第1章 數(shù)字圖像處理概述

第1章數(shù)字圖像處理概述1第1章數(shù)字圖像處理概述什么是數(shù)字圖像數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)數(shù)字圖像處理的術(shù)語數(shù)字圖像處理的應(yīng)用數(shù)字圖像處理的基本方法和基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)小結(jié)第1章數(shù)字圖像處理概述21、 圖像基本概念

圖像和數(shù)字圖像圖像的表達

第1章數(shù)字圖像處理概述3（1）什么是圖像用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼并進而產(chǎn)生視知覺的實體“圖”是物體投射或反射光的分布，“像”是人的視覺系統(tǒng)對圖的接受在大腦中形成的印像或反映。圖像是自然界景物的客觀反映。舉例：人眼所見照片電視電影第1章數(shù)字圖像處理概述4人眼所見第1章數(shù)字圖像處理概述5照片第1章數(shù)字圖像處理概述6電視電影第1章數(shù)字圖像處理概述7像素第1章數(shù)字圖像處理概述8第1章數(shù)字圖像處理概述9第1章數(shù)字圖像處理概述10

像素100×120第1章數(shù)字圖像處理概述11（2）圖像的表達圖像表示

2-D數(shù)組

f(x,y)

x，y：2-D空間XY中坐標點的位置

f：代表圖像在(x,y)的性質(zhì)F的數(shù)值

f，x，y的值可以是任意實數(shù)

性質(zhì)F:可對應(yīng)不同物理量

灰度圖像里用灰度表示第1章數(shù)字圖像處理概述12

圖像的表達圖像表示

矩陣

矢量

第1章數(shù)字圖像處理概述13（3）圖片感知在畫圖軟件中放大圖像像素的概念第1章數(shù)字圖像處理概述14數(shù)字圖像(灰度)數(shù)字圖像是指由被稱作像素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。將物理圖像行列劃分后，每個小塊區(qū)域稱為像素（pixel）。每個像素包括兩個屬性：位置和灰度。對于單色即灰度圖像而言，每個像素的亮度用一個數(shù)值來表示，通常數(shù)值范圍在0到255之間，即可用一個字節(jié)來表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度。第1章數(shù)字圖像處理概述15物理圖像與數(shù)字圖像的對應(yīng)第1章數(shù)字圖像處理概述16灰度級第1章數(shù)字圖像處理概述17數(shù)字圖像舉例(灰度)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,

灰度圖像數(shù)值矩陣(前兩行)128×12826×31第1章數(shù)字圖像處理概述18數(shù)字圖像(彩色)彩色圖像可以用紅、綠、藍三元組的二維矩陣來表示。通常，三元組的每個數(shù)值也是在0到255之間，0表示相應(yīng)的基色在該像素中沒有，而255則代表相應(yīng)的基色在該像素中取得最大值，這種情況下每個像素可用三個字節(jié)來表示。三基色原理：絕大多數(shù)顏色可以分解成紅、綠、藍三種色光。感知畫圖-》顏色-》編輯顏色-》規(guī)定自定義顏色第1章數(shù)字圖像處理概述19例題在一幅真彩色的數(shù)字圖像中，每個像素采用

D

個比特來表示。A．8B．10C．16 D．24第1章數(shù)字圖像處理概述20數(shù)字圖像舉例(彩色)128×12825×31(207,137,130)(220,179,163)(215,169,161)(210,179,172)(210,179,172)(207,154,146)(217,124,121)(226,144,133)(226,144,133)(224,137,124)(227,151,136)(227,151,136)(226,159,142)(227,151,136)(230,170,154)(231,178,163)(231,178,163)(231,178,163)(236,187,171)(236,187,171)(239,195,176)(239,195,176)(240,205,187)(239,195,176)(231,138,123)第1章數(shù)字圖像處理概述21RGB色彩模式RGB色彩模式是工業(yè)界的一種顏色標準，是通過對紅(R)、綠(G)、藍(B)三個顏色通道的變化以及它們相互之間的疊加來得到各式各樣的顏色RGB即是代表紅、綠、藍三個通道的顏色這個標準幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運用最廣的顏色系統(tǒng)之一第1章數(shù)字圖像處理概述22RGB色彩模式RGB色彩模式使用RGB模型為圖像中每一個像素的RGB分量分配一個0~255范圍內(nèi)的強度值。例如：純紅色R值為255，G值為0，B值為0；灰色的R、G、B三個值相等（除了0和255）；白色的R、G、B都為255；黑色的R、G、B都為0。RGB圖像只使用三種顏色，就可以使它們按照不同的比例混合，在屏幕上重現(xiàn)16777216種顏色。第1章數(shù)字圖像處理概述23R、G、B三基色

彩色空間

第1章數(shù)字圖像處理概述24舉例2彩色原圖紅色分量綠色分量藍色分量第1章數(shù)字圖像處理概述25（4）圖像的數(shù)據(jù)量計算灰度圖像彩色圖像視頻第1章數(shù)字圖像處理概述26例題計算一幅分辨率為2048×1024的24位真彩色圖像未壓縮前的數(shù)據(jù)量（結(jié)果以MB為單位）第1章數(shù)字圖像處理概述27內(nèi)容回顧像素圖像數(shù)字圖像（灰度、彩色）RGB色彩模式圖像表達第1章數(shù)字圖像處理概述28（5）圖像的數(shù)字化連續(xù)圖像、離散圖像圖像數(shù)字化就是將連續(xù)圖像離散化。圖像數(shù)字化包括取樣和量化兩個部分。取樣：空間上的離散化

在空間上分割成M×N個網(wǎng)格（空間分辨率）量化：亮度上的離散化

把取樣點上對應(yīng)的亮度連續(xù)變化區(qū)間

轉(zhuǎn)換為單個數(shù)碼的過程第1章數(shù)字圖像處理概述29數(shù)字圖像

圖像（水平）尺寸M：

圖像（垂直）尺寸N：

象素灰度級數(shù)G(k-bit)： 圖像所需的位數(shù)b：

空間分辨率和幅度分辨率第1章數(shù)字圖像處理概述30圖像分辨率與存儲和處理數(shù)字圖像是對連續(xù)場景的近似為達到較好的近似，需要多少個采樣和灰度級呢？理論上，MNG越大，近似越好但圖像的數(shù)據(jù)量隨MNG的增加而迅速增加，故采樣和灰度級數(shù)也不能太大第1章數(shù)字圖像處理概述31

圖象質(zhì)量與采樣和量化圖像空間分辨率變化所產(chǎn)生的效果第1章數(shù)字圖像處理概述32512*512第1章數(shù)字圖像處理概述33256*256第1章數(shù)字圖像處理概述34128*128第1章數(shù)字圖像處理概述3564*64第1章數(shù)字圖像處理概述3632*32第1章數(shù)字圖像處理概述3716*16第1章數(shù)字圖像處理概述38圖像幅度分辨率變化所產(chǎn)生的效果第1章數(shù)字圖像處理概述39256級第1章數(shù)字圖像處理概述4064級第1章數(shù)字圖像處理概述4116級第1章數(shù)字圖像處理概述428級第1章數(shù)字圖像處理概述434級第1章數(shù)字圖像處理概述442級第1章數(shù)字圖像處理概述45空間和幅度分辨率同時變化所產(chǎn)生的效果第1章數(shù)字圖像處理概述46圖像質(zhì)量與采樣和量化僅減少空間分辨率，圖中各區(qū)域的邊緣處看到棋盤模式，并在全圖看到像素粒子變粗的現(xiàn)象僅減小灰度級數(shù)，達到一定程度，會出現(xiàn)虛假輪廓同時減小空間分辨率和灰度級數(shù)，圖像質(zhì)量的退化比單獨變化空間分辨率或灰度級時要更快。第1章數(shù)字圖像處理概述47

對采樣和量化的討論采樣實際中采樣值的選擇常受到采集裝置的影響和限制實際中選擇采樣值的一個重要因素是看需要觀察到圖像中哪個尺度的細節(jié)量化量化級數(shù)的選擇基于2個因素人類視覺系統(tǒng)的分辨率要滿足具體應(yīng)用所需要的分辨率文檔——2值圖像圖像打印—16個灰度級屏幕顯示—更多灰度級醫(yī)學(xué)圖像—8比特的灰度級不夠用第1章數(shù)字圖像處理概述48例題模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，需經(jīng)過兩個步驟，分別是

D。A．采樣和編碼 B．量化和編碼C．采樣和存儲 D．采樣和量化第1章數(shù)字圖像處理概述49例題假設(shè)一幅數(shù)字圖像成像時采了MN個樣，那么圖像的空間分辨率是

C。A．M B．NC．M×N D．M+N第1章數(shù)字圖像處理概述50例題一幅圖像必須要在空間上和灰度上都離散化才能被計算機處理?？臻g坐標的離散化叫做采樣，它確定了圖像的

A。A．空間分辨率 B．幅度分辨率C．顏色深度 D．圖像質(zhì)量第1章數(shù)字圖像處理概述512、數(shù)字圖像處理（1）圖像處理：對圖像信息進行加工處理和分析，以滿足①人的視覺、心理需要；②實際應(yīng)用或某種目的（如機器識別）的要求。著重強調(diào)在圖像之間進行的變換，廣義上泛指各種圖像技術(shù)；狹義上指對圖像進行各種加工（處理），達到：①改善人的視覺效果②為自動識別打基礎(chǔ)③壓縮編碼第1章數(shù)字圖像處理概述522、數(shù)字圖像處理圖像處理分類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)點：實時處理，速度快；缺點：精度低，靈活度差，難有判斷功能。②數(shù)字（計算機）處理：用數(shù)字計算機處理。優(yōu)點：精度高、內(nèi)容豐富、方法易變、靈活度高；缺點：處理速度較慢。③光電結(jié)合處理：用光學(xué)方法處理運算量巨大的頻譜變換等,而用計算機對其頻譜進行處理分析。隨著集成光學(xué)的發(fā)展，在光學(xué)計算機出現(xiàn)以后，圖像處理技術(shù)會出現(xiàn)全新的巨大突破。第1章數(shù)字圖像處理概述532、數(shù)字圖像處理利用數(shù)字計算機或其它高速、大規(guī)模集成數(shù)字硬件，對從圖像信息轉(zhuǎn)換來的數(shù)字電信號進行某些運算或處理，以期提高圖像質(zhì)量或達到人們所要求的某些預(yù)期效果。對被噪聲污染的圖像去除噪聲對信息微弱的圖像進行增強失真圖像的幾何校正從遙感圖片中辨別農(nóng)作物、森林、湖泊和軍事設(shè)施等第1章數(shù)字圖像處理概述543、圖像處理相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域第1章數(shù)字圖像處理概述55

圖像處理相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域主要相關(guān)學(xué)科：

圖形學(xué)：原指用圖形、圖表、繪圖等形式表 達數(shù)據(jù)信息的科學(xué)，而計算機圖形學(xué) 研究的就是如何利用計算機技術(shù)來產(chǎn) 生這些形式 圖像模式識別：試圖把圖像分解成可用符號 較抽象地描述的類別

計算機視覺：主要強調(diào)用計算機實現(xiàn)人的視 覺功能，目前的研究內(nèi)容主要與圖像 理解相結(jié)合

第1章數(shù)字圖像處理概述564、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由圖像數(shù)字化設(shè)備、圖像處理計算機和圖像輸出設(shè)備組成，如下圖所示：第1章數(shù)字圖像處理概述57系統(tǒng)構(gòu)成框圖第1章數(shù)字圖像處理概述58數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成部分圖像數(shù)字化設(shè)備：掃描儀、數(shù)碼相機、攝像機與圖像采集卡等。圖像處理計算機：PC、工作站等。圖像輸出設(shè)備：打印機等。圖像輸入設(shè)備日益向高速度、高分辨率、多功能、智能化方向發(fā)展。第1章數(shù)字圖像處理概述59圖像輸入設(shè)備掃描儀平板式、手持式、滾筒式攝像機輸入速度快、靈敏度高、使用方便第1章數(shù)字圖像處理概述605、數(shù)字圖像處理的術(shù)語數(shù)字化和顯示：將一幅圖像從原有形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。顯示是數(shù)字化的逆過程。掃描：對象素的尋址。采樣、采樣密度：對應(yīng)象素灰度值的測量。通常轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐?。量化：將電壓值用一個整數(shù)表示?；叶确直媛剩簣D像中包含的灰度級數(shù)。對比度：圖像中灰度反差的大小。噪聲：通常在數(shù)字化過程中引入的誤差。第1章數(shù)字圖像處理概述61調(diào)色板調(diào)色板（palette）：圖像的色彩索引表。若圖像的色彩數(shù)遠小于全色彩數(shù)時，當每個像素的值用色彩索引表的位置表示就可以大大節(jié)約存儲空間。這種技術(shù)長用于各種圖像的存儲格式中，如bmp,tif,gif等。舉例計算數(shù)據(jù)量

第1章數(shù)字圖像處理概述62HSI模型HSI模型基于人類對顏色的感覺，HSI模型描述顏色的三個基本特征。第1章數(shù)字圖像處理概述63HSI模型H：色相是從物體反射或透過物體傳播的顏色。在0到360度的標準色輪上，色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是由顏色名稱標識的，比如紅、橙或綠色。S：飽和度，有時也稱彩度，是指顏色的強度或純度。飽和度表示色相中灰成分所占的比例，用從0%（灰色）到100%（完全飽和）的百分比來度量。在標準色輪上，從中心向邊緣飽和度是遞增的。I：亮度是顏色的相對明暗程度，通常用從0%（黑）到100%（白）的百分比來度量。第1章數(shù)字圖像處理概述64彩色原圖H分量S分量I分量第1章數(shù)字圖像處理概述656、數(shù)字圖像的存儲行掃描存儲以行掃描順序，自左向右，從上到下將圖像的每個像素順序存儲在字節(jié)矩陣中交叉存儲方式即隔行存儲或隔行隔列存儲。前者叫一維交叉，后者叫二維交叉。交叉存儲的優(yōu)點是顯示時即使沒有讀出全部圖像數(shù)據(jù)，也可構(gòu)成原始圖像的近似輪廓。顯然，這種存儲方式非常適合于強調(diào)傳輸速度、對圖像精度要求不很苛刻的系統(tǒng)。第1章數(shù)字圖像處理概述66交叉存儲方式第1章數(shù)字圖像處理概述67數(shù)字圖像的存儲有損壓縮存儲方式存儲時記錄圖像主體特征信息，忽略部分冗余、附屬信息。這種方法存儲的圖像與原始圖像不完全一致，但失真度在允許的范圍內(nèi)矢量存儲方式矢量存儲方式只記錄圖像的輪廓（向量）部分，而不是存儲圖像中每個點的信息，換句話說，它僅僅存儲原始圖像中的一些比較高級的圖形結(jié)構(gòu)（如線段，弧，圓等）。這種文件格式中存儲的圖像內(nèi)容實際為一系列的繪圖命令，指示應(yīng)用程序如何操作，從而構(gòu)成原始圖第1章數(shù)字圖像處理概述68例題以下描述“顯示時即使沒有讀出全部圖像數(shù)據(jù)，也可構(gòu)成原始圖像的近似輪廓”是

數(shù)字圖像存儲方式的特點：A．行掃描存儲B．位平面存儲方式C．交叉存儲方式D．矢量存儲方式第1章數(shù)字圖像處理概述69數(shù)字圖像文件組成識別信息文件識別--圖像文件識別碼和版本代號。文件識別碼用以判斷文件格式--版本代號用于指定同類文件屬于第幾代產(chǎn)品，不同版本的同一類圖像文件其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有所區(qū)別圖像識別圖像識別信息通常包括圖像的寬度和高度、一個圖像像素所需的比特數(shù)與彩色位平面數(shù)、數(shù)據(jù)壓縮格式和調(diào)色板個數(shù)。圖像數(shù)據(jù)第1章數(shù)字圖像處理概述70常用圖像文件格式GIF Compuserve網(wǎng)上圖像在線傳輸改進的LZW壓縮法PNG WWW網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸 改進的LZⅡ壓縮法BMP Windows RLE4、RLE8或不壓縮 JPEG 存儲照片類圖像有損編碼壓縮AVI 多媒體（音視頻圖像）數(shù)字化視頻壓縮WMF Windows第1章數(shù)字圖像處理概述71常用圖像文件格式分類常用圖像文件可分為兩類：位圖文件--TGA、PCX、TIFF、GIF、PNG、BMP、JPEG、AVI矢量文件--WMF、PostScript第1章數(shù)字圖像處理概述727、數(shù)字圖像處理的應(yīng)用隨著微電子與計算機技術(shù)的高速發(fā)展，圖像數(shù)字化設(shè)備如CCD攝像機、掃描儀、數(shù)碼相機、圖像采集卡的成本大大降低，普通的微機已經(jīng)可以勝任部分圖像處理任務(wù)，使得圖像處理的應(yīng)用越來越廣泛，可以預(yù)見在不久的將來，圖像及視頻處理的應(yīng)用將與目前語音處理的應(yīng)用一樣變得日益普及和重要。第1章數(shù)字圖像處理概述73主要應(yīng)用航天航空生物醫(yī)學(xué)工程通訊領(lǐng)域工業(yè)軍事公安文化藝術(shù)……第1章數(shù)字圖像處理概述74應(yīng)用領(lǐng)域示例(1) 視頻通信：可視電話，電視會議，按需電視，遠程教育；(2) 文字檔案：文字識別，過期檔案復(fù)原，郵件分撿，支票，簽名 辮偽，辦公自動化；(3) 生物醫(yī)學(xué)：紅白學(xué)球計數(shù)，染色體分析、X光、CT、MRI、 PET圖像分析，醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬規(guī)劃，遠程醫(yī)療；(4) 遙感測繪：巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)，無人駕駛飛機飛行，精確制導(dǎo)，礦 藏勘探，資源探測，氣象預(yù)報，自然災(zāi)害監(jiān)測；(5) 工業(yè)生產(chǎn)：工業(yè)檢測，工業(yè)探傷，自動生產(chǎn)流水線監(jiān)控，移動 機器人，無損探測，金相分析，印刷板質(zhì)量檢驗， 精細印刷品缺陷檢測；(6) 軍事公安：雷達圖像分析、巡航導(dǎo)彈路徑規(guī)劃/制導(dǎo)，罪犯臉 形合成、識別，指紋、印章的鑒定識別；(7) 交通管理：太空探測、航天飛行、公路交通管理。第1章數(shù)字圖像處理概述75應(yīng)用1：航空航天登月、火星照片處理飛機遙感、衛(wèi)星遙感氣象預(yù)報第1章數(shù)字圖像處理概述76阿波羅登月第1章數(shù)字圖像處理概述79應(yīng)用2：生物醫(yī)學(xué)工程CT、MRI（核磁共振）、B超顯微圖像：紅細胞、白細胞、染色體的分析X光、心電圖……第1章數(shù)字圖像處理概述80第1章數(shù)字圖像處理概述81第1章數(shù)字圖像處理概述82第1章數(shù)字圖像處理概述85應(yīng)用3：通訊領(lǐng)域發(fā)展趨勢：多媒體通訊電話、電視、計算機三網(wǎng)合一第1章數(shù)字圖像處理概述86應(yīng)用4：工業(yè)印刷電路板機器人視覺零件檢測郵政信件的自動檢測……第1章數(shù)字圖像處理概述91應(yīng)用