數(shù)字圖像處理第1章

第一章概論1.1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1.3圖像工程與相關(guān)學(xué)科1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)1.5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1.1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1.數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中，圖像是以數(shù)字格式存儲(chǔ)的，把圖像按行與列分割成M×N個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格為一個(gè)像素，即用一個(gè)M×N的像素矩陣來(lái)表示一幅圖像，M與N稱為圖像的分辨率。（1）分辨率越高，圖像失真越小。（2）計(jì)算機(jī)中只能用有限長(zhǎng)度的二進(jìn)制位來(lái)表示顏色，用以表示顏色的位數(shù)越多，顏色數(shù)越多，圖像顏色就越逼真。圖1-1數(shù)字圖像模擬圖像數(shù)字圖像圖像的空間分辨率

一幅M×N個(gè)像素的數(shù)字圖像，其像素灰度值（整數(shù)）可以用M行、N列的矩陣G表示：2.數(shù)字圖像處理把利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等的理論、方法和技術(shù)稱為數(shù)字圖像處理（DigitalImageProcessing）。

數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受如下三方面影響：一是計(jì)算機(jī)的發(fā)展。計(jì)算速度和存儲(chǔ)容量。二是數(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，為數(shù)字圖像處理奠定了理論基礎(chǔ)。三是軍事、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等方面應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)。噪聲平滑實(shí)驗(yàn)圖像（a）Lena原圖；（b）高斯噪聲；（c）椒鹽噪聲；(d)對(duì)(b)平均平滑；(e)對(duì)(c)平均平滑；(f)對(duì)(b)5×5中值濾波；(g)對(duì)(c)5×5中值濾波abcdefg逆濾波法復(fù)原圖像(a)原始圖像；(b)退化圖像；(c)復(fù)原圖像(a)(b)(c)1.1.2數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)（1）圖像數(shù)據(jù)量龐大。

一幅數(shù)字圖像是由圖像矩陣中的像素（Pixel）組成的，通常每個(gè)像素用紅、綠、藍(lán)三種顏色表示，每種顏色用8bit表示灰度級(jí)。一幅1024×1024不經(jīng)壓縮的真彩色圖像，數(shù)據(jù)量達(dá)24MB（即1024×1024×8bit×3=24Mb）。（2）處理費(fèi)時(shí)。（3）圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)。1.1.2數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)（4）數(shù)字圖像中各個(gè)像素是不獨(dú)立的，其相關(guān)性大。

在圖像畫(huà)面上，經(jīng)常有很多像素有相同或接近的灰度。就電視畫(huà)面而言，同一行中相鄰兩個(gè)像素或相鄰兩行間的像素，其相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.9以上，而相鄰兩幀之間的相關(guān)性比幀內(nèi)相關(guān)性一般說(shuō)還要大些。因此，圖像處理中信息壓縮的潛力很大。1.1.2數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)（5）數(shù)字圖像處理后的圖像一般是給人觀察和評(píng)價(jià)的，因此受人的因素影響較大。

由于人的視覺(jué)系統(tǒng)很復(fù)雜，受環(huán)境條件、視覺(jué)性能、人的情緒愛(ài)好以及知識(shí)狀況影響很大，圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)還有待進(jìn)一步深入的研究。（6）由于圖像是三維景物的二維投影，一幅圖象本身不具備復(fù)現(xiàn)三維景物的全部幾何信息的能力，很顯然三維景物背后部分信息在二維圖像畫(huà)面上是反映不出來(lái)的。在理解三維景物時(shí)需要知識(shí)導(dǎo)引，這也是人工智能中正在致力解決的知識(shí)工程問(wèn)題。1.1.3數(shù)字圖像處理的優(yōu)點(diǎn)（1）處理精度高，再現(xiàn)性好。（2）易于控制處理效果。（3）處理的多樣性。1.2數(shù)字圖像處理的目的和主要內(nèi)容1.2.1數(shù)字圖像處理的目的（1）提高圖像的視感質(zhì)量，以達(dá)到賞心悅目的目的。

（2）提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于計(jì)算機(jī)分析。（3）對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、編碼和壓縮，以便于圖像的存儲(chǔ)和傳輸。1.2.2數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容

1.圖像獲取、表示和表現(xiàn)（ImageAcquisition，RepresentationandPresentation）該過(guò)程主要是把模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字形式，以及把數(shù)字圖像顯示和表現(xiàn)出來(lái)（如打?。?。

2.圖像復(fù)原（ImageRestoration）當(dāng)造成圖像退化（圖像品質(zhì)下降）的原因已知時(shí)，復(fù)原技術(shù)可以對(duì)圖像進(jìn)行校正。圖像復(fù)原最關(guān)鍵的是對(duì)每種退化都需要有一個(gè)合理的模型，退化模型和特定數(shù)據(jù)一起描述了圖像的退化。因此，復(fù)原技術(shù)是基于模型和數(shù)據(jù)的圖像恢復(fù)，其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。

a)被正弦噪聲干擾的圖像b)濾波效果圖用巴特沃思帶阻濾波器復(fù)原受正弦噪聲干擾的圖像

a)受大氣湍流的嚴(yán)重影響的圖像b)用維納濾波器恢復(fù)出來(lái)的圖像維納濾波器應(yīng)用3.圖像增強(qiáng)（ImageEnhancement）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)較為主觀地改善圖像的質(zhì)量。所以，圖像增強(qiáng)技術(shù)是用于改善圖像視感質(zhì)量所采取的一種方法。

4.圖像分割（ImageSegmentation）把圖像分成區(qū)域的過(guò)程就是圖像分割。圖像處理為達(dá)到識(shí)別和理解的目的，幾乎都必須按照一定的規(guī)則將圖像分割成區(qū)域，每個(gè)區(qū)域代表被成像的一個(gè)物體（或部分）。(a)原始圖像；(b)閾值化處理，分割目標(biāo)和背景(a)(b)

5.圖像分析圖像分析主要是對(duì)圖像中感興趣的目標(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。在工業(yè)產(chǎn)品零件無(wú)缺陷且正確裝配檢測(cè)中，圖像分析是對(duì)圖像中的像素轉(zhuǎn)化成一個(gè)“合格”或“不合格"的判定。醫(yī)學(xué)圖像處理中，不僅要檢測(cè)出物體（如腫瘤）的存在，而且還要檢查物體的大小。

6.圖像重建圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原的輸入是圖像，處理后輸出的結(jié)果也是圖像，而圖像重建是指從數(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，CT就是圖像重建處理的典型應(yīng)用實(shí)例。

7.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，在實(shí)際應(yīng)用中圖像壓縮是必需的。如果數(shù)據(jù)不壓縮，則在存儲(chǔ)和傳輸中就需要占很大的容量和帶寬，因而增加了成本。圖像壓縮的目的就是壓縮數(shù)據(jù)量。1.4數(shù)字圖像處理系統(tǒng)1.4.1數(shù)字圖像處理系統(tǒng)硬件圖1-4圖像處理系統(tǒng)示意圖1.4.2圖像處理系統(tǒng)軟件目前，圖像處理系統(tǒng)平臺(tái)多為MicrosoftWindows，開(kāi)發(fā)的主流工具為Microsoft公司的VC++。MATLAB是由美國(guó)MathWorks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算的有力工具，它具有相當(dāng)強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算和操作功能，并且MATLAB圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數(shù)。1.5數(shù)字圖像處理的應(yīng)用1）通訊通訊包括圖像傳輸、電視電話、電視會(huì)議等，主要是進(jìn)行圖像壓縮。2）航空、航天遙感航空遙感和衛(wèi)星遙感圖像需要用數(shù)字技術(shù)加工處理，并提取有用的信息。主要用于地形地質(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)預(yù)報(bào)，環(huán)境污染監(jiān)測(cè)，氣象衛(wèi)星云圖處理以及地面軍事目標(biāo)的識(shí)別。3）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用圖像處理在醫(yī)學(xué)界的應(yīng)用非常廣泛，無(wú)論是臨床診斷還是病理研究都大量采用圖像處理技術(shù)。圖像處理首先應(yīng)用于細(xì)胞分類(lèi)、染色體分類(lèi)和放射圖像等。4）工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用在生產(chǎn)線中對(duì)產(chǎn)品及部件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)是圖像處理技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。5）軍事、公安等方面的應(yīng)用軍事目標(biāo)的偵察、制導(dǎo)和警戒系統(tǒng)、自動(dòng)滅火器的控制及反偽裝；公安部門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)照片、指紋、手跡、印章、人像等的處理和辨識(shí)；歷史文字和圖片檔案的修復(fù)和管理等。1.6數(shù)字圖像處理的發(fā)展動(dòng)向

（1）在進(jìn)一步提高精度的同時(shí)著重解決處理速度問(wèn)題。（2）加強(qiáng)軟件研究、開(kāi)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。（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，逐步形成圖像處理科學(xué)自身的理論體系。（5）圖像處理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化。

圖像處理技術(shù)未來(lái)發(fā)展大致可歸納為：