數(shù)字圖像處理課件

數(shù)字圖像處理DigitalImageProcessing電氣與電子工程系趙茂林倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。發(fā)明MRI中Fourier重建方法的Ernst獲得1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。Lauterbur和Mansfield因發(fā)明MRI方法獲得2003年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。圖像處理的幾個(gè)例子主要教學(xué)內(nèi)容1，數(shù)字圖像處理的基本概念2，圖像變換3，圖像增強(qiáng)4，圖像壓縮編碼5，圖像識(shí)別教學(xué)安排總學(xué)時(shí)數(shù)32學(xué)時(shí)，課堂教學(xué)16學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)16學(xué)時(shí)

第一章緒論一、引言：1964年，美國(guó)噴氣推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室用計(jì)算機(jī)成功地對(duì)4000多張?jiān)虑蛘掌M(jìn)行處理。

70年代中期，隨著離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和完善，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，理論和方法不斷完善。

90年代，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)入家庭，硬件價(jià)格不斷下降，數(shù)字世界逐漸進(jìn)入人們的生活。

由此可見，數(shù)字圖像處理技術(shù)是地球數(shù)字化帶來的任務(wù)，一方面要求處理對(duì)象的數(shù)字化，一方面要求處理時(shí)的直觀性。因此給我們帶來了許多的研究課題和研究方向。二、數(shù)字圖像處理的概念1，什么是圖像？“圖”是物體投射或反射光的分布，“像”是人的視覺系統(tǒng)對(duì)圖的接受在大腦中形成的印象或反映。

圖像是對(duì)客觀存在對(duì)象的一種相似性的、生動(dòng)性的描述。2，圖像的表示

圖像是連續(xù)的，即用函數(shù)f(x,y)表示的圖像。

其中x,y:表示空間坐標(biāo)點(diǎn)的位置；f:表示圖像在點(diǎn)（x,y）的某種性質(zhì)的數(shù)值，如亮度、灰度，色度等。f,x,y可以是任意實(shí)數(shù)。

3，數(shù)字圖像物理圖像被劃分為稱作圖像元素的小區(qū)域，圖像元素簡(jiǎn)稱為像素。將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的過程稱為數(shù)字化。在每個(gè)像素位置上，圖像的亮度被采樣和量化，得到圖像的對(duì)應(yīng)點(diǎn)上表示其亮暗程度的一個(gè)整數(shù)值。在對(duì)所有的像素都完成上述轉(zhuǎn)化后，圖像被表示成一個(gè)整數(shù)矩陣。數(shù)字圖像的矩陣表示數(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。簡(jiǎn)單地說，數(shù)字圖象等同于一個(gè)整數(shù)值的有限矩陣。數(shù)字圖像是數(shù)字圖像處理和分析的對(duì)象。0表示黑、255表示白4，數(shù)字圖像處理對(duì)圖像進(jìn)行一系列的操作以達(dá)到預(yù)期目的的技術(shù)稱為圖像處理。數(shù)字圖像處理---利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行系列操作，從而獲得某種預(yù)期的結(jié)果的技術(shù)。（計(jì)算機(jī)圖像處理）數(shù)字圖像處理的目的1，提高圖像的視感質(zhì)量。去除圖像中的噪聲；改變圖像的亮度、顏色；增強(qiáng)圖像中的某些成份、抑制某些成份；對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換等，達(dá)到藝術(shù)效果；2，提取圖像中所包含的某些特征或特殊信息模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺的預(yù)處理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)和傳輸廣義的數(shù)字圖像處理它是由圖像處理、圖像分析和圖像理解三個(gè)系統(tǒng)所組成。圖像處理包括圖像采集和從圖像到圖像的變換，以改善主觀的視覺效果和為圖像分析和圖像理解作初步的處理。圖像分析是從圖像中取出感興趣的數(shù)據(jù)，以描述圖像中目標(biāo)的特點(diǎn)。圖像理解是在圖像分析的基礎(chǔ)上研究各目標(biāo)的性質(zhì)和相互關(guān)系，以得出圖像內(nèi)容的理解和對(duì)原場(chǎng)景的解釋。圖像處理圖像理解圖像分析抽象程度數(shù)據(jù)量圖像數(shù)據(jù)符號(hào)圖像處理、圖像分析和圖像理解是處在從低到高的三個(gè)不同的抽象程度上的過程。像素----數(shù)字圖像由二維的元素組成，每一個(gè)元素具有一個(gè)特定的位置（x,y）和幅值f(x,y),這些元素就稱為像素。數(shù)字圖像處理---將一幅圖像變?yōu)榱硪环?jīng)過修改的圖像，數(shù)字圖像處理是一個(gè)由圖像到圖像的過程。數(shù)字圖像分析----則是指將一幅圖像轉(zhuǎn)化為一種非圖像的表示方法。數(shù)字圖像處理術(shù)語(yǔ)對(duì)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。數(shù)字圖像處理的基本過程和主要研究?jī)?nèi)容（1）圖像獲?。▓D像的數(shù)字化）如何將一幅光學(xué)圖像表示成一組數(shù)字，既不失真又便于計(jì)算機(jī)分析處理。主要包括的是圖像的采樣與量化采樣----空間上的離散化：在空間上分割成M×N個(gè)網(wǎng)格（空間分辨率）量化----亮度上的離散化：把取樣點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的亮度連續(xù)變化區(qū)間轉(zhuǎn)換為單個(gè)數(shù)碼的過程。圖像數(shù)字化是將一幅畫面轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能處理的形式——數(shù)字圖像的過程?？臻g分辨率和幅度分辨率一幅大小為M×N、灰度級(jí)數(shù)為G的為壓縮圖像所需的存儲(chǔ)空間，即圖像的數(shù)據(jù)量，大小為M×N×g（bit）

幅度分辨率是指一幅數(shù)字圖像中不同灰度值的個(gè)數(shù)稱為灰度級(jí)數(shù)，用G表示。一般來說，G=2g，g就是表示圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)。以數(shù)目較少的電視圖像為例，它一般是由512×512個(gè)象素、8比特組成，其總數(shù)據(jù)量為512×512×8＝2097152比特＝262144字節(jié)＝256K?？臻g分辨率是指要精確測(cè)量和再現(xiàn)一定尺寸的圖像所必需的像素個(gè)數(shù)。單位：像素*像素(如：數(shù)碼相機(jī)指標(biāo)30萬(wàn)像素(640*480））圖像（水平）尺寸M：M=2m圖像（垂直）尺寸N：N=2n一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素?cái)?shù)越少，空間分辨率低，質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)像素呈塊狀的國(guó)際棋盤效應(yīng)；采樣間隔越小，所得圖像像素?cái)?shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。量化等級(jí)一定采樣點(diǎn)變化對(duì)圖像質(zhì)量的影響量化等級(jí)越多，所得圖像層次越豐富，灰度分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大；

量化等級(jí)越少，圖像層次欠豐富，灰度分辨率低，會(huì)出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，圖像質(zhì)量變差，但數(shù)據(jù)量小。采樣點(diǎn)一定量化級(jí)數(shù)變化對(duì)圖像質(zhì)量的影響

一般情況下，當(dāng)限定數(shù)字圖像的大小時(shí)，為了得到質(zhì)量較好的圖像可以采用如下原則：（1）對(duì)邊緣逐漸變化的圖像，應(yīng)該細(xì)量化，粗采樣，以避免假輪廓；（2）對(duì)細(xì)節(jié)豐富的圖像，應(yīng)該細(xì)采樣，粗量化，以避免模糊（即混疊）。對(duì)于彩色圖像，是按照顏色成分紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8位量化，即每種顏色量化級(jí)別是256，則可以處理

256×256×256=16777216種顏色。（2）數(shù)字圖像的處理數(shù)字圖像處理多采用計(jì)算機(jī)處理，主要內(nèi)容為幾何處理、算術(shù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼、圖像重建、圖像識(shí)別和圖像理解。?圖像變換由于數(shù)字圖像陣列通常很大，直接在空間域中進(jìn)行處理，計(jì)算量非常大。采用各種圖像變換的方法，如傅里葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，這樣不僅可減少計(jì)算量，而且可以獲得更有效的處理。?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)。圖像增強(qiáng)不考慮引起圖像降質(zhì)的原因，而是突出圖像中所感興趣的部分。例如，強(qiáng)化圖像高頻分量可以使圖像中物體輪廓清晰、細(xì)節(jié)明顯，強(qiáng)化低頻分量可減少圖像中噪聲的影響。b)圖像增強(qiáng)后的圖a)原圖?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。圖像復(fù)原要求對(duì)圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，一般根據(jù)降質(zhì)過程建立“降質(zhì)模型”，再采用某種濾波方法，恢復(fù)或重建原來的圖像。c)原圖 d)經(jīng)過復(fù)原的圖?圖像壓縮編碼：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。數(shù)字圖像處理系統(tǒng)一個(gè)圖像處理和分析系統(tǒng)的基本組成有：采集、顯示、存儲(chǔ)、通信、處理和分析五個(gè)模塊。通信顯示采集存儲(chǔ)處理和分析圖像處理和分析系統(tǒng)構(gòu)成示意圖圖像數(shù)字化設(shè)備：掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)與圖像采集卡等圖像處理計(jì)算機(jī)：PC、工作站等圖像存儲(chǔ)設(shè)備：磁盤、光盤、硬盤等圖像輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)等數(shù)字圖像處理的特點(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。（4）圖像數(shù)據(jù)量龐大。（5）處理費(fèi)時(shí)。（6）圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)。數(shù)字圖像處理的應(yīng)用1，工業(yè)應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)用于模具、零件制造、服裝、印染業(yè)，產(chǎn)品無損檢測(cè)、焊縫及內(nèi)部缺陷檢查，裝配流水線零件自動(dòng)檢測(cè)，郵件、包裹自動(dòng)分檢、識(shí)別，印刷板質(zhì)量、缺陷檢出，生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控，形狀相同批量產(chǎn)品的數(shù)量統(tǒng)計(jì)，金相分析，密封元器件內(nèi)部的質(zhì)量檢查等。2，交通領(lǐng)域的應(yīng)用交通管制、機(jī)場(chǎng)監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)車船的視覺反饋控制，火車車廂的識(shí)別等。3，軍事、公安領(lǐng)域中的應(yīng)用軍事偵察、定位、引導(dǎo)、指揮等應(yīng)用，巡航導(dǎo)彈地形識(shí)別，遙控飛行器的引導(dǎo)，測(cè)視雷達(dá)的地形偵察，目標(biāo)的識(shí)別與制導(dǎo)，指紋自動(dòng)識(shí)別，罪犯臉形合成，手跡、人像、印章的鑒定識(shí)別，過期檔案文字的復(fù)原，集裝箱的不開箱檢查等。4，生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用顯微圖像處理，DNA（脫氧核糖核酸）顯示分析，紅、白血球分析計(jì)數(shù)，蟲卵及組織切片的分析，細(xì)胞識(shí)別，染色體分析，DSA（心血管數(shù)字減影）以及其他減影技術(shù)，內(nèi)臟大小形狀及異常檢出，心臟活動(dòng)三維圖像動(dòng)態(tài)分析，熱像分析、紅外圖像分析，X光照片增強(qiáng)、凍結(jié)、以及偽彩色增強(qiáng)，超聲圖像成像、凍結(jié)、增強(qiáng)及偽彩色處理，CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）圖像處理，專家系統(tǒng)手術(shù)規(guī)劃的應(yīng)用，生物進(jìn)化的圖像分析等。

5，

遙感航天領(lǐng)域的應(yīng)用多光譜衛(wèi)星圖像分析，地形、地貌、國(guó)土普查，地質(zhì)、礦藏勘探，森林資源探查、分類、防火，水利資源探查，洪水泛濫監(jiān)測(cè)，海洋、漁業(yè)方面如溫度、魚群的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，農(nóng)業(yè)方面如糧食估產(chǎn)、病蟲害調(diào)查，自然災(zāi)害、環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)，氣象、天氣預(yù)報(bào)圖的合成分析預(yù)報(bào)，天文、太空星體的探測(cè)及分析。第二章圖像變換圖像變換是一種簡(jiǎn)化圖像處理過程和提高圖像處理效果的技術(shù)。在圖像處理中，對(duì)圖像信息進(jìn)行變換的目的是：簡(jiǎn)化處理，因此必須滿足以下三個(gè)要求：1）變換必須是可逆的。2）變換必須是有好處的。3）變換算法必須是不復(fù)雜的。圖像變換的理論很多，如離散傅立葉變換(DFT)，沃爾什(Walsh)變換，離散余弦變換(DCT)及小波變換。其中最常用的是傅立葉變換，是各種濾波的基礎(chǔ)，在圖像處理中廣泛應(yīng)用。2.1數(shù)字圖像的代數(shù)運(yùn)算其運(yùn)算可以分為圖像自身的運(yùn)算和圖像間的運(yùn)算，從根本上而言可以看成對(duì)圖像位置的運(yùn)算或?qū)υ撐恢蒙匣叶燃?jí)的運(yùn)算。設(shè)圖像其中，效果：對(duì)f圖所有灰度加c級(jí)灰度則如下代數(shù)運(yùn)算給整幅圖像增加灰度級(jí)會(huì)使圖像亮度得到提高整體偏亮，給個(gè)別象素加灰度值可以使目標(biāo)景物突出。代數(shù)運(yùn)算的用途1，可以對(duì)同一場(chǎng)景的多幅圖像求平均，以降低加性零值平穩(wěn)噪聲。2，兩幅圖像疊加達(dá)到二次曝光的效果。3，減去圖中不需要的加性噪聲。4，計(jì)算兩幅場(chǎng)景的變化。5，檢測(cè)輪廓，確定輪廓現(xiàn)。2.2幾何變換圖像的幾何變換，就是按照需要使圖像產(chǎn)生大小、形狀和位置的變化。從變換的性質(zhì)分：圖像的幾何變換有平移、比例縮放、旋轉(zhuǎn)、反射、鏡像等基本變換；透視、轉(zhuǎn)置等復(fù)合變換，以及插值運(yùn)算等。

一．平移(translation)

將圖像沿水平或垂直方向移動(dòng)位置后，獲得新的圖像的變換方式。例如：圖像坐標(biāo)中象素點(diǎn)（x0,y0)移動(dòng)到（x1,y1)位置灰度不變。y00yxΔxΔyx0x1y1現(xiàn)設(shè)點(diǎn)P0(x0,y0)進(jìn)行平移后，移到P(x,y)，其中x方向的平移量為Δx，y方向的平移量為Δy。那么，點(diǎn)P(x,y)的坐標(biāo)為

這個(gè)變換用矩陣的形式可以表示為此矩陣的第一、二列構(gòu)成單位矩陣，第三列元素為平移常量。再擴(kuò)充為3×3階矩陣變換矩陣？I=imread('cameraman.tif');se=translate(strel(1),[2525]);J=imdilate(I,se);imshow(I),title('Original')figure,imshow(J),title('Translated');MATLAB中實(shí)現(xiàn)平移的函數(shù)平移后出現(xiàn)的問題1、如果新圖中有一點(diǎn)（x1,y1），按照公式(2)得到的(x0,y0)不在原圖中該怎么辦？通常的做法是，把該點(diǎn)的RGB值統(tǒng)一設(shè)成(0,0,0)或者(255,255,255)。2、平移后的圖象是否要放大？一種做法是不放大，移出的部分被截?cái)?，這種處理，文件大小不會(huì)改變。二、圖像縮放圖像比例縮放是指將給定的圖像在x軸方向按比例縮放fx倍，在y軸方向按比例縮放fy倍，從而獲得一幅新的圖像。如果fx＝fy，即在x軸方向和y軸方向縮放的比率相同，稱這樣的比例縮放為圖像的全比例縮放。如果fx≠fy，圖像的比例縮放會(huì)改變?cè)紙D像的像素間的相對(duì)位置，產(chǎn)生幾何畸變。設(shè)原圖像中的點(diǎn)P0(x0,y0)比例縮放后，在新圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為P(x,y)，則P0(x0,y0)和P(x,y)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系比例縮放所產(chǎn)生的圖像中的像素可能在原圖像中找不到相應(yīng)的像素點(diǎn)，這樣就必須進(jìn)行插值處理。如果M×N大小的原圖像F(x，y)縮小為

kM×kN大?。╧<1）的新圖像I(x，y)時(shí)，則I(x,y)=F(int(c×x),int(c×y))其中，c=1／k。由此公式可以構(gòu)造出新圖像，如圖所示圖像縮小圖像放大在圖像的放大操作中，則需要對(duì)尺寸放大后所多出來的