圖像技術(shù)基礎(chǔ)

關(guān)于圖像技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字圖像處理教材圖像處理和分析技術(shù)第二版章毓晉，高等教育出版社第2頁,共60頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字圖像處理提綱圖像技術(shù)基礎(chǔ)圖像增強(qiáng)技術(shù)圖像變換技術(shù)圖像編碼技術(shù)圖像分割技術(shù)目標(biāo)表達(dá)和描述技術(shù)第3頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第一章圖像技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字圖像處理簡介圖像與像素像素間的聯(lián)系圖像坐標(biāo)變換采樣和量化第4頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.數(shù)字圖像處理簡介什么是圖像幾個(gè)當(dāng)今熱點(diǎn)的研究方向圖像處理的應(yīng)用圖像工程相關(guān)學(xué)科數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要圖像處理主要研究內(nèi)容圖像處理特點(diǎn)第5頁,共60頁，2024年2月25日，星期天什么是圖像圖像（image)：用各種觀測(cè)系統(tǒng)以不同形式和手段觀測(cè)客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼并進(jìn)而產(chǎn)生視知覺的實(shí)體圖像和信息： 人類從外界（客觀世界）獲得的信息約有 75%來自視覺系統(tǒng)

數(shù)字圖像處理： 信息化的發(fā)展，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----數(shù)字圖像處理第6頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1）因特網(wǎng)上的圖像檢索2）圖像的傳輸3）圖像的安全技術(shù)4）圖像的處理技術(shù)5）圖像的自動(dòng)識(shí)別6）基于圖像的檢測(cè)手段7）其它視頻方面的研究與需求幾個(gè)當(dāng)今熱點(diǎn)的研究方向第7頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像處理的應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)、遙感、工業(yè)、軍事、電信、公安等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。生物醫(yī)學(xué)：顯微鏡圖像分析,利用電磁波譜成像分析系統(tǒng)診斷病情。如CT及核磁共振、超聲波、X射線成像分析等。第8頁,共60頁，2024年2月25日，星期天遙感：農(nóng)、林等資源的調(diào)查，農(nóng)作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)，自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，地勢(shì)、地貌測(cè)繪以及地質(zhì)構(gòu)造解譯、找礦，環(huán)境污染檢測(cè)等等。圖像處理的應(yīng)用

第9頁,共60頁，2024年2月25日，星期天工業(yè)生產(chǎn)：無損探傷，石油勘探，生產(chǎn)過程自動(dòng)化（識(shí)別零件，裝配質(zhì)量檢查），工業(yè)機(jī)器人研制等。軍事：航空及衛(wèi)星偵察照片的測(cè)繪、判讀，雷達(dá)、聲納圖像處理，導(dǎo)彈制導(dǎo)，軍事仿真，無人駕駛飛行等。圖像處理的應(yīng)用

第10頁,共60頁，2024年2月25日，星期天通信：圖像傳真，可視電話，衛(wèi)星通訊，數(shù)字電視等。公安：指紋識(shí)別，印簽、偽鈔識(shí)別，安檢，手跡、印記鑒別分析等。圖像處理的應(yīng)用

第11頁,共60頁，2024年2月25日，星期天氣象預(yù)報(bào)：獲取氣象云圖進(jìn)行測(cè)繪、判讀等。風(fēng)云1號(hào)風(fēng)云2號(hào)圖像處理的應(yīng)用

第12頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像工程圖像工程根據(jù)抽象程度不同可分為三個(gè)層次：狹義圖像處理、圖像分析和圖像理解。第13頁,共60頁，2024年2月25日，星期天相關(guān)學(xué)科

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

用計(jì)算機(jī)將由概念所表示的物體（不是實(shí)物）圖像進(jìn)行處理和顯示。側(cè)重于根據(jù)給定的物體描述模型、光照及想象中的攝像機(jī)的成像幾何，生成一幅圖像。模式識(shí)別模式識(shí)別是對(duì)表征事物或現(xiàn)象的各種形式的信息進(jìn)行處理和分析以對(duì)事物或現(xiàn)象進(jìn)行描述、辨認(rèn)、分類和解釋的過程。計(jì)算機(jī)視覺

計(jì)算機(jī)視覺的目的是發(fā)展出能夠理解自然景物的系統(tǒng)。在機(jī)器人領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)視覺為機(jī)器人提供眼睛的功能。第14頁,共60頁，2024年2月25日，星期天相關(guān)學(xué)科計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是從非圖像行使的數(shù)據(jù)描述生成圖像，其實(shí)就是和圖像分析對(duì)調(diào)。模式識(shí)別是把圖像分解成可用符號(hào)較抽象地描述的類別。計(jì)算機(jī)視覺主要強(qiáng)調(diào)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能。第15頁,共60頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要對(duì)象物光光源攝像單元A/D轉(zhuǎn)換單元圖像存儲(chǔ)單元計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)由硬件和軟件組成采集顯示存儲(chǔ)通信主機(jī)圖像處理軟件第16頁,共60頁，2024年2月25日，星期天a.CCD（ChargeCoupledDevice）工作原理：將光能量轉(zhuǎn)換為電荷，并將轉(zhuǎn)換得到的電荷進(jìn)行存儲(chǔ)。CCD傳感器分為線陣式和陣列式兩種，具有代表性的產(chǎn)品分別有掃描儀和數(shù)碼相機(jī)。1圖像采集模塊采集裝置都包括下面兩個(gè)部件

光敏感器件

模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要b.CMOS傳感器(ComplementaryMetalOxideSemiconductor

)第17頁,共60頁，2024年2月25日，星期天c.CCD與CMOS比較CCD每曝光一次，在快門關(guān)閉后進(jìn)行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個(gè)像素的電荷信號(hào)依序傳入“緩沖器”中，由底端的線路引導(dǎo)輸出至CCD旁的放大器進(jìn)行放大，再串聯(lián)ADC輸出。相對(duì)地，CMOS的設(shè)計(jì)中每個(gè)像素旁就直接連著ADC（放大兼類比數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器），訊號(hào)直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)CMOS速度快,CCD耗電量大，噪音對(duì)CMOS的影響會(huì)較CCD大，不過CMOS在消噪方面取得不錯(cuò)的發(fā)展。數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要第18頁,共60頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要2圖像顯示模塊

a.顯示設(shè)備：掃描儀、CRT顯示器,LCD,LED

b.圖像輸出

半調(diào)輸出(halftoning):

在每個(gè)像素位置打印一個(gè)其尺寸反比于改像素灰度的黑點(diǎn)，即在亮的圖像區(qū)域打印的點(diǎn)小，而在暗的圖像區(qū)域打印的點(diǎn)大。利用人眼的集成特性，得到比較連續(xù)平滑的灰度圖像。

抖動(dòng)技術(shù)(dithering)：對(duì)原始圖像加一個(gè)隨機(jī)的小噪聲，以幫助消除量化不足而導(dǎo)致的圖像中出現(xiàn)的虛假輪廓現(xiàn)象。通過變動(dòng)圖像的幅度值來改善量化過粗圖像的顯示質(zhì)量。第19頁,共60頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要3 圖像存儲(chǔ)模塊常用硬盤、軟盤、U盤、活動(dòng)硬盤、光盤、磁帶等在海量圖像存儲(chǔ)備份系統(tǒng)中，采用磁盤陣列、磁帶庫、光盤塔等存儲(chǔ)設(shè)備。圖像格式

BMP:位圖，是Windows操作系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式。包含圖像信息豐富，有壓縮和非壓縮兩種。

GIF:為了交換圖片而產(chǎn)生，特點(diǎn)是壓縮比較高，可存儲(chǔ)單幅和多幅圖像。但最多只能存儲(chǔ)256色圖像。TIFF:獨(dú)立于操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的格式，特點(diǎn)是圖像格式復(fù)雜、存儲(chǔ)的圖像細(xì)微層次的信息多，圖像質(zhì)量得以提高。有壓縮和非壓縮兩種。JPEG:用有損壓縮方式去除冗余的圖像和彩色數(shù)據(jù)，獲取得極高的壓縮率的同時(shí)能展現(xiàn)十分豐富生動(dòng)的圖像，用較少的磁盤空間得到較好的圖像質(zhì)量。第20頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4圖像通信模塊圖像通信就是把圖像傳送到遠(yuǎn)方終端。按傳輸圖像種類分為靜止圖像通信，如電報(bào)、傳真等活動(dòng)圖像通信，如電視、可視電話等。5主機(jī)以微機(jī)或工作站為主，配以圖像卡和外設(shè)構(gòu)成微型圖像處理系統(tǒng)6圖像處理和分析模塊由系統(tǒng)管理、圖像數(shù)據(jù)管理和圖像處理模塊三部分組成。數(shù)字圖像處理系統(tǒng)概要第21頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像處理主要研究內(nèi)容1圖像的采集和數(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。

主要包括圖像的采樣與量化。圖像變換目的在于：處理問題簡化、有利于特征提取、加強(qiáng)對(duì)圖像信息的理解。圖像變換算法很多，傅立葉變換、沃爾什變換、DCT等。2

圖像變換第22頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像處理主要研究內(nèi)容3圖像增強(qiáng)

改善圖像視覺效果,加強(qiáng)圖像有用信息，消弱干擾和噪聲。4

圖像恢復(fù)和重建把退化、模糊的圖像復(fù)原。包括圖像輻射和幾何校正等內(nèi)容。模糊的原因有許多種，最常見的有運(yùn)動(dòng)模糊，散焦模糊等等。第23頁,共60頁，2024年2月25日，星期天5

圖像編碼和壓縮

簡化圖像的表示，壓縮圖像的數(shù)據(jù)，以便于存儲(chǔ)和傳輸。圖像處理主要研究內(nèi)容6

圖像分割將一幅圖像的區(qū)域根據(jù)分析對(duì)象進(jìn)行分割,提取感興趣的目標(biāo)。7圖像特征提取與描述

圖像特征提取與描述的各種方法。圖像特征包括：直接特征和間接特征第24頁,共60頁，2024年2月25日，星期天9

圖像隱藏

是指媒體信息的相互隱藏。1）數(shù)字水印2）圖像的信息偽裝圖像處理主要研究內(nèi)容

8

圖像識(shí)別

對(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分類、描述和解譯。第25頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像處理特點(diǎn)?精度高對(duì)于一幅圖像，數(shù)字化時(shí)不管是用多少比特表示，只需改變計(jì)算機(jī)程序的參數(shù)，處理方法不變。所以不管對(duì)多高精度的數(shù)字圖像進(jìn)行處理都是可能的。

模擬圖像處理中，要想使精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，就必須對(duì)裝置進(jìn)行大幅度改進(jìn)。?再現(xiàn)性好數(shù)字圖像均用數(shù)組或數(shù)組集合表示，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，這樣數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失或遭破壞，保持了完好的再現(xiàn)性。模擬圖像處理過程中，就會(huì)因?yàn)楦鞣N干擾因素而無法保持圖像的再現(xiàn)性。第26頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像處理特點(diǎn)通用性、靈活性強(qiáng)不管是可視圖像,還是X光圖像、熱紅外圖像、超聲波圖像等不可見光圖像，盡管生成體系中的設(shè)備規(guī)模和精度各不相同，但當(dāng)把這些圖像數(shù)字化后，都可進(jìn)行同樣處理，即具有通用性。另外，計(jì)算機(jī)可對(duì)圖像進(jìn)行各種各樣的處理，所以靈活性很高。第27頁,共60頁，2024年2月25日，星期天3.圖像和像素圖像和數(shù)字圖像像素和表示第28頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像和數(shù)字圖像圖像類型 {廣義} 圖片，動(dòng)畫，繪圖，文字/檔，... {狹義}

單幅

序列圖象，... 靜止

運(yùn)動(dòng)圖象（視頻），... 2-D

3-D，彩色，立體對(duì)， 多光譜,多視場(chǎng)圖象，... 灰度

深度，紋理圖象，...

第29頁,共60頁，2024年2月25日，星期天模擬圖像 模擬圖像可用連續(xù)函數(shù)來描述。

其特點(diǎn)：光照位置和光照強(qiáng)度均為連續(xù)變化的。數(shù)字圖像

離散化的圖像，像素是其最小的單位圖像和數(shù)字圖像第30頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像和像素

數(shù)字圖像實(shí)例

ORCOI(r,c)YXf(x,y)屏幕顯示使用圖像計(jì)算使用第31頁,共60頁，2024年2月25日，星期天像素（pictureelement,pixel) 數(shù)字圖像可分解為許多單元，每個(gè)基本單元叫做圖像 元素 像素或像元的屬性：空間位置和灰度。 像素越多，圖像的分辨率越高，圖像的細(xì)節(jié)就越多像素和表示

第32頁,共60頁，2024年2月25日，星期天像素和表示

第33頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像表示/像素表示

2-D數(shù)組 f(x,y)

x，

y：2-D空間XY中像素的位置

f：代表圖象在(x,y)的性質(zhì)F的數(shù)值

f，x，y的值可以是任意實(shí)數(shù)

性質(zhì)F

:可對(duì)應(yīng)不同物理量

灰度圖象里用灰度表示*表示圖像就需要表示其各個(gè)像素*表示像素就是通過空間位置和灰度像素和表示

第34頁,共60頁，2024年2月25日，星期天圖像表示/像素表示矩陣

矢量

M:行數(shù)N:列數(shù)像素和表示

第35頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

黑白圖像

指圖像的每個(gè)像素只能是黑或者白，沒有中間的過渡，故又稱為二值圖像。2值圖像的像素值為0、1。

灰度圖像

是指每個(gè)像素的信息由一個(gè)量化的灰度級(jí)來描述的圖像，沒有彩色信息。

像素和表示

第36頁,共60頁，2024年2月25日，星期天灰度圖像描述示例像素和表示

第37頁,共60頁，2024年2月25日，星期天彩色圖像

彩色圖像是指每個(gè)像素的信息由RGB三原色構(gòu)成的圖像，其中RBG是由不同的級(jí)來描述的。

像素和表示

第38頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4.像素間聯(lián)系像素鄰域像素間的距離第39頁,共60頁，2024年2月25日，星期天像素鄰域

象素的鄰域

4-鄰域——N4(p)：

對(duì)角鄰域——ND(p)： 8-鄰域——N8(p)：rrprrsspsssrsrprsrs如果q在p的鄰域中，p和q是鄰接第40頁,共60頁，2024年2月25日，星期天連接 （adjacency,鄰接）vs.

(connectivity,連接)

鄰接僅考慮象素間的空間關(guān)系 兩個(gè)象素是否連接：

(1)是否接觸（鄰接） (2)灰度值是否滿足某個(gè)特定的相似準(zhǔn) 則（同在一個(gè)灰度值集合中取值）像素鄰域

第41頁,共60頁，2024年2月25日，星期天連通

兩個(gè)像素p和q間有一系列連接的像素 連接是連通的一種特例通路

由一系列依次連接的象素組成 從具有坐標(biāo)(x,y)的象素p到具有坐標(biāo)(s,t)的象素q的一條通路由一系列具有坐標(biāo)(x0,y0)，(x1,y1)，…，(xn,yn)的獨(dú)立象素組成。這里(x0,y0)=(x,y)，(xn,yn)=(s,t)，且(xi,yi)與(xi-1,yi-1)鄰接，其中1≤i

≤

n，n為通路長度

4-連通，8-連通

4-通路，8-通路像素鄰域

第42頁,共60頁，2024年2月25日，星期天像素間距離

距離量度函數(shù)

3個(gè)象素p，q，r，坐標(biāo)(x,y)，(s,t)，(u,v)

(1)

兩個(gè)象素之間的距離總是正的

(2)

距離與起終點(diǎn)的選擇無關(guān)

(3)

最短距離是沿直線的第43頁,共60頁，2024年2月25日，星期天距離量度函數(shù)

(1)歐氏（Euclidean）距離

(2)城區(qū)（city-block）距離 (3)棋盤（chessboard）距離像素間距離

結(jié)果準(zhǔn)確，運(yùn)算量大運(yùn)算量小，有一定誤差第44頁,共60頁，2024年2月25日，星期天像素間距離

距離量度函數(shù)

距離計(jì)算示例DE=5D4=7D8=4第45頁,共60頁，2024年2月25日，星期天像素間距離

用距離定義鄰域 考慮在空間點(diǎn)(xp,yp)的象素p 4-鄰域——N4(p) 8-鄰域——N8(p)第46頁,共60頁，2024年2月25日，星期天5.圖像坐標(biāo)變換平移變換尺度變換旋轉(zhuǎn)變換級(jí)聯(lián)第47頁,共60頁，2024年2月25日，星期天設(shè)點(diǎn)P0(x0,y0,z0)進(jìn)行平移后，移到P(x,y,z)，其中沿坐標(biāo)軸方向的平移量分別為Δx,Δy,Δz

。則點(diǎn)P(x,y,z)的坐標(biāo)為平移變換利用齊次坐標(biāo)，變換前后圖像上的象素點(diǎn)之間的關(guān)系可用如下矩陣變換表示變換矩陣T*圖像坐標(biāo)變換的矩陣表示：v’=Avv原坐標(biāo)的適量v’變換后坐標(biāo)的矢量第48頁,共60頁，2024年2月25日，星期天將圖像沿坐標(biāo)軸方向進(jìn)行比例縮放，從而獲得一幅新圖像。如果在x軸和y軸方向變換比率相同，則稱為全比例縮放，否則，圖像的尺度變換會(huì)改變?cè)紙D像像素間的相對(duì)位置，產(chǎn)生幾何畸變。設(shè)尺度因子為f，尺度變換前后兩點(diǎn)P0(x0,y0,z0)、P(x,y,z)之間的關(guān)系用矩陣形式可以表示為尺度變換變換矩陣S第49頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1)繞x軸旋轉(zhuǎn)α角度2)繞x軸旋轉(zhuǎn)α角度3)繞y軸旋轉(zhuǎn)β角度旋轉(zhuǎn)變換

變換矩陣R第50頁,共60頁，2024年2月25日，星期天級(jí)聯(lián)

對(duì)一個(gè)坐標(biāo)為v的點(diǎn)進(jìn)行平移、放縮、旋轉(zhuǎn)等基本變換后所完成的變換?？梢宰C明，級(jí)聯(lián)的矩陣等于基本變換的矩陣按順序依次相乘所得組合矩陣。可表示為： 用單個(gè)變換矩陣的方法可對(duì)點(diǎn)矩陣v變換 這些矩陣的運(yùn)算次序一般不可互換第51頁,共60頁，2024年2月25日，星期天6.采樣和量化圖像的數(shù)字化采樣量化量化參數(shù)與數(shù)字化圖像間的關(guān)系第52頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

圖像的數(shù)字化：將模擬圖像離散化后得到用數(shù)字表示的圖像。把圖像分割成如圖所示一個(gè)個(gè)小區(qū)域（像元或像素），并將各小區(qū)域的灰度用整數(shù)表示，形成一幅數(shù)字圖像。它包括采樣（sampling)和量化(quantization)兩個(gè)過程。像素的位置和灰度是像素的屬性。

圖像數(shù)字化

第53頁,共60頁，2024年2月25日，星期天將空間上連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換成離散的采樣點(diǎn)（即像素）集的操作稱為采樣。由于圖像是二維分布的信息，所以采樣是在x軸和y軸兩個(gè)方向上進(jìn)行。采樣第54頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

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)馬賽克效應(yīng)；采樣間隔越小，