第一章數(shù)字圖像處理的基本概念

第一章數(shù)字圖像處理的基本概念第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院第一章數(shù)字圖像處理的基本概念圖像的概念數(shù)字圖像處理技術(shù)數(shù)字圖像的發(fā)展歷程與主要應(yīng)用領(lǐng)域課程學(xué)習(xí)要求第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1.1圖像的概念1.1.1圖像的分類1.1.2圖像信息的分類1.1.3圖像處理的基本方法1.1.4數(shù)字圖像處理的基本術(shù)語第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1.1.1圖像的分類“圖像”(image)一幅圖像就是一個(gè)東西的視覺表示，它包含了所表示物體的相關(guān)描述信息，出現(xiàn)形式多種多樣可視的和不可視的；抽象的和實(shí)際的；適于和不適于計(jì)算機(jī)處理的。第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1、按照?qǐng)D像的存在形式分（1）“物理圖像”(physicalimages)

物質(zhì)或能量的實(shí)際分布“可見的圖像”(visibleimage)“圖片”(picture)，包括“照片”(photograph)、“圖”(drawings指用線條畫成的)和“畫”(paintings)，“圖片”等價(jià)于“圖像”，也就是說“picture”經(jīng)常和“image”一詞混用；“光圖像”(opticalimages)，即用透鏡、光柵和全息術(shù)產(chǎn)生的圖像，如熒幕、屏幕上出現(xiàn)的影像。光(學(xué))圖像是光強(qiáng)度的空間分布?！安豢梢姷膱D像”，如溫度、壓力、高度以及人口密度等的分布圖。第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院圖像類型（2）抽象圖像即“數(shù)學(xué)圖像”，包括連續(xù)函數(shù)和離散函數(shù)。離散函數(shù)圖像就是計(jì)算機(jī)可以處理的形式。物理圖像必須要變成離散函數(shù)才能被計(jì)算機(jī)處理。第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院2、按照?qǐng)D像的色彩特性分彩色圖像，又稱為“多光譜圖像”圖像上的每個(gè)點(diǎn)有多于一個(gè)的局部特征。彩色電視中重現(xiàn)的三基色圖像，每個(gè)像素點(diǎn)就需要有紅、綠、藍(lán)三個(gè)基色的三個(gè)亮度值表示。遙感圖像可以提供多達(dá)7個(gè)不同通道的信息。黑白圖像，又稱“灰度圖像”、“亮度圖像”、“單色圖像”等，每個(gè)像素點(diǎn)只有一個(gè)亮度值。黑白照片黑白電視畫面。第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院3、按照?qǐng)D像的光譜特性分“可見光圖像”；“紅外光圖像”；“雷達(dá)圖像”；“聲吶圖像”。第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院4、按照?qǐng)D像的時(shí)間特性分“動(dòng)態(tài)圖像”隨時(shí)間變化的圖像，如電視和電影畫面?！办o止圖像”不隨時(shí)間變化的圖像，如各類圖片。第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1.1.2圖像信息的分類三類符號(hào)信息景物信息情緒信息第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院圖像信息——(1)符號(hào)信息一般是用文字、符號(hào)、圖形等表示的具體的或抽象的事物。電路圖、機(jī)械圖、打印的文件等，一般用二值圖像表示。地圖中也包含大量符號(hào)，但需要關(guān)注顏色信息，因?yàn)樗鼈兌加写_定的物理含義，如藍(lán)色一般表示濕地。第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院圖像信息——(2)景物信息是一種能夠使人產(chǎn)生主觀感覺，但不取決于人本身的客觀場景中包含的信息。景物信息內(nèi)容豐富，較難以表達(dá)，只有在明確目標(biāo)的前提下，才能得到正確處理如衛(wèi)星云圖中蘊(yùn)含著氣旋信息，氣旋的位置與強(qiáng)度是一種客觀存在。第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院圖像信息——(3)情緒信息依賴于觀察者，如藝術(shù)圖片的效果就與觀看者本身的生理、心理、修養(yǎng)有很大的關(guān)系，此類信息無法刻畫。第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1.1.3圖像處理的基本方法圖像處理（imageprocessing）對(duì)圖像加工的各種技術(shù)方法的統(tǒng)稱，它已被廣泛地應(yīng)用于許多領(lǐng)域。基本方法模擬圖像處理數(shù)字圖像處理第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1、模擬圖像處理包括光學(xué)圖像處理和電子圖像處理（電子光學(xué)處理）光學(xué)方法是圖像處理發(fā)展的起源光學(xué)處理具有處理速度快、信息量大、分辨率高、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。模擬圖像處理的缺點(diǎn)是精度差、靈活性差，器件具有專用性，并且缺乏判斷分析能力，不具備非線性處理能力。趨勢：將光學(xué)處理和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方法，如利用光學(xué)方法對(duì)圖像進(jìn)行傅立葉變換，再用計(jì)算機(jī)對(duì)頻譜分析。第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院2、數(shù)字圖像處理就是將圖像轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣存放在圖像存儲(chǔ)器中，然后再利用數(shù)字計(jì)算機(jī)，或其它的大規(guī)模集成數(shù)字器件，對(duì)圖像信息進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算或處理。優(yōu)點(diǎn)：精度高、處理內(nèi)容豐富、可以進(jìn)行復(fù)雜的非線性處理，處理方式靈活，同樣的圖像硬件系統(tǒng)，在改變軟件之后何以用于其它完全不同的任務(wù)。缺點(diǎn)：由于目前計(jì)算機(jī)性能的限制，數(shù)字圖像處理的速度有限，對(duì)于一些有實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，必須利用DSP加速或構(gòu)建專用系統(tǒng)。第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院兩種基本的圖像數(shù)學(xué)模型連續(xù)模型一般的圖像都是能量的連續(xù)分布離散模型就是把數(shù)字圖像看成離散采樣點(diǎn)的集合，每個(gè)點(diǎn)具有其各自的屬性。處理運(yùn)算就是對(duì)這些離散單元的操作。第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院圖像數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用原則在圖像處理中，根據(jù)任務(wù)和目的的不同，經(jīng)常會(huì)采用不同的模型來處理圖像，或者在不同的階段是用不同的模型，保證系統(tǒng)的最佳性能。圖像在數(shù)字化時(shí)必須滿足采樣定理，這樣離散的圖像才能與它的連續(xù)形式對(duì)應(yīng)。“數(shù)字圖像處理”不是指“數(shù)字圖像的處理”，而是指“圖像的數(shù)字處理”。第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1.1.4數(shù)字圖像處理的幾個(gè)基本術(shù)語數(shù)字化(digitizing)將一幅圖像從其原來的形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的處理過程，包括“掃描”、“采樣”與“量化”三個(gè)步驟通常將“掃描”合并到“采樣”階段，合并為兩個(gè)過程。第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院掃描（scanning）掃描圖像元素(pictureelement)，簡稱像素(pixel)空間坐標(biāo)以及圖像信息兩個(gè)部分。數(shù)字化光柵(raster)。

第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像數(shù)字化采樣列采樣行圖片像素行間隔采樣列間隔灰階黑灰白0128255物理圖像19643灰度像素?cái)?shù)字圖像物理圖像及其對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像第21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院采樣(sampling)在一幅圖像的每個(gè)像素位置上測量灰度值。圖像傳感電壓值/電流圖像空間的數(shù)字化感光單元“采樣定理”第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院量化(quantization)將采樣時(shí)測量的灰度值轉(zhuǎn)化成整數(shù)表示。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電壓值轉(zhuǎn)化成一個(gè)整數(shù)。一幅圖像的數(shù)字表示，即數(shù)字圖像f(x,y),f(x,y)以及x、y都是整數(shù)。第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院幾個(gè)重要概念1、處理：讓某個(gè)事物受到一個(gè)過程的作用2、過程（process）：指能導(dǎo)致某個(gè)所期望目標(biāo)的一系列的動(dòng)作或操作。3、數(shù)字圖像處理：對(duì)一個(gè)物體的數(shù)字表示施加一系列的操作，以得到所期望的結(jié)果。4、數(shù)字圖像的限制性定義：一個(gè)被采樣和量化后的二維函數(shù)（該二維函數(shù)由光學(xué)方法產(chǎn)生），采用等距離矩形網(wǎng)格采樣，對(duì)幅度進(jìn)行等間隔量化。一幅數(shù)字圖像是一個(gè)被量化的采樣數(shù)值的二維矩陣。第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院重要概念（續(xù)）5、顯示（display）：由一幅數(shù)字圖像生成一可見的、直觀的圖像?！盎胤拧?、“圖像重建”、“硬拷貝”、“圖像記錄”顯示設(shè)備有暫時(shí)的、永久的兩類。6、對(duì)比度（contrast）：一幅圖像中灰度反差的大小。7、噪聲（noise）：加性的或乘法性的污染。8、采樣密度（samplingdensity）:圖像上單位長度包含的采樣點(diǎn)數(shù)。像素間距（pixelspacing）=1/采樣密度第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院重要概念（續(xù)）9、放大率（magnification）：圖像中物體與其所對(duì)應(yīng)的景物中物體的比例關(guān)系。10、運(yùn)算（operation）：注意運(yùn)算前后圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（1）全局運(yùn)算：對(duì)整幅圖像同時(shí)處理（2）點(diǎn)運(yùn)算：由對(duì)應(yīng)點(diǎn)決定（3）局部運(yùn)算：由中心像素周圍的有關(guān)像素決定第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1.2數(shù)字圖像處理技術(shù)廣義的數(shù)字圖像處理是指從圖像獲取到圖像信息輸出的全過程，即圖像處理系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)應(yīng)用相關(guān)的設(shè)備圖像處理相關(guān)的方法有效軟件的實(shí)現(xiàn)圖像處理軟件的應(yīng)用圖像信息在計(jì)算機(jī)中的表示圖像數(shù)據(jù)庫及檢索圖像信息應(yīng)用等。狹義的數(shù)字圖像處理僅指其中對(duì)圖像信息進(jìn)行處理。第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院廣義圖像處理圖像信息獲取，即獲取研究對(duì)象的圖像，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字設(shè)備處理。研究重點(diǎn)：圖像成像設(shè)備和數(shù)字化設(shè)備。圖像信息的存儲(chǔ)。圖像存儲(chǔ)設(shè)備，以及圖像存儲(chǔ)的格式、圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)以及圖像數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。圖像信息的傳送，包括內(nèi)部傳送與遠(yuǎn)距離傳送。內(nèi)部傳送多采用DMA（DirectMemoryAccess）；遠(yuǎn)距離傳送圖像壓縮技術(shù)，減少占用帶寬。圖像信息處理，即狹義的圖像處理利用計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的算法。圖像的輸出與顯示，即為人或計(jì)算機(jī)提供便于理解以及識(shí)別的圖像。軟拷貝與硬拷貝兩種形式。第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院狹義的計(jì)算機(jī)圖像處理幾何處理坐標(biāo)變換：圖像的放大與縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)圖像畸變校正幾何特征計(jì)算等。算術(shù)與邏輯運(yùn)算圖像的加減乘除，與或非等運(yùn)算圖像增強(qiáng)根據(jù)任務(wù)目標(biāo)突出圖像中感興趣的信息，消除干擾，改善圖像的視覺效果或增強(qiáng)便于機(jī)器識(shí)別的信息此三項(xiàng)是圖像預(yù)處理中常涉及的內(nèi)容。第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院狹義的計(jì)算機(jī)圖像處理2圖像復(fù)原根據(jù)圖像退化模型，消除退化因素，恢復(fù)原始的圖像。散焦，散焦模型，逆濾波。圖像編碼研究壓縮圖像數(shù)據(jù)的方法，需要研究并利用圖像的冗余特征如統(tǒng)計(jì)冗余、生理視覺冗余、知識(shí)冗余等。圖像分割根據(jù)圖像的某些特征將圖像劃分為不同的區(qū)域，以便于對(duì)圖像中的物體或目標(biāo)進(jìn)行分析與識(shí)別。如“機(jī)動(dòng)車視覺系統(tǒng)”中根據(jù)圖像中的灰度信息分割白色導(dǎo)引線和路面。第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院狹義的計(jì)算機(jī)圖像處理3圖像重建輸入的是非圖像信息，如數(shù)據(jù)、公式等，輸出為圖像。主要有卷積反投影法等。常用于醫(yī)學(xué)設(shè)備圖像模式識(shí)別在圖像分割的基礎(chǔ)上提取特征，對(duì)圖像中的內(nèi)容進(jìn)行判決分類。圖像分析與理解根據(jù)圖像局部內(nèi)容之間的關(guān)系，利用有關(guān)知識(shí)進(jìn)行推理與聯(lián)想，對(duì)圖像中所表現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行理解。第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1.3數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷程與主要應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展歷程不斷拓展的應(yīng)用領(lǐng)域第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1.3.1發(fā)展歷程改善視覺效果：增強(qiáng)人類分析判斷時(shí)采用的圖像信息生物視覺系統(tǒng)仿生：計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)處理自動(dòng)裝置感受的景物數(shù)據(jù)（計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別（PatternRecognition）等）第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院1、改善視覺效果打印技術(shù)與半調(diào)技術(shù)相結(jié)合編碼技術(shù)第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院用15種色調(diào)的設(shè)備，從倫敦到紐約，用電纜進(jìn)行傳送的Perihing和Fozh兩將軍未經(jīng)修飾的圖片第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院2、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)60年代，第三代計(jì)算機(jī)JPL圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原70年代遙感和醫(yī)學(xué)圖片

Rosenfeld，197680年代3D圖像獲取設(shè)備以及分析系統(tǒng)90年代人類生活和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院美國航天器傳送的第一張?jiān)虑蛘掌?，“旅行?號(hào)”1964年7月31日9點(diǎn)09分在光線影響月球前17分鐘前攝取的圖像第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院3、數(shù)字圖像處理的顯著成就從可見光譜擴(kuò)展到各波段：遙感圖像的多光譜處理、側(cè)視雷達(dá)遙感圖像處理、紅外波段的圖像處理（如夜視儀、熱像儀等）、超聲圖像處理。從靜止圖像到運(yùn)動(dòng)圖像的處理：如運(yùn)動(dòng)模糊圖像的恢復(fù)、心臟搏動(dòng)序列圖像的處理、對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤、巡航導(dǎo)彈的地形識(shí)別及瞄準(zhǔn)等。第38頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院數(shù)字圖像處理的顯著成就2從物體的外部到內(nèi)部圖像的處理：如人體的無損檢測設(shè)備CT、MRI及宇航用密封零件的無損檢測、海關(guān)用的集裝箱不開箱檢查等。從整體到局部圖像的處理（AOI技術(shù)）：有選擇性地對(duì)人類感興趣的局部圖像進(jìn)行處理，如空間、灰度、顏色、頻域都可以開窗口進(jìn)行加工處理(如放大、變換、校正等)。第39頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院數(shù)字圖像處理的顯著成就3提取圖像中特征的處理：從圖像中抽出感興趣的區(qū)域、物體以特征的形式表現(xiàn)出來，以便計(jì)算機(jī)識(shí)別控制。人工智能化的圖像處理：用計(jì)算機(jī)去理解圖像，并進(jìn)行景物分析，即計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)如機(jī)動(dòng)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和機(jī)器人的視覺操縱系統(tǒng)等。第40頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)學(xué)圖像處理講義重慶大學(xué)生物工程學(xué)院4、數(shù)字圖像處理的學(xué)科特點(diǎn)因此圖像處理技術(shù)不僅是融合多學(xué)科的新興學(xué)科，