理理論由一維推廣到二維。圖像信息理論屬于信息論科學(xué)的一個(gè)分支，是在通訊理論研究

13、中發(fā)展起來(lái)的，二者比較如下：241.2圖像技術(shù)和圖像工程圖像工程 圖像工程三層次示意圖（根據(jù)抽象程度和研究方法等的不同）圖像技術(shù)在廣義上是各種與圖像有關(guān)的技術(shù)的總稱，目前主要指數(shù)字（計(jì)算機(jī)）圖像技術(shù)，包括圖像處理、圖像分析和圖像理解三個(gè)層次。把這三個(gè)層次綜合集成在一個(gè)整體框架上進(jìn)行，這個(gè)框架就是圖像工程。251.2圖像技術(shù)和圖像工程圖像處理 -強(qiáng)調(diào)圖像間變換廣義泛指各種圖像技術(shù)；狹義對(duì)圖像進(jìn)行各種加工（處理），達(dá)到： 改善人的視覺效果 為自動(dòng)識(shí)別打基礎(chǔ) 壓縮編碼 包括數(shù)字圖像的獲取圖像的存儲(chǔ)和顯示 圖像變換圖像增強(qiáng)圖像復(fù)原圖像壓縮編碼261.2圖像技術(shù)和圖像工程圖像分析 -圖像到數(shù)據(jù)過(guò)程 對(duì)圖

14、像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，以獲得它們的客觀信息，從而建立對(duì)圖像的描述。如醫(yī)學(xué)腫瘤存在和尺寸的檢測(cè)。邊緣檢測(cè)，圖像分割目標(biāo)表達(dá)，描述和測(cè)量目標(biāo)形狀、紋理、空間、運(yùn)動(dòng)等的分析目標(biāo)識(shí)別、分類和提取271.2圖像技術(shù)和圖像工程圖像理解 -數(shù)據(jù)到人過(guò)程 重點(diǎn)是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們間的相互關(guān)系，并得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解以及對(duì)原來(lái)客觀場(chǎng)景的理解，從而指導(dǎo)和規(guī)劃行動(dòng)（比如機(jī)器人視覺、機(jī)器人足球賽等）。立體圖像匹配3-D建模，客觀場(chǎng)景恢復(fù)圖像解釋、推理281.2圖像技術(shù)和圖像工程圖像工程圖像工程與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系和區(qū)別 圖像工程是一門系統(tǒng)地研究各種圖像理論、技術(shù)和應(yīng)用的新

15、交叉學(xué)科。291.3圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成圖像處理系統(tǒng)示意圖301.3圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成圖像采集（數(shù)字化）掃描儀數(shù)碼照相機(jī)數(shù)碼攝像機(jī)攝像頭+圖像采集卡合成孔徑雷達(dá)(SAR)多光譜像機(jī)紅外攝像儀CT(Computational Tomography)311.3圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成圖像輸出顯示器打印機(jī)繪圖儀數(shù)字印刷機(jī)圖像處理計(jì)算機(jī)（工作站）硬件軟件321.3圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成 數(shù)字圖像存儲(chǔ) 常用數(shù)字圖像文件格式BMP: Bit MapTIFF: Tagged Image File FormatGIF: Graphics Interchage FormatPNG: Portable Network Graphic

16、sJFIF: JPEG File Interchange FormatJP2: JPEG2000 File Format331.4 圖像處理應(yīng)用與展望數(shù)字圖像處理的應(yīng)用通信：圖像傳輸，電視電話，HDTV等。宇宙探測(cè)：星體圖片處理。遙感：地形、地質(zhì)、礦藏探查，森林、水利、海洋、農(nóng)業(yè)等資源調(diào)查，自然災(zāi)害預(yù)測(cè)，環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)，氣象云圖。生物醫(yī)學(xué)：CT，MRI，PET，SPECT，DSA，X射線成像，B超，紅外圖像，顯微圖像，細(xì)胞分析，染色體分類。工業(yè)生產(chǎn)： 產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)，生產(chǎn)過(guò)程控制，無(wú)損探傷，機(jī)器人視覺，CAD，CAM。軍事： 軍事目標(biāo)偵察，制導(dǎo)系統(tǒng)，警戒系統(tǒng)，自動(dòng)火器控制，反偽裝等。341.4

17、圖像處理應(yīng)用與展望數(shù)字圖像處理的應(yīng)用公安： 現(xiàn)場(chǎng)照片，指紋，手跡，印章，人像等處理和鑒別。檔案： 過(guò)期的文字、圖片檔案的修復(fù)和處理。如考古中珍貴文物圖片、名畫、壁畫的輔助恢復(fù)。機(jī)器人視覺娛樂： 電影特技，動(dòng)畫，廣告，MTV等。信息安全：信息隱藏與數(shù)字水印等；圖像檢索：基于內(nèi)容的圖像檢測(cè)、識(shí)別與檢索。 目前趨勢(shì)表明，數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，將持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)入相當(dāng)長(zhǎng)的階段。35通信領(lǐng)域36空間探索37地球資源勘探38遙感圖片394041氣象云圖氣象預(yù)報(bào)424344紅外圖像45軍事應(yīng)用目標(biāo)跟蹤46軍事應(yīng)用隱形飛機(jī)、定位轟炸47 指紋識(shí)別48交通監(jiān)控自動(dòng)駕駛49計(jì)算機(jī)合成圖像 50廣告設(shè)計(jì)5

18、11.4 圖像處理應(yīng)用與展望在進(jìn)一步提高精度的同時(shí)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)據(jù)量和處理速度仍然是主要矛盾之一。加強(qiáng)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(xué)科的技術(shù)和研究成果，創(chuàng)造新的處理方法。如小波分析、 分形幾何、 形態(tài)學(xué)、 遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。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。如人的視覺特性、心理學(xué)特性等的研究，如果有所突破，將對(duì)圖像處理技術(shù)的發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。加強(qiáng)理論研究， 逐步形成圖像處理科學(xué)自身的理論體系。數(shù)字圖像處理的發(fā)展動(dòng)向521.4 圖像處理應(yīng)用與展望圖像處理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化。圖像的信息量大、數(shù)據(jù)量大， 因而圖像信息的建庫(kù)、檢索和交流是一個(gè)重要的問題。應(yīng)建立圖像信息庫(kù)， 統(tǒng)一存放格式，建立標(biāo)準(zhǔn)子程序，統(tǒng)一檢索方法。 圍繞HDTV（高清晰度電視）的研制， 開展實(shí)時(shí)圖像處理的理論及技術(shù)研究，向著高速、高分辨率、 立體化、多媒