數(shù)字圖像處理第1章概論1課件

計(jì)算機(jī)圖像處理計(jì)

算

機(jī)

圖

像

處

理教學(xué)要求：1）成績(jī)分布：實(shí)驗(yàn)成績(jī)20分，平時(shí)成績(jī)10分，卷面70分。2）聽(tīng)課要求：認(rèn)真聽(tīng)課，做筆記，及時(shí)復(fù)習(xí)。3）實(shí)驗(yàn)要求：有預(yù)習(xí)報(bào)告，認(rèn)真實(shí)驗(yàn)，做實(shí)驗(yàn)報(bào)告。第1章緒論第2章圖像獲取第3章圖像變換第9章圖像檢測(cè)與分割第7章圖像編碼第5章圖像復(fù)原計(jì)

算

機(jī)

圖

像

處

理第4章圖像增強(qiáng)第1章緒論1.1計(jì)算機(jī)圖像處理概述1.圖像處理的概念(image)什么是圖像?圖像是與之相對(duì)應(yīng)的物體或目標(biāo)(object)的一個(gè)表示，這個(gè)表示可以通過(guò)某種技術(shù)手段得到。包括照片、繪畫(huà)、傳真、衛(wèi)星遙感圖片、X光片、紅外熱成像、超聲波圖像、心腦電圖、B超、CT圖像、顯微圖像等。幾幅圖像圖像的分類：圖像可以根據(jù)其形式或產(chǎn)生的方法來(lái)分類。人眼視覺(jué)圖像：照片、圖、畫(huà)等。數(shù)學(xué)圖像：由連續(xù)函數(shù)或離散函數(shù)生成的抽象圖像。物理圖像：反映物體的電磁波輻射能，包括可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光。絕大部分的物理圖像是數(shù)學(xué)圖像。圖像與圖片(picture)和圖形(graphic)有何區(qū)別？2.數(shù)字圖像的概念(定義)從物理和數(shù)學(xué)角度看，圖像是記錄物體輻射能量的空間分布，這個(gè)分布是空間坐標(biāo)、時(shí)間坐標(biāo)和波長(zhǎng)的函數(shù)，即，這樣的圖像能被計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)圖像處理即數(shù)字圖像處理。通常，一幅圖像可以被看成是空間各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上彩色強(qiáng)度的集合。其中，x、y、z是空間坐標(biāo)，λ是波長(zhǎng)，t是時(shí)間，I是像素點(diǎn)的強(qiáng)度。它表示活動(dòng)的、彩色的、三維的視頻圖像。對(duì)于靜止圖像，則與時(shí)間t無(wú)關(guān)；對(duì)于單色圖像，則波長(zhǎng)λ為常數(shù)；對(duì)于平面圖像，則與坐標(biāo)z無(wú)關(guān)。數(shù)字圖像212425241917242221202517171814112021171612121691513986517956543.計(jì)算機(jī)圖像處理

利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行系列操作，從而獲得預(yù)期的結(jié)果的技術(shù)。基于計(jì)算機(jī)的圖像處理學(xué)是從信息處理、自動(dòng)控制系統(tǒng)論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)通信、電視技術(shù)等學(xué)科中脫穎而出的，成為研究“圖像信息的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、變換、顯示、理解與綜合利用”的一門嶄新學(xué)科。

此時(shí)，圖像為平面上靜止的單色圖像，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：另外一種描述圖像的方法是以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)性表征法，即把圖像信息作為隨機(jī)信號(hào)。主動(dòng)脈造影圖像胸部x射線圖像顯微鏡獲得圖像——音頻CD的表面（1750倍）衛(wèi)星多光譜圖像反射到雷達(dá)天線的微波圖像三維計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生的圖像超聲波成像——肌肉層有損害5.數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)：（1）直觀形象，信息量大；（2）精度高,容易實(shí)現(xiàn)；（3）再現(xiàn)性好；（4）通用性、靈活性高。4.數(shù)字圖像處理獲得的途徑：將傳統(tǒng)的可見(jiàn)光圖像經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。例如：將一幅照片通過(guò)掃描儀輸入到計(jì)算機(jī)中。應(yīng)用各種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備直接得到數(shù)字圖像。

直接由離散數(shù)學(xué)函數(shù)生成數(shù)字圖像。圖像增強(qiáng)：對(duì)圖像的某些特征進(jìn)行強(qiáng)調(diào)或銳化而不增加圖像的相關(guān)數(shù)據(jù)。a)原圖b)圖像增強(qiáng)后的圖c)原圖 d)經(jīng)過(guò)復(fù)原的圖圖像增強(qiáng)圖例圖像復(fù)原圖例圖像復(fù)原：去除圖像中的噪聲干擾和模糊，恢復(fù)圖像的客觀面目。圖像編碼：在滿足一定的圖形質(zhì)量要求下對(duì)圖像進(jìn)行編碼，可以壓縮表示圖像的數(shù)據(jù)。圖像分析：對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，從而獲得所需的客觀信息。圖像識(shí)別：找到圖像的特征，以便進(jìn)一步處理。圖像理解：在圖像分析的基礎(chǔ)上得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解及解釋，從而指導(dǎo)和規(guī)劃行為。a)一幅免疫細(xì)胞圖像 b)指紋圖像 高層中層低層符號(hào)目標(biāo)像素語(yǔ)義操作對(duì)象高低小大抽象程度數(shù)據(jù)量圖像處理圖像分析狹義圖像處理圖像處理學(xué)三層次示意圖1.2.3主要應(yīng)用：計(jì)算機(jī)科學(xué)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人工智能研究和多媒體計(jì)算機(jī)研究等。通信技術(shù)：圖像傳真、可視電話、衛(wèi)星通信等。生物醫(yī)學(xué)：X射線、超聲、顯微圖片分析，溫圖譜分析，斷層及核磁共振分析等。遙感技術(shù)：自然災(zāi)害預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)繪，找礦，水文、農(nóng)林資源調(diào)查等。軍事技術(shù)：導(dǎo)彈制導(dǎo)，雷達(dá)、聲納圖像處理，軍事仿真等?？脊牛夯謴?fù)珍貴的文物圖片、名畫(huà)和壁畫(huà)等。偵查破案和商業(yè)應(yīng)用：指紋鑒別，手跡分析，偽鈔識(shí)別等。其它應(yīng)用：材料分析、服裝試穿顯示、發(fā)型設(shè)計(jì)顯示、現(xiàn)場(chǎng)視頻管理等。狹義圖像處理模式識(shí)別圖像理解圖像理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像分析計(jì)算機(jī)視覺(jué)（轉(zhuǎn)換）

圖像

圖像

符號(hào)

(人)

數(shù)據(jù)客觀世界新技術(shù)新工具新理論圖像處理學(xué)與相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域的聯(lián)系和區(qū)別1.2.4圖像處理學(xué)與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)系（1）對(duì)某個(gè)電磁能量波段（X射線，紫外線，可見(jiàn)光，紅外線等）敏感的物理器件。（2）數(shù)字化器：電荷耦合器件（CCD)照相機(jī)，視頻攝像機(jī)和掃描儀等。1.圖像采集模塊2.圖像顯示模塊圖像的處理結(jié)果通過(guò)輸出設(shè)備顯示出來(lái)。如顯示器、打印機(jī)、膠片等。3.圖像存儲(chǔ)模塊一般選用大容量的存儲(chǔ)器，如光盤、硬盤、SD卡等。4.圖像處理和分析模塊

圖像處理和分析模塊可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。5.圖像通信模塊

圖像通信可借助綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和普通電話網(wǎng)等。6.圖像處理軟件用于數(shù)字圖像文件存儲(chǔ)和交換的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式。有未壓縮格式（位圖BMP）和壓縮格式（GIF格式）1.4數(shù)字圖像處理工具軟件MATLAB

MATLAB是MathWorks公司開(kāi)發(fā)的科學(xué)計(jì)算工具軟件包。其中，MATLAB的ImageProcessingTOOLBOX提供了圖像處理涉及的許多處理算法。數(shù)字圖像的矩陣表示：21242524191724222120251717181411202117161212169151398651795654XY0(b)(a)XY0圖（a）所用坐標(biāo)系通常在屏幕顯示中采用，即原點(diǎn)0在圖像左上角圖（b）所用坐標(biāo)系通常在圖像計(jì)算中采用，即原點(diǎn)0在圖像左下角

像素：

通常，表示圖像的二維數(shù)組是連續(xù)的，將連續(xù)參數(shù)x,y,和f取離散值后，圖像被分割成很多小的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格即為像素。每個(gè)像素具有獨(dú)立的屬性。一個(gè)像素最少具有兩個(gè)屬性，即像元的位置(x,y)和灰度值（F）。位置由像元所在的行列坐標(biāo)決定，通常用坐標(biāo)對(duì)（x,y）表示。21242524191724222120251717181411202117161212169151398651795654位圖圖像（bitmap）：一幅圖像有許多像素點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)像素點(diǎn)包含著反映圖像在該點(diǎn)的明暗和顏色變化等信息，這種圖像叫做位圖圖像。像素間基本關(guān)系：例：免疫細(xì)胞圖像分割的過(guò)程示意圖：（1）原圖（2）邊界圖（3）區(qū)域圖

像素間的基本關(guān)系：(1)鄰域：設(shè)p為位于坐標(biāo)(x,y)的一個(gè)像素，則四鄰域

：

p的４個(gè)水平和垂直相鄰像素的坐標(biāo)為：

(x+1,y)，(x-1,y)，(x,y+1)，(x,y-1)

上述像素組成p的４鄰域，用N4(p)表示。

每個(gè)像素距(x,y)一個(gè)單位距離。

rrprr(a)4鄰域N4(p)(x-1,y)(x,y-1)(x,y)(x,y+1)(x+1,y)sspss(b)對(duì)角鄰域ND(p)srsrprsrs(c)８鄰域N8(p)對(duì)角相鄰像素集用ND(p)表示。

ND(p)與N4(p)合起來(lái)稱為p的８鄰域，用N8(p)表示。對(duì)角鄰域和8鄰域：

p的４個(gè)對(duì)角相鄰像素的坐標(biāo)為：

(x+1,y+1)，(x+1,y-1)，(x-1,y+1)，(x-1,y-1)(x-1,y-1)(x-1,y+1)(x,y)(x+1,y-1)(x+1,y+1)

(2)連通性：判斷像素間是否連通的兩個(gè)要素：像素是否相鄰、灰度值是否滿足特定的相似性準(zhǔn)則。三種類型的連接性：令V是定義連接性的灰度值集合，如：具有灰度值為32至48之間像素的連通性，即V=｛32,33,…,47,48｝４連接：２個(gè)像素p和r在V中取值，且r在N4(p)中８連接：２個(gè)像素p和r在V中取值，且r在N8(p)中m連接(混合連接)：２個(gè)像素p和r在V中取值，且滿足下列條件之一：r在N4(p)中；r在ND(p)中且N4(p)∩N4(r)

不包含V中取值的像素，即該集合是由p和r的在V中取值的４近鄰像素組成。abpcdref1110010111110101(d)V=｛１｝時(shí)m連接(3)距離給定三個(gè)像素p,q,r其坐標(biāo)分別為(x,y),(s,t),(u,v)如果滿足三個(gè)條件（書(shū)p25)，則D是距離函數(shù)或度量。p和q之間的歐氏距離：(取圓形窗口)p和q之間的D4距離(城市街區(qū)距離):(取菱形窗口)p和q之間的D8距離(棋盤距離)：(取方形窗口)注意p和q之間的D4和D8距離與任何通路無(wú)關(guān)。對(duì)于m連通時(shí)，兩點(diǎn)之間的Dm距離（通路的長(zhǎng)度）將依賴于沿通路的像素以及它們近鄰像素的值。例：m連通時(shí)的像素間距離的計(jì)算。(a)是某個(gè)子圖像，其中像素p和q的值均為１。(b)當(dāng)s=0,t=0時(shí)，則Dm(p,q)=2;(c)當(dāng)s=0,t=1時(shí)，則Dm(p,q)=3;(d)當(dāng)s=0,t=1時(shí)，則Dm(p,q)=3;(e)當(dāng)s=1,t=1時(shí)，則Dm(p,q)=4;2.數(shù)字化過(guò)程三個(gè)步驟：掃描、采樣和量化。掃描：按照一定的先后順序?qū)D像進(jìn)行遍歷的過(guò)程。采樣：將空間上連續(xù)的圖像變成離散點(diǎn)的操作。采樣過(guò)程即可看作將圖像平面劃分成網(wǎng)格的過(guò)程。量化：將采樣得到的灰度值轉(zhuǎn)換為離散的整數(shù)值?；叶燃?jí)：一幅圖像中不同灰度值的個(gè)數(shù)。一般取0~255，即256個(gè)灰度級(jí)。

3.描述數(shù)字圖像的基本參數(shù)描述數(shù)字圖像的基本參數(shù)有三個(gè)：圖像分辨率、圖像深度和圖像數(shù)據(jù)容量。圖像分辨率：指對(duì)原始圖像的采樣分辨率，即圖像水平或垂直方向單位長(zhǎng)度上所包含的采樣點(diǎn)數(shù)。單位是“像素點(diǎn)/單位長(zhǎng)度”，例如：像素點(diǎn)/毫米、像素點(diǎn)/英寸。習(xí)慣上也以水平方向上的像素點(diǎn)與垂直方向上的像素點(diǎn)的乘積表示，如：640×480。圖像深度：位圖圖像中，各像素點(diǎn)的亮度或色彩信息用二進(jìn)制數(shù)位來(lái)表示，這一數(shù)據(jù)位的位數(shù)即為像素深度，也叫圖像深度。圖像深度越深，能夠表現(xiàn)的顏色數(shù)量越多，圖像的色彩也越豐富。圖像數(shù)據(jù)量：

圖像數(shù)據(jù)量是一幅圖像的總像素點(diǎn)數(shù)目與每個(gè)像素點(diǎn)所需字節(jié)數(shù)的乘積。

不同圖像分辨率、圖像深度與圖像數(shù)據(jù)量的關(guān)系：8位（256色）1個(gè)字節(jié)16位（65536色）,2個(gè)字節(jié)24位真彩色3個(gè)字節(jié)640×480300k

600k900k800×600469k938k1.4M1024×768768k1.5M2.3M1280×10241.3M2.6M3.8M數(shù)據(jù)量圖像深度分辨率4.像素?cái)?shù)、量化參數(shù)與數(shù)字圖像關(guān)系像素?cái)?shù)（采樣）對(duì)圖像的影響：采樣間隔越大，所得圖像像素越少，空間分辨率低，圖像質(zhì)量差；采樣間隔越小，所得圖像像素越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。圖像像素?cái)?shù)對(duì)圖像的影響4.像素?cái)?shù)、量化參數(shù)與數(shù)字圖像關(guān)系量化參數(shù)（灰度級(jí)）與數(shù)字圖像關(guān)系：量化等級(jí)越多，圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖象質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大；反之圖像質(zhì)量變差，會(huì)出現(xiàn)